Alcuni scienziati dell’Università degli Studi di Padova, dell’Istituto Veneto di Medicina Molecolare (VIMM), in collaborazione con l’University College London (UCL), sono riusciti a creare dei sensori di forza meccanica minuscoli, da 0,1 mm.
La cosa incredibile è che li hanno creati direttamente nel cervello in via di sviluppo e nel midollo spinale di alcuni embrioni di pollo. Lo studio in questione, Quantifying mechanical forces during vertebrate morphogenesis, è apparso su “Nature Materials”. L'idea di base è sfruttare l’utilizzo di biotecnologie per misurare le forze meccaniche che subisce l’embrione nella sua fase di sviluppo.
Gli autori sono Eirini Maniou, Marie Sklodowska Curie Fellow all’Università di Padova Associate Staff dell'UCL, Nicola Elvassore, professore dell'Università di Padova e Direttore Scientifico del VIMM, e Gabriel Galea, Principal Research Fellow presso UCL.
Questa tecnologia è molto versatile e ampiamente applicabile a molti ambiti di ricerca. Ci auguriamo che venga adottata e applicata tempestivamente anche da altri gruppi per rispondere a domande fondamentali [Gabriel Galea, UCL]
Con questa ricerca, si aprono nuovi orizzonti per comprendere e prevenire malformazioni congenite, che colpiscono un bambino su 1.000 nati in Europa. Un esempio su tutti è la spina bifida.
La difficoltà di studiare i campi di forza prodotti durante le fasi dello sviluppo di un embrione
Anche se si studiano da decenni, non è possibile spiegare queste malformazioni con studi molecolari e genetici. Una strada complementare è quella individuata nello studio dei parametri fisici e meccanici dei tessuti durante lo sviluppo embrionale.
Durante le varie fasi dello sviluppo embrionale si producono dei campi di forza che sono cruciali nella formazione degli organi e dei sistemi anatomici. Studiare questi campi di forza però è complicato. Ci sono problematiche tecniche legate alla difficoltà di agire sugli embrioni. Un esempio tipico in cui la meccanica agisce ed è fondamentale riguarda la formazione del tubo neurale, che darà origine al sistema nervoso centrale.
Questa scoperta permette di comprendere meglio le forze meccaniche in gioco durante lo sviluppo embrionale,. Ci offre anche nuove prospettive per intervenire e prevenire condizioni come la spina bifida. La possibilità di quantificare le forze embrionali con tale precisione rappresenta un passo avanti significativo nella ricerca biomedica" [Nicola Elvassore, prof. dell'Università di Padova e direttore Scientifico di VIMM]
Per superare questa sfida, il team di ricerca è riuscito a costruire con la stampa 3D dei minuscoli sensori di forza. Questi sensori sono larghi circa 0,1 mm. Sono direttamente inseriti nel sistema nervoso in via di sviluppo degli embrioni di pulcino.
Sensori di forza che misurano fino a 1/10 del peso delle ciglia umane
Questo ha reso possibile quantificare delle forze minuscole, pari a circa 1/10 del peso delle ciglia umane. E queste sono le forze che gli embrioni devono generare per formare il midollo spinale.
Per uno sviluppo normale dell’embrione, queste forze devono essere maggiori delle forze negative che resistono in senso opposto. Quindi identificare dei farmaci in grado di aumentare le forze positive o diminuire quelle negative potrebbe aiutare a prevenire malformazioni congenite come la spina bifida. Questi farmaci potrebbero integrare i benefici dell’assunzione di acido folico, una strategia di prevenzione consolidata prima della gravidanza.
Le forze coinvolte sono così piccole che è stato necessario combinare simulazioni al computer ed esperimenti di laboratorio umido per progettare e calibrare i sensori. Questi sensori di forza sono stati adattati per valutare i fenomeni meccanici nell’embrione [Piero Pavan, prof. ass. del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Università di Padova, che ha guidato le simulazioni computazionali]
Sensori di forza stampati in 3D, opportunità anche per le staminali
Il gruppo di ricerca ha dimostrato che la stessa tecnologia può essere applicata alle cellule staminali umane, man mano che si specializzano nelle cellule del midollo spinale.
In futuro, ciò consentirà di confrontare le cellule staminali di donatori sani e pazienti affetti da spina bifida. In questo modo si avranno possibilità in più per capire perché alcune persone sviluppano tale malformazione.
Grazie all’utilizzo di biomateriali innovativi e di una microscopia avanzata, questo studio promette un passo avanti importante getta le basi per una comprensione unificata dello sviluppo degli embrioni. Il nostro lavoro apre la strada all’identificazione di nuove strategie preventive e terapeutiche per le malformazioni del sistema nervoso centrale [Eirini Maniou, UCL]
