I en skarp och spetsig värld, sårläkning är en kritisk och underbar process. Trots en enorm mängd vetenskapliga studier, många enastående mysterier omger fortfarande hur celler i levande vävnad reagerar på och reparerar fysiska skador.

Ett framträdande mysterium är exakt hur sårläkning utlöses:En bättre förståelse av denna process är avgörande för att utveckla nya och förbättrade metoder för behandling av sår av alla typer.

Med en supersnabb, ultraprecis ultraviolett laser, ett team av fysiker och biologer vid Vanderbilt University har tagit ett viktigt steg mot att förstå arten av dessa triggersignaler. Deras nya insikter beskrivs i ett papper med titeln "Flera mekanismer driver kalciumsignaldynamik kring laserinducerade epitelsår" publicerad 3 oktober av Biofysisk tidskrift .

Tidigare forskning hade fastställt att kalciumjoner spelar en nyckelroll i sårresponsen. Det är inte förvånande, eftersom kalciumsignalering har en inverkan på nästan alla aspekter av cellulärt liv. Så, forskarna-under ledning av professor i fysik och biologiska vetenskaper Shane Hutson och docent i cell- och utvecklingsbiologi Andrea Page-McCaw-riktade celler på baksidan av fruktflugpuper som uttryckte ett protein som fluorescerar i närvaro av kalciumjoner. Detta gjorde det möjligt för dem att spåra förändringar i kalciumjonkoncentrationer i cellerna runt sår i levande vävnad (i motsats till cellkulturerna som används i många tidigare sårresponsstudier) och göra det med en aldrig tidigare skådad, millisekundens precision.

Teamet skapade mikroskopiska sår i puppens epitelager med hjälp av en laser som kan fokuseras ner till en punkt som är tillräckligt liten för att stansa mikroskopiska hål i enskilda celler (mindre än en miljonedel av en meter). Laserns precision tillät dem att skapa repeterbara och kontrollerbara sår. De fann att även de kortaste pulserna i nanosekund till femtosekundområdet producerade en mikroskopisk explosion som kallas en kavitationsbubbla som är tillräckligt kraftig för att skada närliggande celler.

"Som ett resultat, den skada laserpulserna ger liknar ett punkteringssår omgiven av ett kross -sår - trubbigt våldstrauma i rättsmedicinska termer - så våra observationer bör gälla de vanligaste såren, "sa författaren Erica Shannon, doktorand i utvecklingsbiologi.

Forskarna testade två rådande hypoteser för sårresponsutlösaren. En är att skadade och döende celler släpper ut proteiner i den extracellulära vätskan som omgivande celler känner, vilket får dem att öka sina inre kalciumnivåer. Detta ökade kalciumkoncentrationen, i tur och ordning, utlöser deras omvandling från en statisk till en mobil form, så att de kan börja täta av såret. Den andra hypotesen föreslår att triggersignalen sprids från cell till cell genom gap -övergångar, specialiserade intercellulära förbindelser som direkt länkar två celler vid punkter där de rör. Dessa är mikroskopiska grindar som gör att närliggande celler kan utbyta joner, molekyler och elektriska impulser snabbt och direkt.

"Det som är extremt spännande är att vi hittade bevis för att celler använder båda mekanismerna, "sa Shannon." Det visar sig att celler har ett antal olika sätt att signalera skada. Detta kan göra det möjligt för dem att skilja mellan olika typer av sår. "Experimenten avslöjade att skapandet av ett sår genererar en komplex serie kalciumsignaler i den omgivande vävnaden:

• Först kommer en snabb tillströmning av kalcium till cellerna omedelbart runt såret. Detta matchar kavitationsbubblans fotavtryck. Kalciumhalter i den extracellulära vätskan är mycket högre än de är i cellerna. På grund av den snabbhet som det inträffar (mindre än en tiondel av en sekund) hävdar forskarna att denna tillströmning orsakas av mikrotår i cellmembran som slets upp av mikroexplosionens kraft;
• Nästa, en kortlivad, den korta vågen sprids genom friska grannceller. Ju större såret, ju snabbare vågen sprider sig. Hastigheten med vilken vågen rör sig tyder på att den färdas genom gapskorsningar och består antingen av kalciumjoner eller någon annan liten signalmolekyl.
• Cirka 45 sekunder efter att ha skadats visas en andra våg. Denna våg rör sig mycket långsammare än den första vågen men sprider sig betydligt längre. Forskarna tolkar detta så att det sprids av större molekyler, troligen speciella signalproteiner, som sprids långsammare än joner. Dock, de varnar för att ytterligare experiment krävs för att bekräfta detta antagande. Den andra vågen inträffar bara när celler dödas, inte när de bara är skadade, tyder på att det beror på skadans omfattning.
• De två första vågorna sprider sig relativt symmetriskt genom vävnaden. Efter den andra vågen, dock, området med hög kalciumkoncentration börjar sända ut "bloss" - riktade strömmar av kalciumupptag som sprids längre in i den omgivande vävnaden. Varje flare varar i tiotals sekunder och nya bloss börjar fortsätta i mer än 30 minuter efter skadan.

"När vi väl förstår dessa utlösande mekanismer, det ska vara möjligt att hitta sätt att stimulera sårläkningsprocessen hos personer med tillstånd, som diabetes, som saktar ner processen eller till och med påskyndar normal sårläkning, sa Hutson.