Mecanismo de picada de água-viva revelado; Poderia ajudar a projetar dispositivos de entrega futuros

Jul 12, 2023

Crédito: Foto de Marat Gilyadzinov no Unsplash

Os banhistas de verão estão muito familiarizados com a picada dolorosa de uma água-viva. Mas como as células urticantes das águas-vivas, corais e anêmonas-do-mar realmente funcionam? Uma nova pesquisa do Stowers Institute for Medical Research revelou um modelo operacional preciso para a organela urticante - ou nematocisto - da anêmona do mar, Nematostella vectensis. O estudo, liderado por Ahmet Karabulut, pesquisador de pré-doutorado no laboratório de Matt Gibson, PhD, envolveu o uso de técnicas de imagem microscópica de ponta, juntamente com o desenvolvimento de um modelo biofísico para permitir uma compreensão abrangente de um mecanismo que permaneceu indescritível por mais de um século.

Os pesquisadores sugerem que os insights do trabalho podem ajudar a levar a novos desenvolvimentos clínicos, incluindo o design de dispositivos microscópicos de administração terapêutica. "Entender esse complexo mecanismo de picada pode ter aplicações futuras em potencial para humanos", disse Gibson. “Isso pode levar ao desenvolvimento de novos métodos terapêuticos ou de administração direcionada de medicamentos, bem como ao design de dispositivos microscópicos”. Gibson e seus colegas relataram seu estudo na Nature Communications, em um artigo intitulado "A arquitetura e o mecanismo operacional de uma organela pungente de cnidários".

As organelas pungentes de águas-vivas, anêmonas-do-mar e organismos cnidários relacionados são "armas celulares notáveis", usadas tanto para predação quanto para defesa, escreveram os autores. Os nematocistos consistem em uma cápsula pressurizada contendo um fio enrolado em forma de arpão que libera um coquetel de neurotoxinas. “Quando acionada, a cápsula se descarrega, ejetando seu fio como um arpão que penetra nos alvos e se alonga rapidamente, virando do avesso em um processo chamado eversão”, explicaram os pesquisadores. “No nível celular, a descarga do nematocisto está entre os processos mecânicos mais rápidos da natureza, conhecidos por serem concluídos em três milissegundos no nematocisto Hydra”. Na verdade, a fase inicial da explosão da cápsula acionada por pressão e a subsequente ejeção do fio ocorrem em até 700 nanossegundos.

Estudos anteriores sugerem que a alta velocidade de descarga do nematocisto é impulsionada pelo acúmulo de pressão osmótica dentro da cápsula e a parede da cápsula esticada elasticamente liberando energia por um poderoso mecanismo semelhante a uma mola durante a descarga. “Após o acionamento, mas antes da descarga, a cápsula aproximadamente dobra de volume devido ao rápido influxo de água”, disseram os autores. "Isso faz com que a matriz inche osmoticamente e estique a parede da cápsula. Essa energia é subsequentemente utilizada para ejetar o fio com alta velocidade, que impacta e penetra no tecido alvo."

Embora as características do nematocisto em diferentes espécies de cnidários variem consideravelmente com relação ao tamanho da cápsula e morfologia do filamento, todos eles operam de maneira semelhante e apresentam um túbulo eversível que é acionado por ejeção explosiva.

O modelo da equipe de Stowers para a função das células urticantes fornece novos insights cruciais sobre a natureza detalhada da arquitetura extraordinariamente complexa do nematocisto e do mecanismo de disparo. Karabulut e Gibson, em colaboração com cientistas do Stowers Institute Technology Centers, usaram imagens avançadas, microscopia eletrônica tridimensional e abordagens de derrubada de genes para descobrir que a energia cinética necessária para perfurar e envenenar um alvo envolve pressão osmótica e energia elástica armazenada. dentro de múltiplas subestruturas de nematocistos.

"Utilizamos microscopia de fluorescência, técnicas avançadas de imagem e microscopia eletrônica 3D combinada com perturbações genéticas para entender a estrutura e o mecanismo operacional dos nematocistos", disse Karabulut.

Usando métodos de ponta, os pesquisadores caracterizaram a descarga explosiva e a transformação biomecânica de nematocistos de N. vectensis durante a queima, em três fases distintas. A primeira fase é a descarga inicial semelhante a um projétil e a penetração alvo do fio densamente enrolado da cápsula do nematocisto. Este processo é conduzido por uma mudança na pressão osmótica do súbito influxo de água e estiramento elástico da cápsula.