Cum se ‘simt’ celulele mai departe decât ating: descoperirea care ar putea explica răspândirea cancerului

Sursa foto: Sciencedaily

O echipă de cercetători de la Washington University in St. Louis a demonstrat că celulele pot percepe structuri aflate mult mai departe decât aria imediat contactată, iar această capacitate extinsă de detecție mecanică ar putea fi importantă pentru înțelegerea modului în care celulele canceroase se deplasează și se răspândesc prin țesuturi.

O analogie simplă pentru un fenomen complex

Autorii studiului folosesc o imagine sugestivă: povestea prințesei care simte un mazăre ascunsă sub mai multe saltele. În biologie, există celule capabile să detecteze condiții sau straturi de țesut care nu sunt în contact direct cu membrana lor. Până recent, această abilitate remarcabilă a fost atribuită în principal unor celule atipice, cum ar fi anumite celule canceroase. Noul studiu arată însă că și celulele obișnuite, atunci când cooperează, pot dobândi o capacitate similară de detecție la distanță.

Ce înseamnă „detecție mecanosenzorială în adâncime”?

Amit Pathak, profesor de inginerie mecanică și știința materialelor la McKelvey School of Engineering, explică conceptul sub denumirea de „depth mechano-sensing” (detecție mecanosenzorială în adâncime). Prin acest termen se desemnează capacitatea celulelor de a percepe caracteristici mecanice ale mediului extracelular situate dincolo de suprafața la care sunt atașate.

În studii anterioare, grupul condus de Pathak a observat că celulele anormale, caracterizate printr-o polaritate foarte pronunțată față-spate (un indiciu al proprietății lor migratorii), pot simți indicii mecanice până la circa 10 microni dincolo de regiunea în care sunt fixate. Această detecție la scară micrometrică depinde, în parte, de modul în care celula trage și deformează rețeaua fibrelor de colagen din matricea extracelulară (ECM). Prin deformarea acestor fibre, celula își extinde „raza de acțiune” și poate identifica dacă stratul următor este rigid — de exemplu un tumor — mai moale sau chiar os.

Forțele colective extind raza de detecție

Rezultatele recente descrise de cercetători arată că atunci când celulele epiteliale — care alcătuiesc suprafețele multor organe — acționează în grup, ele pot genera forțe cumulativ mai mari și astfel pot „simți” straturi situate mult mai departe. Observațiile indică faptul că agregatele de celule epiteliale pot detecta straturi aflate la distanțe de până la 100 de microni.

„Pentru că este vorba de un colectiv de celule, ele generează forțe mai mari”, a spus Pathak, explicând motivul pentru care agregatele reușesc să probeze mai adânc în rețeaua de colagen și să obțină informații despre stratul subiacent. Cercetarea a fost realizată împreună cu doctorandul Hongsheng Yu.

Două etape în procesul colectiv

Modelele pe calculator dezvoltate de echipă sugerează că acest proces emergent se desfășoară în două faze distincte pe măsură ce grupurile de celule se formează și încep să migreze. În prima fază, celulele cooperează pentru a genera forțe inițiale care deformează rețeaua de colagen; în faza a doua, informațiile mecanice propagate prin aceste deformații influențează organizarea și direcția migrației, determinând modul în care celulele se grupează sau se dispersează.

Informațiile despre rigiditatea și structura straturilor subiacente sunt astfel integrate de colectivul celular și influențează comportamentul migrator. Rezultatul este un mecanism prin care grupurile de celule pot „prospecta” mediul la distanțe mult mai mari decât cele posibile de o singură celulă.

Rolul colagenului și al deformării matricei

Un element central în aceste descoperiri este colagenul, principalul component al matricei extracelulare. Celulele exercită forțe asupra fibrelor de colagen, iar prin tragerea și rearanjarea acestor fibre pot transmite informații mecanice pe distanțe care depășesc dimensiunile proprii ale celulelor. Această modificare a distribuției și a tensiunii în rețeaua fibrelor creează o „hărțuire” mecanică a mediului care poate fi detectată de alte celule din colectiv.

Prin urmare, matricea de colagen funcționează nu doar ca suport structural, ci și ca mediu de transmitere a semnalelor mecanice între celule. Capacitatea unei singure celule anormale de a trage și remodela colagenul îi permite să simtă elemente aflate la aproximativ 10 microni; când multe celule trag în același timp, efectul cumulative al acestor forțe poate propaga semnale pe sute de microni, permițând observarea unui strat aflat la 100 de microni.

Implicatii pentru înțelegerea răspândirii cancerului

Descoperirea are implicații directe pentru studiul metastazării. Celulele canceroase par să profite de această capacitate extinsă de detecție: abilitatea de a „vedea” ce se află în față le ajută să părăsească mediul tumoral și să se deplaseze prin țesuturile înconjurătoare evitând detectarea. Această abilitate mecanosenzorială ar putea facilita migrarea celulelor canceroase chiar și în medii mai moi, unde altfel s-ar limita mobilitatea.

Cercetătorii își propun acum să identifice regulatorii moleculari și mecanici care controlează raza de detecție. Dacă vor putea determina factorii care limitează sau permit extinderea capacității de detecție, s-ar putea deschide noi căi terapeutice. În esență, blocarea abilității unei celule canceroase de a „simți” drumul înainte ar putea reprezenta o strategie pentru a reduce sau întârzia migrația și diseminarea tumorilor.

Acest mod de a privi migrația celulară schimbă modul în care oamenii de știință înțeleg interacțiunea dintre celule și mediul lor fizic. În loc să se concentreze doar pe semnalele chimice sau pe proprietățile locale ale substratului, atenția se îndreaptă spre fenomene emergente la nivel colectiv, în care tensiunile și deformațiile propagate prin ECM devin informații esențiale pentru comportamentul celular.

Detalii despre studiu și finanțare

Lucrările cercetătorilor au fost publicate în revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) sub titlul „Emergent depth-mechanosensing of epithelial collectives regulates cell clustering and dispersal on layered matrices”. Autorii principali menționați sunt Hongsheng Yu și Amit Pathak. Referința completă și DOI-ul studiului sunt disponibile în lista de referințe științifice.

Finanțarea pentru această cercetare a fost asigurată de National Institutes of Health (NIH) prin grantul R35GM128764 și de National Science Foundation, Civil, Mechanical and Manufacturing Innovation prin grantul 2209684.

Surse primare și materiale asociate

Mai multe detalii despre mecanismele și modelele utilizate în studiu pot fi consultate în materialele publicate de Washington University in St. Louis și în articolul din PNAS. Comunicarea publică a cercetării a fost redactată de Leah Shaffer pentru materialele universității.

Referințe și surse principale:

Articolul publicat pe ScienceDaily

Materialul Washington University in St. Louis

Articolul științific în PNAS (DOI)

Prin evidențierea modului în care forțele colective pot modifica și extinde capacitatea de percepție mecanică a celulelor, studiul deschide o nouă perspectivă asupra proceselor prin care celulele își determină direcția și comportamentul în medii stratificate. Această perspectivă are potențialul de a influența nu doar cercetarea fundamentală în mecanobiologie, ci și dezvoltarea unor strategii terapeutice care să intervină în etapele inițiale ale migrației celulare asociate bolilor, cum ar fi cancerul.