Prosegue senza sosta l’impegno del mondo della ricerca nella diagnosi e la cura delle malattie neurodegenerative. Sempre più innovative le tecnologie proposte negli ultimi anni, dalla terapia genica al trattamento neuro-protettivo, passando anche per l’utilizzo delle cellule staminali. Ed è proprio su quest’ultimo aspetto che si sono concentrate le attenzioni dell’istituto americano NIBIB (National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering), con sede nel Maryland (USA), che ha supportato un progetto di ricerca basato sul trapianto di neuroni, ottenuti a partire da cellule staminali indifferenziate, capitanato dalla dottoressa Rosemarie Hunziker.
Ad affiancare il programma di Ingegneria Tissutale e Medicina Rigenerativa del NIBIB, numerosi ricercatori della Rutgers University, New Jersey, del Child Health Institute, della Scuola di Medicina della Stanford University, California, dell’Istituto di Genetica Umana del New Jersey, e del Centro per Biomateriali di Piscataway.
Le iPSCs
L’utilizzo delle cellule staminali pluripotenti naturali, comunemente note come embrionali, indifferenziate per definizione, è vietato per termini di legge. Il conflitto tra deontologia ed avanzamento scientifico non ha favorito, nel corso degli anni, lo sviluppo di una regolamentazione sulle staminali tale da permettere ai più svariati gruppi di studio sparsi per il globo di lavorare in assenza di specifiche restrizioni. E’ questa la motivazione di fondo che ha spinto il National Institute, così come la totalità degli istituti di ricerca a livello mondiale, verso l’utilizzo di un altro particolare tipo di cellule staminali, le cosiddette pluripotenti indotte (iPSCs).
Ma cosa sono esattamente le cellule staminali pluripotenti indotte? A differenza delle staminali embrionali, naturali, questa tipologia è invece prodotta, o per meglio dire appunto indotta, artificialmente a partire dai fibroblasti adulti non pluripotenti, unità viventi presenti in gran parte nel tessuto connettivo umano. Attraverso la modifica genica di esse mediante retrovirus, è possibile trasdurle, rendendole sia morfologicamente che biochimicamente simili alle cellule staminali pluripotenti embrionali.
Metodi ed osservazioni
I neuroni
Il passo successivo alla trasduzione dei fibroblasti in iPSCs è stato quello di attuare una differenziazione di quest’ultime in cellule neurali. A tal scopo sono stati sperimentati alcuni fattori di trascrizione come il Brn2, l’Ascl1, il Myt1L ed il NeuroD1. Solo l’Ascl1 ed il NeuroD1 hanno individualmente indotto la neuro-conversione delle staminali. I risultati sono stati più che soddisfacenti e i neuroni ricavati grazie al NeuroD1 hanno presentato strutture con un tasso di ramificazione rilevante.
Lo scaffold
Al fine di favorire lo sviluppo e la creazione di una vera e propria rete di cellule nervose è risultata necessaria la presenza di un’impalcatura, uno “scaffold” (traducibile dall’inglese con appunto il termine “impalcatura”) nel gergo tecnico, capace di supportare la crescita del tessuto. Il substrato fibroso in 3D, messo appunto con la tecnica dell’elettrospinning, è stato interamente costituito in fibre di pDTEc (polidesaminotirosil-tirosina etil-estere carbonato), biopolimero leader in questo genere di applicazioni. Due sono state le differenti architetture create: una sottile, l’altra spessa, con fibre di diametro rispettivamente pari a 1.25±0.05 micrometri e 3.23±0.06 micrometri.
Gli scaffold a fibra spessa sono volumetricamente permeabili all’infiltrazione cellulare e permettono una discreta maturazione di tessuto nervoso funzionale in tre dimensioni. Gli scaffold a fibra sottile sono relativamente impermeabili, per via di un minore spazio vuoto tra le fibre, e presentano quindi al loro interno una minore organizzazione strutturale della rete.
Neuroni umani (in rosso) protendono ramificazioni nervose attraverso lo scaffold 3D. Credit: Prabhas Moghe, Rutgers.
La dimensione ottimale, ottenuta facendo variare i parametri di progetto, doveva quindi favorire una corretta popolazione dello scaffold, permettere ai neuroni che differenziavano di percepire la presenza di altre cellule differenziate nei dintorni e quindi produrre contatti tra di esse.
Il risultato è stato una maggiore sopravvivenza delle cellule ed uno sviluppo di una rete funzionante in grado di trasmettere segnali elettrici.
Impianto ex vivo ed in vivo
L’obiettivo del progetto messo in piedi dal NIBIB era l’utilizzo della microstruttura in pDTEc con annessa coltura cellulare per fini di impianto. Per testare la reale integrazione tra il sistema nervoso e la struttura stessa, i ricercatori hanno iniettato quest’ultima, avvalendosi di un ago ipodermico standard, in sezioni sottilissime di cervello di topo (ex vivo), confrontando poi i risultati con quelli ottenuti se ad essere impiantate fossero state singole cellule dissociate e in sospensione. I neuroni sull’impalcatura hanno mostrato un tasso di sopravvivenza notevolmente superiore rispetto a quelli in sospensione, promuovendo una crescita maggiore ed una, seppur flebile, attività elettrica. In maniera del tutto analoga, quanto ricavato dallo studio in vivo ha sottolineato ancora una volta una sopravvivenza neurale di circa quaranta volte superiore rispetto al caso della singola cellula iniettata, ma soprattutto una buona integrazione funzionale nel tessuto ospite con un significativo rilascio di proteine coinvolte nella maturazione delle sinapsi.
Sviluppi futuri
I dati incoraggianti presentati dal gruppo di lavoro del NIBIB aprono diversi scenari su nuovi ed approfonditi studi in tema di rigenerazione e trapianto del tessuto nervoso opportunamente indotto, specialmente nel caso di disturbi neurodegenerativi.
Il fine è quello di sviluppare un metodo per la produzione di cellule nervose specifiche capaci, ad esempio, di rilasciare dopamina, il cui deficit è indice principale di disturbi quali il morbo di Parkinson. Si auspica in tal modo di migliorare sensibilmente la qualità di vita del paziente e, seppur ancora in maniera utopistica, di fornire uno strumento efficace nella cura della malattia.
Riferimenti:
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3-D technology enriches human nerve cells for transplant to brain – NIBIB.nih.gov
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Carlson, A. L. et al. Generation and transplantation of reprogrammed human neurons in the brain using 3D microtopographic scaffolds. Nature Communications, 7. [pubblicato in rivista il 17 Marzo 2016]
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Induced pluripotent stem cell – Wikipedia (EN)
