Olhando ao microscópio, um grupo de células avança lentamente em linha, como um trem nos trilhos. As células navegam por ambientes complexos. Uma nova abordagem levada a cabo por investigadores que envolvem o Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA) mostra agora como fazem isto e como interagem entre si. As observações experimentais e o seguinte conceito matemático são publicados em Física da Natureza.
A maioria das células do corpo humano não consegue se mover. Alguns específicos, porém, podem ir para lugares diferentes. Por exemplo, na cicatrização de feridas, as células se movem pelo corpo para reparar tecidos danificados. Às vezes, eles viajam sozinhos ou em grupos de tamanhos diferentes. Embora o processo seja cada vez mais compreendido, pouco se sabe sobre como as células interagem durante as viagens e como navegam coletivamente nos ambientes complexos encontrados no corpo. Uma equipa interdisciplinar de físicos teóricos do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA) e experimentalistas da Universidade de Mons, na Bélgica, tem agora novas ideias.
Tal como as experiências de dinâmica social, onde é mais fácil compreender as interacções de um pequeno grupo de pessoas do que analisar uma sociedade inteira, os cientistas estudaram o comportamento de viagem de um pequeno grupo de células em espaços bem definidos. em vitro ambiente, ou seja, fora de um organismo vivo, em uma placa de Petri equipada com recursos internos. Com base nas suas descobertas, eles desenvolveram uma estrutura de regras de interação, que agora é publicada em Física da Natureza.
Células viajam em trens
David Brückner corre de volta ao escritório para pegar seu laptop. “Acho melhor mostrar alguns vídeos dos nossos experimentos”, diz entusiasmado e aperta o play. Microlistras – faixas unidimensionais que orientam o movimento celular – são impressas no substrato ao lado de uma escama de peixe-zebra composta por numerosas células. Células especiais para cicatrização de feridas, conhecidas como “queratócitos”, começam a se esticar para longe da escama, formando ramificações nas pistas. “No início, as células unem-se através de moléculas adesivas na sua superfície – é como se estivessem de mãos dadas”, explica Brückner. De repente, o vínculo se rompe e as células se reúnem em pequenos grupos, avançando como trens ao longo dos trilhos. “O comprimento do trem é sempre diferente. Às vezes são dois, às vezes são dez. Depende das condições iniciais.”
Eléonore Vercurysse e Sylvain Gabriele, da Universidade de Mons, na Bélgica, observaram este fenómeno enquanto investigavam os queratócitos e as suas características de cicatrização de feridas dentro de diferentes padrões geométricos. Para ajudar a interpretar estas observações intrigantes, contactaram os físicos teóricos David Brückner e Edouard Hannezo do ISTA.
As células têm um volante
“Existe um gradiente dentro de cada célula que determina para onde a célula está indo. É chamado de ‘polaridade’ e é como o próprio volante da célula”, diz Brückner. “As células comunicam a sua polaridade às células vizinhas, permitindo-lhes mover-se em conjunto.” Mas como eles fazem isso continua sendo um grande enigma na área.
Brückner e Hannezo começaram o brainstorming. Os dois cientistas desenvolveram um modelo matemático combinando a polaridade de uma célula, suas interações e a geometria do ambiente. Eles então transferiram a estrutura para simulações de computador, o que os ajudou a visualizar diferentes cenários.
A primeira coisa que os cientistas austríacos observaram foi a velocidade dos trens de células. A simulação revelou que a velocidade dos trens independe do seu comprimento, sejam eles compostos por duas ou dez células. “Imagine se a primeira célula fizesse todo o trabalho, arrastando as outras atrás dela; o desempenho geral diminuiria”, diz Hannezo. “Mas esse não é o caso. Dentro dos trens, todas as células estão polarizadas na mesma direção. Elas estão alinhadas e sincronizadas em relação ao seu movimento e avançam suavemente.” Em outras palavras, os trens operam com tração nas quatro rodas, e não apenas com tração dianteira.
Como próximo passo, os teóricos examinaram os efeitos do aumento da largura das pistas e dos aglomerados de células em suas simulações. Em comparação com as células que se moviam em um único arquivo, os clusters eram muito mais lentos. A explicação é bastante simples: quanto mais células estão agrupadas, mais elas se chocam. Essas colisões fazem com que eles se polarizem e se movam em direções opostas. As células não estão alinhadas corretamente, o que perturba o fluxo do movimento e influencia drasticamente a velocidade geral. Este fenômeno também foi observado no laboratório belga (em vitro experimentos).
Fim da linha? Não há problema para clusters de células
Do ponto de vista da eficiência, parece que a movimentação em clusters não é o ideal. No entanto, o modelo previu que também teria benefícios quando as células navegassem por terrenos complexos, como fazem, por exemplo, no corpo humano. Para testar isso, os cientistas acrescentaram um beco sem saída, tanto nos experimentos quanto nas simulações. “Os trens de células chegam rapidamente ao beco sem saída, mas lutam para mudar de direção. A polarização deles está bem alinhada e é muito difícil para eles concordarem em mudar de direção”, diz Brückner. “Enquanto no aglomerado, algumas células já estão polarizadas na outra direção, tornando a mudança de direção muito mais fácil”.
Trens ou clusters?
Naturalmente, surge a questão: quando é que as células se movem em grupos e quando é que se movem em comboios? A resposta é que ambos os cenários são observados na natureza. Por exemplo, alguns processos de desenvolvimento dependem de aglomerados de células que se movem de um lado para o outro, enquanto outros dependem de pequenos trens de células que se movem de forma independente. “Nosso modelo não se aplica apenas a um único processo. Em vez disso, é uma estrutura amplamente aplicável que mostra que colocar células em um ambiente com restrições geométricas é altamente instrutivo, pois as desafia e nos permite decifrar suas interações entre si, “, acrescenta Hannezo.
Um pequeno trem repleto de informações
Publicações recentes do grupo Hannezo sugerem que a comunicação celular se propaga em ondas – uma interação entre sinais bioquímicos, comportamento físico e movimento. O novo modelo dos cientistas fornece agora uma base física para estas interações entre células, possivelmente ajudando na compreensão do quadro geral. Com base neste framework, os colaboradores podem aprofundar-se nos atores moleculares envolvidos neste processo. Segundo Brückner, os comportamentos revelados por esses pequenos trens de células podem nos ajudar a compreender movimentos em grande escala, como os observados em tecidos inteiros.
Publicação:
E. Vercurysse, D. Brückner, M. Gómez-González, A. Remson, M. Luciano, Y. Kalukula, L. Rossetti, X. Trepat, E. Hannezo & S. Gabriele. 2024. Eficiência de migração orientada pela geometria de aglomerados de células epiteliais autônomas.Física da Natureza. DOI: 10.1038/s41567’024 -02532-x
Para melhor compreender processos fundamentais, por exemplo, nas áreas da neurociência, da imunologia ou da genética, a utilização de animais na investigação é indispensável. Nenhum outro método, como os modelos in silico, pode servir como alternativa. Os animais são criados, mantidos e tratados de acordo com as rigorosas regulamentações dos respectivos países, a pesquisa foi realizada (Bélgica).