(Metastasi-Immagine: i ricercatori del MIT hanno scoperto che una membrana biologica comune ha qualità elastiche simili a un palloncino, che possono aiutare a prevenire le metastasi delle cellule tumorali. Credito: Immagine: Jose-Luis Olivares, MIT, con immagini delle cellule per gentile concessione dei ricercatori).
Affinché le cellule tumorali producano metastasi, devono prima liberarsi delle difese del tumore. La maggior parte dei tumori è rivestita da una membrana protettiva “basale”, una pellicola sottile e flessibile che tiene in posizione le cellule tumorali mentre crescono e si dividono. Prima di diffondersi ad altre parti del corpo, le cellule devono aprire una breccia nella membrana basale, un materiale che a sua volta è stato difficile da caratterizzare per gli scienziati.
Ora gli ingegneri del MIT hanno sondato la membrana basale del cancro al seno e hanno scoperto che il rivestimento apparentemente delicato è resistente come un involucro di plastica, ma sorprendentemente elastico come un palloncino da festa, in grado di gonfiarsi fino al doppio della sua dimensione originale. Ma mentre è molto facile far esplodereun palloncino dopo qualche sforzo iniziale, il team ha scoperto che una membrana basale diventa più rigida mentre si espande.
Questa qualità rigida, ma elastica può aiutare le membrane basali a controllare la crescita dei tumori. Il fatto che le membrane sembrano irrigidirsi mentre si espandono suggerisce che possono frenare la crescita di un tumore e il potenziale di diffusione o metastasi, almeno in una certa misura.
I risultati, pubblicati questa settimana negli Atti della National Academy of Sciences, potrebbero aprire una nuova strada verso la prevenzione delle metastasi tumorali, che sono la causa più comune di decessi correlati al cancro.
“Ora possiamo pensare a strategie per migliorare ulteriormente questo effetto di irrigidimento e aumentare la resistenza della membrana per impedire alle cellule tumorali di sfondarla”, afferma Ming Guo, autore principale dello studio e Professore associato ingegneria meccanica al MIT.
Tra i coautori dello studio ci sono il primo autore Hui Li della Beijing Normal University, Yue Zheng e Shengqiang Cai dell’Università della California a Santa Diego e il postdoc del MIT Yu Long Han.
Esplodere
La membrana basale avvolge non solo le escrescenze cancerose, ma anche i tessuti e gli organi sani. La pellicola, una frazione dello spessore di un capello umano, funge da supporto fisico che tiene in posizione i tessuti e gli organi e aiuta a modellarne la geometria, mantenendoli separati e distinti.
Il gruppo di Guo è specializzato nello studio della meccanica cellulare, con particolare attenzione al comportamento delle cellule tumorali e ai processi che guidano i tumori a metastatizzare. I ricercatori stavano studiando come queste cellule interagiscono con l’ambiente circostante mentre migrano attraverso il corpo.
“Una domanda fondamentale che non ha ottenuto abbastanza attenzione è: che dire della membrana che circonda i tumori?”, dice Guo. “Per uscire, le cellule devono rompere questo strato. Cos’è questo strato in termini di proprietà del materiale? È qualcosa che impegna le cellule a lavorare davvero duramente per romperlo? Questo è ciò che ci ha motivato a guardare nella membrana basale”.
Per misurare le proprietà della membrana, gli scienziati hanno impiegato la microscopia a forza atomica (AFM), utilizzando una piccola sonda meccanica per spingere delicatamente sulla superficie della membrana. La forza richiesta per deformare la superficie può dare ai ricercatori un’idea della resistenza o dell’elasticità di un materiale. Ma, poiché la membrana basale è estremamente sottile e difficile da separare dal tessuto sottostante, Guo afferma che è difficile sapere dalle misurazioni AFM quale sia la resistenza della membrana, a parte il tessuto sottostante.
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Invece, il team ha utilizzato una tecnica semplice, simile a far esplodere un palloncino, per isolare la membrana e misurarne l’elasticità. Per prima cosa i ricercatori hanno coltivato cellule di cancro al seno umano che secernono naturalmente proteine per formare una membrana attorno a gruppi di cellule note come sferoidi tumorali. In diversi sferoidi di varie dimensioni i ricercatori hanno inserito un microago di vetro. Hanno iniettato nei tumori un fluido a pressione controllata, provocando il distacco delle membrane dalle cellule e il gonfiaggio come un palloncino.
I ricercatori hanno applicato varie pressioni costanti per gonfiare le membrane fino a quando non hanno raggiunto uno stato stazionario, o non potevano espandersi più, quindi hanno disattivato la pressione.
“È un esperimento molto semplice che può diricalcune cose”, dice Guo. “Uno è che quando si inietta pressione per gonfiare questo palloncino, diventa molto più grande delle sue dimensioni originali. E non appena si rilascia la pressione, si ritira gradualmente, che è un comportamento classico di un materiale elastico, simile a una gomma di un palloncino”.
Chiusura elastica
Mentre gonfiavano ogni sferoide, i ricercatori hanno osservato che, mentre la capacità di una membrana basale di gonfiarsi e sgonfiarsi mostrava che era la membrana generalmente elastica come un palloncino, i dettagli più specifici di questo comportamento erano sorprendentemente diversi. Far esplodere un palloncino in lattice richiede in genere una buona quantità di sforzo e pressione per l’avvio. Una volta che si avvia e inizia a gonfiarsi un po’, il palloncino diventa improvvisamente molto più facile da far esplodere. “In genere, una volta che il raggio di un palloncino aumenta di circa il 38 percento, non è necessario soffiare più forte, basta mantenere la pressione e il palloncino si espanderà notevolmente“, dice Guo. Questo fenomeno, noto come instabilità a scatto, è visibile nei palloncini realizzati con materiali che sono linearmente elastici, il che significa che la loro elasticità intrinseca o rigidità, non cambia mentre si deformano o si gonfiano. Ma in base alle loro misurazioni, i ricercatori hanno scoperto che la membrana basale invece è diventata più rigida o più resistente mentre si gonfiava, indicando che il materiale è non linearmente elastico e in grado di cambiare la sua rigidità mentre si deforma.
“Se si verificasse un’instabilità improvvisa, per un tumore sarebbe un disastro, semplicemente esploderebbe”, dice Guo. “In questo caso, non è così. Questo mi indica che la membrana basale fornisce un controllo sulla crescita”.
Il team prevede di misurare le proprietà della membrana in diversi stadi di sviluppo del cancro, nonché il suo comportamento nei confronti di organi e tessuti sani. I ricercatori stanno anche esplorando modi per modificare l’elasticità della membrana per vedere se renderla più rigida impedirà alle cellule tumorali di sfondarla per proliferare.
“Stiamo attivamente cercando di capire come modificare la meccanica di queste membrane in modelli di cancro al seno, per vedere se possiamo ritardare la loro invasione o la diffusione di metastasi”, dice Guo. “Per analogia cercheremo di creare un pallone più rigido.Questo e ciò che intendiamo provare”.
Fonte:PNAS
