Bár ez nem feltétlenül tűnik nyilvánvalónak, a szerveink és szöveteink sejtjei folyamatos mozgásban vannak. A sejtek szükséges helyekre juttatása a megfelelő időben az egészség és a túlélés fontos feltétele. A sebek helyére például bőrsejtek vándorolnak, az immunrendszer sejtjei a fertőzések helyére sietnek, és így tovább. „A testünk külső látszólag nem sokat változik egyik napról a másikra, de a sejtjeink folyamatosan mozognak” – mondja Peter Devreotes, a Johns Hopkins Egyetem orvosi karának sejtbiológusa.
A sejtvándorlás az egyedfejlődés egészen korai időszakában megkezdődik. Az embrió pár hetes korában az úgynevezett dúcléc speciális sejtpopulációjából a sejtek hirtelen az egész testbe elkezdenek szétvándorolni, hogy egy sor különleges és fontos szövetet hozzanak létre: csontokat, porcokat, arcidegeket, pigmentsejteket, a szív egyes részeit stb.
De honnan tudják ezek a sejtek, hogy hova kell menniük? A vonatkozó vizsgálatok alapján a kutatók egy ideje már sejtik, hogy kémiai anyagok által kijelölt útvonalakat követnek. A hagyományos biológiai szemlélet szerint ezek egyszerű kémiai gradiensek (vagyis többnyire egy anyag eloszlását jellemző koncentrációkülönbségek), a sejtek pedig passzívan követik ezeket, hasonlóan a kutyákhoz, akik a táplálék szagát követik. Hasonlóan „motivált” mozgásokra számos példa van a baktériumok világából, de saját testünkből is. Például ha megvágjuk az ujjunkat, a seb körüli szövetekben egy sor kémiai anyag szabadul fel, amelyek a helyszínre vonzzák az immunsejteket.
A kutatók azonban egy ideje már azzal is tisztában vannak, hogy ilyen módon nem lehet magyarázatot adni mindenféle sejtvándorlásra, ami testszerte történik. A passzív gradiensek egyszerűen túl bizonytalanok, túl könnyen megzavarhatók ehhez, ráadásul nem is elég nagy a hatótávjuk, vagyis nem tudnának minden sejthez elérni.
A szakértők azonban nemrégiben feltárták a folyamat egy új, eddig ismeretlen összetevőjét, amely többek közt magyarázatot adhat a dúcléc sejtjeinek irányítási rejtélyére, és talán más sejtmozgásokra is. A friss eredmények szerint az egyszerű kémiai gradiensek mellett a dúcléc sejtjei képesek érzékelni saját útjukat a testben, ugyanis olyan fizikai feszültségkülönbségeket hoznak létre a környező szövetekben, amelyek révén a megfelelő irányba haladhatnak.
Vagyis a sejtek gyakorlatilag maguk generálják a jeleket, amelyekkel irányítódnak.
Sejtek a labirintusban
Robert Insall, a Glasgow-i Egyetem kutatója és kollégái egy kontrollkísérlet során realizálták, hogy valami nem stimmel a hagyományos magyarázatokkal a sejtek vándorlásával kapcsolatban. A szakértők annak igazolására, hogy a sejtek irányításához meglévő gradiensekre van szükség, lizofoszfatidsavat (LPA) oszlattak el egyenletesen egy edény alján. Ez egy gyakori jelzőmolekula, amely vonzza a sejteket. Az edény egyik felébe tumorsejteket helyeztek, és azt várták, hogy gradiens hiányában a sejtek legfeljebb véletlenszerűen fognak mozogni, ha egyáltalán elmozdulnak a helyükről.
A sejtek azonban a szakértők meglepetésére az edény túlsó oldalára kúsztak anélkül, hogy a kémiai anyag bármiféle útvonalat jelölt volna ki számukra. A tumorsejtek menet közben bontották a körülöttük levő LPA-t, és arra haladtak, ahol többet érzékeltek az anyagból.
Ahogy Insall mondja, azért végezték a kísérletet, hogy megmutassák, már teljesen értik a folyamatot. Ehhez képest kiderült, hogy egyáltalán nem ez a helyzet.
Insall később azt is megtudta, hogy a jelenséget már fél évszázaddal ezelőtt észlelte valaki. 1966-ban megjelent a Science oldalain egy tanulmány, amelyben Julius Adler, a Wisconsini Egyetem kutatója arról beszámolt be, hogy az általa megfigyelt Escherichia coli baktériumok akkor is átvándoroltak a Petri-csésze egyik oldaláról a másikra, ha abban teljesen egyenletes volt az oxigén és a tápanyagok eloszlása. A baktériumok szintén felélték a környezetükben található anyagokat, és ezt követően arrafelé mentek, ahol ezekből több volt. Vagyis, ahogy Adler megállapította, a baktériumok maguk teremtették meg az irányításukhoz szükséges gradienst.
Adler megfigyelései azonban a következő fél évszázadra a feledés homályába vesztek. Amikor aztán Insall és társai is megfigyelték ugyanazt a jelenséget, már tudatosan kísérletezni kezdtek, hogy minél többet tudjanak meg a sejtek ezen különös viselkedéséről. Ehhez például finom kis „érhálózatokat”, apró labirintusokat hoztak létre, majd megfigyelték, hogyan mozognak ezekben a sejtek.
2016-ra kellő mennyiségű adat gyűlt össze ahhoz, hogy Insall és csapata előálljon egy részletes új koncepcióval. Szerintük a sejtek képesek öngerjesztett gradiensekkel magukat irányítani. Ez azonban nem minden. Ezen gradiensek segítségével egészen bonyolult labirintusokból is kitalálnak, köztük III. Vilmos angol király híres sövénylabirintusának miniatűr másából is. A sejtek lebontották a zsákutcákban található LPA-t, és új utakat kerestek. Ha pedig túl sok volt körülöttük az LPA, addig bontották azt, amíg ismét képesek voltak saját gradienseket létrehozni benne. Ha az LPA valahonnan befelé áramlott, annak forrását a sejtek akkor is megtalálták, ha egészen távol volt tőlük. Az egyik kísérlet során a labirintusként használt hálózat megsérült, és megnyílt egy rövidebb útvonal az LPA forrása felé. A sejtek azonnal megtalálták a rövidítést, mondja Insall.
Ez az alternatív irányítási rendszer magyarázatot ad azon sejtmozgásokra, amelyekre eddig nem volt magyarázat, mondja Darren Gilmour, a Zürichi Egyetem molekuláris biológusa. Az öngenerált gradiensek egy sor rejtélyt megoldanak a tumorsejtek, a halembriók sejtjei, az immunsejtek, a baktériumok és a nyálkagombák mozgása kapcsán, de a kutatók gyakorlatilag mindenhol új példákat találnak rá, ahol vizsgálják a jelenséget.
Puhuló környezet
Az öngenerált gradiensekre vonatkozó kutatások többsége eddig kémiai jelekre koncentrált, de a sejtek másfajta, fizikai gradiensek létrehozására is képesek, beleértve a mechanikaiakat. Egy új, a dúcléc sejtjeivel foglalkozó kutatás során például a szakértők nagy meglepetésére kiderült, hogy a sejtek merevségi gradienst is generálhatnak.
A kérdéses sejtek vándorlásának vizsgálata érdekében Adam Shellard, a University College London kutatója a sejtek környezetének rigiditását tesztelte. Aprólékosan vizsgálta 1 milliméteres békaembriókban, hogy mennyire merevek az egyes helyeken a szöveteik. Ennek során észrevette, hogy a merev szövetek között van egy puhább rész, ami ráadásul nem mindig ugyanott van. További vizsgálatok során kiderült, hogy a puha rész a vándorló dúcléc-sejtekkel együtt halad, mivel ezek „puhítják fel” az extracelluláris mátrixot, vagyis a szomszédos sejtek közti fehérjestruktúrákat.
A vándorló sejtek tehát felpuhítják környezetüket, ugyanakkor nem akarnak ebben a környezetben maradni, így mindig merevebb részek felé mozdulnak el.
A kutatók már korábban is tudták, hogy a vándorló sejtek előtti sejtek olyan vegyi anyagot termelnek, ami vonzza a dúcléc-sejteket. És mivel az ezt termelő sejteket viszont taszítják a dúcléc-sejtek, ezek mindig tovább mozdulnak, magukkal „vontatva” a vándorló sejteket. Az újonnan felfedezett mechanikus gradiens ezzel a kémiai jelzésrendszerrel együtt működik, közösen vezérelve azok a vándorló sejtek mozgását ebben a furcsa „fogócskában”.
Azóta az is kiderült, hogy hasonlóan a kémiai gradiensekhez, a merevségi gradiens is nagyon elterjedt, és a kutatók már rengeteg helyzetben azonosították. Az ezekről beszámoló tanulmányok rövidesen tömegével jelennek meg, mondják a szakértők.
Robusztus megoldások
Egyes kutatók közben annak feltárásán dolgoznak, hogyan működnek olyan jól az öngenerált gradiensek, hogyan lehetséges, hogy különösen ellenállóak a zavaró tényezőkkel szemben. Sujit Datta, a Princeton kutatója és kollégái friss vizsgálatukban éppen a rendszer robusztusságát igazolták. A szakértők 3D nyomtatással E. coli sejteket nyomtattak zselébe különböző mértékben hullámos vonalakban. Függetlenül attól, hogy mennyire volt hullámos a vonal, a sejtek mindig kiegyenesítették egy vonallá, ahogy előre haladtak a zselében.
Ez is az öngenerált gradiensek miatt lehetséges. A hullámos vonal „dombjaira” kerülő baktériumok közelebb kerültek a zselé tápanyagokkal teli részéhez, és ez a bőség elárasztotta receptoraikat. Ezek addig nem kezdtek haladni, amíg le nem bontották a helyi tápanyagokat, és így érezni nem kezdték, hogy merre kell továbbmenni még több tápanyagért. A „völgyekben” helyet kapó baktériumok viszont kevesebb tápanyaghoz jutottak helyben. Így ezek hamarabb kifogytak az erőforrásokból, és hamarabb be tudták lőni, hogy merre kell indulni. Ez az előny lehetővé tette, hogy beérjék a dombok baktériumait, és így kiegyenesítsék a vonalat, amely a továbbiakban együtt haladt tovább.
Datta szerint ugyanez az elv másfajta gradiensek esetén is működhet, beleértve a merevségi gradienst is. A gradiensek képesek kiegyenlíteni a helyi „zavarokat”, így nem kavarják meg őket a legfurcsább körülmények sem. Ennek ráadásul a fejlődés és a gyógyulás sokszor kaotikus folyamataiban is fontos szerepe lehet a szakértők szerint.
Insall szerint ezek a folyamatok egyes rákterápiákra is hatással lehetnek, rontva azok hatékonyságát. Ugyanakkor a rendszer ismeretében lehetséges lehet mindezt kicselezni, sőt, akár új kezelések kifejlesztése is lehetségessé válhat a folyamatok ismeretében. Ezen új terápiákkal például a megszokottakkal versenyre kelő gradienseket lehetne létrehozni, olyan helyekre vezetve a tumorsejteket, ahol kisebb kárt okoznak vagy könnyebben célba vehetők az agresszív kezelésekkel.
Az öngenerált gradiensek koncepciója nem csak azért fontos, mert magyarázatot ad a sejtek mozgásának mikéntjére. A sejtek kapcsán sokáig az volt az elképzelés, hogy ezek viselkedését elsősorban a gének határozzák meg. De az új eredmények fényében egyre nyilvánvalóbb, hogy a sejtek nem engedelmes katonák, akik betűről betűre végrehajtják az előre parancsot.
Hanem inkább olyanok, mint a csapatban sportolók: a megszerzik a labdát (vagy más játékszert), elindulnak vele, és folyamatosan új döntéseket hoznak, alkalmazkodva a körülményekhez.
Vagyis a sejtszintű kontroll sokkal fontosabb, mint amit korábban sejtettek a szakértők, és a sejtek meglepően komplex önálló és együttes működésekre képesek.
