Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Superskrócone telomery z chorych stawów
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Zdrowie i uroda
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Komórki wytwarzają wiele różnych związków i kompleksów, które mogą zajmować aż do 40% jej wnętrza. Z tego powodu wnętrze komórki jest niezwykle zatłoczonym środowiskiem, w którym charakteryzacja reakcji biochemicznych jest skomplikowana i złożona, pomimo ogromnego postępu nauki. Dlatego naukowcy zazwyczaj używają obojętnych chemicznie molekuł takich jak niejonowe polimery, aby naśladować naturę w probówce i poza komórką tworzyć zatłoczenie odpowiadającemu temu w naturze.
Jak się jednak okazuje te powszechnie uważane za obojętne dla reakcji biochemicznych związki mogą kompleksować jony. A ponieważ równowaga wielu reakcji biochemicznych zależnych jest od stężenia jonów, jest to szczególnie istotne. Ostatnio, badacze z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk z grupy prof. Roberta Hołysta przedstawili badania przybliżające nas do zrozumienia 1000-krotnych zmian w stałych równowagi tworzenia się kompleksu biochemicznego, gdy zachodzi ona w bardzo zatłoczonym środowisku. Przyjrzyjmy się ich badaniom.
Nasze ciało składa się z trylionów komórek bezustannie współpracujących ze sobą i pełniącymi różne funkcje. Co więcej, nasz organizm w każdej sekundzie wykonuje miliardy zawiłych operacji, a my nawet ich nie zauważamy. Reakcje przebiegające we wnętrzu pojedynczej komórki, a zwłaszcza specyficzne interakcje między indywidualnymi cząsteczkami bardzo często zależą od stężenia jonów w danym miejscu. Wiele reakcji jest szczególnie wrażliwych na zmiany siły jonowej, dlatego równowaga tworzenia się wielu kompleksów biochemicznych (np. kompleksów białko-białko, białko-RNA czy tworzenie się podwójnej nici DNA) może się istotnie zmieniać w zależności od dostępności jonów.
Sprawę ponad to komplikuje fakt, złożona budowa komórek ludzkich. Przyjrzyjmy się bliżej cytoplazmie wewnątrz komórki. Można ją porównać do basenu pełnego pływających w nim obiektów o różnych rozmiarach i kształtach takie jak rybosomy, małe cząsteczki, białka lub kompleksy białko-RNA, nitkowate składniki cytoszkieletu, i organelle np. mitochondria, lizosomy, jądro itd. Wszystko to sprawia, że lepka, galaretowata struktura cytoplazmy jest bardzo złożonym i zatłoczonym środowiskiem. W takich warunkach każdy parametr, a w szczególności siła jonowa i pH może znacząco wpłynąć na przebieg reakcji biochemicznych. Jednym z mechanizmów utrzymywania równowagi jonowej w komórce są pompy sodowo-potasowe znajdujące się w błonie komórkowej prawie każdej ludzkiej komórki, które to są wspólną cechą dla całego życia komórkowego.
Wspomniane zatłoczone środowisko jest często odtwarzane sztucznie, aby zrozumieć reakcje biochemiczne zachodzące wewnątrz żywych komórek. Jako modelu cytoplazmy komórki in vitro zazwyczaj używa się roztworów związków niejonowych w dużych stężeniach (∼40–50% masowego). Najczęstszymi molekułami wykorzystywanymi w tym celu są polietylen, glikol etylenowy, glicerol, fikol, oraz dekstrany. Powyższe cząsteczki uważane są powszechnie za chemicznie nieaktywne.
Zaskakujące wyniki w tej dziedzinie zaprezentowali naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN. Wykorzystali oni hybrydyzację oligonukleotydów DNA jako modelową, bardzo wrażliwą na stężenie jonów, reakcję biochemiczną. Stabilność tworzenia kompleksu badano w obecności różnych związków chemicznych zwiększających zatłoczenie w środowisku prowadzonych reakcji oraz w funkcji siły jonowej.
Stężenie jonów w roztworze opisywane jest siłą jonową, która określa efektywną odległość elektrostatycznego odpychania między poszczególnymi cząsteczkami. Dlatego też sprawdziliśmy wpływ siły jonowej na hybrydyzację DNA – zauważa Krzysztof Bielec, pierwszy autor artykułu opisującego odkrycie grupy badawczej.
Przeprowadzone eksperymenty wykazały, że interakcje między cząsteczkami są wzmacniane przy wyższym stężeniu soli oraz że dodatek polimerów zwiększających zatłoczenie i tym samym lepkość środowiska reakcyjnego także wpływa na dynamikę procesów biochemicznych utrudniając tworzenie kompleksów.
Krzysztof Bielec komentuje: Najpierw sprawdziliśmy wpływ zatłoczenia w środowisku reakcyjnym na stałą równowagi hybrydyzacji DNA. Tworzenie dwuniciowego szkieletu DNA bazuje na oddziaływaniu elektrostatycznym między dwiema ujemnie naładowanymi nićmi. Monitorowaliśmy wpływ zatłoczonego środowiska na hybrydyzację komplementarnych nici o stężeniu nanomolowym charakterystycznym dla wielu reakcji biochemicznych w komórce. Następnie określiliśmy kompleksowanie jonów sodu w zależności od zatłoczenia. Miejsce wiązania kationu w strukturze związku zwiększającego lepkość może różnić się nawet pomiędzy cząsteczkami zawierającymi te same grupy funkcyjne. Dlatego obliczyliśmy oddziaływanie z poszczególnymi cząsteczkami w przeliczeniu na monomer i polimer upraszczając interakcje między jonami a cząsteczkami typu przeszkoda zwiększająca lepkość.
Ku zaskoczeniu badaczy, okazało się, że powszechnie uważane za niereaktywne niejonowe polimery używane do naśladowania warunków panujących w cytoplazmie mogą kompleksować (niejako podkradać) jony niezbędne do efektywnej hybrydyzacji DNA.
Pomimo, że nie jest to dominująca interakcja pomiędzy tymi polimerami a jonami to, gdy stosuje się ogromne stężenie polimerów (kilkadziesiąt procent masy roztworu) efekt jest znaczący.
Określając stabilność kompleksów powstających w obecności konkretnych związków zwiększających zatłoczenie w badanym środowisku reakcyjnym autorzy badania wykazali wpływ jonów na poziomie molekularnym zbliżając nas do lepszego naśladowania warunków panujących w naturze.
Wyniki tych eksperymentów rzucają światło na wyjaśnianie zjawisk otrzymywane dotychczas za pomocą wspomnianych systemów polimerowych oraz skłaniają do rewizji mechanizmów zachodzących w komórce, jeśli badane były środowiskach otrzymywanych sztucznie.
Dzięki wynikom przedstawionym przez naukowców z IChF PAN jesteśmy o krok bliżej zrozumienia poszczególnych procesów molekularnych zachodzących wewnątrz komórek. Szczegółowy opis jest niezwykle ważny w wielu dziedzinach jak na przykład przy projektowaniu nowych leków, zwłaszcza w przewidywaniu konkretnych procesów zachodzących w komórkach podczas leczenia. Może być również pomocny w precyzyjnym planowaniu eksperymentów in vitro. Praca badaczy z IChF PAN została opublikowana w The Journal of Physical Chemistry Letters
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Wiele trapiących nas chorób ma związek z nieprawidłowo działającymi komórkami. Być może udało by się je skuteczniej leczyć, ale najpierw naukowcy muszą szczegółowo poznać budowę i funkcjonowanie komórek. Dzięki połączeniu sztucznej inteligencji oraz technik mikroskopowych i biochemicznych uczeni z Wydziału Medycyny Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego (UCSD) dokonali ważnego kroku w kierunku zrozumienia komórek ludzkiego organizmu.
Dzięki mikroskopom możemy dojrzeć struktury komórkowe wielkości pojedynczych mikrometrów. Z kolei techniki biochemiczne, w których wykorzystuje się pojedyncze proteiny, pozwalają na badanie struktur wielkości nanometrów, czyli 1/1000 mikrometra. Jednak poważnym problemem w naukach biologicznych jest uzupełnienie wiedzy o tym, co znajduje się w komórce pomiędzy skalą mikro- a nano-. Okazuje się, że można to zrobić za pomocą sztucznej inteligencji. Wykorzystując dane z wielu różnych źródeł możemy ją poprosić o ułożenie wszystkiego w kompletny model komórki, mówi profesor Trey Ideker z UCSD.
Gdy myślimy o komórce, prawdopodobnie przyjdzie nam do głowy schemat ze szkolnych podręczników do biologii, z jego mitochondrium, jądrem komórkowym i retikulum endoplazmatycznym. Jednak czy jest to pełny obraz? Zdecydowanie nie. Naukowcy od dawna zdawali sobie sprawę z tego, że więcej nie wiemy niż wiemy. Teraz w końcu możemy przyjrzeć się komórce dokładniej, dodaje uczony. Ideker i Emma Lundberg ze szwedzkiego Królewskiego Instytutu Technicznego stali na czele zespołu, który jest autorem najnowszego osiągnięcia.
Wykorzystana przez naukowców nowatorska technika nosi nazwę MuSIC (Multi-Scale Integrated Cell). Podczas pilotażowych badań MuSIC ujawniła istnienie około 70 struktur obecnych w ludzkich komórkach nerek. Połowa z nich nie była dotychczas znana. Zauważono np. grupę białek tworzących nieznaną strukturę. Po bliższym przyjrzeniu się naukowcy stwierdzili, że wiąże ona RNA. Prawdopodobnie struktura ta bierze udział w splicingu, czyli niezwykle ważnym procesie składania genu.
Twórcy MuSIC od lat próbowali stworzyć mapę procesów zachodzących w komórkach. Tym, co różni MuSIC od podobnych systemów jest wykorzystanie technik głębokiego uczenia się do stworzenia mapy komórki bezpośrednio z obrazów mikroskopowych. System został wyćwiczony tak, by bazując na dostępnych danych stworzył model komórki. Nie mapuje on specyficznych struktur w konkretnych lokalizacjach, tak jak mamy to w schematach uczonych w szkole, gdyż niekoniecznie zawsze znajdują się one w tym samym miejscu.
Na razie w ramach badań pilotażowych uczeni opracowali za pomocą MuSIC 661 protein i 1 typ komórki. Następnym celem badań będzie przyjrzenie się całej komórce, a później innym rodzajom komórek, komórkom u różnych ludzi i u różnych gatunków zwierząt. Być może z czasem będziemy w stanie lepiej zrozumieć molekularne podstawy różnych chorób, gdyż będziemy mogli wyłapać różnice pomiędzy zdrowymi a chorymi komórkami, wyjaśnia Ideker.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Choroba zwyrodnieniowa stawów to najczęściej występujące schorzenie spośród wszystkich rodzajów zapaleń stawów. Obecnie diagnozuje się ją przede wszystkim na podstawie zdjęć rentgenowskich. Jednak naukowcy z Wydziału Medycyny University of Pittsburgh oraz Wydziału Inżynierii Carnegie Mellon University stworzyli algorytm sztucznej inteligencji, który diagnozuje to schorzenie wiele lat przed pojawieniem się objawów.
Złotym standardem w diagnostyce choroby zwyrodnieniowej stawów jest zdjęcie rentgenowskie. Gdy stawy ulegają zniszczeniu, zmniejszają się odległości pomiędzy kośćmi. Problem w tym, że gdy możemy zauważ tę chorobę na zdjęciach, zniszczenia już się dokonały. Znacznie łatwiej jest zaś zapobiegać zniszczeniu tkanki chrzęstnej niż spowodować jej odrastanie, mówi jeden z autorów badań, profesor chirurgii ortopedycznej Kenneth Urish z Pittsburgha.
Obecnie nie istnieje żadna metoda wykrywania choroby zwyrodnieniowej stawów na etapie, który pozwalałby na naprawienie powstałych szkód. W naszej pracy prezentujemy metodę, która pozwala na wykrycie choroby jeszcze zanim da ona objawy. Metoda ta łączy teorię optymalnego transportu masy ze statystycznym rozpoznawaniem wzorców, czytamy w pracy pod tytułem Enabling early detection of osteoarthritis from presymptomatic cartilage texture maps via transport-based learning.
Gdy lekarze oglądają zdjęcia stawów, nie widać tam oczywistego wzorca, który od razu można zauważyć gołym okiem. Ale to nie znaczy, że taki wzorzec nie istnieje. To znaczy tylko, że nie można go dostrzec używając konwencjonalnych narzędzi, dodaje doktor Shinjini Kundu.
To właśnie Kundu odpowiadał za trenowanie algorytmu na podstawie zdjęć kolan wykonanych za pomocą rezonansu magnetycznego, a następnie testował go na zdjęciach, pacjentów, z którymi model nie miał wcześniej do czynienia. Proces nauczania i testowania był powtarzany dziesiątki razy, za każdym razem na innej grupie osób.
W końcu model poddano ostatecznemu testowi. Miał on do przeanalizowania zdjęcia stawów kolanowych 86 zdrowych osób, u których ani nie występowały objawy choroby zwyrodnieniowej stawów, ani nie było na zdjęciach widać zmian wskazujących na proces chorobowy. Okazało się, że algorytm z 78-procentową trafnością przewidział, u których pacjentów trzy lata później rozwinęła się choroba.
Osiągnięcie to wskazuje, że wykrycie choroby zwyrodnieniowej stawów może być możliwe na etapie, gdzie można jej zapobiec. W przyszłości połączenie metody przedobjawowego wykrywania z nowymi terapiami pozwalającymi na jej zapobieganie może znacząco zmienić epidemiologię choroby, na walkę z którą którą amerykański system opieki zdrowotnej wydaje obecnie 16,5 miliarda dolarów rocznie. Co więcej, naszą technikę można zastosować do wcześniejszego wykrywania w badaniach obrazowych wielu innych chorób, które obecnie diagnozuje się w zaawansowanym stadium rozwoju.
Przed tygodniem informowaliśmy o innym algorytmie, który równie dobrze jak radiolodzy potrafi diagnozować raka piersi.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
W żywych komórkach niezmienne wydaje się być tylko to, że stale się zmieniają. Naukowcom z IChF PAN udało się jednak wykazać, że istnieje w nich pewna wartość, która się nie zmienia. To lepkość. Te badania, choć podstawowe, mogą przyczynić się do powstania zupełnie nowych metod diagnostycznych i leczniczych.
Wydawałoby się, że w trakcie życia komórki, replikacji DNA, tworzenia białek, ciągłych zmian ich ilości, metabolitów itp. zachodzą w komórce tak drastyczne przemiany, że ta lepkość, związana ze stosunkiem ilości wody do ilości biologicznych cząsteczek w komórce, powinna się zmieniać.
Tak myślało zresztą wielu naukowców, w tym i sami autorzy pracy opublikowanej w Scientific Reports. Chcieliśmy zbadać, jak zmienia się lepkość cytoplazmy w rozmaitych ważnych momentach życia komórki, np. w trakcie podziału. To dlatego wynik, czyli stałość lepkości był dla nas zupełnym zaskoczeniem, opowiada dr Karina Kwapiszewska.
Samo sprawdzanie było procesem trudnym i żmudnym. Pełen cykl komórkowy trwa bowiem około 24 godzin, a choć można komórki zsynchronizować niczym tancerki w balecie, czyli sprawić, żeby wszystkie dzieliły się w miarę równocześnie, to nie da się namówić ich, żeby poczekały aż obserwator zrobi im zdjęcie. Będą nieprzerwanie tańczyć do wewnętrznej muzyki. Tu duży ukłon dla mojego kolegi, dr. Krzysztofa Szczepańskiego, który niejedną noc spędził w pracy robiąc pomiary za pomocą spektroskopii korelacji fluorescencji. Trzeba je robić co pół godziny w trakcie trwania całego cyklu komórkowego, a komórka przecież nie zaczeka do rana, żeby się podzielić, mówi dr Kwapiszewska. Dzięki niemu i jego wytrwałości mieliśmy zmapowaną lepkość w trakcie całego cyklu. I to w odpowiedniej liczbie powtórzeń. Tylko tak mogliśmy udowodnić, że to, co zmierzyliśmy to rzeczywisty parametr, a nie artefakt, dodaje.
Co więcej, naukowcy z IChF PAN odkryli, że lepkość pozostaje stała niezależnie od tego, czy to komórka płuc czy np. wątroby, choć to bardzo różne tkanki. A skoro jest stała, to znaczy, że do czegoś to musi być komórce potrzebne. Zwłaszcza, że wielkość samych komórek może się w obrębie jednej populacji (np. komórek skóry) zmieniać nawet dziesięciokrotnie i to nie ma dla nich aż takiego znaczenia, jak lepkość. Musi być więc mechanizm, który to reguluje.Lepkość ośrodka ma zapewne duże znaczenie dla procesów biochemicznych. Prosto mówiąc, im większa lepkość, tym trudniej cząsteczkom się spotkać, żeby doszło do reakcji. Komórka musi aktywnie regulować tę lepkość, bo inaczej reakcje w pewnych warunkach zachodziłyby wolniej a w innych szybciej. A gdyby któraś z reakcji za bardzo zwolniła –cały układ mógłby się posypać i komórka już nigdy nie wróciłaby do równowagi.
W jednej z wcześniejszych prac naszego zespołu (Sozański et. al., Phys Rev Lett 2015) wykazano, że wystarczy zwiększyć lepkość tylko 6 razy (to naprawdę niewiele), by zatrzymać w komórce cały transport aktywny, wyjaśnia dr Kwapiszewska. I tu dochodzimy do potencjalnych, choć na razie odległych, zastosowań odkrycia. Skoro wzrost lepkości hamuje procesy życiowe w komórce, to może da się to wykorzystać na przykład do tworzenia terapeutyków przeciwko komórkom nowotworowym. Takich, które wykorzystywałyby procesy fizyczne zamiast np. hamować replikację DNA. Podejrzewamy też, że część chorób neurodegeneracyjnych może być spowodowana lokalnym wzrostem lepkości w komórkach, mówi autorka. Jej wyrównanie mogłoby więc być sposobem na powstrzymanie uszkodzeń w chorobie Parkinsona czy Alzheimera i poprawić rokowanie chorych. Teraz badacze chcą się dowiedzieć, jak zmienia się lepkość w trakcie śmierci komórkowej i czy ta zmiana lepkości jest skutkiem, czy też przyczyną samego procesu
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Brytyjscy naukowcy pracują nad nową metodą diagnozowania i oceny zaawansowania choroby zwyrodnieniowej kolan. Bazuje ona na analizie emisji akustycznej, dlatego niektórzy porównują ją do podsłuchiwania odgłosów z kolana.
W studium, którego wyniki ukazały się w piśmie PLoS ONE, wzięło udział 89 osób. Akademicy podkreślają więc, że potrzebne są badania na większej próbie, które stworzą podstawy do testów klinicznych.
Do badania zakwalifikowano osoby z bólem kolan, które w skali Kellgrena-Lawrence'a do oceny stopnia zaawansowania zmian radiologicznych w chorobie zwyrodnieniowej stawów uzyskiwały wynik w zakresie 1-4; 1 oznacza drobne osteofity, zaś przy 4 osteofity są bardzo duże, a szpara stawowa bardzo zwężona lub niewidoczna.
Jak tłumaczą Brytyjczycy, do kolana przyczepia się czujnik emisji akustycznej, który wychwytuje impulsy energii akustycznej (ang. acoustic emission, AE) generowane podczas naprężeń i tarcia między elementami stawu (wykrywane są dźwięki o wysokiej częstotliwości). Oprócz tego na Joint Acoustic Analysis System (JAAS) składa się elektrogoniometr, który umożliwia badanie zakresów ruchu w funkcji czasu.
Dane dot. zgięcia stawu kolanowego i emisji akustycznych zbierano jednocześnie dla obu kolan, zespół koncentrował się jednak na kolanie uznawanym przez ochotników za bardziej bolesne.
Test składał się z 2 serii 5 wstawań i siadów. Badani mieli się poruszać tak płynnie, jak to tylko możliwe z wygodną dla siebie prędkością.
Zebrane dane poddano analizie komputerowej. Generalnie celem naukowców było poszukiwanie potencjalnych biomarkerów AE.
Naukowcy z Uniwersytetu w Lancaster współpracowali ze specjalistami z Uniwersytetu w Manchesterze, Uniwersytetu Kumbrii i Uniwersytetu Centralnego Lancashire. Ich badania wykazały, że za pomocą JAAS można odróżnić kolana zdrowe i ze zmianami zwyrodnieniowymi i że technika sprawdza się zarówno w warunkach szpitalnych, jak i w praktyce lekarza rodzinnego.
Projekt rozpoczął się w 2013 r. i jest finansowany przez Komitet Badań Naukowych.
Potencjalnie możemy doprowadzić do zmiany sposobu prowadzenia choroby zwyrodnieniowej stawów. Nasze badania pozwolą na lepszą diagnostykę i dostosowanie leczenia do stanu kolana danej osoby [...] - cieszy się emerytowany profesor John Goodacre z Uniwersytetu w Lancaster.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.