Gojenie ran składa się ze złożonej serii nakładających się na siebie etapów, które obejmują różne typy komórek, cząsteczki sygnałowe i składniki macierzy zewnątrzkomórkowej1. Razem te składniki współpracują ze sobą, aby osiągnąć rozwiązanie lub naprawę rany, co ostatecznie prowadzi do powstania ochronnej blizny zwłóknieniowej w zależności od stopnia urazu1. Uchwycenie poszczególnych procesów i funkcji gojenia się ran w jednym eksperymencie jest trudne; Poszczególne etapy procesu gojenia się ran muszą być identyfikowane i badane oddzielnie. Wśród wielu etapów gojenia się ran, proces migracji komórkowej został uznany za krytyczny przy ocenie wskaźników gojenia2. Migrację komórek można zaobserwować we wszystkich fazach gojenia się ran, a zatem wymaga dalszego zrozumienia, w jaki sposób zmiany w migracji komórek mogą wpływać na zamykanie ran. Na przykład migrację komórek obserwuje się zarówno we wczesnej, jak i późnej fazie zapalenia, z krzepnięciem krwi i agregacją płytek krwi w miejscu rany3. Zdarzenia te zapobiegają nadmiernej utracie krwi poprzez tworzenie tymczasowej blokady w celu wypełnienia zranionych obszarów pozbawionych tkanki3. Płytki krwi w krążeniu będą syntetyzować i wydzielać mediatory wazoaktywne wraz z czynnikami chemotaktycznymi, które razem sygnalizują migrację leukocytów zapalnych (białych krwinek) do uszkodzonej tkanki w celu naprawy4. Reepitelializacja następuje w ciągu kilku godzin od uszkodzenia tkanki i polega na pokryciu miejsca rany poprzez aktywność i migrację keratynocytów nabłonka, aby zapobiec dalszemu zanieczyszczeniu lub inwazji obcych cząstek na miejsce rany2. Przykłady te pokazują tylko kilka z wielu funkcji migracji komórek związanych z gojeniem się ran.
Test scratch został opisany i wykorzystany do lepszego zrozumienia migracji komórek i jej wielu ról w gojeniu się ran5,6. Ten test jest uważany za uproszczony, zapewnia wysoką przepustowość i umożliwia badaczowi zbieranie reprezentatywnych danych dotyczących migracji komórek. Testy migracji z powodzeniem wykazały, że niektóre związki mogą przyspieszać lub spowalniać tempo migracji komórkowej6. Co więcej, wyniki tych testów dostarczają translacyjnych informacji fizjologicznych, które można wykorzystać do sformułowania docelowych metod leczenia, stężeń dawkowania i genów będących przedmiotem zainteresowania przed eksperymentami in vivo. Test wymaga podstawowych technik i materiałów do hodowli komórek, wybranej linii komórkowej oraz technologii obrazowania w celu uchwycenia ruchu w czasie lub ruchu w odpowiedzi na leczenie.
Test może być łatwo manipulowany lub dostosowany do potrzeb badacza. Istnieją jednak cztery podstawowe pytania, które należy rozważyć przed eksperymentowaniem. Na jakie ogólne lub szczegółowe pytania badacze próbują odpowiedzieć? Dotyczy to większości badań opartych na hipotezach; Ma to jednak kluczowe znaczenie dla tego testu, ponieważ określi wiele parametrów potrzebnych do dokładnej i pełnej odpowiedzi na pytanie (pytania). Jaka linia komórkowa lub linie komórkowe (jeśli jest ich wiele) powinny być używane do reprezentowania badanego systemu fizjologicznego? Na przykład w badaniu dotyczącym gojenia się ran skórnych można uznać, że fibro5,6,7, stem cell8, czyli keratynocyty naskórka9 mogą być uważane za reprezentujące populacje komórek, które normalnie występują w dużych ilościach w tkance skórnej10. Alternatywnie, neutrofile, makrofagi lub inne komórki zapalne mogą być oceniane w tym systemie, aby reprezentować migrację komórek innych składników gojenia się ran w tkance skórnej10. Ponadto zidentyfikowanie konkretnej ocenianej linii komórkowej pomoże określić, które odczynniki są optymalne do użycia w celu promowania aktywności metabolicznej komórek. W jaki sposób będzie śledzona/obrazowana migracja komórek? Istnieje wiele technik stosowanych do obserwacji migracji komórek w obrębie płytki lub kolby. Na przykład, barwienie lub fluorescencyjne znakowanie komórek i używanie obrazowania fluorescencyjnego lub konfokalnego do śledzenia komórek zapewnia silny kontrast, który pozwala badaczowi wyraźnie zdefiniować lokalizacje komórkowe i niekomórkowe oraz ruch komórkowy11. Inną popularną techniką, opisaną w tym badaniu, jest użycie mikroskopii światła odwróconego z kontrastem fazowym6,7. Ta alternatywa dla barwników komórkowych i fluorescencji pozwala użytkownikowi śledzić komórki na żywo bez konieczności końcowego utrwalania komórek przed obrazowaniem, a także pozwala na przechwytywanie obrazów tych samych pojedynczych studzienek zawierających zranione monowarstwy komórek w różnych punktach czasowych. Jakie miary wyników zostaną wykorzystane do analizy? Korzystając z obrazów zebranych w trakcie badania, można wygenerować dane, które pozwolą zrozumieć zmiany w tempie migracji komórek. W naszym laboratorium obrazy mikroskopowe wykonane za pomocą mikroskopu światła odwróconego są przesyłane do oprogramowania do analizy obrazu, a następnie obliczany jest procent zamknięcia rany i zsumowana powierzchnia pod krzywą (AUC).
Zwrócimy uwagę na konkretne zastosowanie tego testu do wyjaśnienia zmian w migracji fibroblastów skórnych w obecności znanego zanieczyszczenia środowiska, arsenu. Arsen jest naturalnie występującym metaloidem występującym w skorupie ziemskiej. Stwierdzono różne lokalizacje z podwyższonym poziomem arsenu, co stanowi zagrożenie dla osób mieszkających w pobliżu tych miejsc. W rezultacie wykazano, że źródła żywności i wody mają zwiększony poziom zanieczyszczenia arsenem, co zwiększa prawdopodobieństwo narażenia osób na arsen. Wykazano, że narażenie środowiskowe na arsen ma długoterminowe konsekwencje zdrowotne w populacjach ludzkich powyżej lub nawet poniżej obecnego maksymalnego poziomu zanieczyszczenia (MCL) Agencji Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych (USEPA) wynoszącego 10 ppb (10 μg/l)12,13. Chociaż USEPA ustaliła ten MCL i uznała go za bezpieczny dla limitów picia, stężenia arsenu przekraczające ten limit nie są rzadkością w źródłach wody na całym świecie. W południowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych udokumentowano, że liczne wody gruntowe, studzienne i źródła zawierają niepokojące poziomy arsenu14. Na przykład w Verde Valley, Arizona, Montezuma Well zawiera 210 μg/L arsenu15. Wody gruntowe wokół rzeki Verde, AZ zawierają średnio 16 μg/L arsenu, z wartościami szczytowymi sięgającymi 1,3 mg/L15,16. Warto zauważyć, że stężenie arsenu w wielu studniach w zlewni rzeki Verde przekracza 50 μg/L15,16. Mając tę wiedzę, wybrano istotne dla środowiska stężenia arsenu, które wahają się od poniżej MCL na poziomie 0,1 μM (7,5 ppb), do powyżej MCL na poziomie 10 μM (750 ppb) w bieżącym badaniu14,15,16,17,18,19,20.
Informacje zebrane z tych eksperymentów zostaną wykorzystane jako wczesny wskaźnik potencjalnych zmian w szybkości migracji komórek w ranie in vivo zanieczyszczonej arszenikiem. Następnie cząsteczki sygnałowe mogą być wybierane na podstawie ich roli w ułatwianiu gojenia się ran i migracji komórek, a przyszłe eksperymenty ilościowe oparte na reakcji łańcuchowej polimerazy (qPCR) mogą zostać przeprowadzone po zakończeniu obecnych badań. Jeśli tempo migracji w tym teście zmienia się w obecności arsenu, określone cele genowe zaangażowane w migrację komórkową mogą być celem szkodliwego działania arsenu, a tym samym mogą być mechanizmem zakłócenia.