Svelare il processo di mineralizzazione del collagene nelle nostre ossa
Il collagene è un componente essenziale delle ossa. Questa proteina lunga e fibrosa si organizza in fasci e si mineralizza, come il cemento armato, fornendo struttura e supporto. E l’organizzazione gerarchica del collagene in una matrice conferisce all’osso le sue impressionanti proprietà meccaniche. «È resistente, ma può piegarsi un po’, non ti rompi una gamba se colpisci un tavolino da caffè», osserva Nico Sommerdijk(si apre in una nuova finestra), professore presso il Dipartimento di Bioscienze Mediche presso il Radboud University Medical Center. Ma essendo un materiale molto gerarchico, il collagene è diverso in ogni punto, il che rende difficile per noi comprendere come è costruito e composto. Come avviene la mineralizzazione del collagene è una domanda ancora più spinosa, a cui l’autore e il suo team hanno cercato di rispondere attraverso il progetto COLMIN(si apre in una nuova finestra). Il progetto COLMIN è stato finanziato dal Consiglio europeo della ricerca(si apre in una nuova finestra). «Volevo entrare in un sistema vivente in cui avrei potuto vedere come vengono prodotti il minerale e il collagene e come interagiscono tra loro», afferma l’esperto, «quello che chiamo un “sistema vivente in vitro”.»
Creazione di un «mini-osso» e di un «osso su chip»
Il team COLMIN ha creato un pezzo di tessuto simile a un osso, il più vicino possibile a quello reale su scala nanometrica, per comprendere il processo di formazione delle ossa. I ricercatori hanno stimolato le cellule staminali a differenziarsi in cellule simili alle ossa, in particolare come gli osteoblasti: quelli responsabili della formazione delle ossa. Hanno sviluppato un organoide «mini-osso», più piccolo di 1,2 nanometri di lunghezza, un tessuto simile all’osso primitivo, disordinato e flessibile. Hanno potuto osservare il tessuto che forma la matrice extracellulare del collagene, prima che avvenisse la mineralizzazione. Hanno studiato questi processi utilizzando la microscopia ottica a fluorescenza. Per poi analizzare la struttura 3D, hanno ideato un sistema in grado di mantenere in vita le cellule mentre erano sottoposte a imaging, creando in pratica un «osso su chip».
Progressi nelle tecniche di microscopia
Nella microscopia elettronica criogenica, i campioni sono congelati, il che rende difficile trovare ciò che si sta cercando: è come guardare solo la superficie di un lago ghiacciato per trovare qualcosa in profondità, aggiunge. Un membro del progetto ha quindi ideato un esclusivo contenitore per campioni in grado di imprimere un motivo nel campione prima che venga congelato, fornendo in sostanza una mappa che può essere utilizzata per esplorare la struttura tridimensionale. Hanno poi adottato un’altra tecnica, nota come microscopia Raman, per esplorare le informazioni chimiche presenti nell’osso. Il team ha deciso di demineralizzare un pezzo di osso umano e, combinando le loro tecniche di imaging, di osservarne la rimineralizzazione. Sono riusciti a visualizzare diversi tipi di mineralizzazione nei campioni ossei di pazienti affetti da fragilità ossea, una rara malattia in cui il collagene viene eccessivamente modificato durante la sua produzione, creando una formazione ossea caotica.
Capire la malattia delle ossa fragili
«Ora disponiamo di uno studio di follow-up molto dettagliato in cui dimostriamo che questa sovra-modificazione, che avviene solo in pochi punti, ha grandi effetti sul modo in cui il collagene riesce a inserirsi in questa struttura altamente organizzata», spiega il ricercatore. Un altro importante progresso è stato quello di esaminare il modo in cui una proteina nota come fetuina, che potrebbe trasportare minerali alle ossa, si sposta all’interno del corpo fino alle cellule. «Per la prima volta abbiamo potuto osservare un processo biologico con un microscopio elettronico a fase liquida», osserva. I risultati del progetto contribuiranno a stabilire un punto di riferimento per l’analisi avanzata della formazione ossea e ci aiuteranno a comprendere meglio questo complesso processo.
