Biologiczne działanie mechanorodników – wpływ mechanicznego stresu na komórki i DNA

Mechanorodniki powstają, gdy siła mechaniczna powoduje zrywanie wiązań chemicznych cząsteczek. Historycznie zjawisko to opisywano dla materiałów syntetycznych – już w latach 30. XX w. Hermann Staudinger zaobserwował, że w wyniku przeróbki polimeru (polistyrenu) mechanicznie zmniejsza się jego masa cząsteczkowa na skutek rozerwania łańcuchów, co prowadzi z kolei do powstania wolnych rodników. Przez lata jednak nikt nie przypuszczał, że podobne mechanochemiczne reakcje mogą zachodzić w białkach i tkankach biologicznych poddanych naprężeniom mechanicznym. Dopiero niedawno naukowcy wykazali, że najpowszechniejsze białko strukturalne organizmu – kolagen – również generuje mechanorodniki pod wpływem rozciągania jego struktury.

Dlaczego jest to tak istotne zjawisko z punktu widzenia procesów starzenia się? Wolne rodniki powstające w kolagenie mogą się utleniać i uszkadzać pobliskie struktury komórkowe – błony komórek, enzymy, a nawet DNA w jądrze komórkowym, jeśli przenikną do wnętrza komórek. Zespół Frauke Gräter z Heidelbergu wykazał, że stężenia nadtlenku wodoru pojawiające się w mechanicznie obciążonych doświadczalnie ścięgnach są wystarczająco wysokie, by utleniać składniki błon komórkowych i inne molekuły. Oksydacyjne uszkodzenia DNA i białek są zaś dobrze znanym motorem napędowym starzenia się komórek. Mechanorodniki stanowią zatem brakujące ogniwo między zrozumieniem mechanizmu stresu a molekularnymi uszkodzeniami związanych ze starzeniem się. Zjawisko ich występowanie może tłumaczyć, dlaczego długotrwałe obciążenia tkanek (np. w stawach osób intensywnie uprawiających sport czy pracujących fizycznie) przyspieszają ich zużycie i starzenie się – nie tylko poprzez zużycie strukturalne, ale też chemiczne uszkodzenia rodnikowe. Co ciekawe, wspomniane badania nad kolagenem sugerują, że ewolucyjnie białko to zostało „zaprojektowane” tak, by minimalizować szkody wyrządzane przez rodniki. Gdy włókno kolagenowe się rozciąga, wiązania pękają w pobliżu reszt aminokwasowych – dihydroksyfenyloalaniny (DOPA). DOPA to zmodyfikowane reszty tyrozyny, które łatwo reagują z rodnikami, „wymiatając” je i stabilizując w postaci względnie bezpiecznych rodników DOPA. W ten sposób kolagen działa jak „gąbka na rodniki”, chroniąc tkankę przed zajściem niekontrolowanych reakcji rodnikowych.

Mechanorodniki a starzenie się materiałów polimerowych i biomateriałów

Mechanorodniki po raz pierwszy opisano właśnie w kontekście materiałów polimerowych, na długo zanim zainteresowali się nimi biolodzy. Każdy polimer może pod wpływem sił mechanicznych ulec rozerwaniu wiązań, co prowadzi do powstania rodnikowych fragmentów łańcucha. W materiałoznawstwie zjawisko to jest kluczowe dla zrozumienia starzenia się materiałów. Mechaniczne zmęczenie tworzyw (np. wyginanie, rozciąganie, ścieranie) powoduje stopniowe rozpady cząsteczek polimeru, inicjując reakcje rodnikowe skutkujące degradacją materiału. Co ważne, takie mechanorodniki są bardzo reaktywne i mogą dalej utleniać lub sieciować polimer, zmieniając jego strukturę chemiczną, a tym samym – jego właściwości.

Sensory uszkodzeń i mechanochemiczne dostarczanie leków – zastosowania mechanorodników

Jednym z obiecujących zastosowań mechanorodników są „samodiagnozujące się” materiały, które sygnalizują o uszkodzeniu, zanim dojdzie do kompletnego zniszczenia materiału. Inżynierowie wprowadzają do polimerów specjalne mechanoczułe cząsteczki (tzw. mechanofory), które zmieniają barwę lub właściwości optyczne pod wpływem przerwania wiązania. Przykładem jest popularny spiropiran – bezbarwna cząsteczka, która pod wpływem rozciągania pęka, przechodząc w kolorową formę. W ten sposób pęknięte obszary materiału zabarwiają się na widoczny kolor lub zaczynają fluoryzować, ostrzegając o mikropęknięciach. Mechanofory mogą też działać naprawczo. Skoro mechanorodnik to reaktywna cząstka, można ją spożytkować do inicjowania naprawy materiału w miejscu uszkodzenia. Współczesne badania pokazują, że możliwe jest stworzenie polimerów, które pod wpływem występującego obciążenia, same się wzmacniają. Dzieje się tak dzięki mechanoforom uwalniającym rodniki, które z kolei zapoczątkowują dodatkowe reakcje utwardzające, np. polimeryzację monomerów obecnych w materiale. W efekcie w miejscu największych naprężeń powstają nowe wiązania wzmacniające strukturę.

Inną fascynującą gałęzią zastosowań mechanorodników jest dziedzina medycyny oparta o mechanochemię. Skoro siła mechaniczna może wyzwalać reakcje chemiczne, można ją wykorzystać do kontrolowanego dostarczania leków. Tego typu mechanochemiczne biosensory mogłyby pewnego dnia ostrzegać sportowców przed przeciążeniem lub monitorować gojenie się ran wewnątrz ciała (poprzez sygnalizowanie, czy napięcie na szwach chirurgicznych nie przekracza normy). I choć zastosowania diagnostyczne i terapeutyczne mechanorodników są dopiero w fazie badań, potencjał jest ogromny. Wykorzystanie zewnętrznie przykładanej siły (jak ultradźwięki czy pole mechaniczne) do uruchamiania reakcji chemicznych otwiera drogę do niezwykle precyzyjnej medycyny, gdzie leki aktywują się tylko w zamierzonym miejscu i czasie. Z kolei materiały wyposażone w mechanofory mogą czuć i reagować na swoje własne uszkodzenia, co może zrewolucjonizować inżynierię tkankową.

Podsumowanie

Mechanorodniki to bardzo młoda, dynamicznie rozwijająca się dziedzina nauki, sytuująca się na pograniczu mechaniki, chemii, materiałoznawstwa i biologii. Dopiero w 2020 r. pojawiły się przełomowe publikacje, które zwróciły uwagę szerszego grona naukowców na ten fenomen w układach biologicznych. Warto na koniec wspomnieć również o polskich akcentach. Choć termin „mechanorodniki” jest nowy, pewne aspekty badań mechanochemicznych materiałów były podejmowane także w Polsce, np. w kontekście zmęczenia polimerów czy biodegradacji implantów. Dopiero niedawno jednak społeczność naukowa zaczęła używać tej nomenklatury i łączyć wyniki z szerszą ideą mechanorodników. Można spodziewać się zatem, że w kolejnych latach więcej zespołów (także krajowych) wejdzie w ten obszar, zwłaszcza że mechanochemia materiałów i mechanobiologia to priorytetowe kierunki badawcze na świecie.