All’interno di ogni embrione in via di sviluppo sta il mistero dell’autorganizzazione: come fa un organismo a modellarsi mentre crea le sue parti?
Pelle embrionale di pollo La micrografia a luce di fluorescenza dei fibroblasti derivati dalla pelle embrionale di pollo mostra l’ordine collettivo.
Utilizzando un approccio olistico anziché riduzionista allo studio della formazione dei tessuti, i ricercatori hanno rivelato come le molecole di segnalazione influenzano i processi biofisici che modellano l’organo in via di sviluppo. Questi processi sono descritti in un nuovo studio in Scienza guidato da Alan Rodrigues e Amy Shyer, co-direttori del Laboratorio di Morfogenesi della Rockefeller University.
Alla base di questo lavoro c’è un cambiamento fondamentale nella mentalità che cerca di fornire un contesto più ampio e sensato per lo studio dello sviluppo degli organi, che potrebbe anche tradursi in una diagnosi e un trattamento più efficaci di molte malattie umane.
“La domanda che guida gran parte del nostro lavoro è come migliaia di cellule si uniscono per generare i modelli ordinati osservati nei tessuti”, afferma Rodrigues. “I nostri risultati indicano che esiste un ordine emergente al di là delle molecole e delle singole cellule che deve essere preso in considerazione”.
Una visione a volo d’uccello dello sviluppo degli organi
Il lavoro precedente sullo sviluppo degli organi si è basato fortemente sui morfogeni, molecole di segnalazione che svolgono un ruolo fondamentale nell’influenzare l’identità e il comportamento delle cellule. Studi fondamentali hanno dimostrato che vari morfogeni, quando mutati, possono portare a organi malformati (lavoro che ha portato a un premio Nobel).
Ma la maggior parte del lavoro sui morfogeni si è concentrato su come queste molecole di segnalazione funzionano a livello genetico o molecolare, cellula per cellula, partendo dal presupposto che la complessa coreografia della formazione dei tessuti si riduce ai geni espressi in ogni singola cellula.
Rodrigues e Shyer sospettavano che uno sguardo più ampio a interi gruppi di cellule destinate a formare tessuti – una visione dalla cosiddetta scala cellulare collettiva o livello sopracellulare – potesse contribuire notevolmente a spiegare ciò che fino ad ora era rimasto inspiegabile.
“I morfogeni sono fondamentali per lo sviluppo, ma ci sono molte domande senza risposta su come partecipano alla formazione dei tessuti, soprattutto quando sono coinvolti gruppi di migliaia di cellule”, afferma Shyer. “Abbiamo cercato di pensare oltre la singola cellula e di guardare alla formazione dei tessuti su scala più ampia”.
Per dimostrare l’importanza di questa visione a volo d’uccello dello sviluppo degli organi, Rodrigues e Shyer si sono rivolti come modello alla pelle di pollo in via di sviluppo.
I ricercatori hanno scelto il loro sistema per il suo livello ideale di complessità: la pelle si sviluppa come un foglio piatto punteggiato da una serie di protuberanze, il che significa che è abbastanza semplice da lavorare ma abbastanza complicato da fungere da modello per le complessità inerenti agli organi umani. . Studiando il tessuto embrionale della pelle oltre le dimensioni di una cellula, il team sperava di identificare come vengono create nuove strutture in un organo.
Le strutture della pelle si uniscono durante una finestra critica a circa una settimana dallo sviluppo dell’embrione di pollo, analoga a circa un mese dallo sviluppo umano nell’utero.
“È una fase unica e fondamentale, in cui un essere umano è quasi indistinguibile da una mucca, un topo o un pollo. Questo è il momento in cui ottieni l’architettura dei tessuti che persiste per tutta la vita”, ha spiegato Rodrigues. “I vertebrati sembrano notevolmente simili in questa fase, suggerendo che sono presenti principi profondi e conservati”.
Viscosità, elasticità e attività meccanica
Dopo aver identificato i punti chiave nello sviluppo della pelle embrionale, il team ha iniziato ad analizzarla su scala cellulare collettiva. Gli autori si sono concentrati sulla caratterizzazione dei cambiamenti che emergono nelle proprietà materiali e meccaniche dei collettivi di cellule dermiche quando esposti a morfogeni: viscosità, elasticità e attività meccanica.
Concentrarsi su collettivi di cellule, piuttosto che su singole cellule, offre un modo per osservare caratteristiche funzionalmente significative che altrimenti verrebbero perse.
Una singola cellula cardiaca non può pompare il sangue e un singolo neurone non può scrivere un’opera; il cuore e il cervello funzionano pienamente solo attraverso un’azione collettiva che in qualche modo supera le capacità delle sue unità costitutive.
Coloro che studiano sistemi così complessi chiamano tali fenomeni proprietà emergenti, perché queste capacità non risiedono all’interno di nessun singolo componente, ma emergono solo attraverso le loro interrelazioni dinamiche.
Il team ha ipotizzato che le proprietà emergenti dei collettivi cellulari potrebbero riflettersi in proprietà fisiche come viscosità, elasticità e attività meccanica.
«La sfida che volevamo affrontare era catturare sperimentalmente e quindi sostenere l’esistenza di queste proprietà emergenti a livello cellulare collettivo», afferma Rodrigues.
Insieme ai co-primi autori Sichen Yang e Karl Palmquist, che hanno entrambi condotto i loro studi universitari al Rockefeller, il team ha sviluppato tecniche per misurare le proprietà fisiche sopracellulari. Un test ha coinvolto la microscopia a forza atomica, che testa le proprietà materiali di un tessuto in generale stimolandolo con una sonda e misurandone la durezza.
“La cosa bella della scala cellulare collettiva è che puoi effettivamente tirarla e spingerla”, dice Shyer. “È un modo molto tattile di fare le cose.”
Il team ha utilizzato anche un altro test, chiamato fusione sferoidale, in cui ha caratterizzato il modo in cui due gruppi di cellule “sferoidali” si fondevano insieme quando venivano posizionati uno accanto all’altro.
“Quando due gocce di pioggia entrano in contatto, si fondono rapidamente in un’unica grande goccia, indicandone la fluidità. D’altra parte, quando due palle da biliardo vengono poste una accanto all’altra, rimangono separate, indicando la loro natura solida”, afferma Shyer.
Quando gli sferoidi venivano trattati con un morfogeno specifico, la proteina morfogenetica dell’osso (BMP), i cluster cellulari si fondevano insieme come l’acqua. Tuttavia, quando gli sferoidi sono stati trattati con un morfogeno diverso, il fattore di crescita dei fibroblasti (FGF), si sono fusi solo parzialmente come due palline di argilla, indicando una maggiore solidità.
Quindi, lavorando con Pearson Miller, matematico applicato e ricercatore presso il Flatiron Institute, il team ha iniziato a esplorare come tali cambiamenti nelle proprietà fisiche sopracellulari potrebbero essere responsabili della creazione di nuove strutture.
Il team ha combinato modelli biofisici quantitativi con dati sperimentali per fornirne la prova un nucleo solido circondato da un margine fluido attivo emerge in una geometria meccanicamente instabile. Questa instabilità si risolve da sola e, nel processo, crea una sporgenza che fuoriesce dal piano della pelle.
Influenzato dal pensiero su scala subcellulare, il campo aveva ipotizzato che queste sporgenze fossero basate sulla migrazione di singole cellule o sulla proliferazione locale. Al contrario, questo studio suggerisce che l’azione fisica chiave responsabile della creazione di nuove strutture organiche è in gioco su scala sopracellulare.
“Questo è sufficiente per generare la forma della pelle e del follicolo”, afferma Shyer. “Quindi, quello che stiamo vedendo è che i morfogeni non orchestrano direttamente la modellazione degli organi. La loro influenza è mediata attraverso proprietà e processi sopracellulari, cosa che stiamo iniziando ad apprezzare solo ora”.
Quando non c’è la pistola fumante
Sebbene questi risultati possano essere emersi solo prendendo in considerazione proprietà che vanno oltre la singola cellula, Shyer osserva che i morfogeni svolgono un ruolo chiave a livello cellulare.
“I cambiamenti molecolari si verificano, ovviamente, all’interno di ciascuna cellula quando trattata con BMP o FGF”, afferma.
In effetti, il team ha caratterizzato le caratteristiche molecolari all’interno dei collettivi cellulari e ha scoperto cambiamenti chiave nel citoscheletro nonché nella composizione e disposizione della matrice extracellulare. Inoltre, il sequenziamento di singole cellule ha rivelato che un singolo morfogeno probabilmente modifica l’espressione di decine o centinaia di geni.
Allo stesso tempo, dal punto di vista materiale, il contributo di questi cambiamenti molecolari si manifesta su scala sopracellulare.
Spostare l’attenzione sulla scala cellulare collettiva potrebbe avere implicazioni per la salute umana. Ad esempio, poiché un tumore in crescita condivide caratteristiche con una struttura embrionale, i ricercatori stanno ora utilizzando il loro metodo per esplorare le escrescenze cancerose.
“La nostra ipotesi è che non comprenderemo appieno il motivo per cui una singola cellula mutata forma un tumore a meno che non indaghiamo il tessuto tumorale a livello sopracellulare”, afferma Rodrigues. Alla ricerca di questa pista, il team sta attualmente esaminando come i loro metodi potrebbero fornire informazioni sullo studio del cancro ovarico.
L’adozione di un approccio sopracellulare può aprire nuove modalità di diagnosi e trattamento delle malattie. “Potrebbe darsi che la sottile sintonizzazione di centinaia di geni si fonda in materiali emergenti e proprietà meccaniche che contribuiscono alla rottura dei tessuti sani”, spiega Rodrigues.
“Il numero relativamente limitato di potenziali proprietà sopracellulari può fornire un punto d’appoggio tanto necessario per il trattamento di numerose aree patologiche in cui non esiste un’unica pistola fumante molecolare”.
Fonte: Università di Rochester
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