Il metodo Zman-seq, che prende il nome dalla parola ebraica “zman” che significa “tempo”, permette di marcare le cellule con dei timestamp e di seguirne le modifiche nel tempo, sia in tessuti sani che patologici. Questa tecnica rappresenta una vera e propria macchina del tempo cellulare, che offre una nuova prospettiva nello studio di sistemi biologici complessi e apre la strada allo sviluppo di terapie più efficaci per il cancro e altre malattie.
Le potenzialità e i limiti delle tecnologie a singola cellula
Le tecnologie a singola cellula hanno permesso di ottenere immagini ad alta risoluzione dello sviluppo delle malattie e della risposta del corpo ai farmaci, di identificare popolazioni cellulari rare e di decifrare le interazioni tra le cellule e la loro distribuzione spaziale nei tessuti. Tuttavia, queste informazioni sono paragonabili a una serie di immagini fisse di un film, che non permettono di comprendere appieno la trama. “Sapere cosa precede cosa non è sufficiente per dedurre la causalità, ma senza questa conoscenza, non abbiamo davvero la possibilità di capire quale sia la causa e quale l’effetto”, afferma Amit.
La nascita di Zman-seq
Il Dr. Daniel Kirschenbaum, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Amit, è stato il pioniere nello sviluppo di questa tecnologia. Originario dell’Ungheria e con un dottorato in neuropatologia conseguito in Svizzera, Kirschenbaum ha studiato il glioblastoma, il tumore cerebrale più comune e aggressivo. “Di solito pensiamo al cancro come a cellule che crescono fuori controllo, ma in realtà, il cancro è anche la perdita della capacità del corpo, e in particolare del suo sistema immunitario, di controllare questa crescita”, spiega Kirschenbaum.
Il glioblastoma è uno dei tumori più immunosoppressivi. “Per capire come sconfiggere questo cancro, dobbiamo comprendere cosa succede alle cellule immunitarie quando entrano nel tumore e perché perdono la capacità di combattere il tumore e diventano disfunzionali”, aggiunge Kirschenbaum. L’idea di sviluppare una sorta di orologio per ogni cellula che indichi quando è entrata nel tumore e quando vengono attivati i segnali e i checkpoint che la rendono incompetente sembrava impossibile fino a poco tempo fa.
Il breakthrough è arrivato quando Kirschenbaum ha deciso di adottare un approccio insolito. “Invece di cercare di misurare il tempo nelle cellule all’interno del tessuto tumorale, abbiamo deciso di provare a marcare le cellule mentre sono ancora nel sangue, prima che entrino nel tumore. Utilizzando diversi coloranti fluorescenti in momenti diversi, siamo poi in grado di sapere esattamente quando ogni cellula è entrata nel tessuto e quanto tempo è rimasta lì, rivelando i cambiamenti dinamici che sono avvenuti nelle cellule del tessuto”, spiega Kirschenbaum.
Metodologia e intuizioni ottenute da Zman-seq
La sfida, aggiunge Kirschenbaum, è stata sviluppare il modo ottimale per colorare le cellule nel sangue in momenti specifici, assicurandosi che il colorante non raggiungesse il tessuto stesso o rimanesse troppo a lungo nel sangue, potenzialmente mescolandosi con il colorante successivo. Allo stesso tempo, il colorante doveva rimanere sulle cellule abbastanza a lungo da poter essere misurato. Come parte dello studio, i ricercatori del laboratorio di Amit hanno dimostrato che il metodo rende possibile misurare il tempo nelle cellule immunitarie in diversi tessuti – il cervello, i polmoni e il sistema digestivo di modelli animali.
Insight sul glioblastoma
Utilizzando Zman-seq, Kirschenbaum e i suoi colleghi sono stati in grado di ottenere informazioni su perché il sistema immunitario è così disfunzionale nel combattere il glioblastoma. “Ad esempio, abbiamo mostrato che le cellule immunitarie chiamate cellule killer naturali, che come suggerisce il nome sono cruciali per uccidere le cellule anomale, diventano disfunzionali molto rapidamente perché il tumore dirotta i loro meccanismi di uccisione – e questo avviene entro meno di 24 ore dal loro ingresso nel tumore. Questo spiega perché i tentativi terapeutici di sfruttare il sistema immunitario per combattere il glioblastoma sono così inefficaci”, afferma Kirschenbaum.
Prospettive future
Ora, i ricercatori del laboratorio di Amit stanno sviluppando modi per bloccare i checkpoint tumorali che disabilitano il sistema immunitario, al fine di riattivare il sistema immunitario nel glioblastoma e in altri tumori difficili da trattare. Inoltre, prevedono di adattare Zman-seq allo studio della dinamica temporale delle cellule in tutto il corpo umano. “Ad esempio, molti pazienti affetti da cancro ricevono terapia prima dell’intervento chirurgico. Vogliamo utilizzare il metodo per colorare le cellule immunitarie nel corpo durante quel periodo in modo che, dopo l’intervento, possiamo comprendere meglio la dinamica delle cellule immunitarie nel tumore e ottimizzare i trattamenti dei pazienti”, aggiunge Kirschenbaum.
“Fino ad oggi, esistevano diversi metodi per analizzare i dati a singola cellula e organizzarli lungo un asse temporale secondo diversi parametri. Ma questi approcci erano tutti in qualche modo arbitrari nel scegliere quale fosse la sequenza degli eventi”, afferma Amit. “Zman-seq fornisce i ‘fatti concreti’, le misurazioni empiriche che permettono agli scienziati di comprendere l’ordine preciso degli eventi che le cellule immunitarie e altre cellule attraversano quando entrano in un tumore, e questo potrebbe portare a un modo completamente nuovo di pensare su come generare terapie più efficaci per il cancro e altri disturbi.”