Menselijke lichamen hebben een aantal ingebouwde systemen om voor zichzelf te zorgen. De cellen die onze longen bekleden, neus, hersenen en voortplantingssysteem hebben trilhaartjes, die klein zijn, haarachtige structuren ontworpen om vloeistoffen weg te vegen, cellen en microben om gezond te blijven. Maar de mechanismen achter hun beweging worden niet goed begrepen.

Een team van onderzoekers van de McKelvey School of Engineering en de School of Medicine aan de Washington University in St. Louis wilde bepalen hoe lengte de mechanische efficiëntie van het verslaan van trilhaartjes beïnvloedde. Ze ontdekten dat de meeste mechanische metrieken, inclusief geweld, koppel en vermogen, toegenomen in verhouding tot de lengte van de trilhaartjes, maar er was een "sweet spot" in termen van efficiëntie. De bevindingen geven inzicht in trilhaartjes bij mensen en hoe defecten leiden tot ziekte, zoals primaire ciliaire dyskinesie, die gepaard gaat met chronische luchtweginfecties, veranderingen in de rechts-links as en hartafwijkingen. De resultaten worden gepubliceerd in het nummer van 9 april van: Biofysisch tijdschrift .

Het onderzoek werd geleid door Mathieu Bottier, een postdoctoraal onderzoeker in het lab van Philip Bayly, de Lilyan &E. Lisle Hughes hoogleraar Werktuigbouwkunde en voorzitter van de afdeling Werktuigbouwkunde &Materiaalkunde; en het laboratorium van Susan K. Dutcher, hoogleraar genetica en celbiologie en fysiologie aan de School of Medicine. De onderzoekers gebruikten high-speed videomicroscopie om een ​​model voor trilhaartjes te analyseren om hun mechanische meetwaarden te bepalen. Na analyse van bijna 400 video's, het team ontdekte dat de meest efficiënte afstraffing van trilhaartjes de natuurlijke lengte van 10-12 micron had, of ongeveer een vijfde van de breedte van een mensenhaar.

"Iets dat we niet hadden verwacht, is dat de korte trilhaartjes niet periodiek zouden zijn, ' zei Bottier. 'De trilhaartjes bewegen allemaal, maar we vinden geen echt patroon van slaan - niets was gesynchroniseerd - en dat was onze eerste ontdekking."

Het team gebruikte Chlamydomonas reinhardtii, een eencellige groene alg die normaal gesproken met twee voortstuwende staarten zwemt en vaak wordt gebruikt als model voor trilhaartjes bij zoogdieren. Bottier en Kyle Thomas, een senior undergraduate student met als hoofdvak biomedische technologie, gebruikte een mutant met slechts één cilium die op zijn plaats draait, waardoor langere video-opnames mogelijk zijn. Ze verwijderden de cilium, registreerde vervolgens de hergroei door video. De cilium had ongeveer 90 minuten nodig om terug te keren naar zijn normale lengte, en hoewel de golfvorm enigszins afweek van die van de standaard trilhaartjes, de belangrijkste kenmerken waren vergelijkbaar.

"We wilden de cilium zien kloppen, wat we deden met de video, ' zei Bottier. 'Toen vroegen we hoe we het konden omschrijven, en de beste manier was om naar de gemiddelde beat te kijken. We hebben vijf of zes cycli van slaan opgenomen die periodiek worden herhaald, en van die vijf of zes, we kunnen één gemiddelde reconstrueren, die de uiteindelijke uitbijters zal verwijderen."

Het kloppen van de cilium vindt plaats via een reeks bochten die beginnen bij de basis en zich uitstrekken tot aan de punt. Het team ontdekte dat periodiek kloppen begint wanneer trilhaartjes langer worden dan twee tot vier micron, wat betekent dat een kritische lengte nodig is om de trilharen te verslaan. In eerder onderzoek is wetenschappers hadden geen trilhaartjes bestudeerd die korter waren dan vijf of zes micron, aldus Bottier. Een andere nieuwe waarneming is dat de slagfrequentie in periodiek kloppende cilia vrij consistent is over het normale bereik van ciliumlengte, hoewel het iets afneemt naarmate de lengte toeneemt van vier micron tot 12 micron, zei Bayly.

Dit werk kan helpen om menselijke mutaties te begrijpen die trilhaartjes kort maken en hoe korte trilhaartjes de uitkomst van de patiënt zullen beïnvloeden, zei Hollander.

Thomas zei dat het onderzoek een beter begrip geeft van hoe trilhaartjes werken en wat de oscillaties veroorzaakt.

"Er zijn veel verschillende modellen gepresenteerd over wat dit buigpatroon aandrijft, dus deze studie hielp om te leren welke modellen nauwkeuriger zijn en welke onnauwkeurigheden kunnen hebben, zodat we kunnen begrijpen wanneer er een disfunctie van de trilhaartjes is, wat de oorzaak is, want dat kan aanleiding geven tot gesprekken over hoe we het gaan behandelen, "zei Tomas.