Le proteine ​​che costituiscono la matrice extracellulare che circonda una cellula esistono come fibre. Come la spaziatura tra queste fibre proteiche della matrice influenzi il raggruppamento delle integrine dei recettori della superficie cellulare e come questo influenzi la formazione di aderenze cellula-matrice mediate dall'integrina e la successiva diffusione cellulare è stato al centro di un recente studio condotto dal Dr. Rishita Changede, Senior Research Fellow presso l'Istituto di Meccanobiologia, Università Nazionale di Singapore. Lo studio è stato pubblicato su Materiali della natura .

La spaziatura tra le fibre della matrice influisce sul raggruppamento delle integrine e sulla formazione dell'adesione

Immagina di attraversare un ruscello usando come punti di appoggio le rocce sparse su di esso. Il fatto che tu sia in grado di farti strada dipende non solo da quante rocce ci sono, ma principalmente anche su come queste rocce sono posizionate lungo il torrente. Se il tuo prossimo punto d'appoggio è anche un po' troppo lontano, attraversare quel torrente può diventare difficile, o qualche volta, impossibile.

Lo stesso vale per le cellule del nostro corpo che cercano di attaccarsi alle superfici, denominata matrice, sotto di loro. Alcuni "recettori" sullo strato più esterno della cellula, principalmente membri della famiglia delle proteine ​​delle integrine, interagiscono fisicamente con le proteine ​​"leganti" del partner presenti nella matrice, come collagene e fibronectina. La cella utilizza fondamentalmente queste connessioni come punti d'appoggio per diffondersi e spostarsi sulla matrice o per rilevare le proprietà della matrice. Simile alle rocce nell'analogia del nostro ruscello, i "appoggi cellulari" devono essere distanziati in modo ottimale nella matrice per promuovere l'attaccamento cellulare e il normale funzionamento cellulare.

Creazione di varie geometrie di leganti

All'interno dei tessuti, la maggior parte delle proteine ​​​​leganti sono disposte come fibre nella matrice, in diverse configurazioni e densità. Il significato della geometria del ligando - la disposizione specifica delle fibre del ligando - nel promuovere la formazione e la successiva stabilizzazione delle connessioni cellula-matrice è stato oggetto di indagine di un recente studio condotto nel Sheetz Lab dell'Istituto di Meccanobiologia (MBI), Università Nazionale di Singapore.

Guidato dal ricercatore senior MBI Dr. Rishita Changede e dal Principal Investigator Prof Michael Sheetz, e coinvolgendo scienziati della Columbia University, NOI., lo studio ha impiegato una tecnica chiamata litografia a fascio di elettroni per disegnare su misura, modelli di dimensioni nanometriche (fatti di linee di titanio o oro-palladio) su superfici artificiali per imitare le geometrie dei ligandi presenti nei tessuti viventi.

I ricercatori hanno creato nanopattern unidimensionali (1-D) o bidimensionali (2-D). I modelli 1-D includevano linee singole, considerando che i modelli 2-D includevano linee accoppiate (distanziate di 50 o 80 nm l'una dall'altra), linee incrociate (intersecano con un angolo di 25 gradi), e pattern di punti esagonali (punti distanziati di 40 nm l'uno dall'altro). Dopo aver modellato, le nano-linee sono state rivestite con proteine ​​​​ligando e il team di ricerca ha osservato e misurato al microscopio come le cellule del tessuto connettivo note come fibroblasti sono cresciute su diverse geometrie.

Coinvolgimento dell'integrina su modelli 1D e 2D

Il lavoro precedente del Dr. Changede ha dimostrato che solo quattro molecole di integrina si uniscono per formare cluster di dimensioni tipicamente 110 nm. Questi cluster di integrine nascenti funzionano come moduli di base che avviano l'impegno cellulare con i ligandi per formare connessioni cellula-matrice più grandi. Perciò, i ricercatori hanno teorizzato che solo quei nanopattern in cui i ligandi sono distanziati di meno di 110 nm consentiranno un impegno stabile dell'integrina e la successiva diffusione delle cellule.

La geometria del ligando come fattore critico per la diffusione delle cellule

Coerentemente con questo, i ricercatori hanno notato differenze nell'entità dell'impegno del cluster di integrine e nella diffusione delle cellule, in base alla geometria del ligando su ciascuno di questi nanopattern:le singole linee 1D che erano distanziate di 250 nm o 500 nm non supportavano l'impegno del cluster di integrine e la diffusione delle cellule; però, quando le linee erano distanziate di 160 nm (leggermente più della dimensione del cluster di integrine), si sono formate alcune connessioni e le cellule sono state in grado di diffondersi in una certa misura. D'altra parte, modelli 2-D, comprese linee accoppiate e incrociate e punti esagonali, supportato un significativo coinvolgimento del cluster di integrine e la diffusione delle cellule.

In particolare, tale maggiore impegno del cluster di integrine e diffusione cellulare si sono verificati su modelli 2-D nonostante la densità del ligando (numero di ligandi in una data area) a volte fosse maggiore su singole linee 1D rispetto a modelli 2-D come i punti esagonali. Questa osservazione ha confermato un ruolo più significativo per la geometria del ligando rispetto alla densità del ligando nel controllare la formazione delle connessioni cellula-matrice e nel promuovere funzioni cellulari come la sua diffusione e movimento lungo i tessuti.

Le connessioni cellula-matrice sono note per essere i siti primari per la meccanotrasduzione (il relè di segnali meccanici) tra una cellula e l'ambiente circostante; esercitano forze di trazione sulla matrice sottostante, utilizzandoli per testare le proprietà meccaniche della matrice. Queste informazioni vengono poi trasmesse internamente attraverso complessi proteici che sono stati reclutati nelle connessioni, per effettuare vari cambiamenti all'interno di una cella.

Nell'ambiente della matrice fibrosa che circonda le cellule di un tessuto, il modo in cui queste fibre del ligando sono distanziate l'una rispetto all'altra è della massima importanza nel determinare come vengono mediati gli eventi di meccanotrasduzione. Quando le fibre sono troppo vicine o troppo lontane, le integrine non sono in grado di impegnarsi stabilmente e avviare la formazione di connessioni cellula-matrice. Di conseguenza, le vie di meccanotrasduzione vanno storte, portando a risposte cellulari irregolari che possono influenzare l'integrità complessiva del tessuto. Richiamando l'attenzione sull'importanza della geometria del ligando nella formazione di connessioni dipendenti dall'integrina, il presente studio aggiunge ulteriori dettagli ai meccanismi molecolari che governano la mediazione della forza attraverso le connessioni cellula-matrice, e il suo impatto sulla diffusione e sul movimento delle cellule.