Svelare le interazioni meccaniche delle cellule con il loro ambiente
Nell’intricato mondo della biologia, la capacità delle cellule di rilevare e rispondere ai segnali provenienti dall’ambiente circostante è un processo fondamentale che ne regola il comportamento. Questi segnali regolano funzioni critiche come la differenziazione, la proliferazione e il movimento. L’aspetto intrigante è che le cellule possono persino adattare il loro comportamento in risposta alle proprietà meccaniche del substrato circostante, come la sua rigidità. Sono in grado di trasdurre queste forze meccaniche in segnali intracellulari, un processo noto come meccano-sensazione(si apre in una nuova finestra). Il substrato circostante, noto anche come matrice extracellulare(si apre in una nuova finestra), comprende un’intricata rete di fibre 3D che offre un supporto strutturale alle cellule. Deformandosi, le cellule della matrice extracellulare ne percepiscono le proprietà meccaniche. Questo processo non solo le aiuta a regolare il loro comportamento, ma può anche influenzare le cellule vicine che percepiscono le deformazioni applicate.
Comprendere le interazioni delle cellule con la matrice extracellulare
Condotto il sostegno del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie(si apre in una nuova finestra) (MSCA), il progetto CellMechSensE mirava a svelare i meccanismi alla base dell’interazione meccanica tra le cellule e la matrice extracellulare circostante. Il progetto è nato dalla collaborazione con Pierre Ronceray dell’Università di Aix-Marseille e con il gruppo sperimentale di Ming Guo del MIT. Il lavoro si è concentrato sulle grandi forze che le cellule possono esercitare sulla matrice extracellulare e sul loro impatto sul funzionamento della rete circostante. «L’indagine sperimentale delle interazioni meccaniche delle cellule con la matrice extracellulare è stata impegnativa, a causa delle limitazioni nell’applicazione di grandi forze su scala locale», spiega la ricercatrice MSCA Estelle Berthier. I ricercatori hanno scoperto che, se sondata con queste forze maggiori, la matrice extracellulare mostrava una risposta notevole, aumentando la sua rigidità fino a cento volte. Questo fenomeno, noto come non linearità elastica, ha generato una risposta meccanica complessa che è stata scarsamente caratterizzata. «Il progetto ha definito un quadro teorico e computazionale completo per la comprensione della meccano-sensazione cellulare all’interno della matrice extracellulare», prosegue Berthier. Questa struttura ha caratterizzato la risposta meccanica, le deformazioni e la rigidità della matrice extracellulare in seguito al sondaggio delle cellule.
Un nuovo modello di meccano-sensazione
Uno dei risultati più sorprendenti è stato che la risposta non lineare locale differiva da quella macroscopica, a indicare meccanismi fondamentalmente diversi in gioco. Questa distinzione ha messo in discussione le ipotesi esistenti e ha evidenziato la complessità del sondaggio delle cellule. Il progetto ha anche rivelato(si apre in una nuova finestra) che la risposta meccanica di una sonda locale diventa molto più robusta e meno sensibile al disordine della rete a forze elevate, dove entrano in gioco le non linearità. Si tratta di un risultato inaspettato, in quanto le non linearità avrebbero potuto potenzialmente esacerbare gli effetti di questo disturbo. Per dare un senso a queste scoperte e spiegare come la matrice extracellulare risponde a forze diverse, i ricercatori hanno sviluppato un innovativo modello di meccano-sensazione non lineare. Utilizzando forze maggiori, una cellula può indurre deformazioni non lineari su regioni più ampie, rendendo la rete molto più rigida. Di conseguenza, la cellula diventa un dispositivo sonda molto più grande ed esamina una regione più ampia della rete. Come con l’aumento delle dimensioni del sondaggio, la misura diventa più rappresentativa delle proprietà complessive della matrice extracellulare. Secondo Berthier: «Mettere insieme i pezzi di questo puzzle e trovare una spiegazione su come le cellule sondano e percepiscono l’ambiente circostante è stato il risultato più significativo del progetto». In prospettiva, questa ricerca potrebbe far luce su come le cellule coordinano il loro comportamento su grandi distanze e sul coinvolgimento delle non linearità locali nei processi patologici, come la crescita e l’invasione dei tumori.
Parole chiave
CellMechSensE, forza meccanica, matrice extracellulare, rete circostante, meccano-sensazione, rigidità, non linearità elastica, modello non lineare
