I batteri sono in grado di attaccarsi alle fibre dei tessuti con l'aiuto di un 'nano-adesivo'. Il modo in cui riescono a raggiungere questo obiettivo è stato studiato alcuni anni fa da Viola Vogel, Professore di Meccanobiologia Applicata all'ETH di Zurigo, utilizzando simulazioni al computer presso CSCS. I ricercatori hanno simulato il modo in cui il nano adesivo batterico, un filo peptidico con diversi siti di legame legati insieme come perle, aderisce a quelle che vengono chiamate fibre di fibronectina. Questi fanno parte della rete fibrosa in cui sono incorporate le cellule. Dove c'è una lesione, le fibre di fibronectina vengono recise.

Il batterio rileva lo stato tensionale delle fibre dei tessuti

Le fibre tissutali intatte sono tenute sotto tensione dalla forza di trazione delle cellule della rete fibrosa. Quando le fibre di fibronectina vengono allungate dalle forze, simulazioni di questo processo hanno mostrato che le distanze tra i singoli siti di legame sulla fibronectina, come ponte dal peptide batterico, crescono troppo e quindi il nano-adesivo batterico si stacca in gran parte.

Al tempo, i ricercatori non si aspettavano tali risultati. Questi suggerivano che il batterio Staphylococcus aureus, la cui adesione è stata utilizzata nella simulazione, potrebbe nel corso della sua evoluzione aver sviluppato un nanosensore per rilevare lo stato tensionale delle fibre di fibronectina. Per infettare "con successo" una lesione, il temuto batterio si lega probabilmente a fibre recise e quindi strutturalmente rilassate.

Però, si sa poco dello stato tensionale delle fibre tissutali e del loro effetto sui processi fisiologici nelle alterazioni degenerative dei tessuti, Per esempio. Mancano anche metodi atti a misurare le minuscole forze che le cellule esercitano sulle fibre dei tessuti.

Viola Vogel e il suo gruppo di ricerca stanno quindi lavorando su nanosensori in grado di fare il lavoro:ispirati dalle simulazioni, hanno sviluppato un peptide batterico in grado di riconoscere gli stati tensionali della fibronectina nei tessuti. Tale peptide potrebbe essere utilizzato sia in terapia che in diagnostica.

I nanosensori previsti dal supercomputer sono stati testati con successo negli animali

Ora, i test sul peptide prodotto sinteticamente nelle colture cellulari e nel tessuto tumorale da modelli animali hanno dato ai ricercatori risultati positivi. Poiché il peptide si lega solo alle fibre non tese, può rivelare visibilmente quali fibre del tessuto tumorale sono sotto tensione. I risultati della ricerca sono stati pubblicati oggi sulla rivista scientifica Comunicazioni sulla natura .

Per verificare se il peptide si lega effettivamente solo a fibre non tese, i ricercatori hanno aggiunto al terreno di coltura cellulare una speciale "nanosonda" ottica che avevano sviluppato. Questa sonda è utilizzabile solo in colture cellulari, dove cambia colore per indicare lo stato tensionale delle fibre. Inoltre, i ricercatori hanno etichettato il peptide prodotto sinteticamente con un fluoroforo aggiuntivo per visualizzare dove si lega nella coltura cellulare.

Per di più, i tessuti tumorali sono stati colorati con speciali peptidi colorati e anticorpi che si legano a tutta la fibronectina, dove hanno reso visibili tutte le fibre di fibronectina nel tumore rispetto alle fibre rilassate come contrassegnate dal peptide.

Non tutte le fibre sono sotto tensione

L'esame dettagliato del tumore ha rivelato con stupore degli scienziati che i peptidi non si legavano a tutte le fibre di fibronectina, però - un segno che non tutte le fibre del tumore sono sotto tensione. "Però, non possiamo ancora dire perché la fibronectina tesa sia più abbondante in alcune aree del tumore che in altre, "dice Vogel.

Per sapere se l'adesivo batterico è adatto anche per scopi diagnostici, i ricercatori del Paul Scherrer Institute (PSI) guidati da Martin Behé e Roger Schibli hanno iniettato peptidi marcati radioattivamente nel modello animale. Ciò ha permesso agli scienziati di identificare dove si lega il peptide nell'organismo. "Oltre agli organi ben perfusi come i reni, fegato e milza, il peptide accumulato principalmente nel tessuto tumorale, ", afferma Viola Vogel. Questo è stato anche il luogo in cui è rimasto più a lungo.

Gli scienziati sperano che i peptidi possano fungere da marcatori diagnostici dei tessuti tumorali e di altre malattie degenerative. I peptidi potrebbero essere utilizzati per la radioterapia o per fornire principi farmaceutici attivi al sito malato, ad esempio legando un ingrediente attivo al peptide batterico, dopodiché i sensori di legame del peptide portano l'ingrediente attivo direttamente al suo bersaglio. Il grande vantaggio dei peptidi è che sono molto più piccoli delle nanoparticelle e degli anticorpi. "Queste piccole molecole possono quindi penetrare molto meglio e più in profondità nel tessuto tumorale denso, "dice Vogel.

Esame delle possibili applicazioni

Sia i risultati che il nuovo approccio di ricerca di Vogel alla ricerca di nuovi metodi diagnostici e terapeutici hanno attirato l'attenzione:oltre a un ERC e a un finanziamento SNF recentemente assegnato, il rinomato ospedale universitario Charité di Berlino ha conferito a Viola Vogel una cattedra di Einstein che le consentirà di finanziare due posizioni, permettendo di combinare la nuova tecnica con la ricerca clinica. In collaborazione con PSI, Vogel intende anche studiare quali tipi di tessuti e malattie possono essere meglio presi di mira dal peptide.

È stata una lunga strada dalle prime simulazioni al CSCS e dai test di laboratorio ai modelli animali, sottolinea Viola Vogel. Le scienze sperimentali hanno abitualmente una visione critica della ricerca basata sulle simulazioni. Ma il professore dell'ETH confuta questa percezione:"Attraverso simulazioni cerchiamo di affinare il nostro pensiero sui processi molecolari". Il ricercatore è convinto che i risultati attuali non avrebbero potuto essere raggiunti senza simulazioni. "Questo ci porta chiaramente al punto in cui le simulazioni hanno un valore predittivo, "dice Vogel.