Svelato il mistero delle strisce nei globuli rossi / Mystery of Red Blood Cell Stripe Patterns Unravelled

 Svelato il mistero delle strisce nei globuli rossi / Mystery of Red Blood Cell Stripe Patterns Unravelled

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Uno studio dimostra che la formazione di strisce nei globuli rossi è determinata dal numero di cellule.

I motivi a strisce sono comuni in natura: ad esempio, uccelli e pesci si muovono in stormi e banchi coordinati, le impronte digitali formano disegni unici e le zebre possono essere identificate dalle loro strisce distintive.

Ciò che influenza la formazione di questi modelli è stato a lungo fonte di mistero, ma gli scienziati dell'Università di Bristol e dell'Università del Saarland in Germania hanno dimostrato che la risposta potrebbe risiedere all'interno, nei globuli rossi umani. Le loro scoperte potrebbero portare a una migliore diagnosi delle malattie del sangue. 

La ricerca, pubblicata sulla rivista  PNAS,  rivela che i motivi a strisce che compaiono quando i globuli rossi vengono separati in una centrifuga sono causati principalmente dall'attrazione e dall'adesione delle cellule stesse alle cellule vicine, contrariamente a quanto si credeva in precedenza. 

Il coautore principale, il dott. Alexis Darras, docente di fisica presso l'Università di Bristol, ha affermato: "In precedenza si supponeva che questi modelli si verificassero a causa del processo di invecchiamento irregolare e della conseguente perdita di acqua dei globuli rossi durante la loro vita, che dura circa tre mesi. 

"Ma il nostro studio mette in discussione questa ipotesi e conferma che la vera causa non è la perdita d'acqua, ma l'aggregazione cellulare. È una scoperta straordinaria, che potrebbe avere applicazioni di vasta portata". 

Quando i globuli rossi vengono centrifugati in una  soluzione che diventa gradualmente più pesante dall'alto verso il basso, si osserva uno schema irregolare: le cellule si raccolgono in "strisce" rosse dall'alto verso il basso, con strisce bianche in mezzo dove si trovano meno globuli rossi. 

Il Dott. Darras ha spiegato: "Le cellule del sangue più giovani, appena formate, contengono più acqua; le cellule più vecchie ne contengono meno. Le cellule più vecchie hanno quindi una densità maggiore perché l'emoglobina rimanente è più pesante dell'acqua. Quindi le cellule più vecchie si depositano sul fondo durante la centrifugazione, mentre quelle più giovani si accumulano in superficie perché hanno una densità inferiore e sono più leggere". 

Negli esperimenti, i fisici hanno mescolato globuli rossi in un mezzo composto da acqua, sali e nanoparticelle e li hanno centrifugati.  

Felix Maurer, coautore principale e dottorando presso l'Università del Saarland, ha affermato: "Come i palloni meteorologici nell'atmosfera terrestre che si assottiglia, i globuli rossi si distribuiscono in modo che ogni cellula rimanga a un'altezza di equilibrio, ovvero il punto in cui la sua densità media è uguale a quella dell'ambiente circostante". 

I risultati hanno dimostrato che la formazione delle strisce era determinata dal numero elevato di cellule. 

"Il modello emerge solo attraverso l'interazione di moltissime cellule. Nel nostro esperimento, circa un miliardo di cellule erano in un singolo tubo. Riducendo il numero di cellule, abbiamo osservato un comportamento completamente diverso", ha aggiunto Felix.  

“Senza aggregazione, cioè senza che le cellule si attacchino tra loro, le cellule si distribuiscono uniformemente e non si formano strisce.” 

Ciò significa che il tipico motivo a strisce si forma solo grazie al raggruppamento di numerose cellule in uno spazio ristretto, unito all'azione della gravità. 

Queste nuove intuizioni potrebbero aprire la strada a nuovi approcci diagnostici per le malattie del sangue, come l'anemia falciforme, in cui le cellule si deformano ed il loro comportamento di flusso e raggruppamento cambia. 

Christian Wagner, coautore principale dello studio e professore di fisica presso l'Università del Saarland, ha affermato: "Nell'anemia falciforme, ad esempio, si manifesta un diverso schema a strisce e finora nessuno era riuscito a spiegarne il motivo". 

Un'altra parte dello studio affronta il modo in cui modelli e strutture nascono in natura. Per esplorare e spiegare questo fenomeno, i fisici hanno creato un modello matematico basato sulla cosiddetta Teoria del Funzionale Densità Dinamica,  un metodo per prevedere come le particelle si muovono e si dispongono nel tempo in base alle loro interazioni ed allo spazio circostante. 

Il Prof. Wagner ha affermato: "Un'equazione simile a quella da noi sviluppata descrive anche le strisce delle zebre, gli stormi di uccelli e le impronte digitali. Nel nostro caso, le interazioni a corto raggio tra singole cellule determinano una larghezza e una spaziatura delle strisce preferenziali.  

"Anche gli stormi di uccelli mostrano un comportamento collettivo, formando schemi basati su semplici regole di vicinato. Un'idea simile si applica alla formazione delle impronte digitali. È sorprendente pensare che osservazioni specifiche delle cellule del sangue in laboratorio ci aiutino a comprendere meglio le leggi fondamentali della natura." 

ENGLISH

Study shows that stripe formation in red blood cells is driven by the sheer number of cells.

Stripe patterns are commonly seen in nature – for instance birds and fish move in coordinated flocks and schools, fingerprints form unique designs, and zebras can be identified by their distinctive stripes.

What influences such pattern formations has long been a source of mystery, but scientists from the University of Bristol and Saarland University in Germany, have shown the answer may lie within – in human red blood cells. Their findings could lead to better diagnostics for blood disorders. 

The research, published in the journal PNAS, reveals the stripe patterns which appear when red blood cells are separated in a centrifuge are primarily caused by the cells’ own attraction and adhesion to neighbouring cells, contrary to previous belief. 

Co-lead author Dr Alexis Darras, Lecturer in Physics at the University of Bristol, said: “It was previously assumed these patterns occurred due to the irregular ageing process and associated water loss of red blood cells during the red blood cell lifespan of around three months. 

‘But our study challenges this and confirms that the real cause is not water loss, it’s cell aggregation. It’s a remarkable discovery, which could have far-reaching applications.” 

When red blood cells are centrifuged in a solution that gets gradually heavier from top to bottom, an irregular pattern appears: the cells gather in red ‘stripes’ from top to bottom, with white stripes in between where fewer red blood cells are found. 

Dr Darras explained: “Younger blood cells, which have just formed, contain more water; older cells contain less. Older cells therefore have a higher density because the remaining hemoglobin is heavier than water. So older cells settle at the bottom during centrifugation, while younger ones accumulate at the top as they are lower density and lighter.” 

In experiments, the physicists mixed red blood cells into a medium of water, salts, and nanoparticles and centrifuged them.  

Co-lead author Felix Maurer, a PhD student at Saarland University said: “Like weather balloons in Earth’s thinning atmosphere, red blood cells distribute so that each cell remains at an equilibrium height – the point where its average density equals that of the surrounding medium.” 

Findings showed that stripe formation was driven by the sheer number of cells. 

“The pattern only emerges through the interaction of very many cells. In our experiment, about one billion cells were in a single tube. When the number of cells was reduced, we observed completely different behaviour,” Felix added.  

“Without aggregation, i.e. cells sticking together, the cells distribute evenly, and no stripes form.” 

This means the typical stripe pattern is only formed due to many cells clustering in a confined space combined with the pull of gravity. 

These new insights could pave the way for new diagnostic approaches to blood disorders, such as sickle cell anemia, where cells deform and their flow and clustering behaviour changes. 

Co-lead author Christian Wagner, Professor of Physics at Saarland University, said: “In sickle cell anemia, for example, a different stripe pattern appears and until now, no one could explain why.” 

Another part of the study addresses how patterns and structures arise in nature.  To explore and ultimately explain this, the physicists created a mathematical model based on the so-called Dynamic Density Functional Theory, which is a way to predict how particles move and arrange themselves over time based on their interactions and the space around them. 

Prof Wagner said: “A similar equation to the one we developed also describes zebra stripes, bird flocks, and fingerprints. In our case, short-range interactions between individual cells lead to a preferred stripe width and spacing.  

“Bird flocks also exhibit collective behaviour, forming patterns based on simple neighborhood rules. A similar idea applies to fingerprint formations. It’s amazing to think that specific observations of blood cells in the lab help us better understand fundamental laws of nature.” 

Da:

https://www.technologynetworks.com/tn/news/mystery-of-red-blood-cell-stripe-patterns-unravelled-408203?utm_campaign=NEWSLETTER_TN_Breaking%20Science%20News&utm_medium=email&_hsenc=p2ANqtz-9ziPHCEyUT7c5-ItcZNZq8Kb5YVvXKe7gT_9-FIruNVHnPAR7kTTVsl30OzUaIEmCDh1uLzy4qfj_0b35c_rvgNhVpqq3xSY9RXchUgU5qje3LjRw&_hsmi=395757701&utm_content=395757701&utm_source=hs_email