Cách collagen hình thành cấu trúc đa dạng trong cơ thể

Nghiên cứu bởi một kỹ sư y sinh tại Đại học Texas A&M đang làm sáng tỏ cách thức collagen phát triển ở cấp độ phân tử. Từ đó giúp hình thành một tập hợp cấu trúc đa dạng trong cơ thể. Từ xương, gân, mạch máu, da, tim và thậm chí là cả giác mạc.

Sử dụng mô hình tính toán và chương trình máy tính mới được phát triển, Wonmuk Hwang – phó giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Y sinh của trường đại học, đã có thể phân biệt được sự khác biệt ở cấp độ phân tử trong mạng lưới collagen phức tạp, được hình thành trong các điều kiện khác nhau. Những phát hiện của ông đã được đưa lên trang bìa tạp chí khoa học “Physical Review Letters”.

Collagen là một chất thường được biết đến với mục đích ứng dụng trong mỹ phẩm. Tuy nhiên, đây còn là một loại protein có nhiều nhất trong cơ thể con người. Chúng là cấu trúc protein chính trong các mô liên kết, được tìm thấy trong gân, dây chằng và da. Nó cũng có nhiều trong giác mạc, sụn, xương, mạch máu và răng. Nghiên cứu của Hwang đang tìm hiểu xem làm thế nào mà collagen hình thành nhiều loại vật liệu đa dạng như vậy. Cụ thể, ông ấy đã kiểm tra cách các sợi collagen tập hợp một cách có trật tự thành mạng lưới trên các bề mặt.

Ông nói rằng, việc lắp ráp bề mặt của collagen đặc biệt phù hợp với các kỹ sư y sinh. Những người mà đang tìm cách sử dụng lớp phủ dựa trên collagen trên các thiết bị cấy ghép y tế. Nhằm để ngăn chặn các thiết bị này bị hệ thống miễn dịch của cơ thể từ chối.

“Chúng tôi đang so sánh sự khác biệt về cấu trúc hình thành collagen” – Hwang cho biết. “Sự khác biệt thực sự giữa các phân tử này ở các bộ phận khác nhau của cơ thể là gì? Sự khác biệt nào tồn tại trong collagen hình thành xương và collagen hình thành giác mạc? Nếu bạn nghiên cứu điều này ở cấp độ phân tử, bạn có thể bắt đầu thấy sự khác biệt. Nghiên cứu của chúng tôi nhằm mục đích cung cấp một phân tích định lượng, chi tiết hơn về những khác biệt này.”

Cũng từ một phần trong nghiên cứu này, Hwang phát hiện ra rằng các sợi collagen tập hợp thành một mạng lưới phức tạp gồm các hình tam giác, trong đó, các hình dạng lớn hơn được lấp đầy bằng các hình nhỏ hơn, và cứ lặp đi lặp lại như thế. Ông giải thích rằng loại mạng cấu trúc này được các nhà khoa học biểu thị với cái tên fractal. Ông nói rằng các mô hình fractal không chỉ có ở collagen; mà trên thực tế, chúng xuất hiện ở khắp nơi trong tự nhiên, chẳng hạn như trong mạng lưới sông ngòi, mây, đường bờ biển và núi. Các mạng lưới tương tự thậm chí còn xuất hiện trong số các sợi nano mang ánh sáng của thiết bị điện tử quang học. 

Để giải thích cho hiện tượng được quan sát theo diện rộng này, Hwang đã phát triển một lý thuyết và mô hình tính toán cho quá trình hình thành mạng lưới. Điều này cho phép ông dự đoán và mô phỏng chính xác quá trình tăng trưởng. Hwang đã thử nghiệm các mô hình của mình với các mạng collagen thực tế với sự hỗ trợ của một chương trình máy tính mà ông đã phát triển có tên CAFE, viết tắt của Computer-Aided Feature Extraction (Tính năng trích xuất được hỗ trợ bởi máy tính). CAFE có thể nhận ra từng sợi nhỏ trong hình ảnh phức tạp của mạng lưới collagen, Hwang giải thích.

Hwang cho biết, bằng cách kết hợp cả mô hình và CAFE, ta có thể phân biệt chính xác các mạng lưới khác nhau được hình thành trong các điều kiện thí nghiệm hơi khác biệt. Tương tự như việc phân biệt giữa hai bức tranh có vẻ trông giống nhau nhưng thực chất lại có những khác biệt nhỏ. Đó là một cột mốc quan trọng trong nỗ lực của các nhà khoa học nhằm tìm hiểu về collagen và tính linh hoạt của nó.

Hwang giải thích rằng: “Với chương trình [CAFE] này, chúng tôi có thể đo chiều dài và hướng của các sợi trong một hình ảnh phức tạp. Điều này rất quan trọng, vì một khi chúng tôi có thông tin mang tính định lượng này, chúng tôi có thể so sánh trực tiếp với hình ảnh mô phỏng. Chúng tôi có thể mô phỏng thành mạng lưới với các thông số và chất lượng của một mạng lưới collagen thực sự.”

“Khi nói đến sự hình thành collagen, chúng ta cần hiểu điều gì xảy ra ở cấp độ phân tử và chúng ta cần có khả năng thực hiện điều này theo cách có thể đo lường được về mặt định lượng. Để hiểu được rõ hơn về cách collagen phát triển và phân biệt chúng, từ cả lý thuyết về sự tăng trưởng collagen này, cũng như việc xác nhận các mô phỏng do chương trình CAFE của chúng tôi cung cấp đang giúp đạt được mục tiêu này.”

Nguồn tham khảo: https://www.news-medical.net/news/20140910/Research-sheds-light-on-how-collagen-grows-and-helps-form-diverse-set-of-structures-in-body.aspx