Il terzo stato oltre i limiti tradizionali della vita e della morte

Vita e morte sono tradizionalmente viste come opposti. Ma l'emergere di nuove forme di vita multicellulari dalle cellule di un organismo morto introduce un "terzo stato" che si trova oltre i confini tradizionali della vita e della morte.

Di solito, gli scienziati considerano la morte come l'arresto irreversibile del funzionamento di un organismo nel suo complesso. Tuttavia, pratiche come la donazione di organi evidenziano come organi, tessuti e cellule possano continuare a funzionare anche dopo la morte di un organismo. Questa resilienza solleva la domanda: quali meccanismi consentono a determinate cellule di continuare a funzionare dopo la morte di un organismo?

Siamo ricercatori che studiano cosa accade negli  organismi dopo la loro morte . Nella nostra revisione pubblicata di recente, descriviamo come certe cellule, quando fornite di nutrienti, ossigeno, bioelettricità o segnali biochimici, hanno la capacità di trasformarsi in organismi multicellulari con nuove funzioni dopo la morte.

Vita, morte e nascita di qualcosa di nuovo

Il terzo stato sfida il modo in cui gli scienziati in genere comprendono il comportamento cellulare. Mentre i bruchi che si trasformano in farfalle o i girini che si evolvono in rane possono essere trasformazioni evolutive familiari, ci sono pochi casi in cui gli organismi cambiano in modi che non sono predeterminati. Tumori, organoidi e linee cellulari che possono dividersi indefinitamente in una capsula di Petri, come le cellule HeLa, non sono considerati parte del terzo stato perché non sviluppano nuove funzioni.

Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che le cellule della pelle estratte da embrioni di rana deceduti erano in grado di adattarsi alle nuove condizioni di una capsula di Petri in un laboratorio, riorganizzandosi spontaneamente in organismi multicellulari chiamati xenobot. Questi organismi hanno mostrato comportamenti che vanno ben oltre i loro ruoli biologici originali. Nello specifico, questi xenobot usano le loro ciglia, piccole strutture simili a peli, per navigare e muoversi nell'ambiente circostante, mentre in un embrione di rana vivente, le ciglia sono solitamente utilizzate per spostare il muco.

Gli xenobot sono anche in grado di eseguire l'auto-replicazione cinematica, il che significa che possono replicare fisicamente la loro struttura e funzione senza crescere. Ciò differisce dai processi di replicazione più comuni che implicano la crescita all'interno o sul corpo dell'organismo.

I ricercatori hanno anche scoperto che le cellule polmonari umane solitarie possono autoassemblarsi in organismi multicellulari in miniatura che possono muoversi. Questi antrorobot si comportano e sono strutturati in modi nuovi. Non solo sono in grado di orientarsi nell'ambiente circostante, ma anche di riparare sia se stessi che le cellule neuronali danneggiate poste nelle vicinanze.

Presi insieme, questi risultati dimostrano la plasticità intrinseca dei sistemi cellulari e sfidano l'idea che cellule e organismi possano evolversi solo in modi predeterminati. Il terzo stato suggerisce che la morte dell'organismo potrebbe svolgere un ruolo significativo nel modo in cui la vita si trasforma nel tempo.

Condizioni post mortem

Diversi fattori influenzano la sopravvivenza e la funzionalità di determinate cellule e tessuti dopo la morte di un organismo. Tra questi rientrano le condizioni ambientali, l'attività metabolica e le tecniche di conservazione.

Diversi tipi di cellule hanno tempi di sopravvivenza variabili. Ad esempio, negli esseri umani, i globuli bianchi muoiono tra 60 e 86 ore dopo la morte dell'organismo. Nei topi, le cellule muscolari scheletriche possono essere rigenerate dopo 14 giorni post-mortem, mentre le cellule fibroblastiche di pecore  e  capre possono essere coltivate fino a un mese circa post-mortem.

L'attività metabolica gioca un ruolo importante nel determinare se le cellule possono continuare a sopravvivere e funzionare. Le cellule attive che richiedono un apporto continuo e sostanziale di energia per mantenere la loro funzione sono più difficili da coltivare rispetto alle cellule con requisiti energetici inferiori. Le tecniche di conservazione come la crioconservazione possono consentire a campioni di tessuto come il midollo osseo di funzionare in modo simile a quello delle fonti di donatori viventi.

Anche i meccanismi di sopravvivenza intrinseci svolgono un ruolo chiave nel determinare se cellule e tessuti sopravvivono. Ad esempio, i ricercatori hanno osservato un aumento significativo dell'attività dei geni correlati allo stress e dei geni correlati al sistema immunitario dopo la morte dell'organismo, probabilmente per compensare la perdita di omeostasi . Inoltre, fattori come traumi , infezioni e il tempo trascorso dalla morte influenzano significativamente la vitalità dei tessuti e delle cellule.

Fattori come età, salute, sesso e tipo di specie modellano ulteriormente il panorama post-mortem. Ciò è visibile nella sfida di coltivare e trapiantare cellule di isolotti metabolicamente attive , che producono insulina nel pancreas, dai donatori ai riceventi. I ricercatori ritengono che i processi autoimmuni, gli elevati costi energetici e la degradazione dei meccanismi protettivi potrebbero essere la ragione alla base di molti fallimenti del trapianto di isole pancreatiche.

Non è chiaro come l'interazione di queste variabili consenta a certe cellule di continuare a funzionare dopo la morte di un organismo. Un'ipotesi è che canali e pompe specializzati incorporati nelle membrane esterne delle cellule servano come circuiti elettrici intricati. Questi canali e pompe generano segnali elettrici che consentono alle cellule di comunicare tra loro ed eseguire funzioni specifiche come crescita e movimento, modellando la struttura dell'organismo che formano.

Anche la misura in cui diversi tipi di cellule possono subire una trasformazione dopo la morte è incerta. Ricerche precedenti hanno scoperto che specifici geni coinvolti nello stress, nell'immunità e nella regolazione epigenetica vengono attivati ​​dopo la morte nei topi, nei pesci zebra  e nelle persone, suggerendo un potenziale diffuso di trasformazione tra diversi tipi di cellule.

Implicazioni per la biologia e la medicina

Il terzo stato non solo offre nuove intuizioni sull'adattabilità delle cellule, ma offre anche prospettive per nuovi trattamenti.

Ad esempio, gli anthrobot potrebbero essere ricavati dal tessuto vivente di un individuo per somministrare farmaci senza innescare una risposta immunitaria indesiderata. Gli anthrobot ingegnerizzati iniettati nel corpo potrebbero potenzialmente dissolvere la placca arteriosa nei pazienti con aterosclerosi e rimuovere il muco in eccesso nei pazienti con fibrosi cistica.

E’ importante sottolineare che questi organismi multicellulari hanno una durata di vita limitata, degradandosi naturalmente dopo quattro o sei settimane. Questo "kill switch" impedisce la crescita di cellule potenzialmente invasive.

Una migliore comprensione del modo in cui alcune cellule continuano a funzionare e a trasformarsi in entità multicellulari anche dopo la scomparsa di un organismo è promettente per il progresso della medicina personalizzata e preventiva.

Questo articolo è stato pubblicato originariamente su The Conversation da  Peter A Noble, Affiliate Professor of Microbiology, University of Washington, e Alex Pozhitkov, Senior Technical Lead of Bioinformatics, Irell & Manella Graduate School of Biological Sciences at City of Hope, autori principali dello studio “Unraveling the Enigma of Organismal Death: Insights, Implications, and Unexplored Frontiers” pubblicato  recentemente su Physiology ed è stato tradotto e ripubblicato da greenreport.it secondo la licenza Creative Commons.