Un team di ricerca padovano ha fatto ricorso alla bioingegneria per produrre cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) “naive”, simili a quelle presenti nei primi giorni di sviluppo nell’embrione. Apre le porte a nuovi importanti modelli cellulari per lo studio delle malattie rare
Tanto è sfaccettato l’universo della terapia genica e dell’editing genomico quanto è complesso quello delle cellule staminali. Nel libro Curarsi nel futuro, Valentina Fossati e Angela Simone spiegano chiaramente come sia improprio parlare solo di staminali senza specificare di che tipo di cellule si stia parlando.
Perché le cellule staminali non sono di un’unica tipologia e questo va tenuto ben presente quando si leggono i risultati dello studio apparso sulla rivista Nature Cell Biology e firmato da un gruppo di ricerca padovano.
Il team è stato guidato dal prof. Graziano Martello, del Laboratorio di Cellule Staminali Pluripotenti del Dipartimento di Medicina Molecolare dell’Università di Padova, e dal prof. Nicola Elvassore, del Laboratorio di Ingegneria delle Cellule Staminali del VIMM (Istituto Veneto di Medicina Molecolare) di Padova. Al centro di questo lavoro ci sono proprio le cellule staminali pluripotenti ed è fondamentale capire cosa esse siano.
All’inizio della sua vita la cellula uovo fecondata ha la capacità di produrre tutte le cellule del corpo ma, col passare delle ore e dei giorni, le cellule maturano la capacità di differenziarsi in maniera controllata dando origine a tessuti diversi. Proprio perché i tempi sono ristretti, e dal momento che l’embrione in fase di formazione può essere raffrontato ad un pannello di spie che rapidamente si accendono e si spengono in base all’attivazione o alla disattivazione di gruppi di geni regolatori del processo di sviluppo, lo studio dei percorsi che formano la vita è molto difficile. Di conseguenza, i modelli esistenti delle prime fasi di vita di un embrione non sono sempre precisi e, inoltre, derivare le cellule staminali embrionali dagli embrioni solleva problemi etici.
Le cellule staminali pluripotenti, infatti, possono dare origine a un’ampia varietà i cellule del nostro corpo e, oltre che da embrioni in stadio precoce, possono essere prodotte in laboratorio a partire da cellule somatiche (tra cui i fibroblasti) tramite un processo di riprogrammazione mediato dall’espressione di fattori di trascrizione quali Oct4, Sox2, Nanog, Klf4 e Tfcp2l1. Queste sigle indicano delle specifiche proteine che inquadrano l’identità delle cellule.
La scoperta dell’azione di questi fattori ha contribuito alla demolizione di uno dei dogmi della biologia, permettendo a cellule adulte di tornare a livello delle staminali embrionali. Scoperta che ha portato alla riscrittura dei libri di biologia e per la quale, nel 2012, è stato assegnato il Nobel per la Medicina e la Fisiologia al giapponese Shinya Yamanaka insieme all’inglese John B. Gurdon. La ricerca con le cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) ha compiuto cosìun balzo avanti ma, come spiegato nell’articolo apparso su Nature Cell Biology le iPSC sono cellule delicate, la cui produzione è molto costosa e che possono assumere comportamenti diversi anche se prodotte dallo stesso laboratorio. Inoltre, esse si trovano sempre in uno stadio di sviluppo coincidente con quello della seconda settimana di sviluppo dell’embrione. In pratica, per quanto efficiente sia il processo di riprogrammazione, esso consente di ottenere cellule che hanno già superato i primi quindici giorni dal momento della fusione di cellula uovo e spermatozoo. Un periodo di tempo che, in ricerca, è estremamente lungo. Le iPSC convenzionali, insomma, si collocano in uno stadio evolutivo distinto e più avanzato che i ricercatori hanno definito pluripotenza innescata. In esse è stato osservato un più elevato tasso di modificazioni epigenetiche repressive. In poche parole, esse non permettono di ripercorrere tutte le fasi del processo di sviluppo a partire dalla linea di partenza.
Pertanto, gli studiosi patavini hanno sfruttato una via di produzione delle cellule altamente sofisticata messa a punto nei laboratori del prof. Elvassore al VIMM. Si tratta della microfluidica, grazie a cui si realizza la coltivazione delle cellule in microcanali di polidimetilsilossano del diametro di un capello. Lavorando su modelli murini, i ricercatori si sono concentrati sulla produzione di cellule staminali a partire da quelle adulte. Le cellule staminali pluripotenti indotte murine, infatti, rappresentano uno stadio “naive”, caratterizzato da bassi livelli di modificazione epigenetica repressiva e sono in grado di generare in modo efficiente le cellule di tutti e tre gli strati germinali.
“Il nostro lavoro mostra come ottenere in maniera efficiente cellule staminali più immature” – spiega il prof. Elvassore – “Fondamentale è stato integrare intimamente competenze che spaziano dalla bioingegneria alla biologia delle cellule staminali. Noi, di fatto, diamo un nuovo strumento alla comunità scientifica che confidiamo possa dare un nuovo impulso alla ricerca delle cellule staminali umane. Ci stiamo già focalizzando sullo studio in vitro di alcune patologie che con le cellule staminali tradizionali non potevano essere ancora studiate”.
In effetti, la realizzazione di modelli di malattia precisi e attendibili è il prerequisito essenziale per la prosecuzione del percorso che, attraverso trial clinici di fasi e significati diversi, può condurre a nuove cure per malattie rare e pericolose. Le cellule fino ad oggi impiegate non sempre permettevano lo studio in vitro delle malattie genetiche ma, grazie al lavoro di Martello ed Elvassore presto questo ostacolo potrà essere superato.
Grazie ai bioreattori è possibile ricreare nicchie cellulare con i medesimi gradienti di concentrazione spazio-temporale di quelli presenti all’interno del nostro organismo. Proprio la scala ridotta di questi apparecchi di coltivazione delle cellule favorisce un miglior controllo delle condizioni di sviluppo delle cellule che possono essere riprogrammate con maggiore efficienza, in minor tempo e con un maggior risparmio di reagenti e nutrienti. In tal modo si ottengono volumi di dati enormi e si possono arrivare a vedere e studiare fenomeni che su una piastra sono impossibili da osservare. Tanto che le cellule ottenute dai ricercatori presentano uno stadio di sviluppo simile a quello di un embrione di circa 5 o 6 giorni (il cosiddetto stadio “naive”).
“Siamo i primi ad ottenere in modo efficiente cellule pluripotenti con stato di sviluppo più primitivo a partire da cellule adulte, i fibroblasti ottenute da piccole biopsie cutanee” – conferma il prof. Martello – “Inoltre, siamo i primi a mostrare che tali cellule differenziano efficientemente, ossia sanno dare origine indifferentemente a cellule di interesse biomedico, come neuroni, epatociti o cellule del fegato”. Non è difficile dedurre come questa ricerca, finanziata da Armenise Harvard Foundation, Fondazione Telethon e Fondazione CaRiPaRo, possa costituire una preziosa indicazione della via da seguire per tutti i ricercatori che lavorano con le staminali in vitro, dando la possibilità di elaborare modelli accurati di malattia grazie a cui studiare tutte le fasi di sviluppo della stessa, per mettere a punto terapie mirate ed efficaci.
