Gli scienziati della USC scoprono come creare una fornitura infinita di cellule in grado di combattere il cancro.

Nel campo della medicina moderna, la lotta contro il cancro sta vivendo una fase di straordinaria evoluzione. Tra tutte le strategie oggi studiate, l’immunoterapia rappresenta uno dei filoni più promettenti: anziché attaccare le cellule tumorali esclusivamente con farmaci chimici o radiazioni, questo approccio insegna e potenzia il sistema immunitario del paziente affinché riconosca e distrugga autonomamente la malattia.

Tuttavia, finora i medici e gli scienziati si sono scontrati con grandi ostacoli tecnici. Le cellule immunitarie prelevate dai pazienti o dai donatori tendono a stancarsi rapidamente, faticano a moltiplicarsi in grandi numeri all’esterno del corpo e, una volta reintrodotte nell’organismo, spesso scompaiono prima di aver completato il loro lavoro.

Una ricerca pionieristica condotta dai ricercatori della University of Southern California (USC), guidati dal professor Qi-Long Ying della Keck School of Medicine, e in collaborazione con l’Università di Stanford, ha aperto una via completamente nuova. Gli scienziati hanno scoperto il modo di trasformare una specifica classe di cellule immature in una fonte inesauribile e rinnovabile di difensori immunitari intelligenti.

Il mistero del sistema immunitario e la scoperta della giovinezza cellulare

Per comprendere la portata di questa scoperta, occorre immaginare il nostro sangue come una grande fabbrica. Al vertice di questa fabbrica ci sono le cellule staminali ematopoietiche, cioè le cellule “madre” capaci di dare origine a tutti i tipi di cellule del sangue, dai globuli rossi alle piastrine, fino ai globuli bianchi.

Per decenni la biologia ha insegnato una regola fondamentale: solo le cellule staminali “madre” possiedono l’autorinnovamento a lungo termine, ovvero la capacità straordinaria di dividersi all’infinito mantenendo inalterata la propria identità. Quando queste cellule iniziano a specializzarsi, diventano cellule progenitrici, cioè cellule “figlie” destinate a svolgere compiti più specifici. Si è sempre creduto che i progenitori avessero un orologio biologico a termine e potessero dividersi solo poche volte prima di maturare definitivamente o morire.

I ricercatori della USC hanno smentito questo dogma focalizzandosi su un tipo particolare di progenitore, il progenitore granulocitario-monocitario (GMP). Le cellule GMP sono i precursori naturali dei macrofagi, le cellule spazzino del corpo umano. Gli scienziati hanno scoperto che, fornendo alle cellule GMP una specifica ed equilibrata combinazione di sostanze chimiche in laboratorio, è possibile fermare il loro orologio biologico: le cellule continuano a moltiplicarsi per lunghi periodi senza invecchiare, senza maturare prematuramente e mantenendo intatta la capacità di trasformarsi in macrofagi perfettamente funzionanti quando necessario.

Perché i macrofagi sono le armi perfette contro i tumori solidi

Molte delle attuali immunoterapie si basano sull’uso dei linfociti T, un altro gruppo di cellule immunitarie riprogrammate per attaccare il cancro. Sebbene i linfociti T abbiano ottenuto risultati straordinari contro alcuni tumori del sangue, come le leucemie, incontrano enormi difficoltà contro i tumori solidi, come i tumori al polmone, al seno, al colon o al cervello. I tumori solidi creano una sorta di fortezza difensiva attorno a sé, ostacolando l’ingresso dei linfociti.

I macrofagi, il cui nome deriva dal greco e significa “grandi mangiatori”, possiedono caratteristiche uniche che li rendono candidati ideali per superare questo limite:

• Infiltrazione nei tessuti: a differenza di altre cellule, i macrofagi sono biologicamente programmati per viaggiare attraverso i tessuti e penetrare in profondità all’interno delle masse tumorali.

• Azione diretta: sono capaci di inglobare e distruggere direttamente le cellule malate attraverso un processo chiamato fagocitosi.

• Coordinamento della risposta: rilasciano segnali chimici che richiamano e attivano l’intero sistema immunitario, svegliando altre cellule difensive vicine.

Tuttavia, produrre macrofagi maturi in laboratorio presenta seri problemi. I macrofagi adulti non si dividono, sono estremamente difficili da modificare geneticamente e soffrono enormemente i processi di congelamento e scongelamento necessari per la conservazione e la spedizione dei farmaci. Inoltre, quando vengono iniettati nei pazienti, tendono ad accumularsi nei polmoni e nel fegato, venendo eliminati rapidamente prima di raggiungere il tumore.

Partire dalle cellule GMP risolve tutti questi problemi in un solo colpo. Lavorare con le cellule progenitrici immature consente infatti di moltiplicarle all’infinito in provetta, modificarle geneticamente con facilità, congelarle senza danneggiarle e iniettarle nell’organismo, dove andranno naturalmente a insediarsi nel midollo osseo, creando una vera e propria fabbrica interna di nuovi macrofagi antitumorali.

L’ingegnerizzazione genetica: super-cellule pronte all’uso

Dopo aver dimostrato che le cellule GMP possono moltiplicarsi senza limiti, il team di ricerca le ha modificate geneticamente per dotarle di strumenti di caccia avanzati:

1. Il recettore CAR (Chimeric Antigen Receptor): gli scienziati hanno inserito sulle GMP un recettore artificiale capace di riconoscere con precisione chirurgica le molecole presenti sulla superficie delle cellule tumorali. In questo modo, quando il macrofago maturo incontra il tumore, lo riconosce immediatamente come bersaglio da distruggere.

2. Segnali di attivazione immunitaria: il team ha aggiunto un secondo segnale chimico amplificatore. Questo segnale permette alle cellule ingegnerizzate di risvegliare e reclutare i linfociti T e altre cellule difensive dell’ospite, orchestrando un attacco corazzato e multilivello contro la massa tumorale.

3. Compatibilità universale (“pronti all’uso”): il segnale aggiuntivo ha mostrato la capacità di rimanere efficace anche quando le caratteristiche immunitarie del donatore non corrispondono perfettamente a quelle del ricevente. Questo apre la strada alla creazione di trattamenti allogenici, ovvero banche di cellule donate, modificate e conservate, pronte per essere somministrate immediatamente a qualsiasi paziente senza doversi limitare alle lunghe e costose terapie personalizzate.

Nelle sperimentazioni condotte su modelli animali affetti da tumori del sangue e tumori solidi, l’iniezione delle GMP modificate ha portato a un netto rallentamento della progressione della malattia. Le cellule si sono stabilite nel midollo osseo, continuando a rilasciare a lungo termine nuove generazioni di cellule immunitarie combattenti.

Applicazioni al di là dell’oncologia: la cura delle malattie ereditarie

La versatilità della piattaforma GMP si estende ben oltre la cura del cancro. Per dimostrare la portata generale di questo metodo, i ricercatori hanno condotto esperimenti su modelli di malattia granulomatosa cronica, una patologia genetica ereditaria in cui i macrofagi e i neutrofili non riescono a produrre le sostanze necessarie a uccidere i batteri, esponendo i pazienti a infezioni gravi e ricorrenti.

Dopo la somministrazione delle cellule GMP corrette ed espanse in laboratorio, gli animali da esperimento hanno riacquistato la piena capacità di debellare le infezioni batteriche. Questo dimostra che la piattaforma può essere impiegata per correggere deficit genetici del sistema immunitario e trattare patologie infettive complesse.

Approfondimenti tecnici e meccanismi di laboratorio

Di seguito vengono analizzati in dettaglio i passaggi biochimici e le dinamiche cellulari identificati dagli scienziati nello studio pubblicato su Cell:

• Composizione del terreno di coltura e mantenimento dello stato indifferenziato: l’espansione a lungo termine dei progenitori GMP (granulocito-monocitari) è resa possibile da una miscela chimica definita con precisione. Questa formulazione inibisce i pathway di segnalazione intracellulare che normalmente guidano il differenziamento terminale (come le cascate delle MAPK/ERK e di fattori di trascrizione specifici della linea mieloide), mantenendo al contempo attivi i circuiti genici legati al ciclo cellulare e all’autorinnovamento.

• Profilo epigenetico e trascrizionale: le analisi di sequenziamento dell’RNA su singola cellula (scRNA-seq) e dell’accessibilità della cromatina (ATAC-seq) mostrano che le cellule GMP estese mantengono una firma trascrizionale stabile. Nonostante le numerose divisioni cellulari in vitro, non si osservano trasformazioni leucemiche né anomalie cariotipiche, confermando la sicurezza biologica del processo.

• Efficienza di trasduzione e costrutti genici: le cellule GMP si prestano con elevata efficienza alla trasduzione tramite vettori virali (come lentivirus e retrovirus) o sistemi di editing genomico non virali (CRISPR/Cas9). Il costrutto CAR ingegnerizzato viene integrato stabilmente ed espresso durante tutte le fasi di differenziamento successivo, garantendo che ogni macrofago derivato esprima il recettore chimerico sulla propria membrana plasmatica.

• Homing e nicchia nel midollo osseo: a seguito dell’infusione sistemica, i progenitori GMP ingegnerizzati sfruttano l’asse di segnalazione delle chemochine (in particolare la via CXCR4/SDF-1) per attraversare l’endotelio vascolare e localizzarsi all’interno delle nicchie ematopoietiche del midollo osseo. Qui continuano a dividersi e a rilasciare progressivamente monociti e macrofagi funzionali nel circolo sanguigno periferico e verso i siti tumorali.

• Meccanismo di superamento del microambiente immunosoppressivo: all’interno della massa tumorale, i macrofagi derivati da GMP-CAR non solo fagocitano le cellule neoplastiche target, ma invertono lo stato di immunosoppressione tipico del microambiente neoplastico. Rilasciando citochine pro-infiammatorie (come IL-12 e TNF-alfa), convertono il fenotipo M2 tumor-promotore dei macrofagi residenti in un fenotipo M1 antitumorale, stimolando il reclutamento cross-attivo delle cellule T CD8+ e delle cellule Natural Killer (NK).

Traduzione abstract. La disponibilità dello studio completo, in accesso libero o riservato, è verificabile tramite il link del DOI nel box sotto se disponibile.

Punti salienti

•Condizioni definite consentono l’espansione scalabile dei progenitori granulocitari-monocitari

•L’inibizione della mieloperossidasi sblocca la proliferazione sostenuta dei progenitori mieloidi

•I progenitori modificati con CAR si innestano e generano potenti cellule mieloidi antitumorali.

•I recettori modificati con CAR-Fc reclutano l’immunità dell’ospite per superare le barriere allogeniche

Abstract

I macrofagi ingegnerizzati sono promettenti per l’immunoterapia dei tumori, ma presentano limitazioni dovute alla scarsa espansione ex vivo , alla manipolabilità genetica e alla biodistribuzione dopo il trasferimento. In questo studio, sviluppiamo condizioni di coltura definite che consentono l’espansione a lungo termine di progenitori granulocitari-monocitari (GMP) di topo e umani, preservandone l’identità e il potenziale mieloide, e stabilendo i GMP come piattaforma di ingegneria rinnovabile. A livello meccanicistico, identifichiamo la mieloperossidasi come regolatore della proliferazione dei GMP. I GMP espansi sono facilmente ingegnerizzabili e, dopo il trasferimento, colonizzano le nicchie ematopoietiche e generano mielopoiesi derivata dal donatore, ripristinando la difesa antibatterica nei topi affetti da malattia granulomatosa cronica e producendo un’abbondanza di macrofagi infiltranti il ​​tumore. I GMP ingegnerizzati con recettori chimerici per l’antigene (CAR) sopprimono la leucemia CD19-positiva e i tumori solidi HER2-positivi. Introduciamo inoltre un CAR che incorpora un dominio Fc di immunoglobulina G (IgG) in grado di reclutare fagociti che esprimono il recettore Fc dell’ospite, di attivare le cellule T anche in presenza di incompatibilità del complesso maggiore di istocompatibilità (MHC) e di migliorare l’efficacia in modelli tumorali allogenici immunocompetenti. Nel complesso, questi risultati dimostrano che le GMP espandibili rappresentano una piattaforma scalabile per l’immunoterapia ingegnerizzata.

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