Människokroppar har några inbyggda system för att ta hand om sig själva. Cellerna som kantar våra lungor, näsa, hjärnan och reproduktionssystemet har cilia, som är små, hårliknande strukturer utformade för att sopa ut vätskor, celler och mikrober för att hålla sig friska. Men mekanismerna bakom deras rörelse är inte väl förstådda.

Ett team av forskare vid McKelvey School of Engineering och School of Medicine vid Washington University i St. Louis ville bestämma hur längden påverkade den mekaniska effektiviteten för att slå cilia. De fann att de flesta mekaniska mätvärden, inklusive våld, vridmoment och effekt, ökat i proportion till längden på cilia, men det fanns en "sweet spot" när det gäller effektivitet. Fynden ger insikt i cilia hos människor och hur defekter leder till sjukdom, såsom primär ciliär dyskinesi, som är associerad med kroniska luftvägsinfektioner, förändringar i höger-vänster axel och hjärtfel. Resultaten kommer att publiceras i 9 april -numret av Biofysisk tidskrift .

Studien leds av Mathieu Bottier, en postdoktor i Philip Baylys laboratorium, Lilyan &E. Lisle Hughes professor i maskinteknik och ordförande för institutionen för maskinteknik och materialvetenskap; och laboratoriet av Susan K. Dutcher, professor i genetik och cellbiologi och fysiologi vid School of Medicine. Forskarna använde höghastighetsvideomikroskopi för att analysera en modell för cilia för att bestämma deras mekaniska mätvärden. Efter att ha analyserat nästan 400 videor, laget fann att den mest effektiva strykningen av cilia var vid dess naturliga längd på 10-12 mikron, eller ungefär en femtedel bredden på ett människohår.

"Något vi inte förväntade oss är att de korta cilierna inte skulle vara periodiska, "Sa Bottier." Cilia rör sig alla, men vi hittar inget verkligt mönster av stryk - ingenting var synkroniserat - och det var vår första upptäckt. "

Teamet använde Chlamydomonas reinhardtii, en encellad grönalg som normalt simmar med två framdrivande svansar och ofta används som modell för däggdjurscilier. Bottier och Kyle Thomas, en högskoleexamen med biomedicinsk teknik, använde en mutant med bara ett cilium som snurrar på plats, tillåter längre videoinspelning. De tog bort cilium, spelade sedan in återväxten med video. Cilium tog ungefär 90 minuter att återgå till sin normala längd, och medan dess vågform varierade något från standardcilia, dess viktigaste egenskaper var liknande.

"Vi ville se cilium slå, vilket vi gjorde med videon, "Sa Bottier." Sedan frågade vi hur vi skulle kunna beskriva det, och det bästa sättet var att titta på genomsnittsslaget. Vi spelade in fem eller sex slagcykler som upprepas regelbundet, och från de fem eller sex, vi kan rekonstruera ett genomsnitt, som kommer att ta bort eventuella avvikelser. "

Ciliumens slag sker via en serie böjar som börjar vid basen och sträcker sig till spetsen. Teamet fann att regelbunden misshandel börjar när cilia blir längre än två till fyra mikron, vilket innebär att en kritisk längd är nödvändig för att cilia ska slå. I tidigare forskning har forskare hade inte studerat cilia kortare än fem eller sex mikron, Sa Bottier. En annan ny observation är att slagfrekvensen i periodiskt slående cilia är ganska konsekvent över det normala intervallet av ciliumlängd, även om den minskar något när längden ökar från fyra mikron till 12 mikron, Sa Bayly.

Detta arbete kan hjälpa till att förstå mänskliga mutationer som gör cilia korta och hur korta cilia kommer att påverka patientens resultat, Sa Dutcher.

Thomas sa att forskningen ger en bättre förståelse för hur cilia fungerar och vad som orsakar svängningarna.

"Det finns många olika modeller om vad som driver detta böjningsmönster, så denna studie hjälpte till att lära sig vilka modeller som är mer exakta och vilka som kan ha felaktigheter, så att vi kan förstå när det finns en cilia dysfunktion, vad som orsakar det eftersom det kan väcka några konversationer om hur vi behandlar det, "Sa Thomas.