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La scienza della melma
Katharina Ribbeck ha sentito tutte le battute su catarro, caccola e loogie nel libro. Ma la sua ricerca sul muco rivela che è una meraviglia dell'ingegneria e una linea di difesa fondamentale nel sistema immunitario. 19 dicembre 2018
moccio. Boogers. Catarro. La poltiglia che ti gocciola dal naso quando hai il raffreddore. Non importa come lo chiami, il muco ha una cattiva reputazione come prodotto di scarto sgradevole, un segno di malattia.
Ma nonostante il suo alto fattore di ick, la sostanza viscida svolge una notevole gamma di funzioni vitali. Dopotutto, riveste più di 200 metri quadrati del nostro corpo, dalla bocca al sistema digerente, al tratto urinario, ai polmoni, agli occhi e alla cervice. Lubrifica e idrata, ci fa deglutire, determina ciò che gustiamo e odoriamo e filtra selettivamente nutrienti, tossine e cellule viventi come batteri, spermatozoi e funghi. È una barriera davvero sorprendente, afferma Katharina Ribbeck, professore associato di ingegneria biologica. Ci permette di integrare i nutrienti; ci protegge dagli agenti patogeni. È anche un grosso ostacolo alla somministrazione di farmaci. Ma non abbiamo idea di come funzioni.
Ribbeck e i suoi studenti vogliono cambiare le cose. Studiando questo idrogel appiccicoso, spera di escogitare nuovi modi per diagnosticare e curare le malattie umane. Ci sono molte informazioni sulla nostra salute nel muco, dice. Il nostro obiettivo per i prossimi due anni è attingere a questa fonte di bioinformazione sottoutilizzata e utilizzarla.
Un campione per il muco
Inizialmente Ribbeck non intendeva concentrare la sua ricerca sul muco. All'Università di Heidelberg in Germania, ha studiato biologia e biochimica e per il suo ultimo anno è andata all'Università della California a San Diego per lavorare alla sua tesi di laurea in neurobiologia. Quando è tornata a Heidelberg per la scuola di specializzazione, ha iniziato a studiare la biologia del poro nucleare, un canale che regola la comunicazione tra il nucleo di una cellula e il resto della cellula.
Il muco, dice, non è mai stato sul mio radar alla scuola di specializzazione. Ma come il muco, anche i pori nucleari fungono da barriere selettive: consentono il passaggio di alcune particelle bloccandone altre.
Dopo aver terminato il suo dottorato di ricerca, Ribbeck ha pianificato di avviare un gruppo di ricerca in Germania, continuando i suoi studi sul poro nucleare. Ma poi un'amica della Harvard Medical School le ha suggerito di passare un anno a lavorare nel suo laboratorio. Sono le cose che non fai di cui ti penti, dice. Così ho deciso di andarci, anticipando un anno interessante ma non davvero rivoluzionario.
Mentre trascorreva il 2007 come scienziato in visita lì, Ribbeck ha sentito parlare di una borsa di studio di Harvard che avrebbe fornito un laboratorio, finanziamenti per l'avvio e lo status di investigatore indipendente. La presa? I candidati hanno dovuto proporre di iniziare un nuovo campo di studio.
Il muco non era ben studiato all'epoca, ma era noto per svolgere un ruolo chiave nel mantenimento della salute. Ribbeck ha presentato un caso per avviare un laboratorio di muco e ha ottenuto la borsa di studio.
All'inizio della sua permanenza ad Harvard, si rese conto che lo studio del muco avrebbe beneficiato dell'esperienza e degli strumenti sviluppati nel Dipartimento di ingegneria biologica del MIT, in scienze e ingegneria dei tessuti, microfluidica e altro ancora. È entrata a far parte della facoltà nel 2010, ottenendo la cattedra nel 2017.
Sono stato immediatamente colpito dalla vigorosa scintilla di creatività espressa da Katharina, afferma Douglas Lauffenburger, il capo del dipartimento. L'argomento dei suoi interessi di ricerca all'inizio sembrava piuttosto peculiare, ma la sua articolazione della sua ampia importanza in microbiologia e medicina, e del suo obiettivo di comprenderla fondamentalmente in modi che potessero portare alla progettazione di tecnologie preziose, era profondamente avvincente.
Respingere l'infezione
Tra i fenomeni che Ribbeck ha studiato c'è che il muco ha molto successo nell'addomesticare i microbi normalmente patogeni. Fino a poco tempo, gli scienziati pensavano che ciò fosse semplicemente dovuto al fatto che fungeva da barriera meccanica, intrappolando batteri e altri agenti patogeni. Tuttavia, il lavoro di Ribbeck ha dimostrato che il muco gioca un ruolo molto più sfumato.
Gli elementi costitutivi primari del muco sono le mucine, proteine lunghe simili a scovolini con molte molecole di zucchero chiamate glicani attaccate. E le mucine, ha scoperto Ribbeck, in realtà interrompono molte funzioni chiave dei batteri infettivi. In presenza di mucine, i tratti che rendono questi agenti patogeni virulenti sono significativamente sottoregolati, dice. Ciò include la secrezione di tossine, la capacità di chiacchierare tra loro e la capacità di attaccarsi alle superfici cellulari.
Con l'interruzione di questi poteri, i batteri non possono più colonizzare una superficie per formare strati viscidi persistenti chiamati biofilm, che tendono ad essere più dannosi delle singole cellule: possono causare una vasta gamma di problemi di salute, tra cui carie e ulcere dentali, e può rivelarsi fatale per le persone con fibrosi cistica.
Il laboratorio di Ribbeck lo ha scoperto purificando il muco dallo stomaco di un maiale per isolare una mucina chiamata MUC5AC, che è correlata a quella che si trova nel tratto respiratorio e nello stomaco umani. I ricercatori hanno quindi creato matrici tridimensionali con e senza la mucina e inserito batteri infettivi chiamati P. aeruginosa in entrambe. I batteri nella matrice senza MUC5AC si attaccano alla superficie della matrice, formando biofilm densi. Nella matrice MUC5AC non si sono formati biofilm. Ma quando i ricercatori hanno eliminato un gene nei batteri che permetteva loro di continuare a muoversi, hanno scoperto qualcosa di interessante: i batteri infettivi nella matrice MUC5AC si sono raggruppati insieme, imitando il materiale che si accumula per produrre muco anormalmente denso nella fibrosi cistica. Ciò significava, ha scoperto Ribbeck, che mentre la mucina intrappola cose come polvere e altre particelle inalate, nel caso dei batteri fa il contrario, mantenendoli in movimento in modo che non possano formare biofilm. Il suo gruppo ha scoperto che lo stesso era vero con altri tipi di microbi, incluso Candida .
La ricerca di Ribbeck ha anche rivelato che i glicani, le complesse molecole di zucchero nella mucina, sono la chiave della sua capacità di sventare i patogeni. Si presumeva che il loro ruolo principale fosse quello di rendere rigidi i polimeri di mucina e il suo laboratorio e altri avevano isolato glicani per contare quanti tipi distinti esistevano. Le mucine, a quanto pare, contengono centinaia di glicani diversi. Ma oltre a contarli, Ribbeck ha anche confrontato i glicani nella mucina in diverse parti del corpo e ha iniziato a indagare su cosa fanno effettivamente. Confrontando le mucine naturali con le mucine a cui erano stati rimossi i glicani, ha scoperto che questi zuccheri sono essenziali per la capacità delle mucine di respingere i batteri e impedire loro di attaccarsi alle superfici. Inizialmente sorpresa da questa scoperta, si è resa conto che i glicani nel latte umano svolgono una funzione simile, aiutando i bambini a rimanere in buona salute fungendo da recettori solubili che essenzialmente distraggono i patogeni ingeriti, impedendo loro di aderire dove potrebbero causare infezioni. In un certo senso, dice, il muco è come il latte materno per gli adulti.
Ribbeck sta ora studiando le funzioni specifiche delle centinaia di glicani che si sono evoluti per interagire e disabilitare diversi agenti patogeni in vari modi. Pensa che le mucine contengano una vasta libreria di molecole diverse che sono pronte per essere controllate per coinvolgere qualunque microbi avvenga, siano essi virus, batteri, funghi o parassiti. Immagina quanto è bello, dice.
Gli ingegneri sono da tempo interessati alla progettazione di materiali che imitano il muco, soprattutto per le sue capacità di lubrificazione. Tuttavia, gli intriganti tratti antimicrobici che il laboratorio di Ribbeck ha scoperto hanno portato molti ricercatori a iniziare a lavorare su versioni sintetiche di mucine per un possibile uso nel trattamento o nella prevenzione delle malattie infettive. Alcuni studi preliminari del laboratorio di Ribbeck suggeriscono che le mucine possono trattare efficacemente ferite infette da batteri resistenti agli antibiotici tradizionali.
Uno strumento diagnostico
Il laboratorio di Ribbeck sta anche analizzando come vischiosità e altri aspetti biofisici le proprietà del muco cambiano durante la malattia , che potrebbe aiutare i ricercatori a scoprire biomarcatori che potrebbero essere utilizzati per diagnosticare molte malattie diverse. Negli ultimi anni ha pubblicato studi che dimostrano che i cambiamenti nel muco cervicale delle donne in gravidanza possono rivelare il loro rischio di iniziare il travaglio troppo presto.
Più del 10% dei bambini nati nel mondo arriva prima del termine completo, definito come 37 settimane di gestazione, ma non c'era un modo affidabile per prevedere il travaglio pretermine. Nella speranza di trovare un utile predittore, Ribbeck ha analizzato le proprietà chimiche e meccaniche del muco cervicale. Ha scoperto che il muco delle donne ad alto rischio di travaglio precoce è meccanicamente più debole, più elastico, più permeabile e meno adesivo. La nascita pretermine può verificarsi perché il muco cervicale è più suscettibile all'invasione di microbi che possono causare infezioni.
Altre condizioni che alterano il muco includono malattie digestive come il morbo di Crohn e la colite ulcerosa, nonché malattie respiratorie. Il Santo Graal della diagnostica, dice Ribbeck, è collegare i cambiamenti nella composizione della saliva con le malattie che colpiscono le superfici mucose di tutto il corpo.
Se hai una produzione di muco aberrante in bocca, c'è la possibilità che questo sia vero per altre parti del corpo, dice. Quindi potremmo essere in grado di rilevare, dalla saliva, condizioni patologiche di superfici mucose remote. Sarà molto eccitante, perché ovviamente non è invasivo ma informativo.
Grossology 101
Ribbeck afferma che la sua ricerca è un argomento di interesse naturale per i bambini, che sfrutta per farli appassionare alla scienza. Durante le sessioni estive di Grossology offerte al Museum of Science di Boston, lei e i suoi studenti insegnano agli studenti delle scuole elementari e medie come realizzare reti polimeriche, usando la melma come materiale preferito. I bambini imparano anche le proprietà barriera uniche del muco e perché sembra così viscido.
L'intenzione qui è quella di introdurre davvero un campo per le generazioni a venire, in modo che crescano comprendendo che il muco non è un prodotto di scarto. È parte integrante della nostra fisiologia e un pezzo davvero importante della nostra salute, dice.
Sta anche lavorando a un libro per bambini con protagonista un personaggio mutaforma fatto di muco, che mette in evidenza i molti ruoli che svolge nei nostri corpi.
I bambini sono davvero affascinati dal muco e penso che parte di quel fascino potrebbe non scomparire per gli adulti, dice Ribbeck. L'altra cosa che lo rende intrigante per così tante persone, me compreso, è un elemento di sorpresa quando trovi pezzi di ingegneria così squisiti ed eleganti in qualcosa di comune come il muco.