Nella fisica dei materiali è di fondamentale interesse capire come i sistemi interagiscono attraverso le interfacce che li separano. Ma i modelli fisici possono chiarire concetti simili nei sistemi viventi, come le cellule? Fisici dell'Università di Ginevra (UNIGE), in collaborazione con l'Università di Zurigo (UZH), ha utilizzato la struttura dei sistemi elastici disordinati per studiare il processo di guarigione delle ferite, la proliferazione dei fronti cellulari che alla fine si uniscono per chiudere una lesione. Il loro studio ha identificato le scale delle interazioni dominanti tra le cellule che determinano questo processo. I risultati, pubblicato sulla rivista Rapporti scientifici , consentirà una migliore analisi del comportamento del fronte cellulare, in termini sia di guarigione delle ferite che di sviluppo del tumore. Nel futuro, questo approccio può offrire una diagnostica personalizzata per classificare i tumori e indirizzare meglio il loro trattamento, e identificare nuovi bersagli farmacologici per il trapianto.

Concentrandosi sulle proprietà macroscopiche di grandi insiemi di dati, la fisica statistica consente di estrarre una panoramica del comportamento del sistema indipendentemente dal suo specifico carattere microscopico. Applicato agli elementi biologici, come i fronti cellulari che delimitano una ferita, questo approccio consente di identificare le varie interazioni che svolgono un ruolo determinante durante la crescita dei tessuti, differenziazione, e guarigione, ma soprattutto per evidenziare la loro gerarchia alle diverse scale osservate. Patrizia Paruch, docente presso il Dipartimento di Fisica della Materia Quantistica presso la Facoltà di Scienze dell'UNIGE, spiega:"Per l'invasione del tumore del cancro, o in caso di ferita, la proliferazione del fronte cellulare è cruciale, ma la velocità e la morfologia del fronte è molto variabile. Però, crediamo che solo poche interazioni dominanti durante questo processo definiranno le dinamiche e la forma, liscia o ruvida, per esempio, del bordo della colonia cellulare. Osservazioni sperimentali su più scale di lunghezza per estrarre comportamenti generali possono permetterci di identificare queste interazioni nel tessuto sano e diagnosticare a quale livello possono verificarsi cambiamenti patologici, per aiutarli a combatterli. È qui che entra in gioco la fisica statistica".

Le molte scale della guarigione delle ferite

In questo studio multidisciplinare, i fisici dell'UNIGE hanno collaborato con l'équipe del professor Steven Brown dell'UZH. Utilizzando cellule epiteliali di ratto, hanno stabilito colonie piatte (2D) in cui le cellule crescono attorno a un inserto di silicone, successivamente rimosso per simulare una lesione aperta. I fronti cellulari quindi proliferano per riempire l'apertura e guarire il tessuto. "Abbiamo riprodotto cinque possibili scenari 'handicappando' le cellule in modi diversi, per vedere quale impatto ha questo sulla guarigione delle ferite, cioè sulla velocità e ruvidità del fronte della cella, " spiega Guillaume Rapin, un ricercatore nel team di Patrycja Paruch. L'idea è di vedere cosa succede nei normali tessuti sani, o quando vengono inibiti processi come la divisione cellulare e la comunicazione tra cellule vicine, quando la mobilità cellulare è ridotta o quando le cellule sono permanentemente stimolate farmacologicamente. "Abbiamo scattato circa 300 immagini ogni quattro ore per circa 80 ore, che ci ha permesso di osservare i fronti cellulari in proliferazione a scale molto diverse, " continua Guillaume Rapin. "Applicando tecniche computazionali ad alte prestazioni, siamo stati in grado di confrontare le nostre osservazioni sperimentali con i risultati delle simulazioni numeriche, " aggiunge Nirvana Caballero, un altro ricercatore nel team di Patrycja Paruch.

Rimpicciolire per un effetto maggiore

Gli scienziati hanno osservato due regimi di rugosità distinti:a meno di 15 micrometri, al di sotto delle dimensioni di una singola cella, e tra 80 e 200 micrometri, quando sono coinvolte più cellule. "Abbiamo analizzato come l'esponente di rugosità si evolve nel tempo per raggiungere il suo naturale equilibrio dinamico, a seconda delle condizioni farmacochimiche che abbiamo imposto alle cellule, e come questa rugosità aumenta a seconda della scala che guardiamo, " sottolinea Nirvana Caballero. "In un sistema con un'unica interazione dominante, ci aspettiamo di vedere lo stesso esponente di rugosità a tutte le scale. Qui, vediamo una rugosità che cambia se osserviamo la scala di una cella o di 10 celle."

Le squadre di Ginevra e Zurigo hanno rivelato solo lievi variazioni nell'esponente di rugosità al di sotto di 15 micrometri, qualunque siano le condizioni imposte ai fronti cellulari. D'altra parte, hanno scoperto che tra 80 e 150 micrometri, la rugosità è alterata da tutti gli inibitori farmacologici, riducendo significativamente l'esponente di rugosità. Inoltre, hanno osservato che la velocità di proliferazione varia notevolmente tra le diverse condizioni farmacochimiche, rallentamento quando la divisione cellulare e la motilità sono state inibite, e accelerando quando le cellule sono state stimolate. "Più sorprendentemente, la velocità di proliferazione più veloce è stata raggiunta quando la comunicazione gap-junction tra le cellule è stata bloccata, " dice Guillaume Rapin. Questa osservazione suggerisce che tale comunicazione potrebbe essere mirata in future terapie, sia per favorire la guarigione di ustioni o ferite, o per rallentare l'invasione del tumore del cancro.

Questi risultati mostrano che le interazioni su media scala giocano un ruolo cruciale nel determinare la sana proliferazione di un fronte cellulare. "Ora sappiamo su quale scala i biologi dovrebbero cercare il comportamento problematico dei fronti cellulari, che può portare allo sviluppo di tumori, " dice Nirvana Caballero. Ora gli scienziati potranno concentrarsi su queste scale di lunghezza chiave per sondare i fronti delle cellule tumorali, e confrontare direttamente le loro interazioni patologiche con quelle delle cellule sane.