Morfogenesi della palla antistress: dallo studio di una lucertola nuove possibilità per i polmoni artificiali
L’Anolide bruno sviluppa i suoi polmoni in modo rapido e completamente diverso da quelli umani, un sistema semplice ed efficiente che può essere replicato
[29 Dicembre 2021]
Lo studio “Stress ball morphogenesis: How the lizard builds its lung”, pubblicato su Science Advances da un team di ricercatori della Princeton University dimostra come l’Anolide bruno (Anolis sagrei), una lucertola della famiglia Dactyloidae lunga 15 – 20 cm, con una vistosa sacca golare e molto comune nel sud degli Usa, in Messico, America centrale Caraibi, Colombia e Venezuela, risolva uno dei problemi più complessi della natura – la respirazione – con elegante semplicità.
Alla Princeton University spiegano che «Mentre i polmoni umani si sviluppano nel corso di mesi e anni in strutture barocche simili ad alberi, il polmone anolotico si sviluppa in pochi giorni in lobi grezzi ricoperti di protuberanze bulbose. Queste strutture simili a zucche, sebbene molto meno raffinate, consentono alla lucertola di scambiare ossigeno e scaricare gas proprio come fanno i polmoni umani. E, poiché crescono rapidamente sfruttando semplici processi meccanici, i polmoni degli anolidi forniscono nuova ispirazione per gli ingegneri che progettano biotecnologie avanzate».
La leader della ricerca, Celeste Nelson, professoressa di bioingegneria e ingegneria chimica e biologica e direttrice del Program in Engineering Biology alla Princeton University, sottolinea che «Il nostro team è davvero interessato a comprendere lo sviluppo polmonare per scopi ingegneristici. Se comprendiamo come si costruiscono i polmoni, allora forse possiamo sfruttare i meccanismi che usa madre natura per rigenerare o ingegnerizzare i tessuti».
Mentre i polmoni degli uccelli e dei mammiferi sviluppano una grande complessità attraverso infinite ramificazioni e complicati segnali biochimici, il polmone dell’Anolide bruno forma la sua complessità relativamente modesta attraverso un processo meccanico che gli autori dello studio hanno paragonato a «Una palla antistress a rete, un giocattolo comune che si trova nei cassetti della scrivania e nei video fai-da-te. Questo studio è il primo a esaminare lo sviluppo di un polmone di rettile».
Alla princeton spiegano ancora che «Il polmone dell’Anolide inizia a svilupparsi dopo pochi giorni come una membrana cava e allungata circondata da uno strato uniforme di muscolatura liscia. Durante lo sviluppo, le cellule polmonari secernono fluido e mentre lo fanno la membrana interna si gonfia e si assottiglia lentamente come un palloncino. La pressione spinge contro la muscolatura liscia, facendola stringere e allargarsi in fasci di fibre che alla fine formano una rete a forma di nido d’ape. La pressione del fluido continua a spingere la membrana elastica verso l’esterno, sporgendosi attraverso gli spazi nella rete nervosa e formando bulbi pieni di liquido che ricoprono il polmone. Quei rigonfiamenti creano molta superficie dove avviene lo scambio di gas. E questo è tutto. L’intero processo richiede meno di due giorni e si completa entro la prima settimana di incubazione. Dopo che la lucertola si è schiusa, l’aria entra nella parte superiore del polmone, turbina intorno alle cavità, quindi rifluisce».
Per gli ingegneri che cercano di sfruttare le scorciatoie offerte dalla natura per migliorare la salute umana, «Questa velocità e semplicità creano un paradigma di progettazione radicalmente nuovo. Lo studio apre anche nuove strade agli scienziati per studiare lo sviluppo dei rettili in modo molto più dettagliato».
La Nelson ricorda che quando ha iniziato a studiare i polmoni di polli alla fine degli anni 2000, la convinzione comune era che «I polmoni di pollo erano gli stessi dei polmoni di topo, che erano gli stessi dei polmoni umani. E non è vero». La scienziata voleva demolire queste ipotesi e per questo ha portato il suo team a porsi domande fondamentali su come si sviluppano i polmoni delle diverse classi di vertebrati: «L’architettura del polmone degli uccelli è così incredibilmente diversa da quella del polmone dei mammiferi – sottolinea – Ad esempio, invece di un diaframma, gli uccelli hanno sacche d’aria incorporate in tutto il corpo che fungono da mantice».
Per adattare la raffinata complessità dei polmoni degli uccelli a strumenti che potrebbero giovare alla salute umana, la Nelson credeva che la scienza avesse bisogno di andare ancora più in profondità. La natura aveva risolto il problema dello scambio di gas con due sistemi radicalmente diversi. Come erano collegati? E potrebbero esserci anche altri sistemi? Queste domande hanno portato il suo team indietro nel tempo evolutivo alla ricerca di un’origine comune. E lì c’era il rettile, che faceva quel che i rettili fanno molto bene: nascondersi in bella vista.
Il principale autore dello studio, Michael Palmer del Department of Chemical and Biological Engineering della Princeton University, ha raccolto la sfida di organizzare questo studio letteralmente da zero, ma gli alligatori si sono rivelati troppo irascibili e gli Anolidi della Carolina (Anolis carolinensis) si sono rifiutati di riprodursi. Dopo anni di lavoro preliminare, alla fine del 2019 la Palmer è andata in Florida per catturare una dozzina di Anolidi bruni selvatici in un parco suburbano per portarli a Princeton, dove i veterinari dell’università e il personale delle risorse animali hanno aiutato il team a realizzare una struttura permanente per ospitare gli Anolidi bruni. E’ stato allora che Palmer iniziò a guardare le uova per mappare lo sviluppo polmonare di questi organismi. Lavorando con Andrej Košmrlj, e Anvitha Sudhakar del del Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Palmer ha utilizzato le sue osservazioni per costruire un modello computazionale del polmone e comprenderne la fisica e ora ricorda: «Eravamo curiosi di sapere se potevamo imparare qualcosa sulle basi dello sviluppo polmonare dallo studio di un polmone così semplice». Palmer aveva già visto che la muscolatura liscia svolge un ruolo preciso in altri sistemi, ma in questo studio è stato in grado di osservare come funzionasse direttamente: «Il polmone della lucertola si sviluppa utilizzando un meccanismo molto fisico. Una cascata di tensioni indotte dalla pressione e di instabilità indotta dalla pressione. In meno di due giorni, l’organo passa da essere palloncino piatto a un polmone completamente formato». E il processo è abbastanza semplice da permettere a Palmer di utilizzare il suo modello computazionale per costruire una replica funzionante in laboratorio. Sebbene il sistema ingegnerizzato non corrispondesse all’intera complessità del sistema vivente, ci è andato vicino.
I ricercatori hanno realizzato la membrana utilizzando l’Ecoflex, un materiale siliconico comunemente usato nell’industria cinematografica per il trucco e gli effetti speciali. Hanno quindi racchiuso quel silicone con cellule muscolari stampate in 3D per creare nel silicone gonfiato gli stessi tipi di corrugazioni che Palmer aveva scoperto nell’organo vivente. Hanno dovuto fare i conti con barriere tecniche che hanno limitato la verosimiglianza della loro creazione, ma alla fine il tutto era stranamente simile all’organo vivente. Le umili lucertole da cortile avevano ispirato un nuovo tipo di polmone artificiale e una struttura che gli ingegneri possono perfezionare per raggiungere traguardi futuri ancora sconosciuti.
La Nelson conclude: «Organismi diversi hanno strutture organiche diverse. E’ bellissimo e possiamo imparare molto da questo. Se ci rendiamo conto che c’è molta biodiversità che non possiamo vedere e cerchiamo di trarne vantaggio, allora noi come ingegneri avremo più strumenti per affrontare alcune delle principali sfide che la società si troverà di fronte».