Svelato il meccanismo della puntura delle meduse; Potrebbe aiutare a progettare futuri dispositivi di consegna

Jul 12, 2023

Credito: foto di Marat Gilyadzinov su Unsplash

I bagnanti estivi conoscono fin troppo bene la dolorosa puntura di una medusa. Ma come funzionano effettivamente le cellule urticanti di meduse, coralli e anemoni di mare? Una nuova ricerca dello Stowers Institute for Medical Research ha svelato un modello operativo preciso per l'organello urticante, o nematocisti, dell'anemone di mare stellina, Nematostella vectensis. Lo studio, diretto da Ahmet Karabulut, ricercatore pre-dottorato nel laboratorio di Matt Gibson, PhD, ha comportato l'uso di tecniche di imaging microscopico all'avanguardia, insieme allo sviluppo di un modello biofisico per consentire una comprensione completa di un meccanismo che è rimasto sfuggente per oltre un secolo.

I ricercatori suggeriscono che le informazioni emerse dal lavoro potrebbero contribuire a portare a nuovi sviluppi clinici, compresa la progettazione di dispositivi microscopici per la somministrazione terapeutica. "La comprensione di questo complesso meccanismo di puntura può avere potenziali applicazioni future per gli esseri umani", ha affermato Gibson. "Ciò potrebbe portare allo sviluppo di nuovi metodi terapeutici o di somministrazione mirata di medicinali, nonché alla progettazione di dispositivi microscopici". Gibson e colleghi hanno riferito del loro studio su Nature Communications, in un articolo intitolato "L'architettura e il meccanismo operativo di un organello pungente cnidario".

Gli organelli urticanti delle meduse, degli anemoni di mare e dei relativi organismi cnidari sono "notevoli armi cellulari", utilizzate sia per la predazione che per la difesa, hanno scritto gli autori. Le nematocisti sono costituite da una capsula pressurizzata contenente un filo arrotolato simile ad un arpione che rilascia un cocktail di neurotossine. "Quando viene attivata, la capsula si scarica, espellendo il suo filo come un arpione che penetra nei bersagli e si allunga rapidamente capovolgendosi in un processo chiamato eversione", hanno spiegato i ricercatori. "A livello cellulare, lo scarico delle nematocisti è tra i processi meccanici più veloci in natura, noto per essere completato entro tre millisecondi nella nematocisti dell'Idra." Infatti, la fase iniziale dell’esplosione della capsula guidata dalla pressione e la successiva espulsione del filo avviene in soli 700 nanosecondi.

Studi precedenti suggeriscono che l’elevata velocità di scarico delle nematocisti è determinata dall’accumulo di pressione osmotica all’interno della capsula e che la parete della capsula elasticamente allungata rilascia energia mediante un potente meccanismo a molla durante lo scarico. "Dopo l'attivazione, ma prima dello scarico, la capsula raddoppia di volume a causa del rapido afflusso di acqua", hanno affermato gli autori. "Ciò fa sì che la matrice si rigonfia osmoticamente e allunga la parete della capsula. Questa energia viene successivamente utilizzata per espellere il filo ad alta velocità, che colpisce e penetra nel tessuto bersaglio."

Sebbene le caratteristiche delle nematocisti nelle diverse specie di cnidari varino considerevolmente rispetto alla dimensione della capsula e alla morfologia del filo, funzionano tutte in modo simile e presentano un tubulo evertibile che viene guidato dall'espulsione esplosiva.

Il modello del team di Stowers per la funzione delle cellule urticanti fornisce nuove informazioni cruciali sulla natura dettagliata dell'architettura straordinariamente complessa delle nematocisti e del meccanismo di attivazione. Karabulut e Gibson, in collaborazione con gli scienziati dello Stowers Institute Technology Centers, hanno utilizzato imaging avanzato, microscopia elettronica tridimensionale e approcci di knockdown genetico per scoprire che l'energia cinetica richiesta per perforare e avvelenare un bersaglio coinvolge sia la pressione osmotica che l'energia elastica immagazzinata. all'interno di molteplici sottostrutture di nematocisti.

"Abbiamo utilizzato la microscopia a fluorescenza, tecniche di imaging avanzate e la microscopia elettronica 3D combinate con perturbazioni genetiche per comprendere la struttura e il meccanismo operativo delle nematocisti", ha affermato Karabulut.

Utilizzando metodi all'avanguardia i ricercatori hanno caratterizzato la scarica esplosiva e la trasformazione biomeccanica delle nematocisti di N. vectensis durante la cottura, in tre fasi distinte. La prima fase è la scarica iniziale, simile a un proiettile, e la penetrazione nel bersaglio del filo densamente avvolto dalla capsula della nematocisti. Questo processo è guidato da un cambiamento nella pressione osmotica dovuto all'improvviso afflusso di acqua e allo stiramento elastico della capsula.