Viaggio dentro i vasi sanguigni, la mappa cellulare svela i segreti biologici dell invecchiamento

Ad ogni battito cardiaco, il sangue viene pompato attraverso una vasta rete di vasi sanguigni in tutto il corpo, trasportando ossigeno, nutrienti e altre sostanze essenziali anche negli angoli più remoti. Ma questi vasi sono molto più che semplici tubi passivi: le loro pareti interne sono rivestite da un sottile strato di cellule specializzate chiamate cellule endoteliali, che regolano il flusso sanguigno, controllano ciò che passa nei tessuti circostanti e contribuiscono a coordinare le risposte alle lesioni.

Un sistema prezioso spesso dimenticato dalla scienza

Contribuiscono persino alle funzioni specifiche degli organi che proteggono, come la formazione di una barriera protettiva nel cervello o il supporto alla filtrazione nei reni. Tuttavia, con l’avanzare dell’età, questo sistema finemente regolato può diventare disfunzionale, aumentando la predisposizione alle malattie cardiovascolari e alla mortalità ad esse associata.

Sebbene le cellule endoteliali siano essenziali per la funzione vascolare e degli organi, vengono spesso trascurate negli studi sull’invecchiamento. Pertanto, ciò che accade all’interno delle cellule endoteliali con l’avanzare dell’età e il motivo per cui la loro funzione può deteriorarsi nel tempo rimangono ancora poco chiari. Questa è la domanda a cui Laura de Rooij, ricercatrice principale del CeMM, e il suo team si sono proposti di rispondere.

Anziché studiare i vasi sanguigni nel loro insieme, i ricercatori hanno esaminato l’attività dei geni nelle singole cellule endoteliali. Questo approccio, noto come analisi a singola cellula, permette di osservare quali geni sono attivi in ciascuna cellula e come la loro attività cambia con l’età. Riunendo i dati provenienti da studi a singola cellula precedentemente pubblicati, il team ha intravisto l’opportunità di esaminare più da vicino queste cellule e scoprire modelli di invecchiamento vascolare che altrimenti sarebbero rimasti nascosti.

Alla ricerca delle impronte digitali dell invecchiamento umano

Nel loro ultimo studio, pubblicato su Nature Aging e guidato dalla prima autrice Sarah Dobner, dottoranda nel gruppo di de Rooij, il team ha raccolto dati provenienti da 34 studi preesistenti, per un totale di oltre 375.000 cellule provenienti da 290 campioni di 12 tessuti umani.

Concentrandosi sui tessuti classificati come sani o non malati, i ricercatori si sono proposti di identificare i cambiamenti molecolari associati all’invecchiamento, piuttosto che quelli principalmente legati a patologie diagnosticate. Il risultato è l’Atlante delle cellule endoteliali nell’invecchiamento umano, una risorsa che permette agli scienziati di esaminare come diverse popolazioni di cellule vascolari cambiano nel corpo umano.

Un’osservazione particolarmente interessante riguarda le cellule che rivestono le vene. Queste cellule possono dare origine a gemme che si sviluppano in nuovi vasi sanguigni, una parte importante del rinnovamento vascolare. Tuttavia, negli individui anziani, hanno mostrato una ridotta attività di diversi geni coinvolti nella formazione dei vasi.

Questo potrebbe contribuire a spiegare perché i vasi sanguigni potrebbero diventare meno capaci di rinnovarsi con l’età, sebbene lo studio non abbia misurato direttamente la capacità di riparazione. In diversi tessuti, i ricercatori hanno anche osservato un’aumentata attività dei geni associati all’infiammazione e alla senescenza cellulare, uno stato in cui le cellule smettono di dividersi e possono influenzare l’ambiente circostante.

“Uno dei risultati più sorprendenti è stato che l’invecchiamento endoteliale non si manifesta allo stesso modo in tutto il sistema vascolare. Mettendo insieme i dati provenienti da tessuti diversi, siamo stati in grado di identificare schemi che sarebbero potuti sfuggire studiando singoli organi o tipi di cellule endoteliali in isolamento”, spiega Dobner.

Come le cellule percepiscono il trascorrere del tempo fisico

Un’altra scoperta ha riguardato il modo in cui le cellule endoteliali rispondono al loro ambiente fisico. Queste cellule percepiscono costantemente le forze esercitate dal flusso sanguigno e dal materiale circostante, traducendo i segnali meccanici in risposte biologiche. L’atlante ha rivelato cambiamenti legati all’età nei geni coinvolti in questo processo.

Esperimenti condotti sulla pelle umana hanno fornito ulteriori prove: una proteina chiamata YAP, che aiuta le cellule a rispondere alle forze meccaniche, è stata riscontrata con maggiore frequenza all’interno dei nuclei delle cellule endoteliali di donatori anziani. Queste osservazioni sollevano un interrogativo interessante: l’aumento dell’attività di YAP aiuta le cellule endoteliali ad affrontare i cambiamenti legati all’età, oppure contribuisce al deterioramento della funzionalità dei vasi sanguigni?

I ricercatori hanno anche identificato un gruppo di geni associati a p21, una proteina in grado di rallentare o arrestare la divisione cellulare. I confronti con cellule endoteliali coltivate in laboratorio e modelli murini di invecchiamento accelerato hanno supportato una connessione con la senescenza cellulare. Tuttavia, poiché questi geni partecipano anche alle risposte allo stress e alla crescita dei vasi sanguigni, non possono distinguere in modo affidabile le cellule permanentemente senescenti da quelle che rispondono ad altre sfide legate all’età. Comprendere queste differenze sarà fondamentale prima che gli scienziati possano determinare quali processi cellulari dovrebbero essere presi di mira nei futuri sforzi per preservare la salute vascolare.

Una mappa per il futuro della medicina

L’Atlante delle cellule endoteliali nell’invecchiamento umano fornisce agli scienziati una nuova risorsa per esplorare come invecchiano i vasi sanguigni nei diversi tessuti. Un portale interattivo correlato, descritto nello studio, aiuterà i ricercatori a indagare questi cambiamenti molecolari e a individuare direzioni promettenti per futuri esperimenti. Tuttavia, i risultati presentano anche dei limiti: lo studio ha confrontato persone di età diverse anziché seguire gli individui nel tempo, e le informazioni incomplete sullo stile di vita e sulla storia clinica dei donatori limitano le conclusioni.

Tuttavia, l’atlante rivela che l’invecchiamento vascolare non è né uniforme né semplice. Alcuni cambiamenti possono contribuire al declino della funzionalità, mentre altri potrebbero rappresentare i tentativi dell’organismo di proteggersi. Comprendere la differenza sarà fondamentale per scoprire come un giorno potremmo aiutare i nostri vasi sanguigni a rimanere sani più a lungo.

“Ciò che mi entusiasma di questo atlante è che ci offre un modo per esplorare l’invecchiamento vascolare in tutto il corpo umano, anziché trattare tutti i vasi sanguigni come se invecchiassero allo stesso modo. Ora disponiamo di una risorsa che ci aiuterà a studiare quali cambiamenti accompagnano l’invecchiamento endoteliale, quali possono contribuire al declino della funzione vascolare e quali potrebbero riflettere il modo in cui le cellule endoteliali si adattano al loro ambiente in continua evoluzione”, conclude de Rooij.

Approfondimenti tecnici e metodologici

• Integrazione dei dati trascrittomici a singola cellula: Lo studio ha analizzato un totale di $375.829$ cellule endoteliali derivate da 290 campioni e 34 studi distinti, coprendo 12 tessuti umani differenti lungo l’intero arco della vita adulta.

• Metodologia di batch correction e clustering: Per mitigare gli effetti tecnici derivanti da protocolli di sequenziamento eterogenei (cellule intere versus nuclei singoli), è stato impiegato il metodo di integrazione basato su anchors con l’algoritmo rPCA all’interno del pacchetto Seurat (versione 5.1), raggruppando le cellule in base all’asse vascolare (arterie, capillari, vene e vasi linfatici).

• Analisi di pseudotime e traiettorie cellulari: L’utilizzo di strumenti come Monocle 3 ha permesso di mappare la zonation fenotipica lungo l’asse artero-venoso, evidenziando come i profili trascrizionali subiscano una transizione graduale e conservata nei diversi organi.

• Analisi Pseudobulk e differenziali (DGEA): Per superare la variabilità biologica inter-campione, i dati a singola cellula sono stati aggregati a livello di campione (pseudobulk) e analizzati tramite DESeq2 implementando il test di Wald, con covariate per la metodologia di campionamento e per lo studio di provenienza.

• Meta-analisi e robustezza statistica: Per identificare firme molecolari pan-endoteliali affidabili, i ricercatori hanno combinato un framework di subsostituzione ripetuta con il metodo statistico di Fisher ponderato adattivo (AW-Fisher), filtrando geni con un livello di coerenza direzionale elevato e $P$ valori corretti tramite il metodo Benjamini-Hochberg.

• Validazione spaziale e proteomica: L’architettura spaziale dei tessuti cutanei umani è stata indagata mediante trascrittomica spaziale MERFISH e 10x Visium, confermando l’espressione dei fattori di trascrizione mechanosensibili (come YAP1 e i cofattori TEAD) e la loro aumentata localizzazione nucleare nei soggetti anziani tramite immunofluorescenza quantitativa.

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

Le cellule endoteliali (EC) sono regolatori cruciali della funzione vascolare e svolgono ruoli specifici a seconda del tessuto. Con l’invecchiamento, queste cellule diventano disfunzionali, con conseguente aumento della suscettibilità alle malattie cardiovascolari. Sebbene la trascrittomica a singola cellula abbia rivelato un’ampia eterogeneità endoteliale, mancava un atlante completo dei trascrittomi delle cellule endoteliali umane nel corso della vita adulta. In questo studio, presentiamo l’Human Aging Endothelial Cell Atlas (HAECA), un compendio armonizzato di trascrittomica a singola cellula di oltre 375.000 cellule endoteliali provenienti da 12 tessuti umani durante l’età adulta. Abbiamo identificato cambiamenti trascrizionali associati all’età, tra cui un declino nell’espressione genica angiogenica nelle cellule endoteliali venose e alterazioni diffuse nella matrice extracellulare e nelle firme associate alla meccanotrasduzione. Inoltre, abbiamo scoperto un programma trascrizionale legato a p21 nelle cellule endoteliali, che abbiamo collegato alla senescenza cellulare sia in modelli in vitro che in vivo. Nel loro insieme, i nostri studi forniscono un riferimento trascrittomico ad alta risoluzione dell’endotelio umano in diversi tessuti e fasce d’età.

by