La diffusione di tumori e altri tessuti in crescita ha rivelato un nuovo tipo di fisica.
In una nuova ricerca, pubblicata il 24 settembre sulla rivista Nature Physics, gli scienziati hanno scoperto che le cellule viventi passano da fogli 2D a macchie 3D mediante un processo precedentemente sconosciuto chiamato "bagnatura attiva". E la fisica della bagnatura attiva potrebbe essere in grado di spiegare perché e come si diffondono i tumori.
"Se potessimo trovare il modo di modificare selettivamente queste forze in un tumore reale, il che è un compito molto difficile, potremmo progettare un trattamento per evitare la diffusione del cancro", studiano i co-autori Xavier Trepat, dell'Istituto per la Bioingegneria della Catalogna in La Spagna e Carlos Pérez-González, dell'Università della Laguna in Spagna, hanno detto a Live Science in una e-mail.
Fisica attiva
Qualsiasi tipo di applicazione medica per i risultati è molto lontana. Trepat e Pérez-González hanno affermato che i loro prossimi passi saranno approfondire la strana fisica della bagnatura attiva, di cui poco si sa ancora.
Ciò che i ricercatori hanno scoperto si basa su esperimenti condotti in una capsula di laboratorio usando cellule di carcinoma mammario umano. Tutto è iniziato, hanno detto Trepat e Pérez-González, con un'indagine su una proteina chiamata E-caderina, che fornisce adesione tra le cellule. I ricercatori avevano voluto sapere come questa proteina regola la tensione all'interno dei tessuti o dei gruppi di cellule. Quello che non si aspettavano era che la tensione all'interno del tessuto potesse diventare così alta che il loro foglio di tessuto si staccasse spontaneamente dal gel rivestito di collagene che stavano usando come substrato e si ritrasse in una forma sferoidale.
"La prima volta che abbiamo osservato questo fenomeno, non eravamo sicuri di come o perché stesse accadendo", hanno detto i ricercatori a Live Science.
I ricercatori hanno contrastato la bagnatura attiva con il comportamento dei cosiddetti fluidi passivi, in cui non esistono strutture viventi per alterare il flusso del fluido. Normalmente, nei fluidi passivi, un insieme di equazioni fisiche note come equazioni di Navier-Stokes determina la dinamica dei fluidi. Nei fluidi passivi, la transizione dal foglio 2D allo sferoide 3D è chiamata deumidificazione. Il contrario, uno sferoide 3D che si estende in due dimensioni, si chiama bagnatura. L'eventuale bagnatura o deumidificazione è regolata dalla tensione superficiale dell'interfaccia, dal liquido e dal gas coinvolti.)
Ma mentre i ricercatori giocavano con le cellule tumorali nel loro esperimento - variando parametri come la dimensione del tessuto e i livelli di E-caderina - hanno scoperto che le cellule non si stavano comportando come i normali fluidi nella bagnatura passiva e nella rugiada. Questo perché una serie di processi attivi, dalla contrattilità del tessuto all'adesione cellula-substrato, determinano se le cellule si gonfiano o si diffondono, i ricercatori hanno scoperto.
La transizione tra la fase di bagnatura sparsa e la fase di purificazione a sfera dipende dalla competizione tra forze cellula-cellula e forze che attaccano la cellula al substrato, i ricercatori hanno detto.
Transizioni del cancro
I tessuti crescono e si muovono in molti modi, anche durante il normale sviluppo. Ma la transizione bagnante attiva è importante, perché è il momento chiave in cui le cellule passano da una sferica contenuta a una distesa, piana Trepat e Pérez-González. In altre parole, una volta che le sfere circolari del tumore si estendono e si attaccano a una superficie, il tumore è in grado di diffondersi ulteriormente.
"I nostri risultati hanno creato un quadro completo per capire quali forze sono importanti per l'invasione del cancro", hanno detto i ricercatori. Parte della prossima fase del lavoro sarà quella di spostare gli studi da piatti di laboratorio a tessuti viventi e tumori reali, hanno aggiunto i ricercatori.
I sistemi biologici possono essere difficili da adattare ai quadri della fisica classica, hanno scritto Richard Morris e Alpha Yap in un commento che accompagna il nuovo documento. Morris è ricercatore post-dottorato presso il Tata Institute for Fundamental Research in India, e Yap è un biologo cellulare presso l'Università del Queensland in Australia. Ma il nuovo articolo è un "prezioso passo nella giusta direzione" per rendere la fisica rilevante ai problemi della biologia, hanno scritto Morris e Yap.
"In questo caso", hanno scritto, "apprendiamo che, mentre le idee della fisica classica possono essere utili nella caratterizzazione dei sistemi biologici, l'analogia non deve essere spinta troppo lontano e sono necessari nuovi approcci".
