Ricerca

I ricercatori riprogrammano cellule staminali umane per formare tessuti complessi

L'immagine mostra i modelli di tessuto che emergono dalle cellule staminali pluripotenti umane geneticamente programmate, ed è stata scattata il giorno di nove dello studio del MIT. Essa mostra l'immunostasi di nuclei cellulari per CEBPA (punto rosso, endodermica), SOX10 ( punto verde, ectodermica) e DAPI (blu, che si lega al DNA nel nucleo).

L’immagine mostra i modelli di tessuto che emergono dalle cellule staminali pluripotenti umane geneticamente programmate, ed è stata scattata il giorno di nove dello studio del MIT. Essa mostra l’immunostasi di nuclei cellulari per CEBPA (punto rosso, endodermica), SOX10 ( punto verde, ectodermica) e DAPI (blu, che si lega al DNA nel nucleo).

Una nuova tecnica per la programmazione delle cellule staminali  umane in grado di produrre diversi tipi di tessuto su richiesta può in ultima analisi consentire organi personalizzati da essere coltivate per i pazienti sottoposti a trapianto.

La tecnica, che ha anche implicazioni a breve termine per la coltivazione di tessuti di organi, come su un chip, è stata sviluppata dai ricercatori del MIT ed è presentata in uno studio pubblicato oggi sulla rivista Nature Communications.
La crescita di organi su richiesta, utilizzando cellule staminali derivate dai pazienti stessi, potrebbero eliminare la lunghe attesa che le in attesa di trapianto sono costrette a sopportare.
Si potrebbe anche ridurre il rischio di rigetto dell’organo trapiantato da parte del sistema immunitario del paziente, dal momento che il tessuto sarebbe fatto crescere dalle cellule del paziente medesimo, secondo Ron Weiss, professore di ingegneria biologica al MIT, che ha guidato la ricerca.
“Immaginate che ci sia un paziente con complicazioni al fegato”, spiega Weiss. “Potremmo prendere le cellule della pelle da quella persona e poi convertirle in cellule staminali, e quindi geneticamente programmarle per rendere il tessuto epatico, e trapiantarlo nel paziente.”
Un organo rudimentale
I ricercatori hanno sviluppato la nuova tecnica mentre indagavano se poter usare le cellule staminali per produrre cellule beta pancreatiche per il trattamento di pazienti con diabete.
Per fare questo, i ricercatori hanno dovuto escogitare un mezzo per convertire le cellule staminali in cellule beta pancreatiche su richiesta.
Come primo passo in questo processo, hanno preso staminali pluripotenti cellule umane indotte  (IPS), cellule staminali generate da fibroblasti adulti, o le cellule della pelle trasformate in “endoderma”, uno dei tre tipi di cellule primarie in un organismo in via di sviluppo. Endoderma, mesoderma ed ectoderma costituiscono i tre cosiddetti strati germinali che contribuiscono a quasi tutti i diversi tipi di cellule nel corpo. «Sono il primo vero passo di  differenziazione cellulare”, spiega Weiss.
I ricercatori hanno sviluppato un metodo per utilizzare un tipo di piccola molecola chiamata dox per indurre le cellule IPS a esprimere una proteina nota come GATA6. Questa proteina è in grado di convertire le cellule IPS in endoderma.
Piuttosto che tentare subito di convertire queste cellule endoderma in cellule pancreatiche, però, l’autore principale dello studio, Patrick Guye, ex postdoc nel laboratorio di Weiss ‘e attualmente capo laboratorio con Sanofi-Aventis a Francoforte, in Germania, ha poi deciso di consentire alle cellule di continuare la crescita, per monitorare i loro progressi.
Dopo due settimane, i ricercatori hanno scoperto che l’endoderma, mesoderma ed in alcune era anche presente nella coltura cellulare, avevano maturato ulteriormente, in modo da formare un “bocciolo” di fegato, o piccolo, fegato rudimentale.
“Abbiamo osservato lo sviluppo di molti tipi di cellule presenti nel fegato fetale, compreso lo sviluppo di reti di vasi come il sangue, diversi precursori mesenchimali, e la formazione dei primi globuli rossi e bianchi all’interno del nostro tessuto epatico-simile”, dice Guye. “Questo è particolarmente emozionante, in quanto il processo è molto simile se non identico a quello che sta accadendo sul nascere fegato presto in vivo, cioè, nel nostro sviluppo.”
Cosa c’è di più, i ricercatori hanno scoperto che solo le cellule IPS esposte a una maggiore programmazione genetica, e che, pertanto, erano andate a produrre più GATA6, erano diventate tessuto epatico. Accanto a queste le cellule IPS che non hanno prodotto molto GATA6, e sono andate a formare invece ectoderma, e poi ulteriormente maturare per diventare presto telencefalo o proencefalo.
Controllando quanto GATA6 le cellule hanno espresso, i ricercatori sono stati in grado di determinare la quantità di gemma di fegato e quanto tessuto prosencefalo è stato generato, dice Weiss.
Questo suggerisce che la tecnica potrebbe essere utilizzata per produrre non solo singoli tipi di tessuto, ma diverse combinazioni di tessuto, dice.
“Il fatto che siamo in grado di produrre endoderma, mesoderma ed ectoderma ci dà grande speranza che possiamo prendere ognuno di questi strati germinali e, auspicabilmente, far crescere qualsiasi tipo di tessuto vogliamo”, dice.
Fegato-on-a-chip
Mentre è probabile che occorra un certo tempo prima che la tecnica possa essere usata per generare organi trapiantabili, potrebbe essere utilizzata quasi immediatamente a crescere tessuto umano diverso su cui testare nuovi farmaci, dice Weiss.
Utilizzando staminali umane derivate dalle cellule di organi tessuti per testare nuovi trattamenti potrebbe essere di gran lunga più affidabile dei test sugli animali, dato che le specie diverse possono reagire in modo diverso a un farmaco, dice.
La tecnica potrebbe anche consentire ai medici di effettuare test antifarmaco su paziente-specifici. “Se non si è sicuri di avere complicazioni dal prendere un farmaco particolare, quindi prima di somministrarlo lo si può testare sul proprio fegato-on-a-chip”, spiega Weiss.
Analogamente, l’organo-on-a-chip potrebbe essere utilizzato per monitorare l’interazione tra diversi farmaci che la gente prende.
“Come persone di età matura e avanzata, alcuni stanno prendendo 10, 15, o 20 farmaci insieme, ed è impossibile per le aziende farmaceutiche testare tutte queste combinazioni per ogni individuo. Ma con questa tecnica saremmo in grado farlo” dice. “Questo è qualcosa che si può fare ora.”
Oltre a queste applicazioni terapeutiche, la tecnica potrebbe permettere ai ricercatori di ottenere una migliore comprensione dello sviluppo di diversi tipi di tessuto, come il fegato e i neuroni.
Il documento rivela alcuni meccanismi intrinseci alla base delle interazioni delle cellule staminali durante lo sviluppo del fegato, e fornisce un utile modello che mette in luce il complesso processo di embriogenesi, dice Bing Song, un professore di ingegneria dei tessuti dell’Università di Cardiff nel Regno Unito, che non era coinvolto nella ricerca.
“Nel mio campo, che unisce le cellule staminali geneticamente modificate e la stimolazione fisica (elettrica e magnetica) per curare le lesioni del midollo spinale e malattie degenerative, la carta mi ha dato alcune idee molto utili”, dice.
I ricercatori ora sperano di indagare se possono usare la tecnica per coltivare altri organi su richiesta, come ad esempio un pancreas.