La storia della scienza consiste in una serie di cambiamenti di paradigma: le teorie tradizionali sono state sfatate e sostituite da nuove scoperte. Il Laboratorio Canso per il Movimento Biologicamente Ispirato presso la Scuola di Ingegneria dell’USC Viterbi è abituato a tali cambiamenti di paradigma e ha pubblicato i suoi risultati su importanti riviste.
L’ultimo articolo del laboratorio, pubblicato su Nature Physics, è intitolato “La fisica del flusso dirige la morfologia degli organi ciliari” e fornisce una nuova comprensione della relazione tra due distinti meccanismi di pompaggio dei fluidi negli organismi: il modello “fiamma” e il modello “tappeto”. dei canali ciliari.
Negli esseri umani, il tessuto ciliare pompa il fluido nelle vie aeree, nei ventricoli del cervello, nel canale spinale e nel sistema riproduttivo. Queste ciglia hanno un design simile a un “tappeto”: immagina uno strato denso di fibre corte perpendicolare alla superficie delle cellule epiteliali. Molti animali presentano anche canali con una disposizione delle ciglia sorprendentemente diversa: il disegno a fiamma ciliare, in cui ciglia relativamente lunghe e fitte pulsano longitudinalmente lungo uno stretto lume.
Le fiamme ciliari non si trovano nei grandi organismi multicellulari come gli esseri umani, il che porta a comprendere che queste due forme, tappeto e fiamma, si differenziano attraverso processi evolutivi. Tuttavia, la professoressa Eva Kansu e il suo team di ricercatori, in particolare i coautori Feng Ling* della USC e la ricercatrice Jana Noroth*, hanno scoperto che la distinzione dipende in realtà dalle diverse esigenze di infusione di fluidi.
In altre parole, la forma segue la funzione. Il team propone che la convergenza dei progetti degli organi ciliari segua vincoli meccanici piuttosto che un percorso evolutivo (evoluzione filogenetica e relazionale).
Questo articolo presenta una serie di regole di progettazione universali per le pompe ciliari: un modello unificato di fluidi che suggerisce una continuità inaspettata tra i due modelli solitamente in conflitto. Due parametri strutturali, il diametro del lume e il rapporto ciglia-lume, regolano la diversità del canale ciliare in uno spettro continuo che collega i tappeti alle fiamme.
Ad entrambe le estremità dello spettro, i risultati indicano la portata massima e la generazione di pressione (compatibile con i requisiti fisiologici per il trasporto e la filtrazione dei materiali sfusi), mentre i progetti intermedi lungo lo spettro morfologico formano ibridi idealmente efficienti.
Le nuove scoperte forniscono maggiore chiarezza nello studio e nella gestione delle principali malattie associate alla disfunzione delle ciglia e all’accumulo di liquidi, tra cui bronchiectasie, idrocefalo e gravidanza ectopica. I risultati migliorano anche la comprensione di come funzionano organi specifici. Ad esempio, i fuochi ciliari che pompano il fluido per l’escrezione forniscono un sistema modello per studiare la malattia renale umana.
Nonostante l’importanza fondamentale degli organi ciliari nella fisiologia animale, la relazione tra la morfologia del canale ciliare e la sua capacità di pompare il fluido è rimasta in gran parte inesplorata, a causa della difficoltà di misurare i battiti delle ciglia e il flusso del fluido nei canali intimali intatti. Affrontando sperimentalmente questa impegnativa area di ricerca e utilizzando la modellazione matematica, il laboratorio Kanso propone un nuovo approccio innovativo e intuitivo. La dualità viene riformulata come un continuum e la grande sfida nella scienza e nell’ingegneria è un passo più semplice.
*Attualmente presso il Nawroth Mechanobiology Laboratory, Helmholtz Flagship Campus, Monaco di Baviera
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