Cellule staminali “naïve” prodotte in laboratorio / "Naïve" stem cells produced in the laboratory

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Pubblicato su «Nature Cell Biology» lo studio di un team padovano di ricerca sulle iPS cells. Grazie alla microfluidica, una tecnologia che permette di coltivare le cellule in piccoli tubi di silicone biocompatibile, sono state generate cellule staminali pluripotenti indotte con stato di sviluppo “primitivo”. Hanno caratteristiche simili alle cellule nella prima settimana di sviluppo di un embrione umano e si potranno utilizzare per lo studio in vitro di importanti malattie genetiche. I ricercatori padovani sono i primi ad ottenerle efficientemente a partire da cellule adulte e non da embrioni umani.

 Le iPS cells - cellule staminali pluripotenti - sono di grande interesse per la comunità scientifica e hanno un’enorme rilevanza in ambito biomedico. Possiedono la straordinaria capacità di poter dare origine a qualsiasi cellula del nostro corpo, dai neuroni alle cellule beta pancreatiche, queste ultime, ad esempio, in grado di rilasciare insulina se aumenta la glicemia. Le cellule staminali pluripotenti indotte vengono generate a partire da cellule adulte del nostro corpo (sangue, biopsie cutanee o addirittura urine) in un processo chiamato riprogrammazione. Sono utilizzate nei laboratori di tutto il mondo perché sono esse stesse modello di studio per le malattie o fonte cellulare per terapie avanzate di medicina rigenerativa.

Da sempre, però, le iPS cells utilizzate nella ricerca sono “eterogenee”: iPS cell prodotte nello stesso laboratorio in tempi diversi possono comportarsi in modo diverso; inoltre la loro riproduzione è laboriosa e costosa. Un altro grosso problema è che le iPS comunemente utilizzate sono in uno stato di sviluppo leggermente avanzato, paragonabile alla seconda settimana di vita embrionale. Questo è un aspetto centrale: cellule che sono in uno stato leggermente avanzato non permettono sempre di ripercorrere tutti gli eventi molecolari che portano allo sviluppo di una patologia.

La scoperta

Il team di ricerca padovano - composto dal Professor Graziano Martello del Laboratorio di cellule staminali pluripotenti del Dipartimento di Medicina Molecolare dell’Università di Padova, rientrato in Italia per proseguire le proprie ricerche grazie alla borsa della Fondazione Armenise-Harvard, e dal Professor Nicola Elvassore del Laboratorio di ingegneria delle cellule staminali all’Istituto Veneto di Medicina Molecolare (VIMM) -  ha utilizzato la microfluidica, una tecnologia sviluppata nel laboratorio

di Elvassore, che consiste nella produzione in piccoli canali, micro tubi in polidimetilsilossano (silicone biocompatibile) del diametro di un capello.

Quando le cellule si trovano in uno spazio confinato possono essere riprogrammate più efficientemente e rapidamente, utilizzando molti meno reagenti e con un risparmio di oltre cento volte rispetto alle tecnologie convenzionali. Non solo, ed è qui l’aspetto principale del lavoro pubblicato: le cellule iPS ottenute in microfluidica presentano uno stato di sviluppo più primitivo, molto simile cioè allo stato delle cellule in un embrione nelle prime di fasi di sviluppo (5/6 giorni), tecnicamente definito stadio di pluripotenza di tipo naïve.

«Abbiamo ottenuto cellule staminali a partire da cellule adulte» dice Graziano Martello «ma il vero passo in avanti è che le staminali che otteniamo sono più immature di quelle attualmente utilizzate. Questo permetterà nuove applicazioni future, come lo studio in vitro delle primissime fasi di sviluppo del nostro corpo. Capire cosa accade e cosa può andare storto potrebbe avere conseguenze enormi sul piano della conoscenza e della salute».

Il team di ricerca ha studiato in estremo dettaglio le specificità delle cellule prodotte rilevando che mostrano moltissimi tratti normalmente presenti durante la prima settimana di sviluppo embrionale come alcuni geni attivi che già dalla seconda settimana si “spengono”.

A differenza degli studi pubblicati in precedenza che hanno ugualmente descritto cellule staminali pluripotenti di tipo naïve, la scoperta di Graziano Martello e Nicola Elvassore ha un’implicazione rilevante per le ricerche future: fino ad oggi sono stati utilizzati embrioni umani oppure delle complesse manipolazioni che rendono le cellule inutilizzabili per applicazioni terapeutiche.

La nuova tecnologia proposta e la tipologia di cellula ottenuta permetterebbe l’utilizzo delle iPS in applicazioni biomediche come lo studio in vitro di alcune malattie genetiche.

«Il nostro lavoro mostra come ottenere efficientemente cellule staminali più immature sottolinea Nicola Elvassore - Fondamentale è stato integrare intimamente competenze che spaziano dalla bio-ingegneria alla biologia delle cellule staminali. Noi di fatto diamo un nuovo strumento alla comunità scientifica che confidiamo possa dare nuovo impulso nella ricerca delle cellule staminali umane. Ci stiamo già focalizzando sullo studio in vitro di alcune patologie che con le staminali tradizionali non potevano ancora essere studiate».

«Siamo i primi ad ottenere in modo efficiente cellule pluripotenti con stato di sviluppo più primitivo a partire da cellule adulte, i fibroblasti, ottenuti da piccole biopsie cutanee. Inoltre - affermano Martello ed Elvassore - siamo i primi a mostrare che tali cellule differenziano efficientemente, ossia sanno dare origine indifferentemente a cellule di interesse biomedico, come neuroni od epatociti, le cellule del fegato».

Le “nuove” cellule iPS di tipo naïve dovrebbero differenziare meglio o in maniera più riproducibile rispetto a quelle comunemente utilizzate risolvendo il problema del comportamento diverso delle iPS prodotte nello stesso laboratorio. Inoltre, in casi particolari, come nella sindrome dell’X fragile, queste iPS di tipo naïve saranno sempre più necessarie perché sono migliori per lo studio in vitro. Sarà infatti possibile studiare questa malattia fin dallo stadio di sviluppo primitivo per poi ripercorrere tutti gli eventi molecolari che portano allo sviluppo della patologia.
Infine, queste cellule, senza dover usare un embrione, permettono lo studio delle primissime fasi di sviluppo embrionale e capire perché nelle prime due settimane di vita ci sia un’alta percentuale di insuccesso nel formare il feto.

ENGLISH

Published in «Nature Cell Biology» the study of a Paduan research team on iPS cells. Thanks to microfluidics, a technology that allows cells to be grown in small biocompatible silicon tubes, induced pluripotent stem cells were generated with a "primitive" developmental state. They have similar characteristics to cells in the first week of development of a human embryo and can be used for the in vitro study of important genetic diseases. The Paduan researchers are the first to obtain them efficiently starting from adult cells and not from human embryos.

 IPS cells - pluripotent stem cells - are of great interest to the scientific community and have enormous relevance in the biomedical field. They possess the extraordinary ability to be able to give origin to any cell of our body, from neurons to pancreatic beta cells, the latter, for example, able to release insulin if glucose increases. Induced pluripotent stem cells are generated from adult cells of our body (blood, skin biopsies or even urine) in a process called reprogramming. They are used in laboratories around the world because they are themselves a model of study for diseases or a cellular source for advanced regenerative medicine therapies.

However, the iPS cells used in the research have always been "heterogeneous": iPS cells produced in the same laboratory at different times can behave differently; moreover, their reproduction is laborious and expensive. Another big problem is that the commonly used iPS are in a slightly advanced state of development, comparable to the second week of embryonic life. This is a central aspect: cells that are in a slightly advanced state do not always allow to retrace all the molecular events that lead to the development of a pathology.

The discovery

The Paduan research team - composed by Professor Graziano Martello from the Laboratory of pluripotent stem cells from the Department of Molecular Medicine of the University of Padua, returned to Italy to continue his research thanks to the grant of the Armenise-Harvard Foundation, and Professor Nicola Elvassore of the Stem Cell Engineering Laboratory at the Veneto Institute of Molecular Medicine (VIMM) - has used microfluidics, a technology developed in the laboratory

of Elvassore, which consists in the production in small channels, micro tubes in polydimethylsiloxane (biocompatible silicone) with a diameter of a hair.

When cells are in a confined space they can be reprogrammed more efficiently and quickly, using far less reagents and saving over a hundred times than conventional technologies. Not only that, and here is the main aspect of published work: iPS cells obtained in microfluidics have a more primitive state of development, very similar to the state of cells in an embryo in the early stages of development (5/6 days) , technically termed naïve type pluripotency stage.

«We have obtained stem cells from adult cells» says Graziano Martello «but the real step forward is that the stem cells we obtain are more immature than those currently used. This will allow new future applications, such as the in vitro study of the very early stages of development of our body. Understanding what happens and what can go wrong could have enormous consequences on the level of knowledge and health ".

The research team has studied in great detail the specificity of the cells produced by detecting that they show many traits normally present during the first week of embryonic development as some active genes that already "turn off" from the second week.

Unlike previously published studies that have equally described pluripotent stem cells of the naïve type, the discovery of Graziano Martello and Nicola Elvassore has a significant implication for future research: up to now human embryos have been used or the complex manipulations that make cells unusable for therapeutic applications.

The proposed new technology and the type of cell obtained would allow the use of iPS in biomedical applications such as the in vitro study of some genetic diseases.

"Our work shows how to efficiently obtain more immature stem cells underlines Nicola Elvassore - Fundamental has been to intimately integrate skills ranging from bio-engineering to stem cell biology. We in fact give a new tool to the scientific community that we trust can give a new impetus to the research of human stem cells. We are already focusing on the in vitro study of some pathologies that with traditional stem cells could not yet be studied ».

"We are the first to efficiently obtain pluripotent cells with more primitive developmental status starting from adult cells, fibroblasts, obtained from small skin biopsies. Moreover - Martello and Elvassore say - we are the first to show that such cells differentiate efficiently, that is, they can indifferently give rise to cells of the biomedical interest, such as neurons or hepatocytes, the cells of the liver ».

The "new" naïve iPS cells should differentiate better or more reproducibly than those commonly used by solving the problem of the different behavior of iPS produced in the same laboratory. Furthermore, in special cases, such as in fragile X syndrome, these naïve iPS will be increasingly needed because they are better for in vitro study. It will be possible to study this disease from the stage of primitive development and then retrace all the molecular events that lead to the development of the disease.

Finally, these cells, without having to use an embryo, allow the study of the very early stages of embryonic development and understand why in the first two weeks of life there is a high percentage of failure in forming the fetus.

Da:

http://www.lescienze.it/lanci/2019/01/10/news/staminali_naive_malattie_rare_armenise_unipadova-4253014/?ref=nl-Le-Scienze_11-01-2019