روشن کردن دینامیک جریان پیچیده در روده کوچک

علم به خوبی از نقش مهمی که باکتری های روده و تعامل آنها با دستگاه گوارش در سلامت کلی ما ایفا می کند آگاه است. پرزها، ساختارهای ریز انگشت مانندی که داخل روده کوچک (SI) را می پوشانند، با باکتری های روده تعامل دارند و پاسخ ایمنی محافظتی را تحریک می کنند. با وجود تحقیق در مورد مکانیسم‌های مولکولی زیربنای این فعل و انفعالات، اطلاعات زیادی در مورد دینامیک جریان مایع در اطراف پرزها وجود ندارد.

در حالی که شبیه‌سازی‌های کامپیوتری به چنین مشاهداتی کمک کرده‌اند، پیچیدگی محض جریان درون SI، که «جریان مجرا» نیز نامیده می‌شود، این آزمایش‌ها را پیچیده می‌کند. علاوه بر این، ساختار سیم پیچ SI به همراه یک مقطع نامنظم و حرکت روده ای که در حمل و نقل، نگهداری و اختلاط غذا نقش دارد، کارها را چالش برانگیزتر می کند.

مشاهدات میکروسکوپی جریان مجرا با وضوح فضایی و زمانی کافی، یکی از جایگزین های مناسب است. با این حال، مشکل در حفظ و کنترل حرکت در بافت‌های SI تشریح شده، مانع از ارزیابی سیستماتیک مکانیسم‌های جریان مجرا می‌شود.

برای اصلاح این وضعیت، تیمی از دانشمندان مؤسسه فناوری توکیو، به سرپرستی دانشیار تاداشی ایشیدا و دانشجوی دکتری Satoru Kuriu، اخیراً یک پلت فرم آزمایشی نوآورانه را برای مطالعه جزئیات دقیق جریان مجرای اطراف پرز ایجاد کرده‌اند. در مطالعه آنها که در مجله منتشر شده است آزمایشگاه روی یک تراشه در 22 مه 2023، دانشمندان طرح و کاربرد یک سیستم میکروسیال را برای مشاهده حرکت دانه‌های فلورسنت میکروسکوپی در یک بخش SI کالبد شکافی به‌دست‌آمده از یک مدل حیوانی تشریح کردند.

یکی از ویژگی‌های کلیدی دستگاه میکروسیال پیشنهادی، استفاده از آرایه‌ای از محرک‌های بالون هوا محور (ABA) است که از بیرون به دیواره بخش SI فشار داده می‌شوند. این اجزای پنوماتیکی کوچک، هنگامی که به طور استراتژیک با استفاده از یک پمپ خارجی باد و باد می شوند، نمونه SI را به گونه ای تغییر شکل می دهند که جریان های دینامیکی در اطراف پرزها ایجاد می کند.

دانشمندان با استفاده از این دستگاه کانال میکروسیال روده ای با هدایت پنوماتیک چندین آزمایش انجام دادند و فیلم های متعددی از حرکت دانه های فلورسنت ضبط کردند که به عنوان جایگزین باکتری های روده در بافت عمل می کردند.

دکتر ایشیدا توضیح می‌دهد: «اگرچه میکروبیدهایی که ما استفاده کردیم از نظر شکل یا وجود پروتئین‌های خاص با باکتری‌های واقعی روده متفاوت هستند، اما معتقدیم که آنها جایگزین‌های ساده و خوبی هستند، حداقل برای اهداف مشاهده جریان.» بنابراین، دستگاه پیشنهادی ما می تواند برای تجزیه و تحلیل مستقیم جریان فیزیکی در SI استفاده شود.

دانشمندان تک تک دانه‌ها را هم به صورت دستی و هم با کمک نرم‌افزار تخصصی که آن‌ها را قادر می‌سازد تا تجزیه و تحلیل کمی دقیق از سرعت و مسیر ذرات را انجام دهند، ردیابی کردند.

با این رویکرد، تیم توانست انواع مختلفی از رفتارهای جریان منحصر به فرد را در اطراف پرزها شناسایی کند و مکانیسم های احتمالی زمینه ای را که باعث ایجاد آنها می شود، مشاهده کند. دکتر ایشیدا تاکید می کند: “نتایج ما نشان می دهد که جریان های متنوع مشاهده شده در SI برای حمل، نگهداری و مخلوط به دلیل شکل غیر یکنواخت و تغییر شکل دینامیکی آن ایجاد می شود.” برای مطالعات آینده، نمایش تحلیلی ما می‌تواند به عنوان نشانه‌ای برای بررسی روابط بین برخی از زیر مجموعه‌های منحصربه‌فرد سلول‌های روده یا اتصالات محکم و باکتری‌های روده باشد.»

به طور خلاصه، یافته‌های این مطالعه می‌تواند به پیشرفت درک هیدرودینامیک پیچیده در دستگاه گوارش انسان کمک کند.