Ciało ludzkie, cudowna i złożona maszyna biologiczna, składa się w około 60 procentach z wody. Chociaż powszechnie wiadomo, że woda jest kluczowa dla życia, jej dystrybucja i rola w naszych tkankach są znacznie bardziej złożone, niż do niedawna sądzono. Ponad połowa tej wody znajduje się w samych komórkach, ale znaczna jej część, długo zaniedbywana przez naukę, wypełnia mikroskopijne przestrzenie między nimi. Ten tak zwany płyn międzykomórkowy lub śródmiąższowy, podobnie jak morze wypełniające przestrzeń między ziarenkami piasku na plaży, okazał się kluczowym czynnikiem w określaniu właściwości fizycznych naszych narządów i tkanek.

Inżynierowie z prestiżowego Massachusetts Institute of Technology (MIT) dokonali zdumiewającego odkrycia, które od podstaw zmienia nasze rozumienie biologii i mechaniki tkanek. Ich badanie, opublikowane 21 czerwca 2025 roku w renomowanym czasopiśmie naukowym Nature Physics, ujawniło, że to właśnie ten płyn zewnątrzkomórkowy odgrywa kluczową rolę w tym, jak tkanki zachowują się pod wpływem fizycznego nacisku. Odkrycie to otwiera zupełnie nowe perspektywy w badaniach i leczeniu schorzeń takich jak starzenie się, rak, cukrzyca oraz różne choroby nerwowo-mięśniowe.

Rewolucja w rozumieniu mechaniki tkanek

Gdy tkanka jest naciskana, ściskana lub w jakikolwiek sposób deformowana, jej zdolność do adaptacji, czyli jej giętkość, zależy bezpośrednio od łatwości przepływu płynu między komórkami. Badania zespołu z Cambridge wykazały, że tkanki stają się bardziej miękkie i szybciej się relaksują, czyli wracają do pierwotnego stanu, gdy przepływ płynu międzykomórkowego jest niezakłócony. Z drugiej strony, gdy komórki są gęsto upakowane, pozostawiając niewiele miejsca na przepływ płynu, tkanka jako całość staje się sztywniejsza, twardsza i znacznie bardziej odporna na deformacje. Ta wiedza stanowi znaczące odejście od dotychczasowego dogmatu naukowego.

Konwencjonalna mądrość bowiem przez dziesięciolecia zakładała, że właściwości mechaniczne tkanek, takie jak elastyczność i wytrzymałość, zależą głównie od struktur wewnątrzkomórkowych – cytoszkieletu, białek i innych składników wewnątrz samej komórki. Wpływ otoczenia komórek był w dużej mierze niedoceniany lub całkowicie ignorowany. Teraz, dzięki pracy naukowców z MIT, jest jasne, że przepływ międzykomórkowy jest kluczowym mechanizmem, który określa, jak tkanki będą fizycznie reagować na siły z otoczenia. Koncepcja ta, znana jako porosprężystość, ma zastosowanie do szerokiego spektrum procesów i stanów fizjologicznych. Pomaga nam zrozumieć, jak mięśnie znoszą wysiłek podczas ćwiczeń i regenerują się po urazach, ale także jak fizyczna adaptacyjność tkanek może wpływać na postęp starzenia, rozprzestrzenianie się komórek nowotworowych i rozwój innych schorzeń medycznych.

Podejście eksperymentalne: Jak woda stała się gwiazdą badań

Aby potwierdzić swoją hipotezę, naukowcy pod przewodnictwem profesora Minga Guo i głównego autora badania, dr Fana Liu, przeprowadzili serię zaawansowanych eksperymentów. Ich zainteresowanie tym tematem zostało pobudzone wcześniejszym badaniem z 2020 roku, w którym obserwowali, jak płyn przepływa ze środka guza w kierunku jego krawędzi przez szczeliny między pojedynczymi komórkami nowotworowymi. Odkryli wówczas, że nacisk na guz zwiększa ten przepływ międzykomórkowy, tworząc rodzaj "taśmy transportowej", która może pomagać w rozprzestrzenianiu się przerzutów. To skłoniło ich do zadania pytania, czy ten przepływ odgrywa podobną rolę również w zdrowych, nienowotworowych tkankach.

"Stało się oczywiste, że możliwość przepływu płynu między komórkami ma ogromny wpływ", wyjaśnia Guo. "Dlatego postanowiliśmy rozszerzyć badania poza nowotwory, aby zobaczyć, jak ten mechanizm wpływa na reakcję innych tkanek na deformację."

Zespół do celów badawczych przeanalizował różne rodzaje tkanek biologicznych, w tym komórki pochodzące z trzustki. W laboratorium wyhodowali małe skupiska tkanki, tak zwane sferoidy, z których każda miała mniej niż ćwierć milimetra średnicy i składała się z kilkunastu tysięcy pojedynczych komórek. Aby przetestować te mikroskopijne próbki, zespół musiał skonstruować zupełnie nowe, niestandardowe urządzenie. "Te próbki mikrotkanek znajdują się w 'złotym środku' – są zbyt duże do obserwacji technikami mikroskopii sił atomowych, a zbyt małe do standardowych, większych urządzeń do badania materiałów", wyjaśnił Guo. "Dlatego musieliśmy zbudować własne."

Ich innowacyjne urządzenie łączyło ultraprecyzyjną mikrowagę, która może mierzyć drobne zmiany wagi, z silnikiem krokowym zdolnym do naciskania próbki z nanometrową precyzją. Procedura była następująca: skupisko tkanki umieszczano na wadze, a silnik następnie kontrolowanie je naciskał, spłaszczając je z kulistego kształtu do kształtu przypominającego naleśnik. W trakcie tego procesu waga rejestrowała zmianę wagi tkanki w miarę jej relaksacji, a kamery filmowały cały proces deformacji. Kluczową częścią eksperymentu było testowanie skupisk o różnych rozmiarach. Badacze postawili hipotezę, że jeśli reakcja tkanki jest uwarunkowana przepływem płynu, większym skupiskom zajmie więcej czasu, aby płyn przez nie przepłynął, a zatem będą potrzebowały więcej czasu na relaksację. Jeśli natomiast reakcja zależałaby wyłącznie od wewnętrznej struktury komórek, czas relaksacji powinien być taki sam bez względu na rozmiar próbki.

Wyniki były jednoznaczne. W serii eksperymentów z różnymi rodzajami i rozmiarami tkanek zaobserwowali wyraźny i powtarzalny trend: im większe było skupisko, tym dłużej trwało jego rozluźnienie. Był to koronny dowód na to, że to właśnie międzykomórkowy przepływ płynu dominuje w mechanicznej reakcji tkanki na deformację. W badaniu wzięli udział także naukowcy z Uniwersytetu w Pekinie, co potwierdziło globalne znaczenie tego odkrycia.

Implikacje dla medycyny i przyszłych terapii

Odkrycia pochodzące z laboratorium w MIT, mieszczącego się w mieście Cambridge, mają daleko idące implikacje dla medycyny praktycznej. Zespół naukowców uważa, że wyniki można by zastosować do zrozumienia szerokiego spektrum stanów fizjologicznych. Na przykład, w procesie starzenia tkanki stają się sztywniejsze, częściowo z powodu zmian w macierzy zewnątrzkomórkowej, które utrudniają przepływ płynu. W przypadku raka, zwiększone ciśnienie wewnątrz guza może napędzać przepływ międzykomórkowy, który dosłownie "wypycha" komórki rakowe do otaczającej zdrowej tkanki, sprzyjając inwazji i przerzutom. Zrozumienie tego mechanizmu mogłoby doprowadzić do nowych strategii zapobiegania rozprzestrzenianiu się choroby.

Wizja zespołu sięga również projektowania sztucznych tkanek i narządów. Przy inżynierii sztucznej tkanki do przeszczepu, naukowcy mogliby zoptymalizować przepływ międzykomórkowy, aby poprawić jej funkcję, odporność i integrację z ciałem biorcy. Podejrzewają również, że ten przepływ mógłby być wykorzystany jako nowa droga do dostarczania składników odżywczych lub leków, zarówno w celu gojenia uszkodzonej tkanki, jak i celowego niszczenia nowotworów. "Jak pokazuje nasza praca, wywieranie nacisku na tkankę stymuluje przepływ płynu", mówi Guo. "W przyszłości możemy myśleć o projektowaniu metod, takich jak masaż terapeutyczny, którymi moglibyśmy celowo kierować przepływem płynu w celu transportu składników odżywczych między komórkami."

Następnym krokiem dla tego zespołu badawczego jest zbadanie roli przepływu międzykomórkowego w funkcjonowaniu mózgu, ze szczególnym uwzględnieniem zaburzeń neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera. "Przepływ międzykomórkowy lub śródmiąższowy w mózgu pomaga w usuwaniu odpadowych produktów metabolizmu i dostarczaniu składników odżywczych", dodaje Liu. "Poprawa tego przepływu w niektórych przypadkach mogłaby być korzystna, na przykład, do oczyszczania blaszek amyloidowych, które są charakterystyczne dla choroby Alzheimera." To fundamentalne odkrycie dotyczące znaczenia przestrzeni między komórkami otwiera nowy rozdział w biologii i medycynie, obiecując postęp w dziedzinach, które do niedawna były niewyobrażalne.

Źródło: Massachusetts Institute of Technology