Dando un "nano-poke" alle cellule viventi e monitorando i cambiamenti risultanti nell'ambiente intracellulare, i ricercatori hanno potuto intravedere per la prima volta come le cellule intere rispondono alla pressione meccanica esterna.
Un team guidato da scienziati dell’Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali di Tsukuba, in Giappone, ha utilizzato una tecnica chiamata microscopia a forza atomica per applicare la forza sulla superficie di varie cellule. Il metodo utilizza sonde su scala nanometrica, con punte di appena pochi miliardesimi di metro, per misurare e mappare il modo in cui la forza viene distribuita sulla superficie cellulare e in tutta la cellula.
I ricercatori hanno utilizzato l’apprendimento automatico per analizzare e modellare le forze misurate. Hanno anche utilizzato tecniche di fissaggio e colorazione per studiare come la distorsione della forza influisce sulle strutture interne della cellula, sui microtubuli e sui filamenti di actina che costituiscono il suo "scheletro".
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Science and Technology of Advanced Materials .
"Le cellule sono materiali intelligenti in grado di adattarsi a vari stimoli chimici e meccanici provenienti dall'ambiente circostante", afferma Jun Nakanishi, uno degli autori corrispondenti dello studio e leader del Mechanobiology Group presso l'Istituto nazionale per la scienza dei materiali. Questa capacità di adattamento si basa su meccanismi di feedback rapidi per mantenere la cellula intatta e sana, e ci sono prove sempre più evidenti che il fallimento di questa risposta cellulare è alla base di una serie di disturbi, tra cui il diabete, il morbo di Parkinson, gli attacchi di cuore e il cancro.
Finora, gli studi su queste risposte cellulari sono stati limitati dalle tecniche utilizzate:ad esempio, alcuni metodi richiedono che le cellule siano pre-dotate di sensori, in modo che possano misurare solo una piccola parte della risposta. "Abbiamo inventato un modo unico per 'toccare' una cellula con una 'mano' su scala nanometrica, in modo che la distribuzione della forza su una cellula completa potesse essere mappata con una risoluzione nanometrica", afferma Hongxin Wang, che è il primo autore dello studio e JSPS postdoc nel Gruppo di Meccanobiologia.
Lo studio ha rivelato che le forze di tensione e compressione sono distribuite attraverso le fibre di actina e i microtubuli all’interno della cellula per mantenerne la forma, in modo simile a come funzionano i pali e le corde di una tenda da campeggio. Quando i ricercatori hanno disabilitato la funzione di sostegno della forza delle fibre di actina, hanno scoperto che anche il nucleo stesso è coinvolto nel controbilanciare le forze esterne, evidenziando il ruolo della struttura interna del nucleo nella risposta allo stress cellulare.
Il gruppo di ricerca ha anche confrontato le risposte delle cellule sane e cancerose. Le cellule tumorali si sono dimostrate più resistenti alla compressione esterna rispetto alle cellule sane e avevano meno probabilità di attivare la morte cellulare in risposta.
I risultati non solo mettono in luce la complessa meccanica intracellulare della risposta allo stress, ma la scoperta di diverse risposte nelle cellule tumorali potrebbe offrire un nuovo modo per distinguere le cellule sane da quelle cancerose:uno strumento diagnostico basato sulla meccanica cellulare.
Gli ospedali attualmente utilizzano la dimensione, la forma e la struttura di una cellula per diagnosticare il cancro. Tuttavia, queste funzionalità non sempre forniscono informazioni sufficienti per distinguere tra cellule sane e malate.
"I nostri risultati forniscono un altro modo per controllare le condizioni delle cellule misurando la distribuzione della forza, il che potrebbe migliorare notevolmente l'accuratezza diagnostica", afferma Han Zhang, un altro autore corrispondente dello studio e ricercatore senior dell'Electron Microscopy Group, NIMS.
Ulteriori informazioni: Hongxin Wang et al, Mappatura dello stress all'interno delle cellule viventi mediante microscopia a forza atomica in risposta a stimoli ambientali, Scienza e tecnologia dei materiali avanzati (2023). DOI:10.1080/14686996.2023.2265434
Informazioni sul giornale: Scienza e tecnologia dei materiali avanzati
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