Ispirato da come la geometria influenza i sistemi fisici come la materia soffice, i ricercatori dell'Università della Pennsylvania hanno rivelato intuizioni sorprendenti su come la fisica delle molecole all'interno di una cellula influenzi il comportamento della cellula.

"Le cellule hanno uno scheletro proprio come noi abbiamo uno scheletro, " ha detto Nathan Bade, uno studente laureato presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare della Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate, "e, proprio come il nostro scheletro, è rigido. Volevamo capire come quello scheletro rigido avrebbe risposto alla geometria".

I ricercatori si sono concentrati sulle cellule muscolari lisce vascolari, quali sono i tipi di cellule che costituiscono una grande porzione di grandi vasi sanguigni nei mammiferi. Secondo Bade, gli scienziati potrebbero aspettarsi che la cellula cerchi di evitare la flessione. Però, i ricercatori hanno scoperto che su una superficie cilindrica le cellule formano in realtà scheletri molto piegati. Hanno anche scoperto che, manipolando lo scheletro delle cellule, potevano ricapitolare lo schema di allineamento dello scheletro che avevano visto in vivo.

"La cosa più eccitante che abbiamo scoperto è che la geometria è davvero importante quando si tratta di comportamenti cellulari, "Bade ha detto. "Penso che sia qualcosa che è stato in qualche modo trascurato rispetto alla rigidità e ad altri importanti fattori ambientali".

La ricerca è stata condotta da Bade, lavorando sotto la guida di Kathleen Stebe, il Richer &Elizabeth Goodwin Professor nel Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare e vicepreside per la ricerca e l'innovazione; Randall Kamien, il Vicki and William Abrams Professor in Scienze Naturali presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia della School of Arts and Sciences; e Richard K. Assoian, professore di farmacologia alla Perelman School of Medicine di Penn. Il loro articolo è stato pubblicato in Progressi scientifici .

"Sappiamo già che le cellule dei mammiferi interagiscono con i confini, " Stebe ha detto. "Per esempio, se le cellule sono cresciute su superfici di diversa rigidità, si organizzano diversamente. Questo ci ha fatto interessare a questa questione di geometria:una cellula può vedere la forma del suo confine? E abbiamo concentrato il nostro lavoro iniziale su strutture cilindriche perché sono così comuni in biologia".

Per indagare su questo, Cilindri rivestiti di bade con molecole che li fanno aderire alle cellule e poi hanno osservato e raccolto informazioni su come si sono comportate le cellule quando sono cresciute su un confine curvo. I ricercatori hanno utilizzato un potente microscopio confocale che ha fornito loro informazioni tridimensionali sui sistemi.

I ricercatori sono stati in grado di trattare le fibre di stress, il citoscheletro attivo all'interno delle cellule, in modo che diventino fluorescenti. Utilizzando un laser per raccogliere la luce da sezioni molto piccole di un campione, il microscopio confocale ha eliminato tutta la luce fuori fuoco. Ciò ha prodotto un'immagine ad alta risoluzione da un piano stretto che ha permesso ai ricercatori di vedere che la popolazione di fibre di stress che si trovava sopra la cellula era allineata in modo diverso da un'altra popolazione sottostante.

Hanno scoperto che la dimensione del cilindro ha influenzato la risposta della cellula:più grande è il cilindro, che si traduce in una geometria più planare, meno le fibre di stress si allineano. Poiché i cilindri più piccoli hanno una curvatura maggiore, le fibre di stress si sono allineate più fortemente intorno a loro.

"Una popolazione di fibre di stress si allinea lungo l'asse, e l'altro avvolge il cilindro, " Stebe ha detto. "C'è un modello molto distinto; non è sottile. Allora ci siamo chiesti perché questo stesse accadendo".

Utilizzando un farmaco specificamente progettato per attivare Rho all'interno delle cellule e rendere le fibre di stress più spesse e potenzialmente più rigide, i ricercatori hanno cercato di vedere se questo aumento della rigidità avrebbe scoraggiato le fibre di stress dall'avvolgersi attorno al cilindro. Ma, con loro sorpresa, i ricercatori hanno scoperto che questo trattamento eliminava completamente le fibre allineate lungo l'asse e addensava le fibre avvolte.

"La riorganizzazione è molto sorprendente, " ha detto Stebe. "Pensiamo ad esso come le cellule che fanno il calcolo; le cellule percepiscono e rispondono alla curvatura sottostante. Apparentemente, la curvatura è un segnale che sta giocando un ruolo molto forte sia nell'organizzazione della cellula stessa che della microstruttura all'interno della cellula. Queste popolazioni di fibre da stress possono essere manipolate usando farmaci che modificano la rigidità, tra l'altro. E, dopo queste manipolazioni, le fibre di stress mantengono allineamenti molto forti. Questo non è il solito argomento per la formazione di modelli in biologia".

Per dare seguito a questi risultati, il team sta conducendo ulteriori indagini su segnali di curvatura e geometrie e confini più complessi.

"I risultati di questo documento sono davvero interessanti, "Bada ha detto, "ma ha lasciato un sacco di domande aperte per noi. Uno di questi è davvero capire i dettagli meccanicistici. Che cosa esattamente sta succedendo alla cellula per causare una popolazione molto piegata e l'altra molto dritta è ancora un mistero per noi. Inoltre, ora stiamo realizzando superfici curve più complesse per vedere come rispondono le cellule di fronte a un campo di curvatura molto più impegnativo".

Secondo Bade, questa ricerca ha prodotto una scoperta fondamentale che fa luce su come le cellule interagiscono con il loro ambiente, che è cruciale per capire cosa stanno facendo le cellule all'interno del corpo umano.

"C'è stato un lavoro pionieristico presso l'Università della Pennsylvania sulla comprensione di come le cellule percepiscono la rigidità, "Bada ha detto, "che è uno stimolo ambientale che non è un segnale chimico solubile. E questo risulta essere molto importante nel cancro e in tutti i tipi di stati patologici. Penso che sia importante anche capire come le cellule percepiscono e rispondono alla geometria".

I ricercatori hanno anche dimostrato che, al livello più elementare, possono modellare la struttura interna della cellula. I modelli in quelle strutture hanno importanti implicazioni nei comportamenti delle cellule a valle come la migrazione e la proliferazione. La capacità di queste cellule di dividersi e migrare rapidamente può essere influenzata dalla geometria e dalla curvatura.

"Dalla capacità di organizzare deriva la capacità di interrogare, " Ha detto Assoian. "Questo potrebbe essere un bel strumento che ci permette di organizzare la cella e la sua sottostruttura per altri interrogatori. È anche una domanda interessante di, se stai costruendo strutture dalle cellule, questa organizzazione della cellula e delle sue sottostrutture dà qualche nuova risposta in cellule altrimenti identiche? Sarebbe molto interessante collaborare con persone che stanno pensando a come sfruttare le cellule nella guarigione delle ferite, o interazioni cellula-confine per gli impianti.

"Oltre alla nuova visione dei principi fondamentali che le cellule usano per interpretare le geometrie della superficie, questa ricerca potrebbe essere di vasta portata nella comprensione di come le cellule muscolari lisce e i loro citoscheletri contribuiscono alla formazione dei vasi sanguigni durante lo sviluppo e forse anche come rimodellano i loro vasi nella malattia vascolare. E poiché troviamo che questa risposta alla geometria non è limitata alle cellule muscolari lisce, il rilevamento della geometria potrebbe diventare una nuova frontiera in una vasta gamma di biologie".

Stebe ha detto, "Questo è il divertimento della scienza e dell'ingegneria:un piccolo nuovo strumento può toccare tutto il resto. E questa scoperta è una riorganizzazione drammatica. Quindi cos'altro tocca?"