La Terra ripresa da un astronauta a bordo dello Space Shuttle. Crediti NASA.
Ai biologi che si occupano di studiare le cellule tumorali e che osservano i campioni di tessuto colorato con luci fluorescenti non verrebbe in mente che la Stazione Spaziale Internazionale (ISS) è un ottimo laboratorio dove condurre i loro studi. Quarant’anni di studi in microgravità dimostrano che i biologi possono effettivamente portare lo sguardo lassu, perchè lo spazio offre condizioni ottimali per lo studio del cancro e di altre malattie e condizioni che non si possono ricreare in nessun laboratorio terrestre.
Le cellule nel corpo umano normalmente crescono all’interno delle strutture di sostegno composte da proteine e carboidrati, che è il modo in cui gli organi e anche i tumori mantengono le loro forme tridimensionali. Negli ambienti di laboratorio, tuttavia, le cellule crescono come se si trovassero in uno spazio bidimensionale, e quindi appiattite. Questo perchè tali cellule non duplicano le forme che esse normalmente dovrebbero avere nel corpo umano e, inoltre, non si comportano nello stesso modo che dovrebbero avere se fossero in un corpo umano. Questo pone dei problemi agli scienziati che si occupano dei tumori nell’esame dei cambiamenti genetici che influenzano la crescita e lo sviluppo delle cellule.
I ricercatori hanno messo a punto diversi metodi di laboratorio per simulare il normale comportamento cellulare, ma nessuna di queste si comporta esattamente come nel corpo umano. Nello spazio, tuttavia, le cellule che non si trovano all’interno di un organismo vivente, chiamate cellule in vitro, si dispongono in raggruppamenti tridimensionali o in aggregati. Tali aggregati si avvicinano maggiormente a quello che si ha nel corpo umano. Le cellule in microgravità inoltre possono aggregarsi più facilmente e sperimentano un ridotto tipo di turbolenza che può influenzare il loro comportamento. Tutti questi fattori possono aiutare i ricercatori a capire il comportamento delle cellule e come i cambiamenti in tale comportamento possano portare al cancro, in uno stato molto più vicino alle cellule del corpo umano.
“Tante cose possono cambiare in uno spazio tridimensionale, è davvero strabiliante. Per esempio, quando si guarda alla funzione della cellula, a come si presentano le loro proteine, come si attivano i geni, come le cellule interagiscono con le altre” ha affermato Jeanne Becker, PhD, Biologa cellulare presso il Nano£D Biosciences a Houston, e Principal Investigator nello studio CBOSS-1-Ovarian. “La variabile che più si sta prendendo in considerazione è la gravità e non si può davvero togliere la gravità sulla Terra. Bisogna andare dove la gravità è ridotta”.
Becker è l’autrice di un recente paper pubblicato su Nature Reviews Cancer che esamina gli ultimi quattro decenni di ricerca nella biologia cellulare in condizioni di microgravità, e come i risultati continuano ad essere utili alla ricerca sul cancro sulla Terra. Partendo con lo Skylab negli anni Settanta del secolo scorso e arrivando alle attuali ricerche condotte a bordo della ISS, Backer e il secondo autore dello studio, Glauco R. Souza, hanno analizzato quasi 200 lavori scientifici tratti da esperimenti e indagini condotte nello spazio.
Gli esperimenti condotti a bordo dello Space Shuttle e nelle navicelle e stazioni spaziali russe hanno mostrato dei cambiamenti nelle cellule del sistema immunitario, compresi i cambiamenti nelle cellule citochine, che indicano che il sistema immunitario viene soppresso in microgravità. Anche l’architettura delle cellule cambia in microgravità con cambiamenti alle pareti cellulari, all’organizzazione interna e anche alle loro forme di base. Nello spazio, secondo l’articolo di Becker, le cellule hanno una forma maggiormente arrotondata.
Altri studi hanno mostrato molti cambiamenti nell’espressione genetica. Nel corso di uno studio compiuto durante la missione STS-90 a bordo dello Shuttle Columbia nel 1998, le cellule tumorali furono coltivate per sei giorni e successivamente portate a Terra per l’analisi. In seguito, l’esame di 10 000 geni aveva rivelato che le espressioni di 1632 geni erano state alterate in microgravità, secondo ai controlli compiuti a Terra. Questo fu il primo esperimento a mostrare che la gravità ridotta può influenzare una vasta gamma di geni.
A bordo del Columbia durante la missione STS-107 cellule tumorali alla prostata e alle cellule ossee furono fatte crescere in una struttura tridimensionale all’interno del Bioreactor Demonstration System (BDS-05). Le prime indicazioni mostrarono grandi aggregati di cellule, il che comportava una grande crescita. Ma lo studio è andato perduto, insieme alla navetta e al suo equipaggio, durante il rientro dell’1 febbraio 2003.
L’indagine del Cellular Biotechnology Operations Support System (CBOSS-01 Ovarian) a bordo della Stazione Spaziale contiene un incubatore di cellule che può far crescere ammassi cellulari in 3D. Gli scienziati lo hanno usato per esaminare i cambiamenti al colon umano, alle cellule tumorali ovariche e di altri tipi di cellule tumorali. Becker ha notato una riduzione nella produzione di citochine in una linea di cellule tumorali ovariche di tipo Mulleriana (LN1). Le citochine sono piccole proteine che vengono secrete per mediare e regolare l’immunità e l’infiammazione. Comprendere i cambiamenti nella produzione di queste proteine e le variazioni nell’invio di segnali da parte di tali cellule delle cellule che contribuiscono a questi cambiamenti di produzione potrebbero aiutare i ricercatori a capire i meccanismi di sviluppo delle cellule tumorali.
Sebbene le cellule crescano in strutture tridimensionali in microgravità esse in realtà non possiedono vasi sanguigni che possano fornire ossigeno e nutrienti, per cui le cellule al centro di un aggregato probabilmente sono destinate a morire. Ma questo non è ancora uno svantaggio, ha affermato Becker. I tumori più grandi hanno anche aree di tessuto morto vicino ai loro centri, che coincidono con un tasso di crescita lento del tumore. “Vi sono anche le cellule vicine che non sono morte, ma non stanno in effetti lavorando. Sono ancora gran parte tumorali e possono sviluppare maggiori aree di resistenza alla chemio” ha affermato Becker. “Questo rispecchia quello che si osserva nel cancro in un organismo umano”.
Anche quando sono seduti in un banco di laboratorio i ricercatori potrebbero raggiungere nuove vette utilizzando l’ambiente di microgravità della Stazione Spaziale. “Ho avuto la possibilità di vedere in prima persona che cosa può accadere. E’ piuttosto sorprendente” ha affermato Becker. “E’ un peccato non approfittare appieno di questa piattaforma per le scoperte” ha aggiunto. “E’ l’unico laboratorio di questo tipo. Ed ora è il momento giusto, perchè la Stazione è completamente completata e disponibile”.
Negli ultimi anni la ricerca sulla Terra ha raggiunto buoni risultati con gli studi delle strutture cellulari in 3D. Gli studi che riguardano le cellule tumorali e di altri tessuti utilizzano una matrice gel di collagene, che sospende le cellule in 3D. La combinazione di queste tecniche con le risorse disponibili in microgravità possono informare nuovi approcci nello studio del cancro. In definitiva, la microgravità e la ricerca computa sulla Terra potrebbero aiutare i ricercatori a individuare i cambiamenti cellulari che portano al cancro e la possibilità di trovare nuove strade per prevenirlo, conducendo a nuovi trattamenti che potrebbero migliorare le qualità della vita per i pazienti colpiti da tale malattia.
Fonte NASA: Fighting Cancer with Microgravity Research – http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/cancer.html
Sabrina
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