Fare i giusti movimenti Understand article

Tradotto da Valeria Soro. I movimenti cellulari sono importanti per la salute e le malattie, ma la loro velocità è il punto cruciale per la Gara Mondiale Cellulare del 2013 organizzata da Daniel Irimia.

Cellule del cancro al seno
Immagine per gentile
concessione di dominio
pubblico, per merito di: Bruce
Wetzel e Harry Schaefer /
National Cancer Institute)

Potrebbe non essere lo spettatore più emozionante nello sport, ma Cell World Race è l’equivalente delle Olimpiadi per i biologi. La gara di quest’anno è stata vinta da una linea di cellule del cancro al seno che ha raggiunto una velocità massima di 50 μm.h-1. Può sembrare frivolo, ma capire la motilità cellulare, o la capacità delle cellule di muoversi, è importante sia per la salute che per la malattia. La motilità cellulare è un fattore nel cancro, nella risposta immunitaria, nella guarigione delle ferite e lo sviluppo dell’embrione, così come in altre funzioni biologiche. Tuttavia, gli scienziati ancora non capiscono completamente il processo e non ci sono farmaci che possono specificatamente accelerare o rallentare il movimento delle cellule.

Cylindrospermum è un
genere di cianobatteri
filamentosi che si trovano in
ambienti terrestri e acquatici.

Immagine di dominio pubblico.
Fonte: Wikimedia

Le cellule hanno bisogno di muoversi per vari motivi – per trovare cibo, intercettare pericoli, sfuggire a un ambiente non idoneo o colonizzarne uno nuovo. Alcune cellule, compresi gli spermatozoi e molti batteri, possono nuotare rapidamente con coda-tipo flagelli.

Altre cellule, come quelle incluse nella gara cellulare, si muovono in un modo molto meno drammatico con la creazione di protrusioni di membrana (chiamati pseudopodi), un pò come dita che si estendono, che si attaccano ad una superficie e poi tirano il resto della cellula dietro di loro (vedi figura 1). Una cellula che compie questo tipo di movimento può coprire in genere 1-2 volte la sua lunghezza per ora. Per mettere questo in un contesto, una lumaca si muove a circa 20 lunghezze del suo corpo per ora; nel suo sprint record ai Giochi Olimpici del 2012, Usain Bolt correva l’equivalente di 18 000 lunghezze all’ora.

Usain Bolt al Bolt Crystal
Grand Prix nel 2009

Imagine per gentile
concessione di Paul Foot

Questo movimento potrebbe non essere veloce, ma è estremamente importante. Ad esempio, durante lo sviluppo embrionale, i movimenti delle cellule orchestrati precisamente permettono la formazione degli strati distinti di tessuto che infine crescono negli organi maturi, sistemi e parti del corpo. Una non corretta migrazione cellulare durante lo sviluppo dell’embrione può portare a una serie di disabilità e di difetti alla nascita, tra cui la spina bifida. In altre parti del corpo, le ferite guariscono come le cellule staminali specializzate raggiungono il sito di lesione per rigenerare i vasi sanguigni, tenere i tessuti insieme e costruire una nuova pelle.

La Corsa Mondiale delle Cellule 2013

Clicca sull’immagine per
ingrandirla. Figura 1:
L’avanzamento della cellula
più veloce, dalla linea
cellulare del cancro al seno
MDA MB 231 S1, durante il
World Cell Race 2013. Il
nucleo cellulare è stato
colorato con un colorante
blu non tossico (colorante
Hoescht). 

Immagine per gentile
concessione di Daniel Irimia,
Massachusetts General Hospital

La ‘pista’ è un intricato dedalo di canali di soli 10 micron, disposti su un piatto appositamente realizzato. Creato utilizzando una tecnica di micro-fabbricazione chiamata litografia morbida, le pareti del labirinto sono realizzate in silicone, un materiale inerte che può essere modellato con forme precise e complesse.

Laboratori di tutto il mondo sono stati invitati a inviare un campione delle loro cellule più veloci per l’iscrizione alla gara. Le cellule sono state colorate con un colorante blu non tossico per renderle più facili da vedere e collocarle ad una estremità del labirinto.

La maggior parte delle cellule si muovono solo in risposta a stimoli specifici – per esempio, verso le sostanze nutritive – ma tutti i concorrenti in questa gara erano le cellule tumorali, che rendono i movimenti auto-diretti nei canali del labirinto e di solito si muovono più velocemente rispetto alle cellule non tumorali.

Cellule del sangue con
globuli bianchi al centro

Immagine per gentile
concessione di dominio
pubblico, per merito di: Bruce
Wetzel e Harry Schaefer /
National Cancer

Le piastre sono state fotografate ogni 15 minuti per 24 ore e il vincitore è stata la cultura con il maggior numero di cellule che hanno raggiunto il fondo della pista lunga 600 micron. Potete vedere alcune delle cellule in azione sul sito internetw1del World Cell Race 2013 website. Nelle scene che ricordano il classico racconto ‘La Tartaruga e la Lepre’, la coltura vincente, una linea di cellule di cancro al seno chiamata MDA MB 231 S1, non è stata la più veloce, ma ha corso stabilmente per tutta la gara. Una linea cellulare di sarcoma (tumore del tessuto connettivo), MFH 137, era lento per andare avanti ed è stato alla fine il più veloce, ma poche cellule hanno tagliato il traguardo, relegandolo al secondo posto.

Il World Cell Race è adesso al suo terzo anno. Nella sfida più recente, gli organizzatori facevano correre cellule attraverso labirinti con angoli e vicoli ciechi per testare la ‘intelligenza’ delle cellule e la loro velocità. Si tratta di una rappresentazione più accurata di ciò che accade in vivo, dove le cellule migranti devono passare attraverso spazi intercellulari e orientarsi in tre dimensioni.


 

In malattia e in salute

Clicca sull’immagine per
ingrandirla. Figura 2: dettagli
della motilità cellulare. a) Una
sporgenza della membrana
chiamata pseudopodio si
forma sul bordo anteriore
(destra) della cellula; b) lo
pseudopodo si attacca alla
superficie attraverso proteine
di membrana chiamate
integrine (rosso); c) il corpo
principale della cellula è tirata
in avanti; e d) il bordo di
uscita della cellula si stacca
dalla superficie e il ciclo
ricomincia.

Immagine per gentile
concessione di Alexandre Saez
via Wikimedia Commons

Non è una sorpresa che una cellula di cancro al seno abbia trionfato in questa gara. Le cellule tumorali sono tra le cellule di mammifero più veloci. Il cancro ha la tendenza a diffondere dal sito tumorale iniziale e iniziare a crescere in altre parti del corpo in un processo chiamato metastasi. Mentre altre cellule mobili si muovono verso o lontano da stimoli (come i nutrienti o la luce), le cellule tumorali fanno movimenti auto-guidati per sfuggire piccoli spazi e non sembrano sapere quando fermarsi. Potrebbe richiedere un minimo di un mese per una cellula tumorale per spostarsi di 10 cm da un tumore primario al seno fino ad alloggiare in un linfonodo nelle vicinanze. Il cancro che si è diffuso è molto più difficile da trattare e spesso si rivela fatale, così capire e trovare infine modi per fermare il movimento delle cellule tumorali potrebbe salvare delle vite.

Ci possono essere altre situazioni in cui incoraggiare le cellule a muoversi più velocemente sarebbe utile. I globuli bianchi sono una parte fondamentale della nostra risposta immunitaria. Si muovono rapidamente ai siti di infezione per inghiottire e distruggere i microbi, scegliendo attivamente il percorso più breve per raggiungere il loro obiettivo. I pazienti con gravi ustioni sono più inclini alle infezioni, a quanto pare perché i loro globuli bianchi perdono la loro bussola interna e non sono in grado di orientarsi, rallentando il loro progresso verso l’agente patogeno. Pertanto, i farmaci che potrebbe aumentare la velocità o migliorare l’efficienza dei globuli bianchi potrebbero essere molto utile sia per prevenire che curare le infezioni.

Tuttavia, aumentare la risposta dei globuli bianchi non è sempre desiderabile. Nelle malattie infiammatorie croniche, come l’artrite reumatoide e l’asma, I globuli bianchi interpretano male i segnali chimici e migrano nel tessuto sano, causando dolore, infiammazione e danni. In questi casi, sarebbe auspicabile trovare un modo per eliminare questa migrazione cellulare.

La lumaca labbra-bianca
(Cepaea hortensis)

Immagine per gentile
concessione di Mad Max,
Kirkland, Washington

Ci sono ancora molte lacune nella nostra comprensione di come e perché le cellule si muovono. Daniel ei suoi compagni organizzatori sperano che World Cell Race possa aumentare la consapevolezza dell’importanza della motilità cellulare e incoraggiare una maggiore cooperazione tra biologi e ingegneri. Sperano anche che i loro metodi possano portare a modalità standardizzate di misurazione della motilità cellulare, rendendo più facile studiare l’impatto dei farmaci o altri mezzi di controllo di questo movimento.

Dopo ogni gara, i concorrenti valutano le loro prestazioni e cominciano a pianificare per la prossima sfida. Gli organizzatori hanno già fissato la data per il prossimo World Cell Race: 14 November 2014. Nella prossima gara, i globuli bianchi potranno inoltre correre al fianco delle cellule tumorali in un’epica battaglia del bene contro il male. La veloce muffa melmosaDictyostelium discoideum ha anche vinto la propria gara il 21 marzo 2014. Puoi iscriverti per aggiornamenti sul sito internetdel World Cell Racew1.

Se volete studiare la migrazione delle cellule in classe, muffe melmose, soprattutto Dictyostelium, o globuli bianchi sono un buon punto di partenza.Dictyostelium è in rapida crescita e di facile manutenzione con nutrienti a base di agar a temperatura ambiente. I globuli bianchi sono facili da vedere con un normale microscopio in dotazione a scuola, e il sangue di cavallo può essere ottenuto da diversi fornitori scolastici.

Prova a impostare su un campione di Dictyostelium o sangue di cavallo sotto un microscopio e a scattare fotografie ad intervalli regolari con una telecamera fissa. Quindi confrontate le immagini per vedere se è possibile cogliere le cellule in movimento. Mettere una leggera fonte di calore, ad esempio una lampada da tavolo con una lampadina incandescente, ad un lato del vetrino potrebbe aiutare, perché entrambi i tipi di cellule rispondono alla temperatura (thermotaxis) e ilDictyostelium risponde alla luce (fototassi).

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Resources

Author(s)

Daniel Irimia è Assistente Professore presso il Massachusetts General Hospital e Harvard Medical School, USA, dove studia la capacità delle cellule di migrare che contribuisce alla salute e alla malattia. I suoi interessi spaziano dal ruolo della migrazione dei globuli bianchi nel proteggere i tessuti contro i microbi al ruolo della migrazione delle cellule del cancro durante l’invasione del cancro e metastasi. Per questi studi, sta progettando solidi strumenti di micro-scala per misurare la migrazione delle cellule con alta precisione da campioni clinicamente rilevanti. La squadra organizzativa del World Cell Race comprende anche Matthieu Piel presso l’Istituto Curie e il CNRS in Francia, e Elisabeth Wong e Bashar Hamza, entrambi del Massachusetts General Hospital.

Sarah McLusky è uno scrittore scientifico freelance, redattore e consulente educativo. Ha un dottorato di ricerca in patologia vegetale ed è anche docente di biochimica al Newcastle College, Regno Unito.


Review

Questo divertente articolo affronta un tema base delle cellule animali: la motilità. Anche se è noto che le cellule animali possono muoversi, la profonda comprensione della motilità cellulare “è molto importante sia per la salute che la malattia”, come gli autori sostengono. Qui, abbiamo una risorsa preziosa per conoscere meglio la motilità da un approccio divertente e stimolante. L’idea del World Cell Race ci potrebbe scioccare per un attimo, ma subito prendiamo coscienza della sua importanza e significato. Il soggetto di questo articolo è legato ad altri importanti temi biologici come l’immunologia, lo sviluppo embrionale e il cancro.

L’articolo potrebbe anche essere utile per sollevare discussioni circa il lavoro quotidiano degli scienziati, condividendo le conoscenze tra i laboratory, e le nuove tecnologie che consentono le velocità di diverse linee cellulari per essere misurate e confrontate.

Domande adatte di comprensione potrebbero includere:
1) Qual è l’importanza dello studio della motilità cellulare?
2) Qual è il rapporto tra motilità cellulare e migrazione cellulare?
3) Qual è l’obiettivo del World Cell Race?
4) Perché la forma della pista cambia da un anno all’altro nel World Cell Race?
5) Dare alcuni esempi di cellule in cui potrebbe beneficiare i ricercatori a fermare la motilità o a favorire la motilità.
6) Alcune cellule compiono movimenti auto-guidati e non sembrano avere bisogno di stimoli a muoversi. Che tipo di cellule sono? Perché possono rappresentare un problema?
7) Utilizzando la pista, come potreste dimostrare l’effetto di un farmaco sulla motilità cellulare?


Ana Molina, IES Gil y Carrasco, Spagna




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