Cellule in fuga

Nel nostro corpo, le cellule della pelle, delle ossa, dei muscoli, dei vasi sanguigni e degli organi si trovano a stretto contatto tra loro - ben 100.000 miliardi in un corpo umano. Alcune cellule devono essere in grado di farsi strada in questo ambiente così stretto, soprattutto le cellule immunitarie, che perlustrano i tessuti per individuare agenti patogeni o cellule difettose. Alcune capacità le aiutano a farlo. Ad esempio, è stato recentemente riconosciuto che le cellule immunitarie sono in grado di individuare ed evitare passaggi stretti nelle loro vicinanze. Tuttavia, le cellule del nostro corpo non sono in grado di misurare solo l'ambiente circostante, ma anche se stesse: si accorgono di essere troppo strette in una costrizione e attivano un meccanismo di fuga.

Il gruppo di Daniel Müller del Dipartimento biosistemi e ingegneria dell'ETH di Zurigo a Basilea, insieme a un team internazionale di scienziati, tra cui quelli dell'Université Paris Science & Lettres e dell'Istituto Ludwig Boltzmann per le malattie rare e non diagnosticate di Vienna, ha ora studiato questo meccanismo in modo più dettagliato e ha pubblicato i suoi risultati sulla rivista pagina esternaScienza pubblicato. I risultati potrebbero contribuire a migliorare l'immunoterapia per il cancro in futuro.

Fuori dai confini

Le osservazioni cruciali sono state rese possibili da uno speciale microscopio a forza atomica dell'ETH. Il biofisico Cédric Cattin, all'epoca ricercatore post-dottorando nel gruppo di Müller, aveva costruito nel microscopio una micro-molla di vetro sviluppata in proprio. Con questo sottile strumento di misurazione, i ricercatori sono stati in grado di comprimere le singole cellule in modo molto preciso e graduale e di osservare al microscopio quando e come le cellule hanno reagito alla deformazione. Il dispositivo non solo ha registrato la forza con cui la micro-molla ha premuto su una cellula, ma anche se la cellula stessa ha generato una contropressione.

Si è scoperto che le cellule tollerano una certa pressione senza opporre resistenza. "Tutte le cellule studiate potevano essere compresse dalla loro normale forma sferica con un diametro di circa 25 micrometri a una forma più piatta con un'altezza di 10 micrometri", spiega l'ETH Daniel Müller. Tuttavia, se le cellule sono state ulteriormente costrette, hanno reagito: al più tardi quando sono state appiattite a cinque micrometri, hanno generato una contropressione e contemporaneamente hanno iniziato a muoversi per sfuggire alla costrizione.

Il nucleo cellulare come metro di misura

Con ulteriori indagini, il team ha scoperto che il responsabile di questa reazione di fuga è il nucleo cellulare, più precisamente il suo involucro. Questo contiene normalmente delle pieghe, simili alla pelle che ricopre le articolazioni delle nostre dita. Tuttavia, non appena una cellula viene compressa a tal punto da deformare anche il nucleo, l'involucro nucleare si apre e si allunga. "Questo stiramento dell'involucro è il segnale di partenza per la reazione di fuga", spiega Müller. Gli ioni di calcio fuoriescono dall'involucro allungato, attivando un enzima specifico, che a sua volta innesca una reazione che attiva il sistema di actomiosina della cellula. Questo è responsabile dei movimenti della cellula e innesca contrazioni nell'impalcatura delle cellule. Questo fa sì che le cellule accumulino una contropressione e possano fuggire.

"Il nucleo cellulare agisce quindi come un metro che determina quando diventa troppo stretto per la cellula", spiega Müller. Questo meccanismo diventa particolarmente visibile al microscopio a forza atomica quando le due proteine actina e miosina vengono marcate con coloranti fluorescenti. Non appena l'involucro del nucleo cellulare si allunga, intere bolle di queste due proteine si formano in modo esplosivo nella cellula.

Approcci per una migliore immunoterapia

I ricercatori hanno poi confermato i risultati degli esperimenti con la micro-molla in ulteriori esperimenti. Tra l'altro, hanno inviato cellule in capillari di vetro microfine attraverso strozzature o osservato i loro movimenti in colture cellulari di diversa densità. Anche in questo caso, le cellule sono sfuggite a strozzature tra i cinque e i dieci micrometri attraverso un'attivazione non mediata del sistema dell'actomiosina. I ricercatori hanno osservato questo comportamento anche in tutti i tipi di cellule testate, comprese le cellule tumorali e le cellule immunitarie dei topi. "Ne deduciamo che la maggior parte dei tipi di cellule ha probabilmente questa capacità", afferma Müller.

Le nuove scoperte forniscono indizi per varie applicazioni, come la ricerca sui tessuti artificiali. Per dare a questi tessuti - pelle o organi artificiali - la forma desiderata, le cellule del corpo vengono coltivate su un'impalcatura sintetica chiamata matrice. Le nuove osservazioni sul movimento delle cellule dovrebbero aiutare a progettare tali matrici. I risultati potrebbero essere utili anche per l'immunoterapia, che da diversi anni rappresenta la grande speranza della medicina oncologica. Si tratta di stimolare le cellule immunitarie dell'organismo ad attaccare le cellule tumorali in modo più mirato. Tuttavia, a volte è difficile per le cellule immunitarie penetrare nelle cellule tumorali, poiché il tumore cresce più densamente del tessuto sano. Per migliorare questo aspetto, afferma Müller, i ricercatori potrebbero in futuro concentrarsi sul meccanismo di fuga scoperto.