In een scherpe en puntige wereld, wondgenezing is een kritisch en wonderbaarlijk proces. Ondanks een enorme hoeveelheid wetenschappelijk onderzoek, er zijn nog steeds veel onopgeloste mysteries over de manier waarop cellen in levend weefsel reageren op fysieke schade en deze herstellen.

Een prominent mysterie is hoe wondgenezing precies wordt geactiveerd:een beter begrip van dit proces is essentieel voor het ontwikkelen van nieuwe en verbeterde methoden voor de behandeling van alle soorten wonden.

Met behulp van een ultrasnelle, ultraprecieze ultraviolette laser, een team van natuurkundigen en biologen van de Vanderbilt University heeft een belangrijke stap gezet om de aard van deze triggersignalen te begrijpen. Hun nieuwe inzichten worden beschreven in een paper met de titel "Meerdere mechanismen sturen calciumsignaaldynamiek rond laser-geïnduceerde epitheliale wonden", gepubliceerd op 3 oktober door de Biofysisch tijdschrift .

Eerder onderzoek had uitgewezen dat calciumionen een sleutelrol spelen bij wondrespons. Dat is niet verwonderlijk, omdat calciumsignalering een impact heeft op bijna elk aspect van het cellulaire leven. Dus, de onderzoekers - onder leiding van hoogleraar natuurkunde en biologische wetenschappen Shane Hutson en universitair hoofddocent cel- en ontwikkelingsbiologie Andrea Page-McCaw - richtten zich op cellen op de achterkant van fruitvliegpoppen die een eiwit tot expressie brachten dat fluoresceert in de aanwezigheid van calciumionen. Hierdoor konden ze veranderingen in calciumionconcentraties in de cellen rond wonden in levend weefsel volgen (in tegenstelling tot de celculturen die in veel eerdere wondresponsstudies werden gebruikt) en dit met een ongekende, milliseconde precisie.

Het team creëerde microscopisch kleine wonden in de epitheellaag van de poppen met behulp van een laser die kan worden gefocust tot een punt dat klein genoeg is om microscopisch kleine gaatjes in individuele cellen te slaan (minder dan een miljoenste van een meter). Dankzij de precisie van de laser konden ze herhaalbare en controleerbare wonden maken. Ze ontdekten dat zelfs de kortste pulsen in het bereik van nanoseconden tot femtoseconden een microscopische explosie produceerden, een cavitatiebel genaamd, krachtig genoeg om nabijgelegen cellen te beschadigen.

"Als resultaat, de schade die de laserpulsen veroorzaken is vrij gelijkaardig aan een punctiewond omgeven door een verbrijzelingswond - stomp trauma in forensische termen - dus onze observaties moeten van toepassing zijn op de meest voorkomende wonden, " zei eerste auteur Erica Shannon, een doctoraatsstudent ontwikkelingsbiologie.

De onderzoekers testten twee heersende hypothesen voor de trigger voor wondrespons. Een daarvan is dat beschadigde en stervende cellen eiwitten afgeven in de extracellulaire vloeistof die omringende cellen voelen, waardoor ze hun interne calciumgehalte verhogen. Deze verhoogde calciumconcentratie, beurtelings, triggert hun transformatie van een statische naar een mobiele vorm, waardoor ze kunnen beginnen met het afdichten van de wond. De tweede hypothese stelt voor dat het triggersignaal zich van cel naar cel verspreidt via gap junctions, gespecialiseerde intercellulaire verbindingen die twee cellen direct verbinden op punten waar ze elkaar raken. Dit zijn microscopisch kleine poortjes die naburige cellen in staat stellen ionen uit te wisselen, moleculen en elektrische impulsen snel en direct.

"Wat buitengewoon opwindend is, is dat we bewijs hebben gevonden dat cellen beide mechanismen gebruiken, " zei Shannon. "Het blijkt dat cellen een aantal verschillende manieren hebben om letsel te signaleren. Hierdoor kunnen ze onderscheid maken tussen verschillende soorten wonden." Uit de experimenten bleek dat het ontstaan ​​van een wond een complexe reeks calciumsignalen in het omringende weefsel genereert:

• Eerst komt er een snelle instroom van calcium in de cellen direct rond de wond. Dit komt overeen met de voetafdruk van de cavitatiebel. Het calciumgehalte in de extracellulaire vloeistof is veel hoger dan in de cellen. Vanwege de snelheid waarmee het gebeurt (minder dan een tiende van een seconde) stellen de onderzoekers dat deze instroom wordt veroorzaakt door microscheurtjes in celmembranen die door de kracht van de micro-explosie zijn opengescheurd;
• Volgende, een kortstondige, korte-afstandsgolf verspreidt zich door gezonde naburige cellen. Hoe groter de wond, hoe sneller de golf zich verspreidt. De snelheid waarmee de golf beweegt, suggereert dat hij door spleetovergangen reist en bestaat uit calciumionen of een ander klein signaalmolecuul.
• Ongeveer 45 seconden na verwonding verschijnt een tweede golf. Deze golf beweegt veel langzamer dan de eerste golf, maar verspreidt zich aanzienlijk verder. De onderzoekers interpreteren dat dit betekent dat het wordt verspreid door grotere moleculen, hoogstwaarschijnlijk speciale signaaleiwitten, die langzamer diffunderen dan ionen. Echter, ze waarschuwen dat verdere experimenten nodig zijn om deze veronderstelling te bevestigen. De tweede golf treedt alleen op wanneer cellen worden gedood, niet als ze net beschadigd zijn, wat suggereert dat het afhankelijk is van de omvang van de schade.
• De eerste twee golven verspreiden zich relatief symmetrisch door het weefsel. Na de tweede golf echter, het gebied met een hoge calciumconcentratie begint "fakkels" uit te zenden - gerichte stromen van calciumopname die zich verder in het omringende weefsel verspreiden. Elke opflakkering duurt tientallen seconden en nieuwe opflakkeringen blijven langer dan 30 minuten na het letsel beginnen.

"Zodra we deze triggermechanismen begrijpen, het moet mogelijk zijn om manieren te vinden om het wondgenezingsproces te stimuleren bij mensen met aandoeningen, zoals suikerziekte, die het proces vertragen of zelfs de normale wondgenezing versnellen, ' zei Hutson.