Per la prima volta, gli scienziati hanno misurato la crescita delle singole cellule in tempo reale. Potrebbe sembrare semplice, ma in realtà è un’impresa tecnica scoraggiante. È come misurare il peso di un minuscolo granello di sabbia al microscopio elettronico mentre l’acqua microscopica evapora attorno ad esso, mentre la sabbia stessa subisce costantemente un sottile cambiamento nella composizione chimica. Per fare un confronto, questi esperimenti sono simili alla misurazione della crescita di un bambino umano con una scala di precisione sufficientemente sensibile da rilevare un singolo granello di sabbia durante una gestazione di 9 mesi. Eppure, ciò ha profonde implicazioni per la nostra comprensione della salute umana, perché queste misurazioni mostrano come le cellule utilizzano l’energia e rispondono al loro ambiente.

"Questo ci consentirà di studiare tutti i tipi di processi biologici fondamentali in funzione delle dimensioni delle cellule", afferma Daniel Needleman, fisico e bioingegnere dell'Università della California, Berkeley, e co-leader del gruppo di ricerca. “Ora che abbiamo la capacità di effettuare queste misurazioni, possiamo effettivamente chiederci:quanto è variabile la crescita di una cellula? Quanto è sensibile alle perturbazioni? In che modo la crescita dipende dai nutrienti o dall'ambiente in cui si trova la cellula? Cosa succede alla crescita quando le cellule diventano cancerose e smettono di rispondere ai normali segnali di crescita?”

“Si tratta davvero di una pietra miliare tecnica nel campo della biologia unicellulare”, aggiunge Nevan Krogan, biologo quantitativo presso l’Università della California, San Francisco (UCSF) e co-leader del gruppo di ricerca. “Sarà trasformativo per l’intera comunità, aprendo nuove possibilità per lo studio della biologia fondamentale e dei meccanismi delle malattie a livello di singola cellula”.

Needleman e Krogan sono autori co-senior di uno studio che descrive la piattaforma e i suoi risultati iniziali, pubblicato oggi (12 maggio 2022) sulla rivista Cell. Mentre una manciata di gruppi avevano già misurato la massa delle popolazioni di cellule, questo gruppo ha sviluppato la prima piattaforma per pesare le singole cellule in tempo reale mentre crescono.

Hanno scoperto che il tasso di crescita di una singola cellula è costante; cioè, la sua massa aumenta costantemente nel tempo. È interessante notare che ciò significa che il tasso metabolico di una cellula per unità di massa diminuisce man mano che cresce. In altre parole, una cellula più piccola è più efficiente nel convertire l’energia proveniente dall’ambiente in crescita rispetto a una cellula più grande. Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato che i loro metodi potrebbero essere utilizzati per misurare l'efficienza con cui le cellule assorbono e convertono i nutrienti esterni nella crescita.

“Come biologo quantitativo, mi sono appassionato all'utilizzo di approcci quantitativi precisi per studiare problemi che, fino a poco tempo fa, erano troppo impegnativi o impossibili da misurare. Per dare un contributo, devi costruire questi nuovi strumenti di misurazione”, afferma Krogan. “Questo sforzo ci ha richiesto di sviluppare nuovi approcci sperimentali e computazionali e di riunire scienziati con background diversi. Non sarebbe stato possibile se avessimo lavorato in isolamento”.

Pesare l'inpesabile

La nuova piattaforma, denominata pesatura microfluidica, combina la microfluidica, che consente la manipolazione precisa dei fluidi su scala submillimetrica, con l’imaging di fase quantitativo, una tecnica microscopica relativamente nuova che misura direttamente la massa di un oggetto in base a quanto piega la luce.

“La prima sfida tecnica è semplicemente manipolare e catturare le cellule”, spiega Daniel Fletcher, bioingegnere della UC Berkeley e coautore dello studio, il cui laboratorio ha sviluppato la piattaforma microfluidica. “Non vuoi che centinaia di migliaia di cellule circolino nel tuo sistema, perché altrimenti non sai quale cella stai misurando. Ma non vuoi nemmeno misurare una cella alla volta, perché ciò richiederebbe troppo tempo. Quindi, intrappoliamo decine o centinaia di cellule alla volta e facciamo scorrere su di loro dei fluidi in modo che ricevano i nutrienti di cui hanno bisogno per sopravvivere, ma rimangono intrappolate lì. Quindi, è intervenuto il team di imaging per ottimizzare e implementare l’imaging in fase quantitativa”.

Per ottenere un imaging di fase quantitativo, i ricercatori hanno proiettato un raggio di luce attraverso un microcanale sulle cellule, catturando un’immagine della luce mentre emergeva dall’altra parte. Se nel canale non ci fossero cellule, il fronte d'onda della luce sarebbe indisturbato. Ma quando è presente una cellula, la luce si piega, alterando leggermente il fronte d’onda. Questo cambiamento nel fronte d'onda può essere convertito computazionalmente direttamente nella massa della cella.

"Misurando lo sfasamento della luce mentre passa attraverso una cella, deduciamo l'indice locale di rifrazione del materiale, che è direttamente correlato alla densità della cella", spiega il coautore dello studio Aydogan Ozcan, professore di ingegneria elettrica e informatica e direttore dell'Integrated Optics Lab presso l'UCLA. “Poiché conosciamo la composizione chimica della cellula e la densità dei suoi componenti, ciò ci consente di determinare con precisione la massa della cellula”.

"Queste misurazioni sono davvero sensibili", afferma Needleman. “Possiamo misurare i cambiamenti nella massa di una singola cellula corrispondenti a meno di 1.000 molecole d’acqua aggiunte alla cellula”.

Man mano che le cellule nella camera microfluidica assorbivano i nutrienti dall’ambiente circostante, si espandevano e crescevano in massa, come previsto.

"Ma abbiamo notato che il tasso di crescita non cambiava man mano che le cellule diventavano più grandi", afferma Needleman. “Ciò significa che il motore metabolico all’interno di una piccola cellula è in realtà più efficiente nel convertire l’energia in crescita rispetto al motore di una cellula più grande”.

Il team spera che altri scienziati adottino e perfezionino ulteriormente la loro tecnologia per studiare la crescita di molti tipi diversi di cellule in varie condizioni e ambienti, comprese le condizioni patologiche.