三个研究小组在他们的联合项目中研究了上皮细胞如何通过离子通道感知环境的微小变化。该研究使用由Arri Priimägi教授领导的智能光子材料研究小组开发的光响应材料进行，该材料可用作细胞培养的基质。这些材料允许使用光刺激来精确且可控地移动细胞基质。
“这些细胞具有细胞内钙的标记蛋白，因此我们能够在共聚焦显微镜上在基质表面绘制小凹槽，同时监测活细胞如何在钙的帮助下对环境中的这些变化做出反应。我们发现，即使是几十纳米材料的运动也会打开细胞中的机械门控钙通道，通过该通道，细胞能够改变其钙水平，”坦佩雷高级研究所高级研究员Teemu Ihalainen 说。 IAS)和医学与健康技术学院细胞生物物理学研究小组的负责人。
细胞中的多种过程都需要钙，因此即使钙含量的微小变化也会对细胞功能产生很大影响。这项研究也许是第一次表明，细胞能够感知环境中的微小运动，并且通过改变钙离子通过细胞膜的流动(即通过离子电流产生电流)来检测这些运动。
该研究的重点是机械刺激的第一秒内细胞内钙的变化。 2023 年 11 月，博士研究员 Heidi Peussa 发表在著名期刊《Advanced Science》上，题为《偶氮苯薄膜中的光诱导纳米级变形通过机械敏感阳离子通道快速增加细胞内 Ca 2+》的文章，是博士研究员 Heidi Peussa 论文的关键部分。
机械门控离子通道是关键
在体内，上皮细胞紧密附着在细胞外基质上，从而允许环境的机械应变传递到细胞。机械刺激对于细胞的正常功能很重要。细胞附着的破坏通常会导致疾病或其他问题。
细胞以多种方式感知环境变化，例如通过机械门控 PIEZO1 离子通道。这些通道可以理解为细胞膜孔，在机械松弛状态下关闭，但在细胞膜拉伸时打开。这种打开发生在千分之一秒内，导致钙流入细胞。该过程在许多生理功能中发挥着关键作用，例如触觉。机械门控离子通道的发现荣获 2021 年诺贝尔奖。
研究表明，PIEZO1 通道对于感知细胞微环境的快速变化至关重要。
“我们发现细胞能够感知千分之一秒内发生的小至 40 纳米(0.000040 毫米)的变形。我们第一次能够监测 PIEZO1 通道如何因局部细胞外环境的物理变化而打开，”Ihalainen 提到。
研究眼睛细胞过程的新可能性
研究人员使用的方法是新的，可以特别研究细胞外基质的机械刺激，同时监测细胞反应。针对 PIEZO01 通道功能的进一步研究已经在进行中。此外，研究人员的目标是研究和开发新型光响应材料。
“我们下一步是研究这些机械门控离子通道的调节和调节因素。我们的目标还在于更广泛地了解力觉感知的最初几秒钟后发生的情况。我们正在开发新的转基因细胞系，以进一步研究细胞不同位置的钙信号传导。这些转基因细胞系还使我们能够将研究扩展到眼睛的底层视网膜色素上皮，并研究 PIEZO1 通道在视网膜维护中的作用。”生物传感器技术副教授兼眼睛生物物理学研究负责人 Soile Nymark说道医学与健康技术学院的小组。
发表的这项研究是由 Emil Aaltonen 基金会资助的为期三年的ABioT 项目的一部分。该项目还获得了芬兰研究委员会和坦佩雷高等研究院(IAS)的资助。