Le forze che alimentano le difese immunitarie
La capacità del sistema immunitario di rilevare e rispondere a lesioni o infezioni inizia con i leucociti, o globuli bianchi, che pattugliano le pareti vascolari alla ricerca di infiammazioni. Questo processo inizia con la riduzione della velocità dei leucociti nel flusso sanguigno. Possono quindi attivarsi, aderire saldamente alla parete vascolare e migrare verso siti di lesione o infiammazione. L’adesione dei leucociti alla parete vascolare comporta diverse fasi ed espone le cellule a forze meccaniche nel tempo, da microsecondi a diversi minuti. La comprensione delle forze implicate nella cascata di adesione dei leucociti è centrale per decifrare la fisica fondamentale dei meccanismi di risposta immunitaria.
Nanostrumenti combinati per la misurazione della forza nei leucociti
Per comprendere appieno il processo di adesione dei leucociti, il progetto MechaDynA, finanziato dal CER, mirava a sviluppare un approccio completo che collegasse queste scale temporali e risoluzioni spaziali. Il team di ricerca ha adattato due nanostrumenti d’avanguardia, la spettroscopia di forza ad alta velocità (high-speed force spectroscopy o HS-FS) e la spettroscopia di forza acustica (acoustic force spectroscopy o AFS) per misurare, direttamente su cellule viventi, la meccanica di tutti i componenti cellulari coinvolti su una vasta gamma di scale temporali. Ricavata dalla microscopia di forza atomica, la HS-FS impiega cantilever ultra piccoli per misurare le proprietà meccaniche e le forze di legame di singole molecole, come proteine o DNA, su scale temporali estremamente brevi, fino a microsecondi. Questo approccio ha permesso ai ricercatori di esplorare eventi rapidi critici per l’adesione dei leucociti. La AFS integra le scale temporali accessibili tramite la HS-FS. Utilizzando onde acustiche per intrappolare e applicare forze a centinaia di particelle o cellule sospese in parallelo, consente di effettuare misurazioni di lunga durata che durano ore.
Sperimentazione su cellule vive
Uno dei risultati più notevoli del progetto è stato l’adattamento di HS-FS e AFS per lavorare direttamente su cellule vive, consentendo un’esplorazione dettagliata della meccanica e dell’adesione dei leucociti. «Combinando questi strumenti con la microscopia ottica avanzata, abbiamo ottenuto misure di forza su cellule viventi con accesso a una gamma di scale temporali senza precedenti», sottolinea Felix Rico, ricercatore principale di MechaDynA. Una parte del progetto ha rivelato che l’adesione è legata all’irrigidimento meccanico delle cellule leucocitarie. È interessante notare che l’irrigidimento sembra persistere persino dopo la rimozione dell’adesione, evidenziando un aspetto precedentemente sconosciuto della meccanica cellulare. Nel complesso, i risultati di MechaDynA migliorano la nostra comprensione delle forze meccaniche che influenzano i processi biologici.
Applicazioni future
Il successo di MechaDynA nell’adattamento e nell’applicazione di HS-FS e AFS per lo studio dei leucociti segna una tappa notevole nella ricerca biofisica. I prossimi passi del progetto prevedono l’estensione di questi metodi ad altri sistemi cellulari, quali le cellule tumorali circolanti, simili a leucociti che attraversano il flusso sanguigno prima di metastatizzare in organi distanti. L’esplorazione della meccanica di queste cellule potrebbe portare a svolte nella diagnosi e nel trattamento del cancro. Inoltre, i nanostrumenti di MechaDynA sono promettenti per lo studio di altri sistemi biologici, quali le interazioni tra cellule virali, che potrebbero far progredire la nostra comprensione delle infezioni virali e informare lo sviluppo di terapie antivirali. La possibilità di brevettare questi nanostrumenti sottolinea la loro natura innovativa e la loro applicabilità in diverse discipline e apre nuove strade per affrontare le pressanti sfide biomediche. Inoltre, il pacchetto software open-source PyFMLab sviluppato durante il progetto offre una soluzione standardizzata per la caratterizzazione viscoelastica di campioni biologici.
Parole chiave
MechaDynA, forze, spettroscopia di forza ad alta velocità (HS-FS), spettroscopia di forza acustica (AFS), adesione di leucociti, proprietà meccaniche, biofisica
