Una nuova scoperta scientifica nel campo delle cellule staminali e del cuore

l progresso della medicina rigenerativa sta facendo passi da gigante grazie alle ricerche innovative condotte da un team di scienziati, guidato dal responsabile del progetto Yuichiro Miyaoka presso l’Istituto di Scienze di Tokyo e l’Istituto di Ricerca Medica di Tokyo. La ricerca, pubblicata sulla prestigiosa rivista scientifica Communications Biology, ha svelato una tecnica rivoluzionaria per migliorare la maturazione delle cellule cardiache coltivate in laboratorio. Questa scoperta apre scenari inediti per la cura delle malattie cardiache e per la sperimentazione farmaceutica.

Il problema della giovinezza cellulare nel cuore

Le cellule staminali pluripotenti indotte, comunemente note come cellule iPS, rappresentano una delle risorse più straordinarie della scienza moderna. Queste cellule possono essere ottenute a partire da tessuti adulti del corpo umano, come la pelle o il sangue, e possiedono la straordinaria capacità di trasformarsi in qualsiasi tipo di cellula presente nell’organismo.

Tuttavia, quando i ricercatori spingono le cellule iPS a trasformarsi in cardiomiociti (le cellule muscolari del cuore), incontrano un ostacolo fondamentale: le cellule ottenute rimangono immature. In pratica, dal punto di vista funzionale e strutturale, questi cardiomiociti di laboratorio somigliano a quelli di un embrione o di un feto umano, piuttosto che a quelli di un cuore adulto. Questa immaturità ne limita fortemente l’utilizzo clinico sicuro ed efficace nei trapianti o nei test di nuovi farmaci.

Il segreto biologico della poliploidia nei cardiomiociti

Nel corpo umano adulto, la stragrande maggioranza delle cellule possiede un corredo genetico diploide, ovvero 46 cromosomi suddivisi in 23 coppie (ricevuti metà da ciascun genitore). Tuttavia, durante la crescita e la maturazione biologica, alcuni tessuti specifici dell’organismo subiscono un processo naturale chiamato poliploidia o raddoppio cromosomico.

• Il cuore adulto: Circa l’80% dei cardiomiociti nel cuore umano adulto diventa tetraploide, il che significa che possiede quattro copie di ciascuno dei 23 cromosomi (per un totale di 92 cromosomi).

• Il fegato e altri organi: Un fenomeno simile accade anche negli epatociti (le cellule del fegato), nelle cellule del muscolo scheletrico e negli osteoclasti.

• Il limite della coltura: Le cellule iPS tradizionali sono diploidi e, quando vengono convertite in cardiomiociti in laboratorio, mantengono questa condizione diploide senza riuscire a replicare il naturale raddoppio cromosomico che avviene nel corpo umano.

La strategia della fusione cellulare prima della differenziazione

Per superare questo limite insormontabile, i ricercatori hanno cambiato radicalmente prospettiva. Invece di cercare di raddoppiare i cromosomi nei cardiomiociti già formati (operazione che le vecchie tecnologie non riuscivano a compiere), il team ha deciso di modificare le cellule iPS all’origine.

• L’uso del virus Sendai: Gli scienziati hanno preso cellule iPS diploidi e le hanno fatte fondere tra loro utilizzando particelle modificate del virus Sendai, un agente biologico noto per favorire la fusione delle membrane cellulari.

• La nascita delle cellule iPS tetraploidi: Attraverso questo processo, il team ha isolato e stabilito linee di cellule iPS che contengono stabilmente quattro set completi di cromosomi, mantenendo intatta la loro preziosa pluripotenza.

• La differenziazione cardiaca: Quando queste speciali cellule iPS tetraploidi sono state guidate a trasformarsi in cardiomiociti, il risultato ha superato le aspettative, dando vita a cellule cardiache che rispecchiano fedelmente la biologia del cuore adulto.

Caratteristiche avanzate e maggiore efficienza delle nuove cellule cardiache

I cardiomiociti ottenuti dalle cellule iPS tetraploidi (chiamati 4N-iPS-CMs) hanno dimostrato proprietà eccezionali rispetto a quelli tradizionali:

• Blocco del ciclo cellulare: Proprio come accade nel cuore umano durante la crescita, i geni legati alla divisione cellulare si spengono, indicando che le cellule hanno raggiunto una maturazione definitiva.

• Potenziamento dei mitocondri: Poiché il cuore adulto richiede una quantità immensa di energia per pomodori il sangue, le nuove cellule mostrano un aumento notevole della quantità e della capacità respiratoria dei mitocondri.

• Contrazioni più forti e rapide: Le analisi elettrofisiologiche tramite misurazione dell’impedenza elettrica hanno dimostrato che queste cellule si contraggono con una forza e una velocità nettamente superiori e costanti nel tempo.

• Resistenza ai farmaci: Trattando le cellule con la terfenadina (un bloccante dei canali del potassio), i cardiomiociti maturi tetraploidi hanno continuato a battere regolarmente, dimostrando una resistenza simile a quella dei tessuti adulti, a differenza delle cellule immature che hanno bloccato immediatamente il battito.

Approfondimenti tecnici dettagliati dal documento di ricerca

L’analisi rigorosa descritta nel documento originale offre dati quantitativi e metodologici di estremo interesse per la comunità scientifica:

• Analisi citofluorimetrica e cariotipizzazione: La verifica del DNA tramite citofluorimetria con colorazione DAPI ha confermato che l’83,0% delle cellule derivate da 4N-iPSCs presentava un contenuto di DNA stabilmente tetraploide, a fronte dell’11,8% riscontrato nelle linee di controllo diploidi. L’analisi del cariotipo con bandeggio G e l’ibridazione genomica comparativa (CGH) hanno dimostrato che il raddoppio dei cromosomi autosomici e sessuali è avvenuto in modo completo, senza microdellezioni o inserzioni anomale.

• Sensibilità allo stress ossidativo: Il sequenziamento dell’RNA (RNA-seq) ha evidenziato una significativa riduzione nell’espressione dei geni della famiglia delle metallotioneine (MT) nelle cellule 4N-iPSCs rispetto alle diploidi. Di conseguenza, i test di sopravvivenza cellulare tramite cristalvioletto hanno dimostrato che le cellule tetraploidi mostrano una maggiore sensibilità allo stress ossidativo indotto da perossido di idrogeno ($\text{H}_2\text{O}_2$), mentre mantengono una tolleranza analoga agli stress metallici da solfato di rame ($\text{CuSO}_4$) e cloruro di cadmio ($\text{CdCl}_2$).

• Quantificazione mitocondriale e metabolismo energetico: Il rapporto di copia tra DNA mitocondriale e DNA genomico, misurato tramite droplet digital PCR (ddPCR), ha rivelato un incremento statisticamente rilevante ($P < 0.001$) nelle cellule 4N-iPS-CMs. Utilizzando un analizzatore di flusso energetico (Seahorse XFe96), è stato registrato un innalzamento marcato sia della respirazione basale che della respirazione massimale in seguito all’aggiunta di oligomicina, FCCP e rotenone/antimicina A.

• Creazione di linee cellulari ibride: I ricercatori hanno spinto la tecnologia oltre, fondendo linee iPS derivate da individui geneticamente distanti (un maschio giapponese, linea WTC11, e una femmina caucasica, linea HPS0076). Tramite l’uso combinato di marcatori di resistenza agli antibiotici (puromicina e blasticidina) e geni fluorescenti (Venus e mRFP1), sono state generate cellule 4N ibride che mantengono caratteristiche trascrizionali intermedie, aprendo la strada allo studio in vitro delle interazioni genetiche parentali nei tessuti umani.

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

Abstract

I cardiomiociti derivati ​​da cellule staminali pluripotenti indotte umane (iPSC) (iPS-CM) hanno un grande potenziale nella medicina rigenerativa. Tuttavia, gli iPS-CM sono immaturi e assomigliano ai cardiomiociti fetali, il che ne limita l’applicazione. I cardiomiociti fetali nel cuore umano sono diploidi e proliferanti, ma perdono gradualmente il loro potenziale proliferativo durante la maturazione. La maggior parte dei cardiomiociti umani alla fine diventa tetraploide, ma gli iPS-CM non possono replicare questa tetraploidizzazione e rimangono immaturi con le attuali tecniche di differenziazione. Per superare questo problema, abbiamo fuso iPSC diploidi per ottenere iPSC tetraploidi e le abbiamo differenziate in cardiomiociti (4N-iPS-CM) per replicare la tetraploidia. Come previsto, abbiamo riscontrato che i 4N-iPS-CM presentavano profili di espressione genica più simili, funzioni mitocondriali migliorate, impedenza contrattile e resistenza a un bloccante del potassio nei cardiomiociti post-mitotici rispetto ai convenzionali iPS-CM. Inoltre, siamo riusciti a generare 4N-iPS-CM da due individui per combinare due diversi background genetici. Pertanto, abbiamo dimostrato una strategia unica per generare cellule simili a cardiomiociti post-mitotici umani mediante la generazione di iPSC tetraploidi.

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