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Diabete tipo 1 – Tecnologia delle cellule staminali: l’unica costante è il cambiamento

Synthego, una società nota per i suoi prodotti e servizi di ingegneria del genoma, sta ampliando l’offerta includendo cellule staminali pluripotenti indotte da CRISPR su ordinazione e kit di modifica delle cellule staminali. Utilizzando i kit, i ricercatori possono apportare modifiche su larga scala al genoma nelle cellule staminali. Ad esempio, gli scienziati del Laboratory of Neurogenetics del National Institute on Aging stanno utilizzando la tecnologia CRISPR di Synthego per introdurre varianti genetiche associate alla malattia di Alzheimer e relative demenze in un background genetico coerente.

Proprio come non si può fare due passi nello stesso fiume due volte, non si può trovare nulla di fisso nella ricerca sulle cellule staminali, dove si troverà invece che le rivelazioni e altre scoperte continuano a scorrere. Di conseguenza, molto è cambiato dalla rivelazione originale, la scoperta di quasi quattro decenni di cellule staminali embrionali nei topi. Studi successivi hanno portato all’isolamento delle cellule staminali embrionali umane, che sono state poi coltivate in laboratorio, nonché allo sviluppo di tecniche di riprogrammazione e alla generazione di cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC). Più recentemente, i progressi nella biotecnologia e l’editing del genoma hanno favorito una moderna evoluzione dei progressi delle cellule staminali che non mostra segni di rallentamento.

L’evoluzione della tecnologia delle cellule staminali continua nonostante le continue controversie. Oltre alle obiezioni alla ricerca sulle cellule staminali embrionali umane, vi sono preoccupazioni riguardo alle terapie basate su cellule staminali non provate e non approvate. Tali terapie sono state collegate a gravi complicazioni. Gli unici prodotti a base di cellule staminali che hanno ricevuto l’approvazione della FDA sono quelli costituiti da cellule staminali che formano il sangue (cellule progenitrici ematopoietiche) derivate dal sangue cordonale. Tali prodotti sono adatti solo per pazienti con malattie del sangue o del midollo osseo.

Nonostante gli avvertimenti di rinomati scienziati e autorità di regolamentazione, le persone desiderose di beneficiare della medicina rigenerativa possono rivolgersi a cliniche di cellule staminali, se non per sé stesse, quindi per i loro amati animali domestici. Ad esempio, i proprietari di cani potrebbero essere attratti da una società di biotecnologie animali chiamata Gallant, che ha recentemente lanciato un servizio bancario di cellule staminali per cani. La società ottiene le cellule staminali di un cane dai tessuti raccolti durante la normale sterilizzazione. Queste cellule, suggerisce la società, potrebbero giovare alla salute dell’animale in futuro.

Lontano dai servizi sulle cellule staminali che offrono solo prove aneddotiche di efficacia o nessuna prova, ci sono progressi in buona fede nella ricerca sulle cellule staminali. Questi progressi potrebbero ingannare un pubblico credulone, ma sono gli indicatori più affidabili del progresso. In questo articolo, viene prestata la dovuta attenzione ad alcuni dei più significativi progressi delle cellule staminali: l’applicazione della modifica del genoma CRISPR agli iPSC; lo sviluppo di terapie con cellule staminali per il diabete; e la creazione di embrioni sintetici derivati ??da cellule staminali.

Cambiare le cellule staminali mantenendo il loro stato

La ricerca sulle cellule staminali è quasi indifferente all’editing del genoma, che sta subendo un cambiamento rivoluzionario. Data la capacità degli iPSC derivati ??dal paziente di modellare le malattie e la promessa dell’editing genetico di fornire cure, alcuni ricercatori stanno sposando le due discipline. Insieme, possono portare a trattamenti di gran lunga superiori a quelli ottenibili con entrambe le discipline da sole.

Fino a poco tempo fa, osserva Lee Spraggon, PhD, responsabile dello sviluppo dell’ingegneria cellulare presso Synthego, c’era un’inerzia nello spostare l’editing genetico su larga scala in iPSC. Al momento, tuttavia, lo slancio sta crescendo. Secondo Spraggon, ci sono centri clinici che hanno grandi archivi di linee iPSC che desiderano modificare. Potrebbero, ad esempio, introdurre modifiche associate alla malattia nelle linee iPSC o riportare gli iPSC derivati ??dal paziente a un genotipo wild-type.

Un leader del settore, Bruce Conklin, MD, ricercatore senior presso il Gladstone Institute of Data Science and Biotechnology dell’Università della California, San Francisco, dice a GEN che “iPSC umani e cellule staminali embrionali umane erano molto difficili da fare con primo. È stato molto difficile apportare modifiche genetiche. ” Spiega che i nuovi strumenti di ingegneria del genoma (come la nucleasi del dito di zinco, la nucleasi effettrice simile a un attivatore di trascrizione e i sistemi nucleasi CRISPR-Cas) hanno rivoluzionato la capacità dei ricercatori di introdurre modifiche genetiche mirate che possono rivelare meccanismi patologici e target terapeutici.

Mostrando che un genotipo specifico (modifica) è sufficiente per apportare un cambiamento fenotipico, Conklin note, può essere fornita una prova della relazione. Questo collegamento genotipo-fenotipo può consentire ai ricercatori di scoprire connessioni nascoste una volta. E lo sfruttamento di queste connessioni potrebbe aiutare i ricercatori a stabilire nuovi usi per iPSC nella genetica umana, nella modellizzazione delle malattie e nella scoperta di farmaci.

Alcuni ricercatori scelgono di eseguire il montaggio da soli. Ma ci sono sfide uniche che presentano le linee iPSC. Lavorare con iPSC in un ambiente di coltura, spiega Spraggon, non è come lavorare con altre cellule comunemente usate nella coltura cellulare. Con le linee cellulari immortalate, dice, si può essere “meno cauti”. Con le cellule staminali, occorre prestare maggiore attenzione. Tutto deve essere “puntuale”. Secondo Spraggon, le colture di cellule staminali rappresentano la tecnologia di coltura cellulare standard di riferimento.

Synthego offre un servizio in grado di introdurre modifiche genomiche su larga scala. Offrendo knock out o knock in, il servizio apporta modifiche alle linee cellulari interne di Synthego o alle linee iPSC derivate dal paziente. La società può anche aggiungere tag epitopi che consentono di seguire le proteine, ad esempio, nel tentativo di comprendere il ruolo fisiologico di una proteina nella cellula.

La prima area di ricerca che Spraggon ritiene trarrà beneficio da un tale servizio è la neuroscienza. In effetti, Synthego ha annunciato una partnership con l’NIH per un programma multimilionario volto a comprendere meglio le malattie neurodegenerative. Synthego è stato incaricato di generare iPSC con varie modifiche genomiche e produrrà molti cloni iPSC altamente caratterizzati per la comunità di ricerca. Questo lavoro potrebbe essere fatto manualmente, osserva Spraggon. Ma ci vorrebbe un tempo incredibilmente lungo.

“Il nostro approccio”, spiega Mark Cookson, PhD, ricercatore senior presso il Laboratory of Neurogenetics presso il National Institute on Aging, “è utilizzare CRISPR-Cas9 per introdurre varianti genetiche umane associate all’Alzheimer e alle relative demenze, con livelli variabili di impatto patogeno, in un background genetico coerente. ” Il laboratorio sta testando diverse linee di sfondo per la loro capacità di rimanere genomicamente stabili dopo la modifica, spiega, in modo che la risorsa risultante sia il più qualificata possibile per la comunità.

Per Synthego non è stato facile modificare la sua piattaforma di editing genetico per adattarsi agli iPSC, descrive Spraggon. È stato particolarmente impegnativo, afferma, ottenere coerenza. Tuttavia, la società si è impegnata a garantire un elevato livello di controllo di qualità per garantire che le cellule che escono dalla piattaforma siano le stesse che vengono inserite in essa, ad eccezione delle modifiche al genoma previste.

“Effettuare il montaggio nella cella non è così difficile”, afferma Spraggon. La sfida, dice, è quella di mantenere gli iPSC nel loro stato pluripotente e indifferenziato. Se le cellule si differenziano, sono inutili.

Il team del Salk Institute che ha guidato la ricerca sugli embrioni sintetici derivati ??dalle cellule staminali: Ronghui Li, PhD, Juan Carlos Izpisua Belmonte, PhD e Cuiqing Zhong, PhD

Il diabete di tipo 1 potrebbe essere il prossimo in linea

Le cellule staminali stanno avanzando lungo un percorso volto  ai trattamenti delle malattie. La prova che l’ondata sta arrivando bene include il recente annuncio che Semma Therapeutics, uno sviluppatore di tecnologie di cellule staminali per il trattamento del diabete, ha accettato di essere acquisito dal gigante farmaceutico Vertex Pharmaceuticals. Semma, fondata dal pioniere delle cellule staminali Douglas A. Melton, PhD, diventerà una filiale operativa separata di Vertex a seguito di una considerevole transazione in contanti: $ 950 milioni. Dopo l’acquisizione, Melton continuerà a ricoprire il ruolo di presidente del comitato consultivo scientifico di Semma.

Oltre al suo lavoro alla Semma, Melton è professore della Xander University ad Harvard e condirettore dell’Istituto di cellule staminali di Harvard. Ad Harvard, Melton partecipa alla ricerca che utilizza modelli animali per illuminare la biologia dello sviluppo del pancreas. Applicata alle cellule umane, la ricerca potrebbe portare allo sviluppo di cellule b che producono insulina per i diabetici. L’obiettivo finale è trovare una cura per il diabete di tipo 1, la condizione cronica che colpisce oltre 1,5 milioni di persone negli Stati Uniti.

Attualmente, i diabetici richiedono iniezioni multiple di insulina al giorno e monitoraggio costante della glicemia. Presto potrebbero essere disponibili alternative migliori. Ad esempio, i diabetici potrebbero ricevere trapianti di cellule b che producono insulina nelle isole pancreatiche. Il materiale da trapianto sarebbe generato da cellule staminali coltivate in laboratorio.

La ricerca sulle cellule staminali condotta da Melton ad Harvard informa il lavoro sullo sviluppo di Semma. E entrambe le attività sono ispirate, in parte, da uno dei viaggi personali di Melton. Anni fa, quando ai figli di Melton fu diagnosticato il diabete di tipo 1, decise di guidare il lavoro del suo laboratorio allo sviluppo di una cura.

Gli interessi accademici e di settore di Melton erano entrambi evidenti in un documento di ricerca pubblicato su Nature all’inizio di quest’anno. L’articolo, intitolato “Identificazione dell’identità cellulare durante la differenziazione delle cellule b in vitro umana”, è stato fornito da autori che rappresentano sia il laboratorio di Melton che Semma. Ha descritto come il sequenziamento dell’RNA a singola cellula è stato utilizzato per analizzare più di 100.000 cellule durante la differenziazione delle cellule staminali in cellule che producono ormoni. Inoltre, l’articolo ha dettagliato i passaggi di differenziazione seguiti dalle cellule progenitrici pancreatiche.

L’analisi degli autori, ha osservato un articolo di News & Views di accompagnamento in Nature, ha mostrato una “profonda comprensione meccanicistica della differenziazione delle cellule insulari dalle cellule staminali”. Da parte loro, gli autori del documento di ricerca hanno affermato che il loro lavoro “guiderà gli sforzi futuri che si concentrano sulla differenziazione delle cellule di isole pancreatiche e le loro applicazioni nella medicina rigenerativa “.

Elaborando la prospettiva dello sviluppo, David Altshuler, MD, PhD, vicepresidente esecutivo, ricerca globale e CSO di Vertex, hanno contribuito alla seguente citazione a un comunicato stampa sull’acquisizione di Semma: “L’approccio terapeutico aperto da Semma ha il potenziale per affrontare la biologia umana causale del diabete di tipo 1, una malattia grave inadeguatamente controllata dalle terapie esistenti. A differenza delle iniezioni di insulina e delle pompe di insulina, il trapianto di cellule insulari può fornire una regolazione fisiologica della glicemia, potenzialmente migliorando o prevenendo sia gli episodi iperglicemici che ipoglicemizzanti associati agli attuali standard di cura. “(Vertex ha rifiutato un invito a commentare questa storia.)

Dalle cellule staminali coltivate agli embrioni artificiali

Il lavoro di Juan Carlos Izpisua Belmonte, PhD, professore presso il Gene Expression Laboratory all Salk Institute, ha portato a innovazioni in molteplici aree della biologia delle cellule staminali e dello sviluppo dei mammiferi.

Nel 2017, ha presentato uno studio di test del concetto che mostra come gli organi funzionali di una specie possono essere coltivati ??in un’altra. Combinando l’editing genetico e le tecnologie delle cellule staminali, Izpisua Belmonte e colleghi sono stati in grado di far crescere un pancreas di ratto, un cuore e gli occhi in un topo in via di sviluppo. Sono stati anche in grado di generare cellule e tessuti umani in embrioni di suini e bovini in fase iniziale. Questo lavoro ha contribuito alla selezione di Izpisua Belmonte come una delle “50 persone più influenti nella sanità” della rivista Time nel 2018. Altre attività del suo laboratorio si sono concentrate sulla guarigione e l’invecchiamento delle ferite.

Una collaborazione con Jun Wu, PhD, assistente professore presso il UT Southwestern Medical Center e un ex post dottorato nel laboratorio di Belmonte, Izpisua Belmonte ha stabilito che i modelli di embrioni precoci possono essere generati dalle cellule staminali del topo. Più specificamente, i ricercatori hanno dimostrato che le cellule staminali pluripotenti estese dai topi – cellule trattate per mantenere la pluripotenza – possono, in coltura, auto-organizzarsi per formare strutture simili alla blastocisti. Il lavoro è pubblicato su Cell in un documento intitolato “Generazione di strutture simili a blastocisti da colture embrionali di topo e di colture cellulari adulte”. Questo lavoro, che segna la prima volta che strutture simili a blastocisti sono state create da una singola cellula coltivata, può eliminare la necessità per le cellule sessuali di creare organismi viventi.

“Questo lavoro fa avanzare il campo relativo agli embrioni sintetici derivati ??dalle cellule staminali”, afferma Wu a GEN . Costruendo embrioni artificiali in vitro utilizzando cellule staminali coltivate, osserva Wu, “otterremo nuove intuizioni sui processi molecolari e cellulari che si verificano durante lo sviluppo iniziale.” Studiare lo sviluppo dei mammiferi, spiega, è fondamentale per sviluppare efficaci protocolli di differenziazione delle cellule staminali per medicina rigenerativa.

Gli embrioni sintetici derivati ??da cellule staminali sono principalmente utilizzati per studi di base in questa fase. Ma, in futuro, se possono essere generati embrioni sintetici umani, spiega Wu, possono essere usati per modellare la malattia e far progredire il preimpianto e l’impianto. Wu riassume il ruolo di questo lavoro nel far progredire il campo delle cellule staminali citando il fisico vincitore del premio Nobel Richard Feynman, PhD: “Ciò che non posso creare, non capisco.”

Autrice

Julianna LeMieux, PhD, è scrittrice scientifica senior per GEN, articolo originale.

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