211service.com
Nauka o szlamie
Katharina Ribbeck słyszała każdy żart dotyczący flegmy, gwizdów i loogie w książce. Ale jej badania nad śluzem ujawniają, że jest to cud inżynierii i krytyczna linia obrony w układzie odpornościowym. 19 grudnia 2018 r.
Smark. Gluty. Flegma. Maź, która kapie z nosa, gdy jesteś przeziębiony. Bez względu na to, jak go nazwiesz, śluz ma złą reputację jako nieprzyjemny produkt odpadowy, oznaka choroby.
Ale pomimo wysokiego współczynnika mdłości, śluzowata substancja spełnia niezwykły zakres funkcji życiowych. W końcu wyściela ponad 200 metrów kwadratowych naszego ciała – od ust do układu pokarmowego, dróg moczowych, płuc, oczu i szyjki macicy. Smaruje i nawilża, pozwala nam przełykać, decyduje o tym, co smakujemy i wąchamy, oraz selektywnie filtruje składniki odżywcze, toksyny i żywe komórki, takie jak bakterie, plemniki i grzyby. To naprawdę niesamowita bariera, mówi Katharina Ribbeck, profesor nadzwyczajny inżynierii biologicznej. Pozwala nam integrować składniki odżywcze; chroni nas przed patogenami. Jest to również główna przeszkoda w dostarczaniu leków. Ale nie mamy pojęcia, jak to działa.
Ribbeck i jej uczniowie chcą to zmienić. Badając ten lepki hydrożel, ma nadzieję znaleźć nowe sposoby diagnozowania i leczenia chorób u ludzi. W śluzie jest wiele informacji na temat naszego zdrowia – mówi. Naszym celem na najbliższe lata jest dotarcie do tego niewykorzystanego źródła bioinformacji i wykorzystanie go.
Mistrz dla śluzu
Ribbeck początkowo nie zamierzała koncentrować się w swoich badaniach na śluzie. Na Uniwersytecie w Heidelbergu w Niemczech studiowała biologię i biochemię, a na ostatnim roku wyjechała na University of California w San Diego, aby pracować nad swoją pracą dyplomową z neurobiologii. Kiedy wróciła do Heidelbergu na studia, zaczęła studiować biologię porów jądrowych – kanału regulującego komunikację między jądrem komórki a resztą komórki.
Mówi, że śluz nigdy nie był na moim radarze na studiach. Ale podobnie jak śluz, pory jądrowe działają również jako selektywne bariery: przepuszczają niektóre cząstki, blokując inne.
Po ukończeniu doktoratu Ribbeck planowała założyć grupę badawczą w Niemczech, kontynuując badania nad porami jądrowymi. Ale potem przyjaciel z Harvard Medical School zasugerował, żeby spędziła rok pracując w jego laboratorium. Żałujesz rzeczy, których nie robisz, mówi. Postanowiłem więc tam pojechać, spodziewając się ciekawego, ale niezbyt zmieniającego życie roku.
Spędzając tam rok 2007 jako wizytujący naukowiec, Ribbeck usłyszał o stypendium na Harvardzie, które zapewni laboratorium, finansowanie startowe i status niezależnego badacza. Połów? Wnioskodawcy musieli zaproponować rozpoczęcie nowego kierunku studiów.
Śluz nie był wtedy dobrze zbadany, ale wiadomo, że odgrywa kluczową rolę w utrzymaniu zdrowia. Ribbeck przedstawił argumenty za uruchomieniem laboratorium śluzu i dostał stypendium.
Na początku swojego pobytu na Harvardzie zdała sobie sprawę, że badania śluzu skorzystałyby na wiedzy i narzędziach opracowywanych na Wydziale Inżynierii Biologicznej MIT — w naukach o tkankach i inżynierii tkankowej, mikroprzepływach i nie tylko. Dołączyła do wydziału w 2010 roku, w 2017 roku zdobywając etat.
Od razu byłem pod wrażeniem energicznej iskry kreatywności, którą wyraziła Katharina, mówi Douglas Lauffenburger, kierownik działu. Temat jej zainteresowań badawczych początkowo wydawał się dość osobliwy, ale jej wyartykułowanie jego szerokiego znaczenia w mikrobiologii i medycynie oraz jej celu, jakim jest jego fundamentalne zrozumienie w sposób, który może prowadzić do projektowania wartościowych technologii, było głęboko przekonujące.
Odpieranie infekcji
Wśród zjawisk zbadanych przez Ribbecka jest to, że śluz jest bardzo skuteczny w oswajaniu normalnie chorobotwórczych drobnoustrojów. Do niedawna naukowcy sądzili, że dzieje się tak po prostu dlatego, że działa jak bariera mechaniczna, zatrzymująca bakterie i inne patogeny. Jednak praca Ribbecka pokazała, że śluz odgrywa znacznie bardziej zniuansowaną rolę.
Podstawowym budulcem śluzu są mucyny – długie, przypominające szczoteczkę do butelek białka z dołączonymi wieloma cząsteczkami cukru zwanymi glikanami. A mucyny, jak odkrył Ribbeck, faktycznie zakłócają wiele kluczowych funkcji bakterii zakaźnych. Mówi, że w obecności mucyn cechy, które powodują, że te patogeny są zjadliwe, są znacznie osłabione. Obejmuje to wydzielanie toksyn, zdolność do pogawędki ze sobą i zdolność przyłączania się do powierzchni komórkowych.
Po odcięciu tych mocy bakterie nie mogą już kolonizować powierzchni, tworząc trwałe śluzowate warstwy zwane biofilmami, które są zwykle bardziej szkodliwe niż poszczególne komórki: mogą powodować szeroki zakres problemów zdrowotnych, w tym ubytki zębów i wrzody, i może okazać się śmiertelny dla osób z mukowiscydozą.
Laboratorium Ribbecka odkryło to, oczyszczając śluz z żołądka świni, aby wyizolować mucynę o nazwie MUC5AC, która jest spokrewniona z tą znajdującą się w ludzkich drogach oddechowych i żołądku. Następnie badacze stworzyli trójwymiarowe macierze z mucyną i bez mucyny oraz wstawili bakterie zakaźne zwane P. aeruginosa zarówno. Bakterie w matrycy bez MUC5AC przyczepiają się do powierzchni matrycy, tworząc gęste biofilmy. W matrycy MUC5AC nie utworzyły się żadne biofilmy. Ale kiedy naukowcy usunęli z bakterii gen, który pozwolił im się poruszać, odkryli coś interesującego: zakaźne bakterie w macierzy MUC5AC zbijały się razem, naśladując materiał, który gromadzi się, aby wytworzyć nienormalnie gęsty śluz w mukowiscydozie. Oznaczało to, stwierdził Ribbeck, że chociaż mucyna wychwytuje rzeczy takie jak kurz i inne wdychane cząsteczki, w przypadku bakterii robi odwrotnie, utrzymując je w ruchu, aby nie mogły tworzyć biofilmu. Jej grupa stwierdziła, że to samo dotyczy innych rodzajów drobnoustrojów, w tym Kandyda .
Badania Ribbecka ujawniły również, że glikany – złożone cząsteczki cukru w mucynie – są kluczem do jej zdolności do przeciwdziałania patogenom. Założono, że ich główną rolą było usztywnienie polimerów mucyny, a jej laboratorium i inne osoby wyizolowały glikany, aby policzyć, ile było różnych typów. Okazuje się, że mucyny zawierają setki różnych glikanów. Ale poza ich liczeniem, Ribbeck porównał także glikany w mucynie w różnych częściach ciała – i zaczął badać, co faktycznie robią. Porównując naturalne mucyny z mucynami, z których usunięto glikany, odkryła, że cukry te są niezbędne dla zdolności mucyn do odpychania bakterii i zapobiegania ich przyczepianiu się do powierzchni. Początkowo zaskoczona tym odkryciem, zdała sobie sprawę, że glikany w ludzkim mleku pełnią podobną funkcję, pomagając dzieciom zachować zdrowie, służąc jako rozpuszczalne receptory, które zasadniczo odwracają uwagę połykanych patogenów, zapobiegając ich przyleganiu do miejsc, w których mogłyby powodować infekcje. Mówi, że śluz jest dla dorosłych jak mleko matki.
Ribbeck bada obecnie specyficzne funkcje setek glikanów, które wyewoluowały, aby wchodzić w interakcje z różnymi patogenami i wyłączać je na różne sposoby. Uważa, że mucyny zawierają ogromną bibliotekę różnych molekuł, które są gotowe do sprawdzenia, aby zaangażować wszelkie drobnoustroje, niezależnie od tego, czy są to wirusy, bakterie, grzyby czy pasożyty. Wyobraź sobie, jakie to piękne, mówi.
Inżynierowie od dawna są zainteresowani projektowaniem materiałów naśladujących śluz, głównie ze względu na ich właściwości smarne. Jednak intrygujące cechy przeciwdrobnoustrojowe, które odkrył laboratorium Ribbecka, skłoniły wielu naukowców do rozpoczęcia prac nad syntetycznymi wersjami mucyn do zastosowania w leczeniu lub zapobieganiu chorobom zakaźnym. Niektóre wstępne badania z laboratorium Ribbecka sugerują, że mucyny mogą skutecznie leczyć rany zakażone bakteriami odpornymi na tradycyjne antybiotyki.
Narzędzie diagnostyczne
Laboratorium Ribbecka analizuje również, jak lepkość i inne czynniki biofizyczne właściwości śluzu zmieniają się podczas choroby , co może pomóc naukowcom w odkryciu biomarkerów, które można wykorzystać do diagnozowania wielu różnych chorób. W ostatnich latach opublikowała badania pokazujące, że zmiany w śluzie szyjkowym kobiet w ciąży mogą ujawnić ryzyko przedwczesnego porodu.
Ponad 10% dzieci urodzonych na całym świecie przychodzi na świat przed upływem terminu, zdefiniowanego jako 37. tydzień ciąży, ale nie było wiarygodnego sposobu przewidzenia porodu przedwczesnego. W nadziei na znalezienie użytecznego predyktora, Ribbeck przeanalizował chemiczne i mechaniczne właściwości śluzu szyjkowego. Odkryła, że śluz kobiet z grupy wysokiego ryzyka wczesnego porodu jest mechanicznie słabszy, bardziej elastyczny, bardziej przepuszczalny i mniej przyczepny. Może wystąpić przedwczesny poród, ponieważ śluz szyjki macicy jest bardziej podatny na inwazję drobnoustrojów, które mogą powodować infekcję.
Inne stany, które zmieniają śluz, obejmują choroby przewodu pokarmowego, takie jak choroba Crohna i wrzodziejące zapalenie jelita grubego, a także choroby układu oddechowego. Według Ribbecka świętym Graalem diagnostyki jest powiązanie zmian w składzie śliny z chorobami, które wpływają na powierzchnie śluzówki w całym ciele.
Jeśli masz nieprawidłową produkcję śluzu w jamie ustnej, istnieje szansa, że dotyczy to innych części ciała, mówi. Więc możemy być w stanie wychwycić ze śliny stany chorobowe odległych powierzchni błony śluzowej. To będzie bardzo ekscytujące, ponieważ jest to oczywiście nieinwazyjne, ale pouczające.
Grossologia 101
Ribbeck mówi, że jej badania są naturalnym tematem zainteresowania dzieci, co wykorzystuje, aby podekscytować je nauką. Podczas letnich sesji Grossology oferowanych w bostońskim Museum of Science, ona i jej uczniowie uczą uczniów szkół podstawowych i gimnazjów, jak tworzyć sieci polimerowe, używając szlamu jako materiału z wyboru. Dzieci dowiadują się również o wyjątkowych właściwościach barierowych śluzu i dlaczego jest tak śliski.
Intencją tutaj jest naprawdę wprowadzenie pola dla przyszłych pokoleń, aby dorastały rozumiejąc, że śluz nie jest produktem odpadowym. To integralna część naszej fizjologii i naprawdę ważny element naszego zdrowia, mówi.
Pracuje również nad książką dla dzieci, w której występuje zmiennokształtna postać zrobiona ze śluzu, podkreślając wiele ról, jakie odgrywa w naszych ciałach.
Dzieci są naprawdę zafascynowane śluzem i myślę, że część tej fascynacji może nie zniknąć u dorosłych, mówi Ribbeck. Inną rzeczą, która intryguje tak wiele osób, w tym mnie, jest element zaskoczenia, gdy tak wykwintne i eleganckie elementy inżynierii znajdują się w czymś tak powszechnym jak śluz.