Projekti / Programi
Merklove celice: njihova vloga in delovanje pri zaznavanju mehanskega dražljaja na površini kože
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 3.03.00 |
Medicina |
Nevrobiologija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| B640 |
Biomedicinske vede |
Nevrologija, nevropsihologija, nevrofiziologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 3.01 |
Medicinske in zdravstvene vede |
Temeljna medicina |
Merklove celice, mehanorecepcija, sensory physiology
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
23608 |
dr. Janez Prešern |
Biologija |
Vodja |
2011 - 2013 |
213 |
Organizacije (1)
Povzetek
Zaznavanje mehanskih dražljajev okolice s pomočjo tipa je za človeka in osebke mnogih drugih živalskih vrst pomembno v zelo različnih kontekstih, od zaznave fizičnih lastnosti okolja do kompleksnih socialnih interakcij (kot npr. mati – otrok …). Zaradi svoje pomembnosti je tip deležen precejšnje pozornosti raziskovalcev. Dodatno gonilo raziskav so možne aplikacije nabranega znanja, kot so npr. razvoj pripomočkov za slepe in slabovidne, fizioterapijo in na dotik prijetnih embalaž. Kljub temu obstaja odprtih še nekaj pomembnih vprašanj, ki zadevajo predvsem osnovne mehanizme zaznave mehanskega dražljaja. Pri izvedbi predlaganega projekta se bom osredotočil na nekatera od njih. Pridobljeni odgovori lahko na dolgi rok vplivajo na izvedbo nekaterih aplikacij.
Merklov kompleks je vrsta kožnega mehanoreceptorja. V primerjavi z drugimi vrstami kožnih mehanoreceptorjev, kot so Meissnerjeva ali Pacinijeva telesca, ima relativno enostavno zgradbo: eno Merklovo celico, sedečo nad čašasto oblikovanim živčnim končičem aferentega nevrona, med katerima je sinapsi podobna struktura. Enostavni zgradbi navkljub so si mnenja o vlogi posameznih sestavnih delov Merklovega kompleksa pogosto nasprotujoča. Večina raziskovalcev se strinja, da je Merklova celica potrebna za odziv aferentnega nevrona na deformacijo tkiva (vsaj za statični del deformacije) okoli Merklovega kompleksa. Vendar prispevek Merklove celice k temu odzivu ni poznan.
Cilj mojega projekta je določiti vlogo Merklove celice pri odzivu aferentnega nevrona in narediti model Merklove celice po Hodgkin&Huxley-ju. Ta bo služil kot orodje za določitev z mehansko deformacijo tkiva sproženih ionskih tokov. Za dosego prvega cilja bom uporabil rezine gladke kože, ki jih bom pridobil s koncev prstov laboratorijskih miši. Kot orodje bom uporabil napetostno občutljiva fluorescentna barvila v kombinaciji z elektrofiziološko metodo vpete napetosti na celični membrani. V prvem delu bom preučil odnos med Merklovo celico in pripadajočim aferentnim končičem. Z manipulacijo membranskega potenciala bom dosegel eksocitozo nevrotransmiterja in opazoval odziv aferenta. V nadaljevanju bom ovrednotil spremembo odziva aferenta na kontrolirano mehansko draženje po injiciranju Merklove celice s kelatorjem BAPTA, ki z vezavo prostega znotrajceličnega kalcija blokira eksocitozo in posledično sinapso.
Pri izgradnji modela bom z metodo analize nestacionarnega šuma določil število ionskih kanalčkov posamezne vrste. Vhodne podatke o ionskih tokovih in lastnostih napetostno odvisnih ionskih kanalčkov bom pridobil v literaturi in farmakoloških spletnih podatkovnih bazah. S pridobljenimi in izračunanimi podatki bom v orodju NEURON izdelal enostavno modelno platformo. Le-to bom, v kombinaciji z v prvem delu izmerjenimi odzivi Merklove celice, uporabil pri določitvi možnih lastnosti ionskih tokov, aktiviranih z mehansko deformacijo tkiva. Hkrati bo izdelan tudi model deformacije tkiva okoli Merklovih celic, ki bo koreliran z mehansko-aktiviranimi ionskimi tokovi.
Predlagan projekt bo s študijo in situ in modeliranjem zaprl pomembno poglavje v fiziologiji čutil. Uporaba tkivnih rezin bo pomembna prednost pred večino dosedanjih študij. Študije in situ so bile v preteklosti redke, predvsem zaradi tehničnih omejitev. Z moderno raziskovalno opremo, izkušnjami in tehniko, ki so na voljo v gostiteljskem laboratoriju, je in situ pristop ne samo možen, ampak tudi nujen.
Predlagan projekt je bazična raziskava. Kljub temu načrtujem distribucijo rezultatov raziskovalcem, povezanim z industrijo. Menim, da bodo na tak način projektni rezultati koristili razvoju aplikacije, hkrati pa bom postavil mrežo za nadaljnje raziskave.
Pomen za razvoj znanosti
Naš projekt je značilno prispeval k poznavanju fiziologije Merklovih celic in k delu fiziologije čutil, ki se nanaša na mehansko vedenje celic in aktivacijo mehanskih tokov pod vplivom sile neposredno na celično membrano. Z našim delom smo 1) prvič pokazali in opisali ionske tokove, aktivirane z direktnim mehanskim draženjem celične membrane Merklove celice, njihove lastnosti in njihovo odvisnost od stimulusne amplitude, 2) prikazali aktivacijo eksocitoznih mehanizmov Merklove celice, 3) pokazali, da lahko Merklova celica eksocitira čez daljše časovno obdobje, kar je skladno z idejo o kodiranju statičnega mehanskega pritiska, 4) opisali mehansko vedenje celice v poskusih pod točko 1) z izdelavo modela po metodi končnih elementov in nenazadnje 5) pokazali, da pospešek membranskega raztezka verjetno ni količina, ki prispeva k odpiranju mehansko-občutljivih ionskih kanalčkov tipa »stretch«.
Pomen za razvoj Slovenije
Prispevek projekta za razvoj Slovenije lahko strnemo v tri točke. Prvič, projekt je imel pomembno vlogo pri izobraževanju človeških virov. Pri razvoju modelov sta sodelovala diplomantka matematike in doktor gradbeništva, ki sta tako pridobila pomembne izkušnje z modeliranjem bioloških sistemov. Na podlagi sodelovanje je bil v letošnjem letu spisan in oddan tudi članek (glej zgoraj). Drugič, projekt je pomemben s stališča povezovanja različnih področij, ki so v Sloveniji - in v nasprotju z večino evropskih držav - pogosto še vedno obravnavana ločeno. S stališča projekta menimo, da se je področje fiziologije čutil izkazalo idealno za konvergenco različnih področij, kot sta biomedicina in inženirstvo. Preko podjetja C3M d.o.o., s katerim smo sodelovali pri razvoju modelov, smo pridobili povezave do potencialnih parterjev v industriji, s katerimi načrtujemo aplikacijo na področju razvoja novih modelov. In tretjič, projekt je služil pri promociji slovenskega »know-how« in prenosu novih metodologij v slovensko znanost. Projektne ideje smo prestavili na Univerzi v Göteborgu (september, 2011), kjer smo se spoznali z nekaterimi metodami dela s tkivi, ki vsebujejo mehanoreceptorje, kar smo kasneje uporabili pri izvajanju projekta. Rezultate dela smo predstavili na interni konferenci konzorcija NanoBioTouch (Birmingham, november 2013), kar je služilo promociji slovenske znanosti, mi pa smo pridobili in v Slovenijo prinesli znanje o raziskovalno/razvojni metodologiji partnerjev konzorcija.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
