I ricercatori svelano il mistero della formazione delle bande nel sangue centrifugato
Comprendere meglio le regole fondamentali della natura
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Quando i globuli rossi vengono centrifugati in un mezzo a gradiente di densità, formano un sorprendente disegno a bande. Le cellule si dispongono in strisce rosse vivaci contenenti alte concentrazioni di globuli rossi, con bande più chiare contenenti un numero molto inferiore di globuli rossi nel mezzo. I globuli rossi a più bassa densità si trovano nella fascia rossa più alta, mentre quelli a più alta densità si trovano nella fascia più bassa. Finora gli scienziati ritenevano che questo fenomeno fosse causato da una perdita d'acqua non uniforme con l'invecchiamento delle cellule.
L'immagine mostra che solo al di sopra di una certa concentrazione di volume di globuli rossi il comportamento collettivo porta a un disegno macroscopico; più alta è la concentrazione, più pronunciate sono le strisce. A concentrazioni inferiori, statisticamente non si incontrano abbastanza cellule durante la centrifugazione.
© AG Wagner
I fisici della Saarland University e dell'Università di Bristol hanno ora ribaltato questa teoria. I ricercatori sono riusciti a dimostrare che il disegno a strisce è il risultato dell'aggregazione cellulare causata dalle forze attrattive che agiscono tra globuli rossi vicini. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista PNAS.
I motivi si trovano ovunque in natura: dalle formazioni ipnotiche create da stormi di uccelli o banchi di pesci ai vortici unici delle nostre impronte digitali o alle strisce distintive di una zebra. Ma quali sono le regole che governano l'emergere di questi schemi?
Un indizio per la risposta potrebbe risiedere nel comportamento dei globuli rossi in una centrifuga. Quando vengono separati in una centrifuga, i globuli rossi si dispongono in uno schema a strisce molto caratteristico. Se osservati dall'alto verso il basso, si nota uno schema ripetuto di bande alternate: una striscia rossa brillante piena di cellule, poi una striscia molto più chiara con un numero minore di cellule, con questa sequenza rosso-bianca che continua lungo la provetta. Per decenni, l'opinione prevalente è stata che i globuli rossi appena formati sono ricchi di acqua e quindi meno densi, motivo per cui salgono in alto durante la centrifugazione. I globuli più vecchi, invece, affondano sul fondo della provetta perché contengono meno acqua e quindi hanno una densità maggiore perché l'emoglobina rimasta in essi è più pesante dell'acqua.
Era opinione diffusa che i globuli rossi perdessero acqua in modo irregolare nel corso della loro vita di circa 120 giorni, creando coorti di densità diverse", spiega il professor Christian Wagner, fisico sperimentale dell'Università del Saarland. Le cellule più giovani contengono molta acqua, quelle di mezza età sono meno ricche d'acqua, mentre i globuli più vecchi ne hanno meno. Le cellule di ciascun gruppo si raggruppano in regioni simili della soluzione centrifugata in base alle rispettive densità, dando origine al tipico disegno a strisce".
Il nuovo studio rivela una storia diversa. Non si tratta di perdita d'acqua, ma di aggregazione intercellulare", afferma Felix Maurer, ricercatore di dottorato che insieme al suo co-supervisore Alexis Darras dell'Università di Bristol ha contribuito in modo determinante allo studio. Nei loro esperimenti, il team ha mescolato i globuli rossi con acqua, sali e nanoparticelle, poi li ha centrifugati. Proprio come i palloni meteorologici salgono fino a raggiungere un'altitudine in cui l'aria circostante è leggera quanto loro, i globuli rossi nella provetta della centrifuga si depositano al livello in cui la loro densità corrisponde a quella del mezzo circostante", spiega Maurer.
La svolta è arrivata quando hanno scoperto che il motivo delle bande alternate è il risultato del gran numero di cellule coinvolte. Il motivo a strisce appare solo quando un numero enorme di cellule interagisce. Nei nostri esperimenti avevamo circa un miliardo di cellule nella provetta", spiega Maurer. Riducendo il numero di cellule, i fisici hanno osservato un comportamento completamente diverso: le strisce sono scomparse. Quando le cellule sono più distanti tra loro, non si aggregano, cioè non rimangono unite. Al contrario, si distribuiscono uniformemente in tutto il tubo e non si formano strisce", spiega Felix Maurer.
In altre parole, è l'interazione tra l'aggregazione intercellulare e la forza gravitazionale verso il basso a determinare la formazione delle strisce. Queste nuove conoscenze potrebbero aprire la strada a nuovi strumenti diagnostici per le malattie del sangue come l'anemia falciforme, in cui le cellule assumono una forma a mezzaluna, alterando drasticamente il loro comportamento di flusso e aggregazione. Nella malattia a cellule falciformi, il disegno delle strisce appare diverso, come è stato dimostrato in uno studio del 2021, ma finora nessuno sapeva perché", osserva Maurer.
La ricerca fa luce anche su una questione più profonda e fondamentale: come nascono i modelli e le strutture in natura? Per rispondere a questa domanda, il team ha sviluppato un modello matematico basato sulla teoria funzionale della densità dinamica che riflette le osservazioni fatte in laboratorio. Equazioni simili vengono utilizzate per descrivere i modelli delle strisce delle zebre, degli stormi di uccelli e persino delle impronte digitali", spiega Christian Wagner. Maurer aggiunge: "Nel nostro caso, le interazioni a corto raggio tra le cellule producono una larghezza preferita delle strisce e una distanza preferita tra le strisce. Questo tipo di comportamento collettivo si osserva anche negli stormi di uccelli in volo, dove le formazioni derivano dalle semplici regole che governano l'interazione tra individui vicini. Un'idea simile si applica anche alla formazione delle impronte digitali".
Osservando attentamente il comportamento delle cellule del sangue in laboratorio, i ricercatori hanno scoperto principi che aiutano a spiegare la bellezza dei modelli del mondo naturale.
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