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Tessuti e Organi Artificiali

Cancro e microgravità: nuovi metodi di ingegneria tissutale

Cellule Pbay

La difficoltà della ricerca in laboratorio, data dall’eseguire esperimenti in cui le cellule si sviluppano su un piano bidimensionale, può essere risolta dalla dimostrazione che le cellule si aggregano in strutture tridimensionali in un ambiente dalla gravità assente o comunque ridotta. Se da un lato la simulazione del comportamento cellulare su Terra sembra essere una grande sfida, dall’altro da oltre trent’anni si effettuano ricerche sulla biologia cellulare in laboratori ideali della Stazione Spaziale Internazionale (ISS). Infatti, già nel 2017, Daniela Grimm, professoressa di biologia gravitazionale e medicina rigenerativa traslazionale all’Università di Magdeburgo, ha studiato il comportamento nello spazio di cellule di cancro alla tiroide in un dispositivo di piccole dimensioni sulla navicella SpaceX Dragon.

Tuttavia, anche se l’ ambiente spaziale ha dimostrato di influenzare una vasta gamma di funzioni biologiche, è ancora oggetto di indagine se la gravità induce effetti diretti o indiretti sulla sopravvivenza e la capacità di riprodursi di tutte le cellule, per cui non è garantito che non ci siano ripercussioni anche sulle cellule sane.

Il problema della ricerca sul cancro e la falsa scoperta

La cattiva divulgazione (internazionale) purtroppo non ha perso tempo nel rilasciare, senza alcuna approfondimento scientifico, notizie dai titoli accattivanti, quali “Tumori, nuova frontiera dallo Spazio” oppure “Cellule killer muoiono a gravità zero”, che riprendendo un’intervista radiofonica dalla più nota emittente australiana ABC, titolava: “Space the new frontier in the battle against cancer“. Nell’ articolo si legge che l’ 80 e il 90% di cellule tumorali muore se sottoposto a condizioni di gravità ridotta, senza ulteriori trattamenti. La sperimentazione australiana è stata condotta da un gruppo di ricerca guidato da Joshua Chou, professore e  ricercatore di ingegneria biomedica all’ Università di Tecnologia di Sydney, il quale ha dichiarato di aver progettato per la prima volta un device (Prime Cell Biological Microgravity Device), in grado di replicare le condizioni di microgravità.

Il dispositivo della microgravità realizzato dal Dr Chou ed il suo team

Abbiamo inserito nel simulatore quattro diversi tipi di tumori: alle ovaie, al seno, al naso e ai polmoni. In pratica, si è visto che in assenza di gravità tutte le cellule malate entrerebbero nello stato di apoptosi o morte cellulare. Non contiamo certo di trovare una cura definitiva – ha concluso – ma si potrà lavorare in parallelo con le terapie esistenti e migliorarne l’efficacia.

Dr. Chou – Uniersità di Sydney

La critica italiana delle affermazioni del Dr. Chou: intervista al Prof. Mariano Bizzarri

Secondo la nota diffusa dalla stampa del Prof. Mariano Bizzarri dell‘Università La Sapienza di Roma ed ex Presidente del Consiglio Scientifico dell’Agenzia Spaziale Italiana, “il Dr. Chou – un ricercatore molto giovane ed alle prime armi  dovrebbe informarsi bene prima di ripercorrere sentieri verso mete che la Scienza ha già raggiunto e valicato da tempo. Infatti, da trent’anni in numerosi laboratori di tutto il mondo si utilizzano diversi dispositivi (tra cui la Random Positioning Machine ) per conseguire la microgravità su Terra. Le opinioni del Dr. Chou sono fantasiose, dato che non si basano su nessuna esperienza reale (la simulazione al PC non aiuta certo granché) e soprattutto mostra di essere del tutto ignara di quanto nel settore si fa, nei laboratori di biomedicina spaziale di mezzo mondo”.

Motivata dal desiderio di conoscenza per la corretta divulgazione a seguito di tale dichiarazione non potevo non cogliere l’occasione per ringraziare il professore M. Bizzarri, nell’ avermi dato l’opportunità di porgli alcune domande, mostrandosi sin da subito disponibile per il confronto con una studentessa di medicina.

Che cosa si intende fisicamente per gravità?

La teoria della gravità, può essere definita secondo due modelli, quello della fisica classica ( fisica newtoniana) e quello della fisica Einsteiniana. Secondo il primo modello, vale la legge di gravitazione universale è una forza a distanza, che si esercita tra l’interazione di una coppia di corpi dotati di massa e posti ad una certa distanza: la forza di attrazione gravitazionale è direttamente proporzionale al prodotto delle masse ed inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza.

Esiste la possibilità di modificarla artificialmente?

Oggi sono in corso di studio diversi progetti – soprattutto italiani  – impegnati nel costruire delle strutture (facilities) sulle future astronavi, in grado di ricreare una condizione di gravità artificiale: il principio è quello di realizzare un sistema in cui forze centripete vengano ad essere artificialmente riprodotte per simulare la forza di gravità. Un esempio di gravità artificiale è quello suggerito nel film Odissea dello Spazio, dove gli astronauti camminano adesi ad una ruota che gira su sé stessa producendo una forza centripeta. Il contrario di quanto avviene, per esempio, con la casa rotante del Luna Park, dove si realizza la microgravità artificiale grazie all’annullamento della forza centripeta (così come avviene per la gravità nello spazio) per mezzo della forza centrifuga che è prodotta dal movimento rotatorio della casa.

Perché è importante studiare, dal punto di vista medico, gli effetti della microgravità reale e simulata? 

In condizione di microgravità, come nella stazione spaziale dove questa è ridotta solo del 16 %, registriamo una serie di importanti conseguenze sul funzionamento dell’organismo umano e dei suoi tessuti: perdita di massa muscolare ed ossea, alterazioni nell’equilibrio dei fluidi biologici e della funzione vascolare, etc. Gli effetti della microgravità a livello cellulare si traducono in cambiamenti adattativi di numerose funzioni e caratteristiche morfologiche. In particolare si è visto che la rimozione del vincolo biofisico dato dalla forza di gravità, permette al sistema di recuperare gradi di libertà. Il sistema, nel corso della replicazione cellulare, non è infatti più costretto ad assumere una sola configurazione fenotipica ma ne può assumere di nuove. Questo fa sì che l’esatta replicazione del fenotipo originario venga meno e le cellule acquisiscano determinate caratteristiche e non altre. Come tale, la gravità è un componente essenziale della vita.

Figura 1 Transizione di fase verso l’impegno del destino delle cellule in sistemi complessi in un modello termodinamico di non equilibrio.

In che modo la gravità ridotta impedisce la comunicazione del microambiente cellulare ed influenza il cambiamento fenotipico?

In assenza di gravità, nel microambiente cellulare si tende ad avere un leggero aumento di morte cellulare programmata (apoptosi) che costringe le cellule ad adattarsi indipendentemente se siano cellule tumorali o sane – ecco perché  ipotizzare che ne muoiano il 90% è un’assurdità. La gravità interferisce con quelle forze che agiscono sulla cellula e che, tramite il citoscheletro, ne plasmano la forma e la funzione – per esempio determinando un aumento della stiffness (la tensione esercitata dal supporto cui aderiscono le cellule). Nel caso dei tumori della mammella, modulando la struttura del supporto e modificandone la stiffness si è per esempio riusciti a stravolgere il carattere tumorale del tessuto, inducendo un cambiamento nella forma della cellula. Questi risultati confermano quanto scritto in un articolo del 1987 di Nature dal titolo significativo: “Function follows form”.

Quali successi sono stati ottenuti dai già esistenti devices, come la Random Positioning Machine (RPM) nell’ambito dell’ ingegneria dei tessuti ?  

Sfruttare forze gravitazionali o altri vincoli, permette di canalizzare il percorso differenziativo cellulare. Infatti tra gli sperimenti conseguiti, siamo riusciti a trasformare le cellule tumorali in normali e a ottenere la produzione di pelle per trapianti. La rimozione del vincolo gravitazionale, sotto il profilo biofisico, come spiegato dalla teoria del non-equilibrio di Prigogine (Premio Nobel 1977 per la chimica), permette al sistema di recuperare gradi di libertà esprimendo funzioni, fenotipi e caratteristiche biochimiche non presenti nel fenotipo “costretto” (limitato) dalla gravità. In questo modo abbiamo visto come alcuni organismi unicellulari imparino a produrre nuove molecole di interesse farmacologico, tra cui antibiotici. La gravità è un modello teorico ed elegante che permette di apprezzare quanto siano importanti diversi fattori (quali il microambiente e le forze che agiscono sulla cellula) nel condizionare la differenziazione cellulare.

Le pongo una domanda: si può riparare un pezzo di ghiaccio dalla forma indesiderata ? Per evitare di danneggiarlo ulteriormente con uno scalpello, lo si può sciogliere e ricongelarlo nuovamente assumendo così una forma diversa  – questo è ciò che cerchiamo di fare noi in microgravità. Le piace quello che proviamo a fare?

Prof. Mariano Bizzarri

Bibliografia
  • Mariano Bizzarri, Maria Grazia Masiello , Alessandro Giuliani, Alessandra Cucina. Gravity Constraints Drive Biological Systems Toward Specific Organization Patterns. Commitment of cell specification is constrained by physical cues https://doi.org/10.1002/bies.201700138
  • Masiello MG, Verna R, Cucina A, Bizzarri M. Physical constraints in cell fate specification. A case in point: Microgravity and phenotypes differentiation – https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29307754
  • Grimm, D.; Wehland, M.; Pietsch, J.; Aleshcheva, G.; Wise, P.; van Loon, J.; Ulbrich, C.; Magnusson, N.E.; Infanger, M.; Bauer, J. Growing tissues in real and simulated microgravity: New methods for tissue engineering. Tissue Eng. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24597549
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Informazioni autore

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Noemi Maria Giorgiano

È iscritta al quarto anno di Medicina e Chirurgia all'Università de La Sapienza (Latina) ed è impegnata nella organizzazione di Iniziative Culturali per tutti gli studenti. È appassionata verso la continua ricerca sperimentale applicata nel campo della Chirurgia e alla corretta divulgazione delle argomentazioni scientifiche.

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