Un nano-sensore misura la tensione delle fibre

I batteri possono attaccarsi alle fibre dei tessuti con l'aiuto di una "nano-colla". Qualche anno fa, Viola Vogel, professoressa di meccanobiologia applicata, ha studiato il modo in cui lo fanno con l'aiuto di simulazioni al computer presso il CSCS (pagina esternaL'ETH Vita riportato). I ricercatori hanno simulato come la nano-colla batterica - un filo peptidico dotato di diversi siti di legame disposti in fila - aderisca alle cosiddette fibre di fibronectina. Queste fibre del tessuto connettivo vengono recise nelle ferite. Fanno parte della rete fibrosa in cui sono incorporate le cellule.

Un batterio riconosce la tensione

Le cellule tirano continuamente sulle fibre di fibronectina intatte. Le simulazioni di questo processo hanno mostrato che non appena la fibronectina viene stirata dalle forze applicate, le distanze tra i singoli siti di legame sulla fibronectina diventano troppo grandi per il peptide batterico. Di conseguenza, la maggior parte della nano-colla batterica si è staccata.

I ricercatori non si aspettavano questi risultati all'epoca. Tuttavia, hanno indicato che il batterio Staphylococcus aureus utilizzato per la simulazione potrebbe aver sviluppato nel corso della sua evoluzione un nanosensore per riconoscere lo stato di tensione delle fibre di fibronectina. Per infettare "con successo" una ferita, è probabile che il temuto batterio si attacchi alle fibre tagliate e quindi rilassate.

Tuttavia, chi siamo conosce poco lo stato di tensione delle fibre tissutali e la sua influenza, ad esempio sui processi fisiologici durante i cambiamenti degenerativi del tessuto. Mancano inoltre metodi adeguati per misurare queste minuscole forze generate dalle cellule sulle fibre tissutali.

Viola Vogel e il suo gruppo di ricerca stanno quindi lavorando su nano-sensori adatti: Ispirandosi alle simulazioni, hanno sviluppato un peptide batterico in grado di riconoscere gli stati di tensione della fibronectina nei tessuti. Tale peptide potrebbe essere utilizzato per la terapia e la diagnostica.

Nano-sensore testato con successo nella vita reale

I ricercatori hanno ora testato con successo il peptide prodotto sinteticamente sia in colture cellulari che nel tessuto tumorale di modelli animali. Secondo i risultati, il peptide è in grado di rendere visibile lo stress da trazione delle fibre tissutali nei tumori, poiché aderisce solo alle fibre che non sono in tensione. I risultati sono stati pubblicati oggi sulla rivista pagina esternaComunicazioni sulla natura pubblicato.

Per verificare se il peptide si lega effettivamente solo alle fibre rilassate, i ricercatori hanno mescolato al terreno di coltura cellulare una speciale "nano-sonda" ottica da loro sviluppata. Questa sonda può essere utilizzata solo nelle colture cellulari, dove indica lo stato di tensione delle fibre mediante variazioni di colore. Allo stesso tempo, i ricercatori hanno etichettato il peptide prodotto sinteticamente con un colorante per poter identificare dove si lega nella coltura cellulare.

Inoltre, il tessuto tumorale è stato colorato con peptidi marcati con colori e con anticorpi che aderiscono a tutte le fibronectine. In questo modo sono state rese visibili tutte le fibre di fibronectina presenti nel tumore, mentre il peptide si lega solo alle fibre rilassate.

Non tutte le fibre sono rilassate

L'esame dettagliato del tumore ha mostrato, con grande stupore degli scienziati, che i peptidi non si attaccavano a tutte le fibre di fibronectina - un'indicazione che non tutte le fibre del tumore sono in tensione. "Tuttavia, non possiamo ancora dire perché la fibronectina rilassata sia più abbondante in alcune aree del tumore rispetto ad altre", afferma Vogel.

Per scoprire se l'adesivo batterico è adatto anche a scopi diagnostici, i ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer (PSI) guidati da Martin Behé e Roger Schibli hanno iniettato peptidi marcati radioattivamente in un modello animale. Questo ha permesso agli scienziati di riconoscere in quale punto dell'organismo si lega il peptide. "Oltre agli organi con un buon afflusso di sangue, come reni, fegato e milza, il peptide si è accumulato principalmente nel tessuto tumorale", spiega Viola Vogel. E vi è rimasto più a lungo".

Gli scienziati sperano di poter utilizzare un giorno i peptidi per marcare il tessuto tumorale e altri tessuti degenerati a scopo diagnostico. I peptidi potrebbero essere utilizzati per la radioterapia o per somministrare farmaci al sito della malattia, ad esempio collegando un farmaco al peptide invece che al batterio, che poi raggiunge il sito bersaglio direttamente tramite i sensori di legame del peptide. Il grande vantaggio dei peptidi è che sono molto più piccoli delle nanoparticelle e degli anticorpi. "Le molecole filiformi possono quindi penetrare molto meglio e più in profondità nel tessuto tumorale denso", spiega Vogel.

Testare le possibili applicazioni

I risultati e il nuovo approccio di ricerca della ricercatrice nella ricerca di nuovi approcci nella diagnostica e nella terapia hanno attirato l'attenzione: oltre a un ERC e a una borsa di studio del FNS recentemente assegnata, Viola Vogel ha ottenuto una cattedra Einstein presso la rinomata Charité di Berlino. Questo le permetterà di finanziare due posizioni per combinare la nuova tecnologia con la ricerca clinica. In collaborazione con il PSI, Vogel vuole anche studiare in quali tessuti e per quali malattie il peptide può essere utilizzato.

La strada dalle prime simulazioni al CSCS e dai test di laboratorio al modello animale è stata lunga, osserva Viola Vogel. Questo perché le ricerche basate sulle simulazioni sono sempre considerate in modo critico dalle scienze sperimentali. Ma l'ETH non è d'accordo: "Chi siamo cerca di utilizzare le simulazioni per affinare il nostro pensiero sui processi molecolari". La ricercatrice è convinta che i risultati attuali non sarebbero stati raggiunti senza le simulazioni. "Abbiamo chiaramente raggiunto il punto in cui la simulazione ha un valore predittivo", afferma Vogel.

Simone Ulmer è redattore di Scienza e tecnologia presso pagina esternaCSCS,dove questo articolo è stato pubblicato per la prima volta.