Раскрыт механизм укуса медузы; Может помочь в разработке будущих устройств доставки

Jul 12, 2023

Фото: Фото Марата Гилядзинова на Unsplash

Летние любители пляжного отдыха слишком хорошо знакомы с болезненным укусом медузы. Но как на самом деле работают стрекательные клетки медуз, кораллов и актиний? Новое исследование Института медицинских исследований Стоуэрса представило точную действующую модель жалящей органеллы – или нематоцисты – звездочки актинии Nematostella vectensis. Исследование, возглавляемое Ахметом Карабулутом, научным сотрудником лаборатории Мэтта Гибсона, доктора философии, включало использование передовых методов микроскопической визуализации, а также разработку биофизической модели, позволяющей всесторонне понять механизм, который остался до сих пор. неуловимым уже более века.

Исследователи предполагают, что результаты работы могут помочь в новых клинических разработках, включая разработку микроскопических устройств для доставки терапевтических средств. «Понимание этого сложного механизма укуса может иметь потенциальное применение в будущем для людей», — сказал Гибсон. «Это может привести к разработке новых терапевтических или таргетных методов доставки лекарств, а также к разработке микроскопических устройств». Гибсон и его коллеги сообщили о своем исследовании в журнале Nature Communications в статье под названием «Архитектура и механизм действия жалящей органеллы книдарий».

Жалящие органеллы медуз, морских анемонов и родственных им книдарий являются «замечательным клеточным оружием», которое используется как для нападения, так и для защиты, пишут авторы. Нематоцисты состоят из герметичной капсулы, содержащей спиральную нить, похожую на гарпун, которая доставляет коктейль нейротоксинов. «При срабатывании капсула разряжается, выбрасывая свою нить в виде гарпуна, который проникает в цель и быстро удлиняется, выворачиваясь наизнанку в процессе, называемом выворотом», — объяснили исследователи. «На клеточном уровне выделение нематоцист является одним из самых быстрых механических процессов в природе, которые, как известно, в нематоцистах Гидры завершаются за три миллисекунды». Фактически, начальная фаза взрыва капсулы под давлением и последующий выброс нити происходит всего за 700 наносекунд.

Предыдущие исследования показывают, что высокая скорость выделения нематоцист обусловлена ​​накоплением осмотического давления внутри капсулы, а упруго растянутая стенка капсулы высвобождает энергию с помощью мощного пружинного механизма во время разрядки. «После срабатывания, но перед выбросом, капсула увеличивается в объеме примерно вдвое из-за быстрого притока воды», — говорят авторы. «Это приводит к осмотическому набуханию матрицы и растяжению стенки капсулы. Эта энергия впоследствии используется для выброса нити с высокой скоростью, которая воздействует и проникает в целевую ткань».

Хотя характеристики нематоцист у разных видов книдарий значительно различаются в зависимости от размера капсулы и морфологии нитей, все они действуют сходным образом и имеют выворачивающийся каналец, который приводится в движение взрывным выбросом.

Модель команды Стоуэрса, определяющая функцию стрекательных клеток, дает важное новое понимание детальной природы чрезвычайно сложной архитектуры нематоцист и механизма стрельбы. Карабулут и Гибсон в сотрудничестве с учеными из технологических центров Института Стоуэрса использовали передовые методы визуализации, трехмерную электронную микроскопию и подходы к нокдауну генов, чтобы обнаружить, что кинетическая энергия, необходимая для проникновения и отравления цели, включает в себя как осмотическое давление, так и запасенную упругую энергию. внутри нескольких субструктур нематоциста.

«Мы использовали флуоресцентную микроскопию, передовые методы визуализации и трехмерную электронную микроскопию в сочетании с генетическими изменениями, чтобы понять структуру и механизм действия нематоцист», — сказал Карабулут.

Используя современные методы, исследователи охарактеризовали взрывной разряд и биомеханическую трансформацию нематоцист N. vectensis во время обжига, разделив их на три отдельные фазы. Первая фаза — это первоначальный, похожий на снаряд выброс и целевое проникновение плотно скрученной нити из капсулы нематоцисты. Этот процесс обусловлен изменением осмотического давления в результате внезапного притока воды и эластичного растяжения капсулы.