Cancro-Immagine Credit Piublic Domain-
Per i biologi che studiano il cancro e che scrutano attraverso i microscopi campioni di tessuto colorato sotto luci fluorescenti, la Stazione Spaziale Internazionale potrebbe essere l’ultima cosa che viene in mente. Ma 40 anni di ricerca sulla microgravità dimostrano che lo spazio fornisce condizioni fisiche che non sono possibili sulla Terra e, a quanto pare, tali condizioni potrebbero essere mature per lo studio del cancro, insieme a un’ampia gamma di altre malattie.
Le cellule tumorali crescono su sfere di microcarrier (indicate dalla freccia) all’interno di un bioreattore della NASA. Queste cellule sono state coltivate come parte della ricerca sul cancro al seno sponsorizzata dalla NASA. (Dott.ssa Jeanne Becker/spin-off della NASA)
Le cellule del corpo umano normalmente crescono all’interno di strutture di supporto costituite da proteine e carboidrati, ed è così che gli organi – e i tumori – mantengono le loro forme tridimensionali. Nelle impostazioni di laboratorio, tuttavia, le cellule si appiattiscono, allargandosi in fogli. Poiché non duplicano le forme che normalmente creerebbero nel corpo, non si comportano nemmeno come farebbero nel corpo. Ciò pone problemi agli scienziati che studiano il cancro esaminando i cambiamenti genetici che influenzano la crescita e lo sviluppo delle cellule.
Scanning Electron Micrograph di una cellula di carcinoma ovarico muelleriano umano nutrita in condizioni di microgravità. La struttura tridimensionale mostrata è molto più vicina per dimensioni e forma reali alle cellule tumorali naturali trovate nei malati di cancro. (NASA)
Gli scienziati hanno ideato diversi metodi di laboratorio per imitare il normale comportamento cellulare, ma nessuno di loro funziona esattamente come fa il corpo. Nello spazio, tuttavia, le cellule che non si trovano all’interno di un organismo vivente, chiamate cellule in vitro, si organizzano comunque in raggruppamenti tridimensionali, o aggregati. Questi aggregati assomigliano più da vicino a ciò che accade nel corpo. Le cellule in condizioni di microgravità possono anche aggregarsi più facilmente e sperimentano una ridotta sollecitazione di taglio del fluido, un tipo di turbolenza che può influenzare il loro comportamento. Tutti questi fattori possono aiutare gli scienziati a studiare il comportamento delle cellule – e come i cambiamenti in quel comportamento possono portare al cancro – in uno stato più simile alle cellule del corpo.
Esposizione time-lapse della rotazione del bioreattore. Il bioreattore è un incubatore speciale che ruota delicatamente per far circolare il mezzo di crescita delle cellule, prevenendo turbolenze che possono danneggiare le cellule. (NASA/Oliva Dennis)
“Così tante cose cambiano in 3-D che è strabiliante – quando guardi la funzione della cellula, come presentano le loro proteine, come attivano i geni, come interagiscono con altre cellule”, ha detto Jeanne Becker, Ph. D., biologo cellulare presso Nano3D Biosciences a Houston e ricercatore principale dello studio CBOSS-1-Ovarian. “La variabile che stai guardando di più qui è la gravità e non puoi davvero eliminare la gravità sulla Terra. Devi andare dove la gravità è ridotta.
Becker è l’autore di un recente articolo pubblicato su Nature Reviews Cancer che esamina gli ultimi quattro decenni di ricerca sulla biologia cellulare in condizioni di microgravità e come i risultati continuano a informare la ricerca sul cancro sulla Terra. A partire da Skylab negli anni ’70 e fino alle attuali indagini in orbita, Becker e il coautore Glauco R. Souza evidenziano quasi 200 articoli scientifici tratti da esperimenti e indagini spaziali.
Esperimenti sullo space shuttle, sui veicoli russi e sulla stazione spaziale hanno mostrato cambiamenti nelle cellule immunitarie, inclusi cambiamenti nelle citochine di segnalazione cellulare, indicando che il sistema immunitario è soppresso in condizioni di microgravità. Anche l’architettura delle cellule cambia in condizioni di microgravità, con modifiche alle pareti cellulari, all’organizzazione interna e persino alle loro forme di base. Nello spazio, secondo la recensione di Becker, le cellule sono più rotonde.
Altri studi hanno mostrato molti cambiamenti nell’espressione genetica. Durante un’indagine sulla missione STS-90 a bordo dello space shuttle Columbia nel 1998, le cellule sono state coltivate per sei giorni e sono state riportate sulla Terra per l’analisi. Successivamente, un esame di 10.000 geni ha rivelato che le espressioni di 1.632 geni erano alterate in condizioni di microgravità, rispetto ai controlli a terra. Questo è stato il primo esperimento a dimostrare che la gravità ridotta può influenzare un’ampia gamma di geni.
A bordo della Columbia durante la sua missione STS-10, il cancro alla prostata e le cellule ossee sono cresciute in una struttura tridimensionale all’interno del Bioreactor Demonstration System (BDS-05). Le prime indicazioni hanno mostrato grandi aggregati di cellule, indicando una grande crescita, ha detto Becker. Ma lo studio è andato perduto, insieme allo shuttle e al suo equipaggio, durante il rientro il 1° febbraio 2003.
L’indagine CBOSS-01-Ovarian (Cellular Biotechnology Operations Support System) a bordo della stazione spaziale contiene un incubatore di cellule in grado di far crescere gruppi di cellule 3-D e gli scienziati lo hanno utilizzato per esaminare i cambiamenti nel colon umano, nelle ovaie e in altre cellule cancerose. In un recente risultato, Becker ha notato una ridotta produzione di citochine in una linea cellulare di tumore ovarico Muelleriano (LN1) umano. Le citochine sono piccole proteine secrete per mediare e regolare l’immunità e l’infiammazione. Comprendere i cambiamenti nella produzione di queste proteine e i cambiamenti nella segnalazione cellulare che contribuiscono a tali cambiamenti di produzione potrebbe aiutare i ricercatori a comprendere i meccanismi dello sviluppo delle cellule tumorali.
Sebbene le cellule crescano in strutture tridimensionali in condizioni di microgravità, non possiedono vasi sanguigni in grado di fornire ossigeno e sostanze nutritive, quindi le cellule al centro di un aggregato probabilmente moriranno. “Ma questo non è ancora uno svantaggio”, ha detto Becker. “I tumori voluminosi hanno anche aree di tessuto morto vicino ai loro centri, che coincidono con un lento tasso di crescita del cancro. Sono ancora molto cancerose e possono sviluppare maggiori aree di chemioresistenza“, ha affermato Becker. “Questo rispecchia esattamente ciò che vedi nel cancro umano“.
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“Anche mentre sono seduti al banco del laboratorio, i ricercatori potrebbero raggiungere nuove vette utilizzando l’ambiente di microgravità della stazione”, ha detto Becker. “Ho avuto la possibilità di vedere in prima persona le cose che possono succedere. È piuttosto sorprendente. È un peccato non sfruttare appieno questa piattaforma per la ricerca”, ha affermato. “È l’unico laboratorio del suo genere; questo è tutto. E ora è il momento, perché la stazione è completamente finita e disponibile”.
Negli ultimi anni, la ricerca sulla Terra ha raggiunto le strutture cellulari 3-D. Le indagini che esaminano le cellule tumorali e altri tessuti utilizzano una matrice di gel di collagene, che sospende le cellule in 3-D. La combinazione di queste tecniche con le risorse disponibili in condizioni di microgravità può fornire approcci completamente nuovi per lo studio del cancro. In definitiva, la ricerca basata sulla microgravità e sulla Terra potrebbe aiutare gli scienziati a individuare i cambiamenti cellulari che portano al cancro e possibilmente trovare nuovi modi per prevenirli, portando a nuovi trattamenti che potrebbero migliorare la qualità della vita dei pazienti con la malattia.
Fonte: NASA
