Quando otteniamo una ferita sulla nostra pelle, le cellule del nostro corpo si mobilitano rapidamente per ripararlo. Mentre è noto come le cellule guariscono le ferite e come si formano le cicatrici, un team guidato da ricercatori della Washington University di St. Louis ha determinato per la prima volta come inizia il processo, che può fornire nuove informazioni sulla guarigione delle ferite, fibrosi e metastasi tumorali.

Il gruppo, guidato da Delaram Shakiba, un borsista post-dottorato del NSF Science and Technology Center for Engineering Mechanobiology (CEMB) presso la McKelvey School of Engineering, scoperto il modo in cui i fibroblasti, o cellule comuni nel tessuto connettivo, interagiscono con la matrice extracellulare, che fornisce supporto strutturale e segnali biochimici e biomeccanici alle cellule. Il team ha scoperto un processo ricorsivo che si verifica tra le cellule e il loro ambiente, nonché strutture nelle cellule precedentemente sconosciute.

I risultati della ricerca sono stati pubblicati in ACS Nano il 28 luglio. Gli autori senior del documento sono Guy Genin, il professore Harold e Kathleen Faught di ingegneria meccanica presso la McKelvey School of Engineering, ed Elliot Elson, professore emerito di biochimica e biofisica molecolare presso la Facoltà di Medicina e Chirurgia.

"Gli sforzi clinici per prevenire la progressione delle malattie fibrocontrattili, come cicatrici e fibrosi, sono stati ampiamente infruttuosi, in parte perché i meccanismi che le cellule usano per interagire con le fibre proteiche che li circondano non sono chiari, "Ha detto Shakiba. "Abbiamo scoperto che i fibroblasti utilizzano meccanismi completamente diversi nelle prime fasi, e penso le più curabili, di queste interazioni, e che le loro risposte ai farmaci possono quindi essere l'opposto di quelle che sarebbero nelle fasi successive".

Genin, chi è il condirettore del CEMB, ha detto che il processo ha ostacolato i ricercatori di meccanobiologia per qualche tempo.

"I ricercatori nel campo della meccanobiologia pensavano che le cellule attirassero il collagene dalla matrice extracellulare estendendosi con lunghe sporgenze, afferrandolo e tirandolo indietro, " Genin ha detto. "Abbiamo scoperto che questo non era il caso. Una cellula deve prima farsi strada attraverso il collagene, poi invece di aggrapparsi, essenzialmente spara minuscoli peli, o filopodia, dai lati delle sue braccia, tira il collagene in quel modo, poi si ritrae".

Ora che hanno compreso questo processo, Genin ha detto, possono controllare la forma che assume una cellula.

"Con i nostri colleghi del CEMB dell'Università della Pennsylvania, siamo stati in grado di convalidare alcuni modelli matematici per passare attraverso il processo di ingegneria, e ora abbiamo le regole di base che seguono le cellule, " ha detto. "Ora possiamo iniziare a progettare stimoli specifici per dirigere una cellula a comportarsi in un certo modo nella costruzione di una struttura di ingegneria tissutale".

I ricercatori hanno scoperto che potevano controllare la forma delle cellule in due modi:in primo luogo, controllando i confini che lo circondano, e secondo, inibendo o sovraregolando particolari proteine ​​coinvolte nel rimodellamento del collagene.

I fibroblasti uniscono i lembi di una ferita, provocandone la contrazione o la chiusura. Il collagene nelle cellule poi rimodella la matrice extracellulare per chiudere completamente la ferita. È qui che entra in gioco la meccanobiologia.

"C'è un equilibrio tra tensione e compressione all'interno di una cellula che è stata recentemente esposta a proteine ​​​​fibrose, " Ha detto Genin. "C'è tensione nei cavi di actina, e giocando con quell'equilibrio, possiamo far crescere queste sporgenze estremamente lunghe, " ha detto Genin. "Possiamo fermare il rimodellamento in corso o possiamo aumentarlo."

Il team ha utilizzato una tecnica di mappatura 3-D, la prima volta che è stata applicata al collagene, insieme a un modello computazionale per calcolare la deformazione 3-D e i campi di stress creati dalle sporgenze dalle cellule. Quando le cellule accumulano collagene, il rimodellamento guidato dalla tensione e l'allineamento delle fibre di collagene hanno portato alla formazione di tratti di collagene. Ciò richiede interazioni cooperative tra cellule, attraverso cui le cellule possono interagire meccanicamente.

"Nuovi metodi di microscopia, l'ingegneria dei tessuti e la modellazione biomeccanica migliorano notevolmente la nostra comprensione dei meccanismi con cui le cellule modificano e riparano i tessuti che popolano, " Elson ha detto. "Le strutture cellulari fibrose generano e guidano le forze che comprimono e riorientano il loro ambiente fibroso extracellulare. Ciò solleva nuove domande sui meccanismi molecolari di queste funzioni e su come le cellule regolano le forze che esercitano e come governano l'entità della deformazione della matrice".

"La guarigione delle ferite è un ottimo esempio di come questi processi siano importanti in modo fisiologico, Genin ha detto. "Saremo in grado di fornire informazioni su come addestrare le cellule a non compattare eccessivamente il collagene intorno a loro".