In un mondo così tagliente e appuntito, la guarigione delle ferite è un processo critico e meraviglioso. Nonostante un’enorme quantità di studi scientifici, molti misteri notevoli circondano ancora il modo in cui le cellule del tessuto vivente rispondono e riparano il danno fisico. Un mistero importante è esattamente come viene attivata la guarigione della ferita: una migliore comprensione di questo processo è essenziale per lo sviluppo di metodi nuovi e migliorati per il trattamento di ferite di tutti i tipi. Utilizzando un laser ultravioletto ultraveloce e ultrapreciso, un team di fisici e biologi della Vanderbilt University ha compiuto un passo importante verso la comprensione della natura di questi segnali trigger. Le loro nuove intuizioni sono descritte in un documento intitolato “Meccanismi multipli guidano la dinamica del segnale del calcio intorno alle ferite epiteliali indotte dal laser”, pubblicato il 3 ottobre dal Biophysical Journal. Ricerche precedenti avevano determinato che gli ioni calcio svolgono un ruolo chiave nella risposta alle ferite. Questo non è sorprendente, perché la segnalazione del calcio ha un impatto su quasi ogni aspetto della vita cellulare.
Così, i ricercatori – presieduti dal professore di fisica e scienze biologiche Shane Hutson e professore associato di Cell and developmental Biology Andrea Page-McCaw – hanno preso di mira le cellule sul dorso delle pupe della drosophila (moscerino della frutta) che esprimevano una proteina fluorescente in presenza di ioni calcio. Ciò ha permesso loro di tenere traccia dei cambiamenti nelle concentrazioni di ioni calcio nelle cellule attorno alle ferite nel tessuto vivente (al contrario delle colture cellulari utilizzate in molti precedenti studi sulla risposta alle ferite) e di farlo con una precisione senza precedenti, millisecondo. Il team ha creato ferite microscopiche nello strato epiteliale delle pupe usando un laser che può essere focalizzato in un punto abbastanza piccolo da perforare i fori microscopici nelle singole cellule (meno di un milionesimo di metro). La precisione del laser ha permesso loro di creare ferite ripetibili e controllabili. Hanno scoperto che anche il più breve degli impulsi nell’intervallo tra nanosecondo e femtosecondo produceva un’esplosione microscopica chiamata bolla di cavitazione abbastanza potente da danneggiare le cellule vicine.
“Come risultato, il danno prodotto dagli impulsi laser è molto simile a una ferita da puntura circondata da un trauma da ferita da schiacciamento in termini forensi – quindi le nostre osservazioni dovrebbero applicarsi alle ferite più comuni”, ha detto il primo autore Erica Shannon, un dottorato studente in Biologia dello Sviluppo. I ricercatori stavano testando due ipotesi prevalenti per l’innesco della risposta ferita. Uno è che le cellule danneggiate e morenti rilasciano proteine nel liquido extracellulare che le cellule circostanti percepiscono, causando loro di aumentare i loro livelli di calcio interni. Questa maggiore concentrazione di calcio, a sua volta, attiva la loro trasformazione da una forma statica a una forma mobile, consentendo loro di iniziare a sigillare la ferita. La seconda ipotesi propone che il segnale di innesco si diffonda da una cellula all’altra attraverso giunzioni gap, connessioni specializzate intercellulari che collegano direttamente due cellule nei punti in cui si toccano. Si tratta di porte microscopiche che consentono alle cellule vicine di scambiare ioni, molecole e impulsi elettrici in modo rapido e diretto.
“Ciò che è estremamente eccitante è che abbiamo trovato prove che le cellule usano entrambi i meccanismi”, ha detto Shannon. “Risulta che le cellule hanno un numero di modi diversi per segnalare il danno, il che potrebbe consentire loro di distinguere tra diversi tipi di ferite”. Gli esperimenti hanno rivelato che la creazione di una ferita genera una serie complessa di segnali di calcio nel tessuto circostante:
- Prima viene un rapido afflusso di calcio nelle cellule immediatamente attorno alla ferita. Questo corrisponde all’orma della bolla di cavitazione. I livelli di calcio nel liquido extracellulare sono molto più alti di quelli all’interno delle cellule. A causa della rapidità con cui si verifica (meno di un decimo di secondo) i ricercatori sostengono che questo afflusso è causato da micro-lacrime nelle membrane cellulari squarciate dalla forza della micro-esplosione;
- Successivamente, un’onda di breve durata a breve distanza si diffonde attraverso cellule vicine sane. Più grande è la ferita, più velocemente si diffonde l’onda. La velocità con cui si muove l’onda suggerisce che viaggia attraverso giunzioni di gap ed è costituita da ioni di calcio o da qualche altra piccola molecola di segnalazione.
- Circa 45 secondi dopo la ferita appare una seconda onda. Quest’onda si muove molto più lentamente rispetto alla prima ondata, ma si diffonde notevolmente più lontano. I ricercatori interpretano questo per indicare che è stato diffuso da molecole più grandi, molto probabilmente proteine di segnalazione speciali, che si diffondono più lentamente degli ioni. Tuttavia, avvertono che sono necessari ulteriori esperimenti per confermare questa supposizione. La seconda ondata si verifica solo quando le cellule vengono uccise, non quando sono solo danneggiate, suggerendo che dipende dall’entità del danno.
- Le prime due onde si diffondono relativamente simmetricamente attraverso il tessuto. Dopo la seconda ondata, tuttavia, l’area ad alta concentrazione di calcio inizia a inviare “flares”, flussi direzionali di assorbimento del calcio che si diffondono ulteriormente nel tessuto circostante. Ogni flare dura per decine di secondi e nuovi brillamenti continuano a partire per oltre 30 minuti dopo l’infortunio.
“Una volta compresi questi meccanismi di innesco, dovrebbe essere possibile trovare modi per stimolare il processo di guarigione delle ferite in persone con condizioni come il diabete, che rallentano il processo o addirittura accelerano la normale guarigione delle ferite”, ha detto Hutson.
- a cura del Dr. Gianfrancesco Cormaci, PhD, specialista in Biochimica Clinica.
Pubblicazioni scientifiche
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