211service.com
Zinātne par gļotām
Katharina Ribbeck ir dzirdējusi katru flegma, booger un loģe joku grāmatā. Taču viņas pētījumi par gļotām atklāj, ka tās ir inženierijas brīnums un svarīga imūnsistēmas aizsardzības līnija. 2018. gada 19. decembris
Puņķis. Boogers. Flegma. Tas, kas pil no deguna, kad esi saaukstējies. Neatkarīgi no tā, kā jūs to saucat, gļotām ir slikta reputācija kā nepatīkamam atkritumu produktam, slimības pazīmei.
Bet, neskatoties uz augsto ick faktoru, gļotainā viela veic ievērojamu virkni dzīvībai svarīgu funkciju. Galu galā tas aptver vairāk nekā 200 kvadrātmetrus mūsu ķermeņa — no mūsu mutes līdz gremošanas sistēmai, urīnceļiem, plaušām, acīm un dzemdes kaklam. Tas ieeļļo un mitrina, ļauj norīt, nosaka, ko mēs garšo un smaržo, un selektīvi filtrē barības vielas, toksīnus un dzīvās šūnas, piemēram, baktērijas, spermas šūnas un sēnītes. Tā ir patiešām pārsteidzoša barjera, saka Katrīna Ribeka, bioloģiskās inženierijas asociētā profesore. Tas ļauj mums integrēt barības vielas; tas pasargā mūs no patogēniem. Tas ir arī galvenais šķērslis narkotiku piegādei. Bet mums nav ne jausmas, kā tas darbojas.
Ribeka un viņas skolēni cenšas to mainīt. Pētot šo lipīgo hidrogelu, viņa cer izstrādāt jaunus veidus, kā diagnosticēt un ārstēt cilvēku slimības. Viņa saka, ka gļotās ir daudz informācijas par mūsu veselību. Mūsu mērķis nākamajos pāris gados ir izmantot šo nepietiekami izmantoto bioinformācijas avotu un to izmantot.
Gļotu čempions
Ribeka sākotnēji nedomāja koncentrēt savu pētījumu uz gļotām. Heidelbergas Universitātē Vācijā viņa studēja bioloģiju un bioķīmiju, bet vecāko kursu viņa devās uz Kalifornijas Universitāti Sandjego, lai strādātu pie sava diplomdarba neirobioloģijā. Kad viņa atgriezās Heidelbergā, lai studētu skolā, viņa sāka pētīt kodola poru bioloģiju — kanālu, kas regulē saziņu starp šūnas kodolu un pārējo šūnu.
Gļotas, viņa saka, nekad nebija manā radarā augstskolā. Bet, tāpat kā gļotas, kodola poras darbojas arī kā selektīvas barjeras: tās ļauj dažām daļiņām iziet cauri, vienlaikus bloķējot citas.
Pēc doktora grāda iegūšanas Ribeka plānoja izveidot pētniecības grupu Vācijā, turpinot pētījumus par kodola porām. Bet tad draugs Hārvardas Medicīnas skolā ieteica viņai pavadīt gadu, strādājot viņa laboratorijā. Viņa saka, ka tās ir lietas, ko jūs nedarāt. Tāpēc es nolēmu doties uz turieni, paredzot interesantu, bet dzīvi nemainošu gadu.
Pavadot 2007. gadu kā vieszinātnieks, Ribeks dzirdēja par Hārvardas stipendiju, kas nodrošinās laboratoriju, sākuma finansējumu un neatkarīga pētnieka statusu. Nozveja? Pretendentiem bija jāierosina uzsākt jaunu studiju virzienu.
Gļotas toreiz nebija pietiekami pētītas, taču bija zināms, ka tām ir galvenā loma veselības saglabāšanā. Ribeks ierosināja izveidot gļotu laboratoriju un saņēma stipendiju.
Jau sākumā Hārvardā viņa saprata, ka gļotu izpētei noderēs zināšanas un instrumenti, kas tiek izstrādāti MIT Bioloģiskās inženierijas departamentā — audu zinātnē un inženierijā, mikrofluidikā un citās jomās. Viņa pievienojās fakultātei 2010. gadā, nopelnot pilnvaras 2017. gadā.
Mani uzreiz pārsteidza Katrīnas enerģiskā radošuma dzirksts, saka nodaļas vadītājs Duglass Laufenburgers. Viņas pētniecisko interešu tēma sākotnēji šķita diezgan savdabīga, taču ļoti pārliecinoša bija viņas formulējums par tās plašo nozīmi mikrobioloģijā un medicīnā un mērķi izprast to fundamentāli veidā, kas varētu novest pie vērtīgu tehnoloģiju izstrādes.
Infekcijas novēršana
Viena no Ribbeka pētītajām parādībām ir tāda, ka gļotas ļoti veiksmīgi savalda normāli patogēnos mikrobus. Vēl nesen zinātnieki domāja, ka tas ir vienkārši tāpēc, ka tas darbojās kā mehāniska barjera, notverot baktērijas un citus patogēnus. Tomēr Ribeka darbs ir parādījis, ka gļotām ir daudz niansētāka loma.
Galvenie gļotu veidojošie bloki ir mucīni — gari, pudelēm līdzīgi proteīni ar daudzām pievienotām cukura molekulām, ko sauc par glikāniem. Un mucīni, atklāja Ribbeck, faktiski traucē daudzas infekciozo baktēriju galvenās funkcijas. Viņa saka, ka mucīnu klātbūtnē pazīmes, kas padara šos patogēnus virulentus, ir ievērojami samazinātas. Tas ietver toksīnu izdalīšanos, spēju pļāpāt vienam ar otru un spēju pievienoties šūnu virsmām.
Ja šīs spējas tiek pārtrauktas, baktērijas vairs nevar kolonizēties uz virsmas, veidojot noturīgus gļotainus slāņus, ko sauc par bioplēvēm, kas mēdz būt kaitīgākas nekā šūnas atsevišķi: tās var izraisīt dažādas veselības problēmas, tostarp zobu dobumus un čūlas, un var izrādīties nāvējošs cilvēkiem ar cistisko fibrozi.
Ribbeka laboratorija to noskaidroja, attīrot gļotas no cūkas kuņģa, lai izolētu mucīnu, ko sauc par MUC5AC, kas ir saistīts ar mucīnu, kas atrodams cilvēka elpceļos un kuņģī. Pēc tam pētnieki izveidoja trīsdimensiju matricas ar un bez mucīna un ievietoja infekciozās baktērijas, ko sauc P. aeruginosa abos. Matricas baktērijas bez MUC5AC pievienojās matricas virsmai, veidojot blīvas bioplēves. MUC5AC matricā bioplēves neveidojās. Taču, kad pētnieki baktērijās izdzēsa gēnu, kas ļāva tām turpināt kustēties, viņi atklāja kaut ko interesantu: infekciozās baktērijas MUC5AC matricā saspiedās kopā, atdarinot materiālu, kas uzkrājas, veidojot neparasti biezas gļotas cistiskās fibrozes gadījumā. Ribeks atklāja, ka tas nozīmē, ka, lai gan mucīns aiztur tādas lietas kā putekļi un citas ieelpotās daļiņas, baktērijām tas darbojas pretēji, noturot tās kustībā, lai tās nevarētu veidot bioplēves. Viņas grupa atklāja, ka tas pats attiecas uz citiem mikrobiem, tostarp Candida .
Ribbeka pētījumi arī atklāja, ka glikāni — sarežģītās cukura molekulas mucīnā — ir atslēga tās spējai novērst patogēnus. Tika pieņemts, ka viņu galvenā loma bija padarīt mucīna polimērus stīvus, un viņas laboratorija un citi bija izolējuši glikānus, lai saskaitītu, cik daudz dažādu veidu pastāv. Mucīnos, izrādās, ir simtiem dažādu glikānu. Taču, neskaitot tos, Ribeks arī salīdzināja glikānus mucīnā dažādās ķermeņa daļās un sāka pētīt, ko tie patiesībā dara. Salīdzinot dabiskos mucīnus ar mucīniem, kuriem tika noņemti glikāni, viņa atklāja, ka šie cukuri ir būtiski mucīnu spējai atvairīt baktērijas un novērst to pieķeršanos virsmām. Sākotnēji pārsteigta par šo atklājumu, viņa saprata, ka glikāni cilvēka pienā pilda līdzīgu funkciju, palīdzot mazuļiem palikt veseliem, kalpojot par šķīstošiem receptoriem, kas būtībā novērš uzņemto patogēnu uzmanību, neļaujot tiem pievienoties vietās, kur tie varētu izraisīt infekciju. Viņa saka, ka savā ziņā gļotas pieaugušajiem ir kā mātes piens.
Ribbeck tagad pēta simtiem glikānu īpašās funkcijas, kas ir attīstījušies, lai dažādos veidos mijiedarbotos ar dažādiem patogēniem un atspējotu tos. Viņa uzskata, ka mucīni satur plašu dažādu molekulu bibliotēku, kas ir gatavas pārbaudei, lai iesaistītos jebkuros mikrobios, neatkarīgi no tā, vai tie ir vīrusi, baktērijas, sēnītes vai parazīti. Iedomājieties, cik tas ir skaisti, viņa saka.
Inženieri jau sen ir interesējušies par tādu materiālu izstrādi, kas atdarina gļotas, galvenokārt to eļļošanas spēju dēļ. Tomēr intriģējošās pretmikrobu īpašības, ko atklāja Ribbeka laboratorija, ir likušas daudziem pētniekiem sākt strādāt pie sintētiskām mucīnu versijām, lai tās varētu izmantot infekcijas slimību ārstēšanā vai profilaksē. Daži provizoriski pētījumi no Ribbeka laboratorijas liecina, ka mucīni var efektīvi ārstēt brūces, kas inficētas ar baktērijām, kas ir rezistentas pret tradicionālajām antibiotikām.
Diagnostikas instruments
Ribbeka laboratorija arī analizē lipīguma un citu biofizikālo ietekmi slimības laikā mainās gļotu īpašības , kas varētu palīdzēt pētniekiem atklāt biomarķierus, ko varētu izmantot daudzu dažādu slimību diagnosticēšanai. Pēdējos gados viņa ir publicējusi pētījumus, kas liecina, ka izmaiņas grūtnieču dzemdes kakla gļotās var atklāt viņu risku, ka viņi sāks pārāk agri.
Vairāk nekā 10% bērnu, kas dzimuši visā pasaulē, piedzimst pirms pilnā termiņa, kas definēts kā 37 grūtniecības nedēļas, taču nebija uzticama veida, kā paredzēt priekšlaicīgas dzemdības. Cerībā atrast noderīgu prognozētāju, Ribeks analizēja dzemdes kakla gļotu ķīmiskās un mehāniskās īpašības. Viņa atklāja, ka gļotas no sievietēm, kurām ir augsts agrīnas dzemdību risks, ir mehāniski vājākas, elastīgākas, caurlaidīgākas un mazāk lipīgas. Var rasties priekšlaicīgas dzemdības, jo dzemdes kakla gļotas ir jutīgākas pret mikrobu invāziju, kas var izraisīt infekciju.
Citi apstākļi, kas maina gļotas, ir gremošanas slimības, piemēram, Krona un čūlainais kolīts, kā arī elpceļu slimības. Diagnostikas svētais grāls, saka Ribeks, ir saistīt siekalu sastāva izmaiņas ar slimībām, kas ietekmē gļotādas virsmas visā ķermenī.
Ja jums ir novirzes gļotu veidošanās mutē, pastāv iespēja, ka tas attiecas uz citām ķermeņa daļām, viņa saka. Tātad mēs varētu no siekalām uztvert attālu gļotādu virsmu slimības. Tas būs ļoti aizraujoši, jo, protams, tas ir neinvazīvs, taču informatīvs.
Grosoloģija 101
Ribeka saka, ka viņas pētījumi ir dabiska bērnu interešu tēma, ko viņa izmanto, lai viņus aizrauj par zinātni. Grossology vasaras sesijās, kas tiek piedāvātas Bostonas Zinātnes muzejā, viņa un viņas studenti māca pamatskolas un vidusskolas skolēniem veidot polimēru tīklus, izmantojot gļotas kā savu izvēlēto materiālu. Bērni arī uzzina par gļotu unikālajām barjeras īpašībām un to, kāpēc tās ir tik gļotas.
Šeit mērķis ir patiešām iepazīstināt ar lauku nākamajām paaudzēm, lai viņi augtu saprotot, ka gļotas nav atkritumu produkts. Viņa saka, ka tā ir mūsu fizioloģijas neatņemama sastāvdaļa un patiešām svarīga mūsu veselības sastāvdaļa.
Viņa arī strādā pie bērnu grāmatas, kurā galvenajā lomā ir formu mainošs varonis, kas veidots no gļotām, izceļot daudzās lomas, ko tā spēlē mūsu ķermenī.
Bērnus ļoti aizrauj gļotas, un es domāju, ka daļa no šīs aizraušanās pieaugušajiem varētu nepazust, saka Ribeks. Otra lieta, kas padara to intriģējošu tik daudziem cilvēkiem, tostarp man, ir pārsteiguma elements, kad atrodat tik izsmalcinātus un elegantus inženierijas gabalus kaut ko tik izplatītā kā gļotas.