O movimento do corpo é cancelado e a base do cílio é fixada. A linha azul corresponde à descrição matemática da posição do cílio. O círculo vermelho corresponde à base do cílio. O vídeo é desacelerado por um fator de 40. Crédito:Philip Bayly
Os corpos humanos têm alguns sistemas embutidos para cuidar de si mesmos. As células que revestem nossos pulmões, nariz, cérebro e sistema reprodutivo têm cílios, que são minúsculos, estruturas semelhantes a cabelos projetadas para varrer os fluidos, células e micróbios para se manterem saudáveis. Mas os mecanismos por trás de seu movimento não são bem compreendidos.
Uma equipe de pesquisadores da Escola de Engenharia McKelvey e da Escola de Medicina da Universidade de Washington em St. Louis queria determinar como o comprimento afetava a eficiência mecânica de bater os cílios. Eles descobriram que a maioria das métricas mecânicas, incluindo força, torque e potência, aumentou em proporção ao comprimento dos cílios, mas havia um "ponto ideal" em termos de eficiência. As descobertas fornecem informações sobre os cílios em humanos e como os defeitos levam a doenças, como discinesia ciliar primária, que está associada a infecções respiratórias crônicas, mudanças no eixo direita-esquerda e defeitos cardíacos. Os resultados serão publicados na edição de 9 de abril da Biophysical Journal .
O estudo foi liderado por Mathieu Bottier, um pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Philip Bayly, o professor Lilyan &E. Lisle Hughes de Engenharia Mecânica e presidente do Departamento de Engenharia Mecânica e Ciência dos Materiais; e o laboratório de Susan K. Dutcher, professor de genética e de biologia celular e fisiologia da Faculdade de Medicina. Os pesquisadores usaram microscopia de vídeo de alta velocidade para analisar um modelo de cílios para determinar suas métricas mecânicas. Depois de analisar quase 400 vídeos, a equipe descobriu que o batimento mais eficiente dos cílios estava em seu comprimento natural de 10-12 mícrons, ou cerca de um quinto da largura de um cabelo humano.
"Algo que não esperávamos é que os cílios curtos não fossem periódicos, "Bottier disse." Os cílios estão todos se movendo, mas não encontramos nenhum padrão real de espancamento - nada estava sincronizado - e essa foi a nossa primeira descoberta. "
A equipe usou Chlamydomonas reinhardtii, uma alga verde unicelular que normalmente nada com duas caudas propulsoras e é freqüentemente usada como modelo para cílios de mamíferos. Bottier e Kyle Thomas, um estudante sênior de graduação com especialização em engenharia biomédica, usou um mutante com apenas um cílio que gira no lugar, permitindo uma gravação de vídeo mais longa. Eles removeram o cílio, então registrou a regeneração por vídeo. O cílio levou cerca de 90 minutos para retornar ao seu comprimento normal, e enquanto sua forma de onda variou ligeiramente daquela dos cílios padrão, suas características principais eram semelhantes.
Cílio de aproximadamente 9 mícrons batendo em cerca de 60 Hz. O vídeo é desacelerado por um fator de 40. A célula está visivelmente girando graças ao seu cílio único. Crédito:Philip Bayly
"Queríamos ver o cílio batendo, que fizemos com o vídeo, "Bottier disse." Então perguntamos como poderíamos descrevê-lo, e a melhor maneira era olhar para a batida média. Registramos cinco ou seis ciclos de batidas que se repetem periodicamente, e daqueles cinco ou seis, podemos reconstruir uma média, que removerá os eventuais outliers. "
O batimento do cílio ocorre por meio de uma série de curvas que começam na base e se estendem até a ponta. A equipe descobriu que a batida periódica começa quando os cílios se tornam mais longos do que dois a quatro mícrons, o que significa que um comprimento crítico é necessário para que os cílios batam. Em pesquisas anteriores, os cientistas não estudaram cílios menores que cinco ou seis mícrons, Bottier disse. Outra nova observação é que a frequência de batimento em cílios que batem periodicamente é bastante consistente ao longo da faixa normal de comprimento dos cílios, embora diminua ligeiramente à medida que o comprimento aumenta de quatro mícrons para 12 mícrons, Bayly disse.
Este trabalho pode ajudar a entender as mutações humanas que tornam os cílios curtos e como os cílios curtos afetarão o resultado do paciente, Dutcher disse.
Thomas disse que a pesquisa fornece uma melhor compreensão de como os cílios funcionam e o que causa as oscilações.
"Há muitos modelos diferentes apresentados sobre o que impulsiona esse padrão de dobra, portanto, este estudo ajudou a aprender quais modelos são mais precisos e quais podem ter imprecisões, para que possamos entender quando há uma disfunção ciliar, o que causa, porque isso pode desencadear algumas conversas sobre como tratá-lo, "Disse Thomas.