Le tue cellule hanno bisogno di muoversi. Ad esempio, le cellule immunitarie devono vagare intorno al tuo corpo per individuare i siti di infezione e i neuroni devono migrare in posizioni specifiche nel cervello durante lo sviluppo. Ma le cellule non hanno occhi per vedere dove stanno andando. Invece, come un cane che fiuta la fonte di alcuni odori deliziosi, una cellula scopre come raggiungere un bersaglio rilevando le sostanze chimiche nel suo ambiente attraverso i recettori disseminati sulla superficie della cellula. Ad esempio, il sito di un'infezione emetterà determinate molecole e un globulo bianco seguirà questa scia di segnali per trovare la loro fonte.

Capire come le cellule migrano leggendo i segnali nel loro ambiente è una parte fondamentale per sapere come funzionano i sistemi viventi, dalle cellule immunitarie del corpo umano agli organismi unicellulari che vivono nel suolo. Il nuovo lavoro del laboratorio di Matt Thomson del Caltech, assistente professore di biologia computazionale e ricercatore dell'Heritage Medical Research Institute, fornisce nuove informazioni su come le cellule migrano e rispondono alle informazioni nei loro ambienti. La ricerca è descritta in un articolo apparso sulla rivista Cell Systems l'8 giugno.

I biologi hanno tradizionalmente compreso il processo di migrazione cellulare con un modello semplice. In questo modello, l'ambiente di una cellula è rappresentato come un gradiente di concentrazioni di segnale, con una concentrazione molto elevata che emana da una sorgente (come l'esempio di infezione menzionato in precedenza) che diminuisce gradualmente più lontano dalla sorgente. Ad esempio, immagina di rilasciare una goccia di colorante colorato nell'acqua. L'acqua nelle immediate vicinanze di dove è posizionato il colorante diventerebbe brillantemente colorata; con la distanza da quella sorgente, il colore diminuirebbe gradualmente di intensità.

Ma questo semplice modello in realtà non replica l'aspetto dell'ambiente disordinato e complesso all'interno dei tessuti viventi.

"Se volevi ingegnerizzare le cellule per svolgere alcune attività nel corpo per applicazioni biomediche, come uccidere i tumori, quella cellula dovrà sapere come affrontare ambienti reali, non solo l'ambiente semplicistico di un piatto di laboratorio", afferma il laureato studente Zitong Jerry Wang, il primo autore dello studio.

Nei tessuti, le cellule si muovono attraverso una rete intricata di proteine ​​chiamata matrice extracellulare (ECM). Qui, i segnali chimici non si limitano a fluttuare liberamente, ma si attaccano all'ECM stesso, creando un ambiente di segnalazione che non sembra un gradiente uniforme, ma piuttosto un pasticcio irregolare, simile a una rete, di molecole raggruppate.

In che modo le cellule localizzano la fonte delle molecole di segnalazione per navigare nell'ambiente reale e disordinato all'interno dei tessuti? Il tradizionale modello a gradiente di migrazione cellulare, in cui la cellula segue agevolmente il suo gradiente di concentrazione di segnalazione locale, non funziona in questo ambiente realistico, perché sebbene la cellula possa scoprire una zona di concentrazione di segnale relativamente alta, non può allontanarsi da quel massimo locale per trovare la vera fonte di segnali. In altre parole, la cellula si blocca in zone locali ad alta concentrazione, ma non può effettivamente arrivare dove deve andare. Ad esempio, immagina di tentare la vetta di una montagna muovendoti solo in salita:potresti rimanere bloccato in cima a una collina intermedia più piccola, perché in un vero ambiente montuoso potresti dover scendere in determinate aree per raggiungere la vetta più alta .

Per capire come le cellule affrontano questo problema, il team è stato motivato da osservazioni sperimentali fatte su cellule di lievito che hanno mostrato che quando le cellule percepiscono i feromoni, riorganizzano i recettori sulle loro superfici in modo che più recettori siano posizionati vicino ad aree con un'elevata concentrazione di segnale. Il team è stato anche incuriosito dal fatto che il riarrangiamento dinamico dei recettori è stato osservato in una varietà di sistemi:alcuni tipi di cellule umane come i linfociti T e i neuroni possono riorganizzare i loro recettori e persino le locuste spazzano attivamente le loro antenne (contenenti i recettori degli odori) attraverso lo spazio mentre si muovono, il che migliora significativamente la loro capacità di navigare verso la fonte di pennacchi di odore irregolari.

Con questo in mente, il team ha sviluppato un modello computerizzato in cui i recettori cellulari potrebbero ridistribuirsi attivamente in risposta ai segnali, sulla base di meccanismi molecolari noti per la ridistribuzione dei recettori. In questo modello dinamico, le cellule non si bloccano in aree di concentrazione locale e sono in grado di trovare la vera sorgente del segnale. A seguito di questa ottimizzazione del recettore, la navigazione cellulare è risultata 30 volte più efficiente e il modello corrispondeva accuratamente al comportamento cellulare effettivo osservato nel tessuto. Sebbene il riarrangiamento dei recettori sia stato osservato in una miriade di sistemi, questo lavoro è il primo a dimostrare che svolge un ruolo cruciale e funzionale nella navigazione cellulare.

"In un prossimo articolo, descriviamo come il meccanismo di ridistribuzione del recettore che abbiamo modellato implementa con precisione quello che è noto come un filtro bayesiano, che è un noto algoritmo di tracciamento del bersaglio che è attivamente utilizzato nella robotica oggi", spiega Wang. "Quindi le cellule del nostro corpo potrebbero effettivamente utilizzare un algoritmo simile per la navigazione dei veicoli autonomi come le auto a guida autonoma".

Il nuovo modello è fondamentale per comprendere i sistemi cellulari reali rilevanti per la salute umana. "Per molto tempo, le persone non sono state effettivamente in grado di visualizzare immagini all'interno dei tessuti, quindi non si conosceva nemmeno l'aspetto dell'ambiente dei tessuti", afferma Wang. "I ricercatori prenderebbero le cellule dal corpo e studierebbero come si muovono in un piatto di laboratorio, con gradienti di segnali rilasciati da una pipetta che si diffondono uniformemente. Ma ora sappiamo che questo non è davvero ciò che sta accadendo nell'ambiente reale, che è irregolare e complicato. Questo lavoro ci ha ispirato a creare effettivamente una collaborazione con i medici per visualizzare più campioni di tessuto per comprendere meglio l'ambiente in vivo."

In particolare, questa ricerca è stata ispirata dai principi delle neuroscienze e dal modo in cui i neuroni elaborano le informazioni sui segnali nei loro ambienti.

"Le informazioni sensoriali che un organismo riceve nel suo ambiente naturale è altamente strutturato spaziotemporalmente, il che significa che varia nel tempo e nello spazio a causa delle regolarità statistiche inerenti agli stimoli naturali", afferma Wang. "I neuroscienziati hanno scoperto che i sistemi di elaborazione sensoriale neurale, come l'elaborazione della retina e l'elaborazione uditiva, sono stati adattati alla proprietà statistica dei segnali a cui sono esposti:il segnale visivo o uditivo nell'ambiente naturale dell'animale."

"Sappiamo che una cellula vive anche in un ambiente strutturato spazialmente, quindi abbiamo prima costruito modelli statistici degli ambienti cellulari naturali sia nel suolo che nei tessuti sia dai dati di imaging che dalla simulazione, quindi abbiamo utilizzato la teoria dell'informazione per chiedere come funziona il sistema di elaborazione sensoriale di una cellula in questo caso, la distribuzione dei recettori:è correlata alla struttura statistica dell'ambiente della cellula.

"Siamo rimasti sorpresi di scoprire che questo principio generale della neuroscienza si applica anche alla scala delle singole cellule, in particolare le distribuzioni dei recettori presenti sulle cellule migliorano drasticamente l'acquisizione di informazioni negli ambienti naturali. Inoltre, mostriamo le stesse estensioni di connessione alla navigazione cellulare. Riarrangiamento adattivo di recettori osservati sulle cellule migliora significativamente la navigazione cellulare, ma solo in ambienti naturali come i tessuti.Ciò solleva la domanda se ci siano altri aspetti della biologia cellulare che possono anche essere meglio compresi se inseriti nel contesto dell'habitat naturale di una cellula, ad esempio strategie di comunicazione cellula-cellula".