L’immagine al microscopio confocale mostra cellule staminali mesenchimali (in verde) intrappolate in nanovials (in rosa). La tecnologia delle nanovials è stata sviluppata da Dino Di Carlo e colleghi dell’UCLA. Crediti immagine: Shreya Udani/UCLA
Il “dogma centrale” della biologia potrebbe trarre in inganno i bioingegneri?
Oggi, i farmaci basati sugli anticorpi – proteine che combattono infezioni e malattie – vengono prescritti per ogni tipo di problema, dal cancro al COVID-19, fino al colesterolo alto. I farmaci anticorpali sono forniti da cellule geneticamente modificate che funzionano come piccole fabbriche di proteine nei laboratori di biologia.
Nel frattempo, i ricercatori hanno iniziato a combattere il cancro, le lesioni agli organi interni e una serie di altre patologie con nuove strategie in cui cellule ingegnerizzate in modo simile vengono impiantate direttamente nei pazienti.
Queste applicazioni biotecnologiche si basano sul principio secondo cui alterando il DNA di una cellula per produrre più istruzioni genetiche per la produzione di una determinata proteina, la cellula rilascerà una quantità maggiore di quella proteina.
Un nuovo studio della UCLA suggerisce che, almeno per un tipo di cellula staminale, il principio non è necessariamente vero.
I ricercatori hanno esaminato le cellule staminali mesenchimali, che risiedono nel midollo osseo e possono autorigenerarsi o svilupparsi in cellule ossee, adipose o muscolari. Le cellule mesenchimali 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 i danni causati da infarti, lesioni renali, arteriopatie degli arti e altre patologie.
Quando i ricercatori hanno confrontato la quantità di VEGF-A rilasciata da ogni cellula mesenchimale con l’espressione dei geni nella stessa cellula che codificano per VEGF-A, i risultati sono stati sorprendenti: l’espressione genica era solo debolmente correlata all’effettiva secrezione del fattore di crescita.
Gli scienziati hanno identificato altri geni che correlano meglio con la secrezione di fattori di crescita, tra cui uno che codifica per una proteina presente sulla superficie di alcune cellule staminali. Isolando cellule staminali con quella proteina in superficie, il team ha coltivato una popolazione che secerneva VEGF-A in modo prolifico e ha continuato a farlo per giorni.
“I risultati, pubblicati oggi su Nature Nanotechnology, suggeriscono che un presupposto fondamentale della biologia e della biotecnologia potrebbe essere riconsiderato“, ha affermato l’autore corrispondente Dino Di Carlo, Professore di ingegneria e medicina Armond ed Elena Hairapetian presso la Samueli School of Engineering dell’UCLA.
“Il dogma centrale è sempre stato questo: hai istruzioni nel DNA, queste vengono trascritte in RNA e poi l’RNA viene tradotto in proteine”, ha detto Di Carlo, che è anche membro del California NanoSystems Institute dell’UCLA e dell’Eli and Edythe Broad Center of Regenerative Medicine and Stem Cell Research. “In base a questo, molti scienziati hanno ipotizzato che con più RNA, ci sarebbero più proteine, e quindi più proteine rilasciate dalla cellula. Abbiamo messo in discussione questa ipotesi. Sembra che non possiamo dare per scontato che se un gene viene espresso a livelli più alti, ci sarà una maggiore secrezione della proteina corrispondente. Abbiamo trovato un chiaro esempio in cui ciò non accade, e questo apre molte nuove domande“.
I risultati dello studio potrebbero contribuire a rendere più efficiente la produzione di trattamenti basati su anticorpi e a definire nuovi trattamenti cellulari più efficaci. Conoscere i giusti interruttori genetici da attivare potrebbe consentire la progettazione o la selezione di cellule straordinariamente produttive per la produzione o la somministrazione di terapie.
Lo studio dell’UCLA è stato condotto utilizzando apparecchiature di laboratorio standard, potenziate da una tecnologia inventata da Di Carlo e dai suoi colleghi: nanovials, contenitori microscopici di idrogel a forma di ciotola , ognuno dei quali cattura una singola cellula e le sue secrezioni. Sfruttando un nuovo metodo analitico basato sulle 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 da quella stessa cellula.
“La capacità di collegare la secrezione proteica all’espressione genica a livello di singola cellula è molto promettente per i campi della ricerca in scienze della vita e dello sviluppo terapeutico“, ha affermato Kathrin Plath, Prof.ssa di chimica biologica presso l’UCLA, membro del Broad Stem Cell Research Center e co-autrice dello studio. “Ora abbiamo un’entusiasmante opportunità di apprendere cose nuove sui meccanismi alla base dei processi fondamentali della vita e di utilizzare ciò che impariamo per migliorare la salute umana”.
Sebbene l’attivazione delle istruzioni genetiche per il VEGF-A abbia mostrato una scarsa correlazione con il rilascio della proteina, i ricercatori hanno identificato un cluster di 153 geni con forti legami con la 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.
Una delle corrispondenze più frequenti codifica per una proteina di superficie cellulare, IL13RA2, il cui scopo è poco chiaro. La sua posizione esterna ha reso più semplice per gli scienziati utilizzarla 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 tenuto le cellule separate in coltura per sei giorni. Al termine di questo periodo, le cellule con il marcatore secernevano il 60% in più di VEGF-A rispetto alle cellule che ne erano prive.
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Sebbene le terapie basate sulle cellule staminali mesenchimali abbiano mostrato risultati promettenti negli studi di laboratorio, gli studi clinici condotti su soggetti umani hanno dimostrato che molte di queste nuove opzioni sono sicure, ma non efficaci. La capacità di selezionare i fattori di secrezione di VEGF-A elevati utilizzando IL13RA2 potrebbe contribuire a invertire la tendenza.
“Identificare una sottopopolazione che ne produce di più e i marcatori associati a quella popolazione significa poterle separare molto facilmente”, ha affermato Di Carlo. “Una popolazione di cellule molto pura che produrrà alti livelli della proteina terapeutica dovrebbe costituire una terapia migliore”.
Le nanoviali sono disponibili in commercio presso Partillion Bioscience, un’azienda cofondata da Di Carlo che ha avviato la sua attività presso l’incubatore del campus del CNSI, Magnify.
Il primo autore dello studio è Shreya Udani, che ha conseguito un dottorato di ricerca presso l’UCLA nel 2023. Altri coautori, tutti affiliati all’UCLA, sono lo scienziato Justin Langerman; Doyeon Koo, che ha conseguito un dottorato di ricerca nel 2023; gli studenti laureati Sevana Baghdasarian e Citradewi Soemardy; lo studente universitario Brian Cheng; Simran Kang, che ha conseguito una laurea triennale 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 sostenuto dal National Institutes of Health e da uno Stem Cell Nanomedicine Planning Award finanziato congiuntamente dal CNSI e dal Broad Stem Cell Research Center.
Fonte: UCLA