I ricercatori scoprono come le cellule embrionali percepiscono il loro ambiente meccanico per formare collettivamente i tessuti
Costruire tessuti e organi è uno dei compiti più complessi e importanti che le cellule devono svolgere durante l’embriogenesi. Le singole celle non prendono queste decisioni; piuttosto, la costruzione del tessuto è un compito collettivo che richiede alle cellule di comunicare costantemente tra loro. Esistono diversi metodi di comunicazione, inclusi segnali chimici, simili all’olfatto di una cellula, e anche segnali meccanici, il senso del tatto della cellula. I ricercatori in una varietà di campi sono stati affascinati dalla comunicazione cellulare per decenni e hanno scoperto come le cellule usano segnali biochimici a tale scopo. Tuttavia, il modo in cui le cellule usano il loro senso del tatto per prendere decisioni durante l’embriogenesi è ancora un mistero.
CREDITO: UC Santa Barbara
Il professor Otger Campàs è uno di quei ricercatori. Ora, con un articolo pubblicato sulla rivista Nature Materials , lui e il suo gruppo di ricerca ci avvicinano di un passo alla risoluzione di questo mistero. In questo lavoro, che è stato in gran parte completato presso la UC Santa Barbara, i ricercatori riportano come le cellule all’interno di un embrione vivente testano meccanicamente il loro ambiente e quali parametri meccanici e strutture percepiscono.
“Sappiamo molto su come le cellule percepiscono e rispondono ai segnali meccanici in un piatto, ma sappiamo molto poco su come le cellule lo fanno all’interno di un embrione, dove il loro microambiente è molto diverso”, ha detto Campàs, ora professore presso il Dipartimento di Fisica della Vita. (PoL) Excellence Cluster della Technisiche Universität Dresden, dove detiene la cattedra di Tissue Dynamics e ricopre il ruolo di amministratore delegato di PoL.
Questo rilevamento meccanico collettivo aiuta le cellule a prendere decisioni importanti, come se dividersi, spostarsi o addirittura differenziarsi, il processo mediante il quale le cellule staminali si trasformano in cellule più specializzate in grado di svolgere funzioni specifiche. Un importante indizio è emerso diversi anni fa, quando si è scoperto che le cellule staminali poste su un substrato sintetico fanno molto affidamento su segnali meccanici per prendere le loro decisioni: le cellule su superfici con rigidità simile all’osso sono diventate osteoblasti (cellule ossee), mentre le cellule su superfici con la rigidità simile al tessuto cerebrale è diventata neuroni. I risultati hanno fatto progredire notevolmente il campo dell’ingegneria dei tessuti poiché i ricercatori hanno utilizzato questi segnali meccanici per creare impalcature sintetiche per convincere le cellule staminali a svilupparsi nei risultati desiderati. Questi scaffold sono ora utilizzati in un’ampia gamma di applicazioni biomediche.
Ma un piatto o un’impalcatura sintetica non è l’habitat naturale della cellula. Le cellule risiedono in tessuti che hanno caratteristiche meccaniche molto complesse, ha detto Campàs. Quali segnali meccanici le cellule percepiscono all’interno di un embrione mentre costruiscono un organismo – senza impalcature esterne e spingendosi l’una contro l’altra in tre dimensioni – è rimasto sconosciuto.
Finora. Utilizzando uno strumento unico sviluppato nel Campàs Lab, i ricercatori sono stati in grado di sondare l’ambiente meccanico nativo della cellula all’interno degli embrioni e capire quali quantità fisiche le cellule percepiscono nella loro ricerca per decidere cosa diventare.
“Per prima cosa abbiamo studiato come le cellule testano meccanicamente il loro microambiente mentre si differenziano e costruiscono l’asse del corpo di un vertebrato, mentre si differenziano”, ha detto Campàs. “Le cellule usavano diverse sporgenze per spingere e tirare sul loro ambiente. Quindi abbiamo quantificato quanto velocemente e forte stavano spingendo. Utilizzando una gocciolina di olio ferromagnetico inserita tra le cellule in via di sviluppo e sottoposta a un campo magnetico controllato, sono stati in grado di imitare queste minuscole forze e misurare la risposta meccanica dell’ambiente circostante le cellule.
Fondamentale per le azioni di queste cellule embrionali è il loro stato fisico collettivo, che Campàs e il suo gruppo di ricerca hanno scoperto in un precedente articolo essere quello di una schiuma attiva, simile nella consistenza alla schiuma di sapone o alla schiuma di birra, con le cellule raggruppate insieme, che si attaccano e tirandosi l’un l’altro. Ciò che le cellule stanno sondando meccanicamente, Campàs e il suo team hanno scoperto, è lo stato collettivo di questa “schiuma vivente” – quanto è rigida e quanto è confinato l’assemblaggio – piuttosto che la rigidità delle singole cellule o delle strutture al loro interno.
“E proprio nel momento in cui le cellule si differenziano e decidono di cambiare il loro destino, c’è un cambiamento nelle proprietà materiali del tessuto che percepiscono”, ha detto Campàs. Secondo lui, nel momento in cui le cellule all’interno del tessuto decidono il loro destino, il tessuto diminuisce la sua rigidità.
Ciò che non è stato ancora dimostrato in questo studio è se – e in tal caso, come – il cambiamento nella rigidità nell’ambiente embrionale guida il cambiamento nello stato cellulare. Questo è un argomento complesso da esplorare nella ricerca futura, ha detto Campàs. “Esiste un’interazione tra le caratteristiche meccaniche delle strutture che le cellule costruiscono collettivamente, come i tessuti o gli organi, e le decisioni che prendono individualmente. Questa interazione è al centro del modo in cui la natura costruisce gli organismi”.
I risultati di questo studio potrebbero anche avere importanti implicazioni per l’ingegneria dei tessuti. I potenziali materiali che imitano le caratteristiche simili alla schiuma del tessuto embrionale, in contrasto con i polimeri sintetici ampiamente utilizzati o gli scaffold in gel, possono consentire ai ricercatori di creare tessuti, organi e impianti sintetici più robusti e sofisticati in laboratorio, con le geometrie appropriate e caratteristiche meccaniche per le funzioni desiderate.