L'aggiunta o la rimozione di acqua da una cellula staminale può cambiare il destino della cellula, ricercatori hanno scoperto in un nuovo studio pubblicato ieri in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ).

La ricerca ha scoperto che l'alterazione del volume di una cellula ha cambiato la sua dinamica interna, compresa la rigidità della matrice che riveste la superficie esterna. Nelle cellule staminali, la rimozione dell'acqua condensa la cellula, influenzando le cellule staminali a diventare cellule pre-ossei rigide, mentre l'aggiunta di acqua fa gonfiare le cellule, formazione di cellule pre-grasse morbide.

I ricercatori hanno capito da tempo che le cellule staminali sono influenzate dalle cellule che le circondano, cogliendo spunti su quale dovrebbe essere la loro funzione in base alla rigidità delle matrici delle celle vicine.

I risultati, però, confermano che la natura svolge un ruolo tanto quanto l'educazione nel comportamento e nello sviluppo delle cellule staminali.

"I risultati di questo studio aggiungono un nuovo affascinante strumento alla nostra comprensione e utilizzo della biologia delle cellule staminali per la medicina rigenerativa, "dice Praveen Arany, DDS, dottorato di ricerca, co-autore e assistente professore presso il Dipartimento di Biologia Orale dell'Università della Buffalo School of Dental Medicine.

Lo studio è stato condotto da Ming Guo, dottorato di ricerca, d'Arbeloff Assistant Professor presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del Massachusetts Institute of Technology; e David Weitz, dottorato di ricerca, Mallinckrodt Professore di Fisica e di Fisica Applicata presso la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences dell'Università di Harvard.

"Per la prima volta, stiamo iniziando a capire l'importanza del volume cellulare e del contenuto di acqua cellulare nelle proprietà meccaniche e nelle funzioni fisiologiche delle cellule, "dice Guo, che ha iniziato la ricerca come studente laureato nel laboratorio di Weitz ad Harvard.

La linea tra ossa e grasso

La ricerca originariamente cercava di comprendere gli effetti del volume sulle caratteristiche e le funzioni di una cellula. Il volume cellulare è altamente regolato e cambia frequentemente nel corso della vita di una cellula, cresce quando la cellula cresce e diminuisce quando si divide.

Questi cambiamenti di volume sono il risultato di variazioni nella quantità di proteine, DNA e altri materiali all'interno della cellula, anche se rimangono per lo più costanti. Ma le cellule possono anche subire cambiamenti rapidi ed estremi di dimensioni e densità attraverso l'assorbimento o il rilascio di acqua, diffusione o restringimento in appena 20 minuti.

Aumentando o diminuendo il volume delle cellule del 20%, i ricercatori hanno scoperto che le cellule hanno subito diversi cambiamenti interni, anche nell'espressione genica e nella rigidità.

Conoscendo il ruolo svolto dalla rigidità cellulare nello sviluppo delle cellule staminali, i ricercatori hanno iniziato a chiedersi se il volume delle cellule potesse influenzare anche il loro destino.

Per testare la premessa, i ricercatori hanno posizionato le cellule staminali al loro volume normale in un substrato di idrogel indurito per simulare la rigidità delle cellule ossee. Dopo una settimana, una grande porzione delle cellule staminali si è sviluppata in cellule pre-ossei.

L'esperimento è stato ripetuto con un substrato di idrogel ammorbidito. Nell'ambiente più morbido, c'è stata una diminuzione significativa del numero di cellule staminali che sono diventate cellule pre-ossei. Però, quando l'acqua è stata rimossa dalle cellule per diminuire il loro volume del 20 percento, il numero di cellule staminali che sono diventate cellule pre-ossei è aumentato, pur essendo nel substrato più morbido.

Un esperimento simile è stato condotto utilizzando il vetro. I ricercatori hanno posizionato le cellule staminali sul vetro per simulare un ambiente più rigido e hanno scoperto che poche cellule si sono sviluppate in cellule pre-grasse. Non è stato fino a quando il volume delle cellule staminali è stato aumentato del 20 percento che è stato trovato un picco nella formazione di cellule adipose.

I ricercatori hanno scoperto che la modifica del volume delle cellule le induceva a comportarsi in modo simile a come se fossero sotto pressione ambientale.

"La cosa sorprendente di questi esperimenti è l'osservazione che il volume sembra essere correlato a così tanto della cellula. Sembra dettare la rigidità cellulare e il destino cellulare, "dice Weitz, anche un membro principale della facoltà del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering e direttore del Materials Research Science and Engineering Center di Harvard.

"Queste osservazioni possono anche avere implicazioni in mezzi esterni di monitoraggio del destino delle cellule, che potrebbe essere importante per le future applicazioni biotecnologiche".

Sono necessari studi futuri per esaminare gli effetti dei vari cambiamenti di volume, così come se il volume cellulare o gli stimoli esterni sono il fattore dominante nel destino delle cellule staminali.

Il futuro della medicina rigenerativa

Le cellule staminali sono all'avanguardia nella medicina rigenerativa, fornendo a ricercatori e medici il potenziale per riparare o sostituire tessuti e organi danneggiati.

Con la capacità di svilupparsi in qualsiasi tipo di cellula specializzata - da una cellula muscolare a un globulo rosso o cerebrale - le cellule staminali hanno il potenziale per trattare varie malattie e condizioni, dalle malattie cardiache alla perdita dei denti. trapianto di midollo osseo, una forma di terapia con cellule staminali, è già in uso diffuso.

Le cellule staminali possono anche aiutare nello sviluppo di farmaci e nella comprensione di come si verificano il cancro e i difetti alla nascita.

Learning what causes differentiation among these cells will help researchers generate methods that influence their behavior and, in definitiva, develop new therapies.

Aside from physical cues such as cell stiffness or volume, stem cell differentiation can be influenced by a number of biological factors, pharmaceutical drugs or biophysical agents, come la luce, ultrasound and radio frequencies.