Scoperte rivoluzionarie nel campo delle cellule staminali
Le cellule staminali mesenchimali, presenti nel midollo osseo, sono note per la loro capacità di secernere proteine terapeutiche che potrebbero contribuire alla rigenerazione dei tessuti danneggiati. Uno studio condotto dall’Università della California, Los Angeles (UCLA), ha messo in discussione la comprensione convenzionale di quali istruzioni genetiche stimolino il rilascio di queste proteine terapeutiche. Queste scoperte potrebbero avere importanti implicazioni per la ricerca in medicina rigenerativa e per la produzione in laboratorio di trattamenti biologici già in uso.
Orizzonti in espansione nella medicina basata sugli anticorpi
Oggi, i farmaci basati sugli anticorpi - proteine che combattono infezioni e malattie – sono prescritti per una vasta gamma di condizioni, dal cancro al COVID-19 all’ipercolesterolemia. Questi farmaci sono forniti da cellule geneticamente modificate che funzionano come piccole fabbriche di produzione di proteine in laboratorio. Nel frattempo, i ricercatori stanno sperimentando nuove strategie per combattere il cancro, danni agli organi interni e una serie di altri disturbi, impiantando direttamente nei pazienti cellule similmente ingegnerizzate.
Queste applicazioni biotecnologiche si basano sul principio che alterare il DNA di una cellula per produrre più istruzioni genetiche per la sintesi di una data proteina causerà alla cellula di rilasciare più di quella proteina.
Sfide ai principi biologici consolidati
Tuttavia, uno studio innovativo dell’UCLA sfida questa credenza radicata, almeno nel caso di un particolare tipo di cellula staminale. I ricercatori hanno esaminato le cellule staminali mesenchimali, che risiedono nel midollo osseo e possono auto-rinnovarsi o svilupparsi in cellule ossee, adipose o muscolari. Queste cellule secernono un fattore di crescita proteico chiamato VEGF-A, che svolge un ruolo nella rigenerazione dei vasi sanguigni e che gli scienziati ritengono possa avere il potenziale per riparare danni da infarti, lesioni renali, malattie arteriose degli arti e altre condizioni.
Risultati sorprendenti nella ricerca sulle cellule staminali
Quando i ricercatori hanno confrontato la quantità di VEGF-A rilasciata da ciascuna cellula staminale mesenchimale con l’espressione dei geni nella stessa cellula che codificano per VEGF-A, i risultati sono stati sorprendenti: l’espressione genica correlava solo debolmente con la secrezione effettiva del fattore di crescita.
Gli scienziati hanno identificato altri geni che correlano meglio con la secrezione del fattore di crescita, incluso uno che codifica per una proteina presente sulla superficie di alcune cellule staminali. Isolando le cellule staminali con quella proteina sulla loro superficie, il team ha coltivato una popolazione che secernava VEGF-A in modo prolifico e ha continuato a farlo anche nei giorni successivi.
Implicazioni per la biotecnologia e la medicina
I risultati, pubblicati l’11 dicembre sulla rivista Nature Nanotechnology, suggeriscono che un’assunzione fondamentale in biologia e biotecnologia potrebbe essere soggetta a revisione, ha affermato l’autore corrispondente Dino Di Carlo, professore di ingegneria e medicina presso la UCLA Samueli School of Engineering.
“La dottrina centrale è stata che si hanno istruzioni nel DNA, vengono trascritte in RNA e poi l’RNA viene tradotto in proteina”, ha detto Di Carlo, che è anche membro dell’Istituto di Nanosistemi della California e del Centro di Medicina Rigenerativa e Ricerca sulle Cellule Staminali Eli e Edythe Broad dell’UCLA. “Sulla base di ciò, molti scienziati hanno assunto che se si aveva più RNA, si sarebbe avuta più proteina e quindi più proteina rilasciata dalla cellula. Abbiamo messo in discussione quell’assunzione.
“Sembra che non possiamo presumere che se un gene è espresso a livelli più elevati, ci sarà una maggiore secrezione della proteina corrispondente. Abbiamo trovato un chiaro esempio in cui ciò non accade e ciò apre molte nuove domande.”
I risultati potrebbero aiutare a rendere la produzione di trattamenti basati sugli anticorpi più efficiente e definire nuovi trattamenti cellulari che sarebbero più efficaci. Conoscere i giusti interruttori genetici da attivare potrebbe consentire l’ingegnerizzazione o la selezione di cellule straordinariamente produttive per la realizzazione o la somministrazione di terapie.
Rivoluzioni nell’analisi delle singole cellule
Lo studio dell’UCLA è stato condotto utilizzando attrezzature di laboratorio standard potenziate con una tecnologia inventata da Di Carlo e dai suoi colleghi: nanovials, contenitori idrogel a forma di ciotola microscopica, ognuno dei quali cattura una singola cellula e le sue secrezioni. Sfruttando un nuovo metodo analitico abilitato dai nanovials, gli scienziati sono stati in grado di collegare la quantità di VEGF-A rilasciata da ciascuna delle 10.000 cellule staminali mesenchimali a un atlante che mappa decine di migliaia di geni espressi dalla stessa cellula.
“La capacità di collegare la secrezione di proteine all’espressione genica a livello di singola cellula offre grandi promesse per i campi della ricerca scientifica e dello sviluppo terapeutico”, ha affermato Kathrin Plath, professore di chimica biologica dell’UCLA, membro del Broad Stem Cell Research Center e co-autore corrispondente dello studio. “Senza di essa, non avremmo potuto arrivare ai risultati inaspettati che abbiamo trovato in questo studio. Ora abbiamo un’opportunità entusiasmante di imparare nuove cose sui meccanismi che sottendono i processi di base della vita e utilizzare ciò che apprendiamo per promuovere la salute umana.”
Nuove vie nello sviluppo terapeutico
Sebbene l’attivazione delle istruzioni genetiche per VEGF-A abbia mostrato poca correlazione con il rilascio della proteina, i ricercatori hanno identificato un cluster di 153 geni con forti collegamenti alla secrezione di VEGF-A. Molti di essi sono noti per la loro funzione nello sviluppo dei vasi sanguigni e nella guarigione delle ferite; per altri, la loro funzione è attualmente sconosciuta.
Uno dei migliori corrispondenti codifica una proteina di superficie cellulare, IL13RA2, il cui scopo è poco compreso. La sua posizione esterna ha reso più semplice per gli scienziati usarla come marcatore e separare quelle cellule dalle altre. Le cellule con IL13RA2 hanno mostrato una secrezione di VEGF-A superiore del 30% rispetto alle cellule prive del marcatore.
In un esperimento simile, i ricercatori hanno mantenuto le cellule separate in coltura per sei giorni. Al termine di quel periodo, le cellule con il marcatore hanno secreto il 60% in più di VEGF-A rispetto alle cellule senza di esso.
Potenziale impatto sulle applicazioni cliniche
Sebbene le terapie basate su cellule staminali mesenchimali abbiano mostrato promesse negli studi di laboratorio, i trial clinici con partecipanti umani hanno dimostrato che molte di queste nuove opzioni sono sicure ma non efficaci. La capacità di selezionare i secretori di VEGF-A ad alta efficienza utilizzando IL13RA2 potrebbe aiutare a cambiare questa tendenza.
“Identificare una sottopopolazione che produce di più e marcatori associati a quella popolazione significa che puoi separarli molto facilmente”, ha detto Di Carlo. “Una popolazione molto pura di cellule che produrrà livelli elevati della tua proteina terapeutica dovrebbe rendere la terapia migliore.”
I nanovials sono disponibili commercialmente da Partillion Bioscience, un’azienda co-fondata da Di Carlo che è stata avviata presso l’incubatore del campus della CNSI, Magnify.
Il primo autore dello studio è Shreya Udani, che ha conseguito un dottorato di ricerca presso l’UCLA nel 2023. Gli altri co-autori, tutti affiliati all’UCLA, sono lo scienziato Justin Langerman; Doyeon Koo, che ha conseguito un dottorato di ricerca nel 2023; gli studenti di dottorato Sevana Baghdasarian e Citradewi Soemardy; lo studente universitario Brian Cheng; Simran Kang, che ha conseguito una laurea nel 2023; e Joseph de Rutte, che ha conseguito un dottorato di ricerca nel 2020 ed è co-fondatore e CEO di Partillion.
Lo studio è stato supportato dai National Institutes of Health e da un Stem Cell Nanomedicine Planning Award finanziato congiuntamente dal CNSI e dal Broad Stem Cell Research Center.
