クラゲに刺されるメカニズムが解明される。 将来の配送デバイスの設計に役立つ可能性がある

Jul 12, 2023

クレジット: Unsplash の Marat Gilyadzinov による写真

夏に海に行く人は、クラゲに刺されると痛いことをよく知っています。 しかし、クラゲ、サンゴ、イソギンチャクの刺細胞は実際にどのように機能するのでしょうか? ストワーズ医学研究所の新たな研究により、スターレットイソギンチャク Nematostella vectensis の刺す細胞小器官 (刺胞) の正確な動作モデルが明らかになりました。 マット・ギブソン博士の研究室の博士課程研究者であるアーメット・カラブルート氏が主導したこの研究では、最先端の顕微鏡イメージング技術の使用に加え、未解明のメカニズムの包括的な理解を可能にする生物物理学的モデルの開発が行われた。一世紀以上もとらえどころがない。

研究者らは、この研究から得られた洞察が、顕微鏡による治療送達デバイスの設計など、新たな臨床開発につながる可能性があると示唆している。 「この複雑な刺し傷のメカニズムを理解すれば、将来、人間に応用できる可能性がある」とギブソン氏は述べた。 「これは、顕微鏡デバイスの設計だけでなく、新しい治療法や薬剤の標的送達法の開発につながる可能性があります。」 Gibsonらは、「刺胞動物の刺す細胞小器官の構造と作動機構」というタイトルの論文で、Nature Communications誌に研究を報告した。

クラゲ、イソギンチャク、および関連する刺胞動物の刺胞小器官は、捕食と防御の両方に使用される「驚くべき細胞兵器」であると著者らは書いている。 刺胞は、神経毒のカクテルを送達するコイル状の銛のような糸が入った加圧カプセルで構成されています。 「トリガーされると、カプセルが放出され、その糸が銛のように射出され、標的を貫通し、外転と呼ばれるプロセスで裏返ることによって急速に伸びます」と研究者らは説明した。 「細胞レベルでは、刺胞の放出は自然界で最も速い機械的プロセスの1つであり、ヒドラの刺胞では3ミリ秒以内に完了することが知られています。」 実際、圧力によるカプセルの爆発とそれに続く糸の放出の初期段階は、700 ナノ秒という速さで発生します。

これまでの研究では、刺胞の高速放出はカプセル内の浸透圧の蓄積と、放出中に強力なバネのような機構によって弾性的に伸ばされたカプセル壁がエネルギーを放出することによって引き起こされることが示唆されています。 「作動後、放出前に、水の急速な流入によりカプセルの体積が約2倍になる」と著者らは述べた。 「これにより、マトリックスが浸透圧で膨張し、カプセル壁が引き伸ばされます。その後、このエネルギーを利用して糸が高速で射出され、標的組織に衝撃を与えて貫通します。」

刺胞動物の異なる種の刺胞の特徴は、莢膜のサイズと糸の形態に関してかなり異なりますが、それらはすべて同様の方法で機能し、爆発的な放出によって駆動される反転可能な細管を特徴としています。

ストワーズチームの刺細胞機能モデルは、非常に複雑な刺胞の構造と発火機構の詳細な性質についての重要な新たな洞察を提供する。 カラブルート氏とギブソン氏は、ストワーズ大学テクノロジーセンターの科学者と協力して、高度なイメージング、三次元電子顕微鏡法、および遺伝子ノックダウンアプローチを使用して、標的を突き刺して毒物を与えるために必要な運動エネルギーには、浸透圧と貯蔵された弾性エネルギーの両方が関与していることを発見しました。複数の刺胞の部分構造内。

「私たちは、刺胞の構造と作動機構を理解するために、蛍光顕微鏡、高度なイメージング技術、および遺伝的摂動と組み合わせた3D電子顕微鏡を利用しました」とKarabulut氏は述べた。

研究者らは、最先端の方法を用いて、発射中のN. vectensis 刺胞の爆発性放電と3つの異なる段階への生体力学的な変化を特徴づけた。 第 1 段階は、最初の発射体のような放出と、刺胞嚢からの密にコイル状の糸の標的貫通です。 このプロセスは、水の突然の流入とカプセルの弾性伸縮による浸透圧の変化によって引き起こされます。

第 2 段階は、糸のシャフトの基礎構造の放出と伸長を示します。これは、外反プロセス (シャフトが裏返るメカニズム) による弾性エネルギーの放出によってさらに推進され、装飾された脆弱な内細管を取り囲む三重らせん構造を形成します。毒素のカクテルを含む棘。 第 3 段階では、尿細管が独自の外反プロセスを開始して標的の軟組織内に伸長し、途中で神経毒を放出します。

この刺し行為全体は、わずか 1000 分の 1 秒以内に完了します。 「刺胞の発射の初期段階は非常に速く、詳細に捉えるのは困難です」とカラブルット氏は述べた。 基礎的な生物学の研究では時々起こることですが、最初の発見は好奇心からの偶然でした。 カラブルート氏はイソギンチャクに蛍光色素を組み込んで、刺胞が豊富な触手が作動したときにどのように見えるかを観察しました。 刺胞の放出を活性化すると同時にその繊細な下部構造を時間的および空間的に保存するための溶液の組み合わせを適用した後、彼は、発火の異なる段階で複数の刺胞を偶然に捕捉したことを発見した。

「顕微鏡の下で、触手に糸が放出されている驚くべきスナップショットを見ました。まるで花火大会のようでした。使用した試薬が同時にサンプルを瞬時に固定している間、刺胞が部分的に糸を放出していることに気付きました」とカラブルット氏は語った。 「美しく調整されたプロセスでの発射中の糸の幾何学的変化を示す画像を撮影することができました。さらなる検査の結果、作動中の刺胞細胞の糸の幾何学的変化を完全に理解することができました。」

「…この研究は、複雑で自己組織化する生物学的マイクロマシンとしての刺胞の作動能力を実証している」と著者らは結論付けた。 「これらの古代の洗練された細胞小器官は、医療技術から材料科学に至るまでの多様な用途に利用できる、生物学にインスピレーションを得たマイクロスケールデバイスの理想的なモデルであると我々は提案します。」

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