Le cellule funzionano come una porta logica ternaria per decidere la direzione della migrazione sotto segnali chimici e fluidici integrati
Le cellule tumorali migrano attraverso il corpo per molteplici ragioni; alcune seguono semplicemente il flusso di un fluido, mentre altre seguono attivamente specifiche tracce chimiche. Le cellule percepiscono vari segnali ambientali e successivamente elaborano i segnali intracellulari per decidere la loro direzione di migrazione in molti processi fisiologici e patologici. Sebbene in queste migrazioni dirette siano state identificate diverse molecole e reti di segnalazione, rimane ancora ambiguo prevedere la direzione della migrazione sotto segnali multipli e integrati, in particolare segnali chimici e fluidici.
Quindi, come si determinano quali cellule si stanno muovendo e perché?
I ricercatori della Purdue University hanno decodificato un sistema di elaborazione del segnale cellulare e lo hanno usato come una porta logica - un semplice computer - per capire meglio cosa causa la migrazione di cellule specifiche.
Per molti anni, il professore di ingegneria meccanica Bumsoo Han (1) e il suo gruppo di ricerca (2) hanno studiato le cellule tumorali. Costruisce strutture microfluidiche per simulare il loro ambiente biologico; ha persino utilizzato queste strutture per costruire una “macchina del tempo” (3) per invertire la crescita delle cellule tumorali del pancreas.
«Nei nostri esperimenti, abbiamo osservato e studiato come queste cellule tumorali migrano, perché è un aspetto importante della metastasi del cancro», ha detto la dottoressa Hye-ran Moon, ricercatrice post-dottorato del team di Han. «Ma questo è diverso. Stiamo cercando di affrontare i meccanismi fondamentali alla base di questi comportamenti. Ed è molto impegnativo perché le cellule sono sistemi di molecole molto complessi e sono esposte a molteplici segnali che le fanno muovere».
Uno di questi segnali riguarda le scie chimiche, a cui molte cellule sono intrinsecamente attratte (proprio come le formiche che seguono una scia olfattiva). Un altro è il flusso del fluido; se i fluidi scorrono intorno alle cellule in una certa direzione, molte cellule andranno semplicemente avanti per il viaggio. Quindi, se una cellula si sta muovendo, come puoi sapere se è motivata da sostanze chimiche, movimenti fluidi o entrambi?
Il team ha adottato un modello di porta logica ternaria per analizzare questi segnali e prevedere come le cellule si muoverebbero in ambienti diversi. La loro ricerca è stata pubblicata su Lab on a Chip (4), una rivista della Royal Society of Chemistry.
I loro esperimenti si sono svolti in una piattaforma microfluidica con una camera centrale per le cellule e due piattaforme laterali. Utilizzando questo dispositivo, potrebbero replicare i flussi fluidici in una direzione, nella direzione opposta o nessun flusso. Potrebbero anche introdurre una sostanza chimica nota per causare la migrazione delle cellule. Ancora una volta, avevano l'opzione della chemiotassi in una direzione, nella direzione opposta o nessuna.
Questi due segnali si moltiplicherebbero o si annullerebbero a vicenda?
«Con due segnali e tre scelte, avevamo abbastanza dati osservabili per costruire un modello di porta logica ternaria», ha detto la dottoressa Hye-ran Moon. (5)
Le porte logiche sono un costrutto dell'informatica, in cui i transistor prendono un ingresso 1 o 0 e restituiscono un'uscita 1 o 0. Le porte logiche binarie prendono una combinazione di due 1 e 0 e restituiscono risultati diversi in base al tipo di porta. Le porte logiche ternarie fanno la stessa cosa, tranne che con tre possibili ingressi e uscite: 1, 0 e -1.
La luna assegnava valori alla direzione in cui le cellule si muovevano sotto i due diversi stimoli. «Se le cellule si sono mosse nella direzione del flusso, è 1», ha detto Moon. «Se non hanno direzionalità, è 0. Se si muovono nella direzione opposta al flusso, è -1».
Quando le cellule incontravano individualmente sostanze chimiche o flusso di fluidi, si muovevano nella direzione positiva (l'“1”). Quando entrambi erano presenti nella stessa direzione, l'effetto era additivo (ancora “1”). Tuttavia, quando i due fluivano in direzioni opposte, le cellule si muovevano nella direzione delle sostanze chimiche (il "-1"), piuttosto che nel flusso del fluido.
Sulla base di queste osservazioni, Moon ha estrapolato una griglia 3x3 per semplificare i risultati. I segnali di queste cellule tumorali potrebbero ora essere rappresentati in un diagramma proprio come un ingegnere elettrico disegnerebbe un circuito.
Certo, il mondo reale non è mai così semplice. «In realtà, lo stimolo chimico è un gradiente, non un interruttore on-off», ha detto Moon. «Le cellule si sposteranno solo una volta introdotta una certa soglia di flusso; e se ne introduci troppo, la cella va in cortocircuito e non si muove affatto. L'accuratezza con cui possiamo prevedere quel movimento è una relazione non lineare».
La dottoressa Moon ha anche sottolineato che questo particolare esperimento è molto semplice: due stimoli, in direzioni strettamente opposte, in un'unica dimensione. Il prossimo passo sarebbe costruire un esperimento simile, ma su un piano bidimensionale; e poi un altro in un volume tridimensionale. E questo è solo per cominciare; una volta aggiunti più stimoli e considerato il tempo come quarta dimensione, i calcoli diventano incredibilmente complessi. «Ora capisci perché i biologi devono usare i supercomputer».
«Questo è un perfetto esempio di come i dispositivi microfluidici possono essere utilizzati nella ricerca sul cancro», ha affermato Moon. «Fare questo esperimento in un ambiente biologico sarebbe estremamente difficile. Ma con questi dispositivi possiamo andare fino alle singole cellule e studiarne il comportamento in un ambiente controllato».
«Questo modello può essere applicato a molto di più delle semplici cellule tumorali fisiche», ha continuato Moon. «Qualsiasi cellula può essere influenzata da segnali diversi e questo fornisce ai ricercatori un quadro per studiare tali influenze e determinare perché si verificano. Anche gli ingegneri genetici hanno abbracciato il modello della porta logica, trattando i geni come processori che danno risultati diversi quando si danno loro determinate istruzioni. Ci sono molti rami in cui possiamo andare con questo concetto».
Questo studio è stato realizzato in collaborazione con il Purdue Institute for Cancer Research; il Weldon School of Biomedical Engineering; il Purdue Department of Physics and Astronomy; l'Andrew Mugler e il Soutick Saha dell'University of Pittsburgh Department of Physics and Astronomy.
Riferimenti:
(1) Bumsoo Han
(2) Han Research Group at Purdue University
(3) Scientists reverse pancreatic cancer progression in ‘time machine’ made of human cells
(5) Hye-ran Moon
Descrizione foto: In dispositivi microfluidici come questo, il team ha osserva come si comportano le cellule tumorali in un ambiente biologico simulato. - Credit: Purdue University photo/Jared Pike.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Using cancer cells as logic gates to determine what makes them move