Mappato per la prima volta il design interno delle cellule umane

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Secondo il gruppo di ricerca dell’Allen Institute for Cell Science, un database di 200.000 immagini sta facendo nuova luce sugli elementi costitutivi della vita. Le immagini rivelano dettagli sulla ricca variazione della forma di ogni cellula, anche tra cellule geneticamente identiche cresciute nelle stesse condizioni. La scoperta offre la speranza di nuovi trattamenti per le malattie cardiovascolari, il cancro, la demenza e altre gravi malattie.

“Il modo in cui le cellule sono organizzate ci dice qualcosa sul loro comportamento e sulla loro identità”, spiega la responsabile dello studio Susanne Rafelski, vicedirettore dell’Allen Institute for Cell Science, in un comunicato stampa. “Quello che mancava nel campo, mentre tutti cerchiamo di capire come le cellule cambiano nella salute e nella malattia, è un modo rigoroso per affrontare questo tipo di organizzazione. Non abbiamo ancora attinto a queste informazioni”. Il corpo umano ha circa 37 trilioni di cellule. Scoprire cosa fanno tutte queste cellule trasformerà la ricerca medica. Secondo il Dr. Rafelski, lo studio, pubblicato su Nature, fornisce una tabella di marcia per i biologi. Rivela anche alcuni principi chiave delle cellule che il team sta analizzando.

Le cellule sono di tutte le forme e dimensioni

Una cellula staminale pluripotente indotta (conosciuta anche come iPS o iPSC dall’inglese Induced Pluripotent Stem Cell) è un tipo di cellula staminale generata artificialmente a partire da una terminalmente differenziata (in genere una cellula adulta della pelle o del sangue), mediante l’introduzione di quattro geni specifici che codificano determinati fattori di trascrizione e che ne inducono la conversione in cellula staminale di una specifica linea cellulare. Questa linea cellulare, potrà svilupparsi a sua volta in cellula differenziata. La loro riprogrammazione in uno stato simile a quello embrionale consente di sviluppare una fonte illimitata di qualsiasi tipo di cellula umana necessaria per scopi terapeutici. Le iPS sono quelle analizzate nello studio.

“Parte di ciò che fa sembrare la biologia cellulare intrattabile è il fatto che ogni cellula ha un aspetto diverso, anche se si tratta dello stesso tipo di cellula. Questo studio dell’Allen Institute dimostra che questa stessa variabilità, che da tempo affligge il campo, è in realtà un’opportunità per studiare le regole con cui una cellula si compone”, afferma Wallace Marshall, professore di Biochimica e Biofisica all’UC San Francisco e membro del comitato scientifico consultivo dell’Allen Institute. “Questo approccio è generalizzabile a qualsiasi cellula e mi aspetto che molti altri adottino la stessa metodologia”.

Il Dr. Rafelski e il team hanno prima costruito una collezione di cellule staminali, geneticamente modificate, per illuminare diverse strutture interne al microscopio fluorescente. Avendo a disposizione linee cellulari che etichettano 25 strutture diverse, gli scienziati hanno acquisito immagini 3D ad alta risoluzione di oltre 200.000 cellule diverse. Utilizzando analisi computazionali, hanno sviluppato uno “spazio di forma” che descrive oggettivamente le otto diverse dimensioni esterne di ogni cellula staminale. Includendo fattori come l’altezza, l’allungamento del volume e la somiglianza con una piccola “pera” o un “fagiolo”. Gli scienziati potrebbero quindi confrontarle tutte le mela con mela (o fagiolo a fagiolo), esaminando l’organizzazione delle strutture cellulari all’interno di tutte le cellule di forma simile. “Sappiamo che in biologia la forma e la funzione sono interrelate e la comprensione della forma delle cellule è importante per capire come funzionano”, spiega il ricercatore senior Matheus Viana. “Abbiamo elaborato una struttura che ci permette di misurare la forma di una cellula e, nel momento in cui lo si fa, è possibile trovare cellule di forma simile, per le quali è possibile guardare all’interno e vedere come è organizzato tutto”.

Fig. 1

Gemelle diverse

Osservando la posizione delle 25 strutture evidenziate, i ricercatori hanno scoperto che tutte le cellule si sono formate in modo straordinariamente simile. Nonostante le enormi variazioni nella forma delle cellule, la loro organizzazione interna era sorprendentemente coerente. La scoperta di deviazioni dallo stato normale delle cose potrebbe fornire agli scienziati importanti informazioni su come le cellule cambiano quando passano da stazionarie a mobili, si preparano a dividersi o su cosa va storto a livello microscopico nelle malattie.

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I ricercatori hanno esaminato due varianti nel loro set di dati: le cellule ai margini delle colonie cellulari e le cellule in fase di divisione per creare nuove cellule figlie, un processo noto come mitosi. In questi due stati, gli scienziati sono stati in grado di trovare cambiamenti nell’organizzazione interna, correlati ai diversi ambienti o attività delle cellule. “Questo studio riunisce tutto ciò che abbiamo fatto all’Allen Institute for Cell Science da quando l’istituto è stato lanciato”, afferma Ru Gunawardane, direttore esecutivo dell’Allen Institute for Cell Science. “Abbiamo costruito tutto da zero, comprese le metriche per misurare e confrontare i diversi aspetti dell’organizzazione delle cellule. Ciò che mi entusiasma è il modo in cui noi e gli altri membri della comunità possiamo ora basarci su questo e porre domande sulla biologia cellulare che non avremmo mai potuto porre prima”. Questo potrebbe permettere di progettare nuovi farmaci per aiutare il sistema immunitario, ad esempio, a combattere meglio il cancro.

 

 

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