Un team internazionale di scienziati ha scoperto un nuovo meccanismo cellulare che spiega come le cellule possono adattarsi ai cambiamenti di pressione durante la crescita dei tessuti compattandosi in una forma unica.
I ricercatori dello Scripps Institution of Oceanography dell’UC San Diego, della Hopkins Marine Station dell’Università di Stanford e dell’Istituto di biomedicina di Siviglia (IBiS) in Spagna hanno condotto la ricerca, che è nuova per il suo utilizzo di embrioni di stelle marine come organismi modello in questo contesto. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Development il 7 maggio.
Il lavoro di laboratorio è stato condotto presso il Centro di biotecnologia e biomedicina marina (CMBB) della Scripps Oceanography nel Lyons Lab, che si concentra sull'avanzamento nel campo della biologia evolutiva dello sviluppo utilizzando invertebrati marini. Lo studio è degno di nota per l'uso di embrioni marini, in particolare l'embrione della stella marina Patiria miniata, per capire come le cellule affrontano i cambiamenti nel loro ambiente fisico.
"La nostra ricerca mostra che le cellule assumono una forma geometrica insolita in risposta alla pressione. Fa luce su come le cellule affrontano i cambiamenti nel loro ambiente fisico, che avvengono dinamicamente in ogni tessuto", ha detto l'autrice principale Vanessa Barone, che ha condotto il lavoro mentre un ricercatore post-dottorato presso la Scripps Oceanography.
"È anche un esempio affascinante di come lo studio di un organismo marino possa portare a una conoscenza ampiamente rilevante della biologia cellulare fondamentale."
Gli autori hanno affermato che i risultati potrebbero avere implicazioni future per comprendere come le cellule sane potrebbero adattarsi alla pressione esercitata dalle cellule tumorali che crescono in modo incontrollabile.
Sebbene la forma geometrica insolita delle cellule, uno scutoide, fosse stata descritta in precedenza, si pensava che fosse dovuta principalmente alla forma del tessuto in cui sono incorporate le cellule. Gli scutoidi hanno una forma prismatica, con sei lati nella parte superiore e cinque lati nella parte inferiore.
Lavori precedenti hanno dimostrato che quando il tessuto è curvo in un certo modo, come nei tubi o nelle forme a forma di uovo, una parte delle cellule diventerà scutoidi perché questa è la forma energeticamente favorevole da avere in quella situazione.
Nel nuovo studio, i ricercatori hanno utilizzato una combinazione di immagini dal vivo dello sviluppo dell'embrione di stelle marine, analisi dettagliate delle immagini e modelli computazionali per dimostrare che le cellule diventano scutoidi anche in altre circostanze, molto più comuni.
Hanno scoperto che le cellule diventavano scutoidi dopo che si erano verificate divisioni cellulari nei tessuti epiteliali compatti. Le cellule sono gli elementi costitutivi degli animali. Durante lo sviluppo embrionale, queste cellule si dividono rapidamente, aumentando di numero.
Le cellule epiteliali si distinguono per le loro forti interconnessioni e la capacità di coprire le superfici del corpo. Queste cellule formano strati che creano una barriera protettiva, separando le superfici esterne dalle cavità interne negli animali adulti. Inoltre, il tessuto epiteliale forma ghiandole ed è il tessuto predominante in molti organi, come il fegato o i reni.
Man mano che il numero di queste cellule aumenta, spesso devono adattarsi a uno spazio limitato, il che porta alla compattazione dei tessuti. Pertanto, le cellule epiteliali devono organizzarsi in modo efficace, resistendo alla pressione delle cellule vicine che stanno anch’esse proliferando. Questo studio dimostra che le cellule epiteliali erano probabilmente in grado di accogliere le cellule appena formate adottando una forma scutoide.
"Osservando gli embrioni delle stelle marine, stiamo scoprendo nuove importanti informazioni sulla biologia cellulare, con potenziali collegamenti con la salute umana", ha affermato Deirdre Lyons, coautore dello studio e biologo marino presso Scripps Oceanography.
"Questo è il primo studio a mostrare effettivamente l'impaccamento delle cellule epiteliali e la divisione cellulare durante lo sviluppo dell'embrione della stella marina, catturato in filmati dal vivo. I nostri risultati hanno ampie implicazioni per la comprensione della struttura cellulare di questi tessuti."
L’embrione della stella marina è ideale per comprendere come le cellule si organizzano in uno strato epiteliale mentre proliferano. Questo perché le cellule delle stelle marine subiscono diversi cicli di divisioni cellulari sincrone che portano alla formazione di uno strato epiteliale.
Inoltre, questi embrioni si sviluppano nell'acqua di mare, sono abbastanza trasparenti e facili da visualizzare su un microscopio ad alta risoluzione. Queste qualità hanno permesso agli scienziati di seguire ogni singola cellula nel tempo, osservando l'intero tessuto epiteliale mentre si forma.
"Il corretto coordinamento tra crescita e organizzazione cellulare è un processo molto complesso. Utilizzando l'embrione della stella marina come modello, siamo stati in grado di studiare dinamicamente le sue prime fasi di sviluppo", ha affermato Luis María Escudero, coautore dello studio. e ricercatore presso IBiS.
I ricercatori della Scripps Oceanography hanno catturato immagini dal vivo in laboratorio che mostrano questi processi cellulari in corso. Il team IBiS ha poi utilizzato CartoCell, un nuovo metodo di analisi delle immagini recentemente pubblicato dal gruppo di Escudero, per analizzare ulteriormente le immagini. CartoCell è uno strumento software basato sul deep learning che consente l'elaborazione rapida e automatica di immagini tridimensionali, come quelle dei timelapse dell'embrione di una stella marina.
"Osserviamo che immediatamente dopo la divisione cellulare, la probabilità che una cellula adotti la forma scutoide aumenta in modo significativo", ha detto Escudero. "Pertanto, concludiamo che l'aumento della densità cellulare causato dalla proliferazione è correlato al cambiamento di forma. Questo cambiamento di forma probabilmente si verifica perché le cellule resistono meglio alla compressione quando sono scutoidi."
Dimostrando come le cellule si organizzano all'interno dei tessuti in risposta allo stress, questo studio potrebbe aprire la porta a future applicazioni legate alla ricerca sul cancro.
"Il nostro studio potrebbe aiutare a comprendere i cambiamenti che si verificano nei tessuti compressi, sia a causa di processi normali che di situazioni correlate a malattie", ha affermato Barone, che ora è assistente professore presso l'Università di Stanford.
Oltre a Barone, Escudero e Lyons, il gruppo di ricerca comprendeva il co-primo autore Antonio Tagua dell'IBiS, nonché i coautori dello studio Jesus Á. Andrés-San Román e Juan Garrido-García di IBiS e Amro Hamdoun di Scripps Oceanography.
Ulteriori informazioni: Vanessa Barone et al, I cambiamenti locali e globali nella densità cellulare inducono la riorganizzazione dell'impaccamento 3D in un epitelio proliferante, Sviluppo (2024). DOI:10.1242/dev.202362
Informazioni sul giornale: Sviluppo
Fornito dall'Università della California - San Diego
