Le cellule nei corpi umani sono soggette a forze chimiche e meccaniche. Ma fino a poco tempo fa, gli scienziati non hanno capito molto su come manipolare il lato meccanico di tale equazione. Sta per cambiare.
“Questa è una grande svolta nella nostra capacità di essere in grado di controllare le cellule che guidano la fibrosi”, secondo Guy Genin, Harold e Kathleen Faught Professore di ingegneria meccanica presso la McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis, parlando di ricerche recentemente pubblicate in Materiali naturali.
La fibrosi è un’afflizione in cui le cellule producono tessuto fibroso in eccesso. Le celle di fibroblasti fanno questo per chiudere le ferite, ma il processo può cascata in luoghi indesiderati. Esempi includono fibrosi cardiaca; fibrosi renale o epatica, che precede il cancro; e fibrosi polmonare, che può causare importanti difficoltà di cicatrici e respirazioni. Ogni tessuto molle nel corpo umano, anche nel cervello, ha il potenziale per le cellule di iniziare a passare attraverso una cascata per guarigione della ferita quando non dovrebbero, secondo Genin.
Il problema ha radici chimiche e meccaniche, ma le forze meccaniche sembrano svolgere un ruolo fuori misura. I ricercatori di Washu hanno cercato di sfruttare il potere di queste forze meccaniche, usando un tiro e un tiro strategico nel giusto mix di direzioni per dire alla cellula di spegnere il suo telaio di fibra in eccesso.
Nella ricerca appena pubblicata, Genin e colleghi delineano alcuni di questi dettagli, incluso come intervenire nei campi di tensione al momento giusto per controllare come si comportano le cellule.
“La direzione della tensione che queste cellule applicano molto questioni in termini di stato di attivazione”, ha affermato Nathaniel Huebsch, professore associato di ingegneria biomedica a McKelvey, autore senior della ricerca, insieme a Genin e Vivek Shenoy all’Università della Pennsylvania.
Le forze
Il corpo umano è costantemente in movimento, quindi non dovrebbe sorprendere che la forza possa codificare la funzione nelle cellule. Ma Che cosa forze, Come molta forza e Quale La direzione sono alcune delle domande che esamina il Center for Engineering Mechanobiology.
“L’entità della tensione influenzerà ciò che fa la cellula”, ha detto Huebsch. Ma la tensione può andare in molte direzioni diverse. “La scoperta che presentiamo in questo documento è che il modo in cui lo stress tira in direzioni diverse fa la differenza con la cella”, ha aggiunto.
Tirare in più direzioni in modo non uniforme, chiamato anisotropia di tensione (immagina un tiro taffy) è una forza chiave per dare il via alla fibrosi, hanno scoperto i ricercatori.
“Stiamo mostrando, per la prima volta, usando una struttura con un tessuto, siamo in grado di impedire ai citoscheletri cellulari di percorrere un percorso che causerà contrazione ed eventuale fibrosi”, ha detto Genin.
Huebsch, che ha aperto la strada a modelli microscopici e impalcature per testare questi campi di tensione che agiscono sulle cellule, ha spiegato che i microtubuli simili a tentacoli stabiliscono la tensione emergendo e lanciando in una direzione. Il collagene intorno alla cella tira indietro su quel tubulo e si allinea con esso.
“Abbiamo scoperto che se potessi interrompere i microtubuli, si interromperai l’intera organizzazione e potresti potenzialmente interrompere la fibrosi”, ha detto Huebsch.
E, sebbene questa ricerca riguardasse la comprensione di ciò che va storto per causare fibrosi, c’è ancora molto da imparare a conoscere ciò che va bene con i fibroblasti, le nostre cellule di tessuto connettivo, specialmente nel cuore, hanno aggiunto Huebsch.
“Nei tessuti in cui i fibroblasti sono in genere ben allineati, cosa impedisce loro di attivarsi a quello stato di guarigione della ferita?” Chiese Huebsch.
Piani di trattamento personalizzati
Oltre a trovare modi per prevenire o trattare la fibrosi, Genin e Huebsch hanno affermato che i medici possono cercare modi per applicare questa nuova conoscenza sull’importanza dello stress meccanico al trattamento di lesioni o ustioni. I risultati potrebbero aiutare ad affrontare l’elevato tasso di fallimento per i trattamenti dei pazienti anziani con lesioni che richiedono un tendine di riattacco all’osso o dalla pelle alla pelle.
Ad esempio, nelle lesioni della cuffia dei rotatori, vi sono prove convincenti che i pazienti devono iniziare a muovere il braccio per recuperare la funzione, ma un’evidenza altrettanto convincente che i pazienti dovrebbero immobilizzare il braccio per un migliore recupero. La risposta potrebbe dipendere dalla quantità di collagene che un paziente produce e dai campi di stress in gioco nel sito di recupero.
Comprendendo l’impatto dei campi di stress multidirezionale sulla struttura cellulare, i medici possono essere in grado di esaminare la riparazione dei pazienti specifici e determinare un piano di trattamento personalizzato.
Ad esempio, un paziente che ha stress biassiale proveniente da due direzioni nel sito di lesioni dovrà potenzialmente esercitare di più per innescare la riparazione delle cellule, ha detto Genin. Tuttavia, un altro paziente che mostra segni di stress uniassiale, il che significa che lo stress sta tirando solo una direzione, qualsiasi movimento potrebbe attivare eccessivamente le cellule, quindi in quel caso, il paziente dovrebbe mantenere immobilizzato la lesione. Tutto questo e altro ancora deve essere elaborato e confermato, ma Genin è entusiasta di iniziare.
“La prossima generazione di malattie che conquieremo sono le malattie della meccanica”, ha detto Genin.
Alisafaei F, Shakiba D, Hong Y, Ramahdita G, Huang Y, Iannucci LE, Davidson MD, Jafari M, Qian J, Qu C, Ju D, Flory DR, Huang YY, Gupta P, Singamaneni S, Pryse KM, Chao PG, Burdick JA, Lake SP, Elson Elson, Genin GM. L’anisotropia della tensione guida la transizione fenotipica di fibroblasti mediante feedback meccanico a matrice estracellulare auto-rinforzante. Materiali naturali, Online 24 marzo 2025.
Questo lavoro è stato supportato dal National Science Foundation Center for Engineering
Meccanico di sovvenzione CMMI-154857 (GMG, VBS e JAB), National Cancer Institute Awards R01CA232256 (VBS) e U54CA261694 (VBS), National Institute of Biomedical Imaging e BioEngineering Awards R01EB01753 (VBS) e R01eb0876 (National Imaging) di BioEngineering Awards R01EB01753 (VBS) e R030876 (National Imaging) Award Muscoloskeletry and Skin Diseases Award R01AR077793 (GMG), National Heart, Lung e Blood Institute Award R01HL159094 (NH) e National Science Foundation garantisce MRSEC/DMR-1720530 (VBS e JAB) e DMS-1953572 (v .bs).
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com