Le forze meccaniche governano i processi biologici, dalle contrazioni del cuore a pompa, a muscoli che assomigliano a corde e pulegge, e cellule che effettuano microscopici tiro alla fune.

In precedenza, questi aspetti meccanici della biologia sono stati ampiamente ignorati, non da ultimo a causa della mancanza di tecnologia che consente misurazioni meccaniche complesse.

Ma si stanno sviluppando strumenti migliori, e questi consentono il monitoraggio dell'attività meccanica nelle cellule e nei tessuti.

E a causa di questa visibilità, stanno cominciando a emergere nuovi farmaci e cure.

La meccanobiologia è la scienza di come le cellule e i tessuti percepiscono e rispondono alle forze meccaniche.

Proprio come noi umani abbiamo muscoli e ossa che ci danno la capacità di esercitare forze, ciascuna delle nostre cellule ha anche uno scheletro:il citoscheletro. Questa rete di fibre consente alle cellule di esercitare e resistere a forze, e consente loro di muoversi.

Guardando le cellule T

Le cellule T fanno parte del nostro sistema immunitario:possono agire come assassini cellulari, uccidere altre cellule come quelle infettate da virus, o cellule cancerose.

Alla microscala (circa un centesimo di capello umano), possiamo visualizzare e seguire le cellule T "a caccia" di cellule cancerose mentre si muovono e si fanno strada attraverso i tessuti. Questo applica l'approccio noto come microscopia a forza di trazione 3D (TFM).

Dopo aver trovato una cellula cancerosa, una cellula T afferra saldamente il suo bersaglio, e consegna un "bacio della morte".

Le tecniche note come aspirazione a doppia pipetta (DPA) e pinzette ottiche (vedi video sotto) ci consentono di afferrare singole cellule, e accoppiarli insieme in modo controllato. Questo ci permette di comprendere e illustrare i meccanismi alla base di questo micidiale "bacio".

Utilizzando tecniche meccanobiologiche per vedere come le cellule T trovano e uccidono le cellule cancerose, può consentire un migliore targeting delle immunoterapie antitumorali.

La prima immunoterapia mirata al cancro che utilizza le cellule T di un paziente è stata approvata proprio di recente dalla Food and Drug Administration (FDA) degli Stati Uniti.

Percepire la forza

Le cellule utilizzano sensori di forza per rilevare e distinguere tra molti dei segnali fisici che sperimentano.

Una classe importante di sensori di forza sono i "canali ionici meccanosensibili". Questi sono buchi, o pori, nella superficie della cellula che può aprirsi e chiudersi.

Quando la cellula percepisce una forza fisica o uno stimolo meccanico (in sostanza, come un pungolo microscopico), questi pori possono aprirsi. I prodotti chimici entrano ed escono, e una piccola corrente elettrica viene condotta attraverso la parete cellulare. Questo può essere misurato attaccando piccoli elettrodi alla superficie di una cella.

Molti tipi di cellule e tessuti hanno tali sensori, e rispondere alle variazioni dei carichi meccanici. Questi includono i neuroni che sono alla base del nostro senso del tatto, metastasi delle cellule tumorali e le cellule che mantengono la nostra cartilagine nelle ossa.

Il farmaco EVENITY – che mira a prevenire la perdita ossea nell'osteoporosi – agisce attraverso questa via. Il farmaco blocca la sclerostina, un fattore chiave che inibisce naturalmente la formazione ossea in base alle funzioni di meccanosensing delle cellule che formano l'osso.

Testato su topi in viaggio verso la Stazione Spaziale Internazionale, il trattamento ha ora superato gli studi clinici sull'uomo ed è in attesa dell'approvazione della FDA per l'uso nel trattamento dei pazienti osteoporotici negli Stati Uniti.

Organo su un chip

La tecnologia Organ-on-chip è progettata per aiutare lo sviluppo di farmaci, modellazione della malattia e medicina personalizzata. Ogni singola unità è costituita da un materiale trasparente noto come polimero:ha le dimensioni di una chiavetta USB, ed è costituito da canali cavi rivestiti da cellule umane viventi.

Questi chip differiscono da altri test di laboratorio come colture cellulari, in quanto possono imitare la fisiologia e la meccanica di come le cellule interagiscono con i tessuti viventi (piuttosto che guardare solo le risposte nelle singole cellule).

Per esempio, Gli organi su chip possono ricreare l'architettura degli organi umani a livello microscopico, compreso l'intestino, rene, pelle, midollo osseo e aree del cervello.

Un esempio che utilizza il tessuto polmonare è descritto nel video qui sotto. Questa tecnologia fornisce un modo per vedere le malattie nei tessuti, ed è un'alternativa alla sperimentazione animale per lo sviluppo di farmaci.

Molti ricercatori e aziende di biotecnologia sperano che la tecnologia come gli organi su chip accelererà lo sviluppo di nuovi farmaci, e far progredire la medicina personalizzata.

Utilizzando le tecniche esistenti, gli studi clinici possono richiedere anni per essere completati e testare un singolo composto può costare molti milioni di dollari. Anche, gli studi preclinici sugli animali spesso non riescono a prevedere le risposte umane perché i modelli animali non sempre imitano accuratamente le risposte biologiche umane.

Ad aprile 2017, la FDA ha annunciato un accordo pluriennale di ricerca e sviluppo per valutare la tecnologia degli organi su chip, iniziando con un chip di fegato.

L'accordo potrebbe estendersi in futuro per coprire ulteriori frammenti di organi, compreso il rene, modelli di polmone e intestino.

La meccanobiologia sta integrando le scienze fisiche nella biologia e guidando lo sviluppo di nuove tecnologie. Guardando le cellule in movimento, comprendere e misurare le forze su scala cellulare, e la creazione di mini modelli di tessuti umani in laboratorio è solo l'inizio.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.