روش جدید بیومکانیک، فرآیند انعقاد خون را به تصویر کشیده است

 پلاکت‌ها نوعی از سلول‌های خونی هستند که وظیفه‌ی آن‌ها متوقف کردن خونریزی با چسبیدن به هم و تشکیل لخته و پر کردن زخم است. اکنون برای اولین بار، دانشمندان توانسته‌اند نیروهای مولکولی کلیدی را که موجب آغاز این فرآیند می‌شوند، اندازه‌گیری و جهت‌یابی کنند. از این راه بررسی طیف وسیعی از فرآیندهای بیومکانیک مانند فعال‌سازی سلول‌های ایمنی و رشد جنین و حتی تکثیر و گسترش سلول‌های سرطانی نیز ممکن می‌شود.

یک میکروگراف الکترونی اسکن یک گلبول قرمز، یک پلاکت فعال (زرد) و یک گلبول سفید را نشان می‌دهد. توانایی ارزیابی میزان و جهت نیروها در سلول، ابزار جدیدی برای بررسی طیف وسیعی از فرآیندهای بیومکانیکی است.

خلید سلیتا، استاد دانشگاه و نویسنده‌ی اصلی این مقاله، می‌گوید:

ما به‌طور قطعی نشان می‌دهیم که برای فعال شدن فرآیند انعقاد خون، سلول نیاز به یک نیروی هدفمند با اندازه‌ی چند پیکونیوتن (نیرویی در حد یک میلیارد بار کمتر از وزن یک سوزن منگنه) دارد. جهت این نیروها هم مهم است و این نیرو باید به‌صورت افقی بر پلاکت‌ها اعمال شود. آن‌ها باید حالت ضربه‌زننده داشته باشند؛ در غیر این صورت ممکن است به‌صورت تصادفی موجب ایجاد لخته (در موقعیتی که نیازی نیست) و سکته‌ی مغزی شوند. 

فیبرینوژن که سومین پروتئین موجود در خون از لحاظ فراوانی است، مثل چسبی است که پلاکت‌ها را به هم می‌چسباند تا یک لخته تشکیل شود. هر پلاکت روی سطح خود دارای حدود هفتاد هزار گیرنده فیبرینوژن است. این گیرنده‌ها عملکردی همچون قلاب دارند و با فیبرینوژن اتصال محکمی برقرار می‌کنند.

سلیتا توضیح می‌دهد:

نکته‌ی عجیب این است که پلاکت‌ها، با وجود داشتن این همه گیرنده، در حالت معمول روی فیبرینوژن قرار نمی‌گیرند. آن‌ها دارای جریان هستند تا زمانی‌ که به زخمی برخورد کنند و فیبرینوژن در آنجا مستقر می‌شود. سپس پلاکت‌ها به‌سرعت به فیبرینوژن متصل می‌شوند و امکان تجمع بیشتر پلاکت‌ها و ایجاد لخته را می‌دهند. 

آزمایشگاه سلیتا از مراکز علمی پیشگام در تجسم و نقشه‌یابی نیروهای مکانیکی اعمال‌شده توسط سلول است. به‌منظور کشف بیومکانیک لخته شدن خون، این آزمایشگاه با ویلبور لم، متخصص هماتولوژی همکاری کرد.

در آزمایش‌های اولیه، آزمایشگاه سلیتا، لیگاندهای (لیگاند در بیوشیمی به ماده‌ای می‌گویند که با یک ملکول زیستی پیوند برقرار می‌کند تا بتواند یک هدف بیولوژیکی خاص را انجام دهد) فیبرینوژن را روی یک غشای چربی متصل کرد. روی این سطح، لیگاندها می‌توانند به‌صورت جانبی بلغزند، اما در برابر حرکت عمودی بر سطح مقاومت می‌کنند؛ شبیه حالتی که توپ هاکی روی یخ روی سطح یخ می‌لغزد ولی بلند شدن از سطح یخ برای آن دشوار است. محققان در ادامه پلاکت‌ها را به این سطح اضافه کردند و آزمایش‌ها نشان داد که پلاکت‌ها قادر به فعال شدن و چسبیدن به هم نیستند.

پلاکت‌ها باید با سرعت و دقت با قرار گرفتن در این مسیر، خونریزی را هنگام جراحت متوقف کنند ولی از ایجاد لخته‌ی خون غیر ضروری اجتناب کنند؛ چراکه اشتباه در این زمینه می تواند کشنده باشد. تصور می‌شود که آن‌ها از این سیگنال نیروی جانبی مانند یک قفل ایمنی برای جلوگیری از لخته‌ی غیر ضروری استفاده می‌کنند. سلیتا توضیح می‌دهد که رگ‌های خون با سلول‌های اندوتلیال پوشانده شده‌اند و ایجاد جراحت در آن‌ها موجب در معرض قرار گرفتن پوشش فیبرینی زیر این سلول‌ها می‌شود. سپس پلاکت‌ها و فیبرینوژن موجود خون می‌توانند به محل آسیب بچسبند. وقتی یک پلاکت با ملکول‌های چسبنده‌ی فیبرینوژن مواجه می‌شود، پلاکت‌ها به این فیبرینوژن‌ها می‌چسبند. نیروی حاصل سیگنالی برای فعال شدن پلاکت‌ها ایجاد می‌کند و به آن‌ها این امکان را می‌دهد که فیبرینوژن را از خون بگیرند و فرآیند چسبیدن به دیگر پلاکت‌ها را پیش ببرند.

او اضافه می‌کند که لخته شدن غیر طبیعی که منجر به سکته‌ی مغزی و خونریزی غیر قابل کنترل در بیماری هموفیلی می شود، ممکن است مربوط به نقص در این سازوکار بیومکانیک باشد. در سال ۲۰۱۱، آزمایشگاه سلیتا با همکاری الکسا متییز، متخصص زیست‌شناسی سلولی در دانشگاه پزشکی و مؤسسه سرطان وین‌شیپ، یک روش سنسور- فلورسنس را برای جهت‌یابی نیروهای سلولی توسعه داد. سلیتا می‌گوید:

متییز استاد پلاریزاسیون فلورسانس است. او یک میکروسکوپ اختصاصی ایجاد کرد که امکان تعیین جهت نیرو را در رزولوشن پیکونیوتن فراهم می‌کند.

در این تکنیک از مولکول‌های DNA به‌عنوان کاوشکر نیرو استفاده می‌شود که همچون طناب‌های مولکولی رفتار می‌کنند و در جهت حرکت نیروی سلولی کشیده می‌شوند. یک سری از تصاویر میکروسکوپی، می‌توانند جهت‌گیری DNA را ثبت کنند که از این می‌توان برای تعیین جهت نیروهای پیکونیوتنی سلول استفاده کرد.

سلیتا می‌گوید:

عملکرد ما در اندازه‌گیری و جهت‌یابی با استفاده از فلورسنت بسیار خوب بوده است. اکنون ما می‌توانیم جهت حرکت پلیمر را نیز مشاهده کنیم. 

آزمایش‌ها نشان دادند که وقتی پلاکت‌ها برای تشکیل لخته شروع به چسبیدن به هم می‌کنند، در امتداد یک خط یا محور مرکزی در هر سلول منقبض می‌شوند. توانایی نقشه‌برداری اندازه و جهت‌گیری نیروها در یک سلول، یک ابزار قدرتمند نه‌تنها برای بررسی لخته‌شدن خون، بلکه طیف وسیعی از فرآیندهای بیومکانیک همچون فعال‌سازی سلول‌های ایمنی و رشد جنین و تکثیر سلول‌های سرطانی است. سلیتا می‌گوید:

ما یک شیوه‌ی کاملا جدید برای دیدن چیزهایی که قبل از این قابل مشاهده نبودند، توسعه دادیم. این یک ابزار اساسی با برنامه‌های کاربردی وسیع است تا بتواند در درک اینکه چرا سلول‌ها این کارها را انجام می‌دهند و شاید پیش‌بینی اینکه چه کارهایی بعدا انجام خواهند داد، کمک کند.