I corpi umani hanno alcuni sistemi incorporati per prendersi cura di se stessi. Le cellule che rivestono i nostri polmoni, naso, cervello e sistema riproduttivo hanno ciglia, che sono minuscoli, strutture simili a capelli progettate per spazzare via i liquidi, cellule e microbi per mantenersi in salute. Ma i meccanismi alla base del loro movimento non sono ben compresi.

Un team di ricercatori della McKelvey School of Engineering e della School of Medicine della Washington University di St. Louis voleva determinare quanto la lunghezza influisse sull'efficienza meccanica del battito delle ciglia. Hanno scoperto che la maggior parte delle metriche meccaniche, compresa la forza, coppia e potenza, aumenta in proporzione alla lunghezza delle ciglia, ma c'era un "punto debole" in termini di efficienza. I risultati forniscono informazioni sulle ciglia negli esseri umani e su come i difetti portano alla malattia, come la discinesia ciliare primaria, che è associato a infezioni respiratorie croniche, cambiamenti nell'asse destro-sinistro e difetti cardiaci. I risultati saranno pubblicati nel numero del 9 aprile di Giornale Biofisico .

Lo studio è stato condotto da Mathieu Bottier, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Philip Bayly, il professore di ingegneria meccanica Lilyan &E. Lisle Hughes e presidente del dipartimento di ingegneria meccanica e scienza dei materiali; e il laboratorio di Susan K. Dutcher, professore di genetica e di biologia e fisiologia cellulare presso la Scuola di Medicina. I ricercatori hanno utilizzato la microscopia video ad alta velocità per analizzare un modello per le ciglia per determinare le loro metriche meccaniche. Dopo aver analizzato quasi 400 video, il team ha scoperto che il battito più efficiente delle ciglia era alla sua lunghezza naturale di 10-12 micron, o circa un quinto della larghezza di un capello umano.

"Qualcosa che non ci aspettavamo è che le ciglia corte non fossero periodiche, " Disse Bottier. "Le ciglia si muovono tutte, ma non troviamo alcun modello effettivo di battito - nulla è stato sincronizzato - e questa è stata la nostra prima scoperta".

Il team ha utilizzato Chlamydomonas reinhardtii, un'alga verde unicellulare che normalmente nuota con due code propulsive ed è spesso usata come modello per le ciglia dei mammiferi. Bottier e Kyle Thomas, uno studente universitario senior specializzato in ingegneria biomedica, ha usato un mutante con un solo ciglio che gira sul posto, consentendo registrazioni video più lunghe. Hanno rimosso il ciglio, poi registrato la ricrescita dal video. Il ciglio ha impiegato circa 90 minuti per tornare alla sua lunghezza normale, e mentre la sua forma d'onda variava leggermente da quella delle ciglia standard, le sue caratteristiche principali erano simili.

"Volevamo vedere il cilium battere, che abbiamo fatto con il video, " ha detto Bottier. "Poi abbiamo chiesto come potremmo descriverlo, e il modo migliore era guardare il battito medio. Abbiamo registrato cinque o sei cicli di percosse che si ripetono periodicamente, e da quei cinque o sei, possiamo ricostruire una media, che rimuoverà gli eventuali outlier."

Il battito del ciglio avviene tramite una serie di curve che iniziano alla sua base e si estendono fino alla punta. Il team ha scoperto che il battito periodico inizia quando le ciglia diventano più lunghe di due o quattro micron, il che significa che è necessaria una lunghezza critica per battere le ciglia. In precedenti ricerche, gli scienziati non avevano studiato ciglia più corte di cinque o sei micron, ha detto Bottier. Un'altra nuova osservazione è che la frequenza del battito nelle ciglia che battono periodicamente è abbastanza coerente nel normale intervallo di lunghezza delle ciglia, sebbene diminuisca leggermente all'aumentare della lunghezza da quattro micron a 12 micron, disse Bayly.

Questo lavoro può aiutare a comprendere le mutazioni umane che rendono le ciglia corte e come le ciglia corte influenzeranno l'esito del paziente, disse l'olandese.

Thomas ha detto che la ricerca fornisce una migliore comprensione di come funzionano le ciglia e cosa causa le oscillazioni.

"Ci sono molti modelli diversi presentati su ciò che guida questo modello di piegatura, quindi questo studio ha aiutato a capire quali modelli sono più accurati e quali possono avere imprecisioni, così possiamo capire quando c'è una disfunzione delle ciglia, cosa lo causa perché ciò potrebbe innescare alcune conversazioni su come possiamo trattarlo, " disse Tommaso.