Ricerca

Alle origini della vita: per la prima volta, i ricercatori visualizzano il processo metabolico a livello di singola cellula

Una nuova tecnica di imaging PME e apprendimento automatico può misurare la glicolisi sia a livello cellulare che subcellulare, portando potenzialmente a nuovi metodi per il trattamento di un’ampia gamma di malattie, tra cui il cancro e il COVID-19.
CREDITO: Fang Lab all’Università di Chicago

Comprendere il metabolismo cellulare, ovvero il modo in cui una cellula utilizza l’energia, potrebbe essere la chiave per il trattamento di un’ampia gamma di malattie, comprese le malattie vascolari e il cancro.

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Mentre molte tecniche possono misurare questi processi tra decine di migliaia di cellule, i ricercatori non sono stati in grado di misurarli a livello di singola cellula.

I ricercatori della Pritzker School of Molecular Engineering and Biological Sciences Division dell’Università di Chicago hanno sviluppato una tecnica combinata di imaging e apprendimento automatico in grado, per la prima volta, di misurare un processo metabolico a livello sia cellulare che subcellulare.

Utilizzando un biosensore geneticamente codificato abbinato all’intelligenza artificiale, i ricercatori sono stati in grado di misurare la glicolisi, il processo di trasformazione del glucosio in energia, delle singole cellule endoteliali, le cellule che rivestono i vasi sanguigni.

Hanno scoperto che quando queste cellule si muovono e si contraggono, usano più glucosio e hanno anche scoperto che le cellule assorbono il glucosio attraverso un recettore precedentemente sconosciuto. Comprendere questo processo potrebbe portare a trattamenti migliori per il cancro e le malattie vascolari, incluso il COVID-19.

La ricerca, pubblicata su Nature Metabolism , è stata guidata da Assoc. Prof. Yun Fang e co-diretto dall’Asst. Prof. Jun Huang, con l’ex borsista post-dottorato e ora Asst. Il professor David Wu e lo studente laureato in scienze biofisiche Devin Harrison.

“Comprendere il metabolismo cellulare è universalmente importante”, ha detto Huang. “Misurando il metabolismo di una singola cellula, abbiamo potenzialmente un nuovo modo di trattare una vasta gamma di malattie”.

“Questa è la prima volta che possiamo visualizzare il metabolismo cellulare su diverse scale temporali e spaziali, anche a livello subcellulare, il che potrebbe cambiare radicalmente il linguaggio e l’approccio dei ricercatori per studiare il metabolismo cellulare”, ha detto Fang.

Misurazione della glicolisi

Le cellule endoteliali normalmente forniscono uno strato stretto all’interno dei vasi sanguigni, ma possono contrarsi, lasciando spazi vuoti all’interno di questo strato, quando hanno bisogno dell’aiuto del sistema immunitario. La contrazione anormale può causare la perdita dei vasi sanguigni, portando ad infarto o ictus. Tale contrazione nei vasi sanguigni intorno ai polmoni può anche causare la fuoriuscita di liquido, che si verifica nel caso della sindrome da distress respiratorio acuto. (Ciò si verifica spesso in pazienti con casi gravi di COVID-19.)

Per capire meglio come le cellule metabolizzano l’energia per alimentare questa contrazione, i ricercatori si sono rivolti ai sensori di trasferimento di energia per risonanza di Förster, biosensori geneticamente codificati in grado di misurare la quantità di lattato all’interno delle cellule. Il lattato è il sottoprodotto della glicolisi.

Sebbene i ricercatori non abbiano creato i sensori, associando i sensori con algoritmi di apprendimento automatico, hanno creato una tecnica ancora più potente che ha permesso loro di visualizzare le cellule, analizzare i dati e analizzare le reazioni di glicolisi a livello cellulare e subcellulare.

“Ora possiamo guardare e comprendere i dettagli all’interno delle cellule, come alcune aree delle cellule dove c’è un aumento della glicolisi”, ha detto Fang. “Si tratta di un’innovazione tecnologica chiave”.

Sono stati in grado di misurare la quantità di glucosio utilizzata dalle cellule quando si sono contratte e si sono mosse, e hanno anche scoperto un nuovo meccanismo di trasporto del glucosio mediato dal citoscheletro della cellula – un recettore chiamato GLUT3 – che queste cellule usano per assorbire il glucosio.

Creare nuovi trattamenti

Comprendere come funziona la glicolisi a livello cellulare potrebbe in definitiva portare a trattamenti che inibiscono questo processo quando sono utili, ad esempio nel caso di vasi sanguigni che perdono in pazienti con aterosclerosi. Potrebbe anche aiutare i pazienti il ??cui sistema immunitario sta reagendo in modo eccessivo a COVID-19, ad esempio, e ha bisogno di aiuto per colmare le lacune all’interno delle cellule endoteliali intorno ai polmoni.

“Se riusciamo a trovare un modo per inibire la contrazione, potremmo ridurre la sindrome da distress respiratorio acuto nei pazienti COVID-19”, ha detto Fang.

Ha anche importanti implicazioni nel trattamento del cancro. La migrazione e la proliferazione endoteliali, guidate dalla glicolisi, sono i principali processi cellulari coinvolti nella crescita vascolare, necessaria per la sopravvivenza e la crescita del tumore. Capire come funziona potrebbe aiutare i ricercatori sia a distruggere i tumori che a inibirne la crescita.

Potrebbe anche essere utile nella terapia delle cellule T CAR, che recluta il sistema immunitario del corpo per combattere i tumori. Mentre la terapia è stata salvavita per alcuni, molti pazienti non rispondono ad essa. Poiché le cellule endoteliali sono importanti per consentire alle cellule T di infiltrarsi nei tumori e il metabolismo cellulare è strumentale alle funzioni delle cellule T, i ricercatori ritengono che la modulazione del metabolismo cellulare potrebbe aiutare a creare un migliore sistema di immunoterapia.

I ricercatori stanno attualmente testando tali inibitori per il trattamento della sindrome da distress respiratorio acuto indotta da COVID-19 presso l’Argonne National Laboratory.

“Possiamo in definitiva riprogrammare le cellule attraverso il metabolismo?” ha detto Huang. “È una domanda importante e dobbiamo capire come funziona il metabolismo. C’è un enorme potenziale qui, e questo è solo il punto di partenza”.

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Altri autori sul documento includono Teodora Szasz, Chih-Fan Yeh, Tzu-Pin Shentu, Angelo Meliton, Ru-Ting Huang, Zhenjie Zhou e Gökhan Mutlu.

Citazione: “L’imaging metabolico a cellula singola rivela un burst glicolitico dipendente da SLC2A3 nelle cellule endoteliali mobili”, Wu, D., Harrison, DL, Szasz, T. et al. Nature Metabolism, 24 maggio 2021, https: // doi. org/ 10. 1038/ s42255-021-00390-y

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