La generazione ultraveloce di microglia umana in vitro potrebbe accelerare la ricerca sul cervello / Ultra-Fast Generation of Human Microglia in a Dish May Accelerate Brain Research

 La generazione ultraveloce di microglia umana in vitro potrebbe accelerare la ricerca sul cervello / Ultra-Fast Generation of Human Microglia in a Dish May Accelerate Brain Research

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

La microglia, le cellule immunitarie del cervello, è sempre più riconosciuta come un fattore chiave nelle malattie neurodegenerative e psichiatriche. Tuttavia, la sua inaccessibilità nell'uomo e le significative differenze tra la microglia umana e quella dei roditori hanno limitato la comprensione scientifica e lo sviluppo terapeutico. Ora, gli scienziati del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering di Harvard e della Harvard Medical School hanno sviluppato un metodo rivoluzionario per derivare cellule funzionali simili alla microglia umana da cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) in soli quattro giorni.

Questa innovazione si basa sulla piattaforma TFome™ del gruppo, che consente la programmazione cellulare basata sui fattori di trascrizione. "Il nostro metodo testa sistematicamente ed iterativamente un'ampia gamma di fattori di trascrizione candidati per identificare un set ottimale di fattori di trascrizione che producano efficacemente l'identità cellulare desiderata", hanno scritto i ricercatori su Nature Communications.

Il loro approccio contrasta con i tradizionali protocolli di differenziazione della microglia, che possono richiedere fino a cinque settimane e spesso danno origine a cellule immature. Utilizzando TFome™, il gruppo è stato in grado di indurre cambiamenti nell'espressione genica nelle iPSC, reindirizzandole rapidamente verso un destino microgliale.

TFome™ e lo screening intelligente accelerano la differenziazione

I ricercatori sono partiti da un set selezionato di 40 fattori di trascrizione (TF) basati su noti regolatori dell'identità microgliale. Hanno espresso combinazioni casuali di cinque-sette TF in cellule iPSC e hanno poi analizzato le cellule utilizzando il sequenziamento dell'RNA a singola cellula per valutare quanto la loro espressione genica assomigliasse a quella della microglia umana primaria.

Attraverso questo screening, hanno identificato un potente cocktail di tre fattori – SPI1, CEBPA e FLI1 – che ha indotto le cellule in uno stato simile alla microglia. Un secondo screening con altri 42 fattori di trascrizione ha portato alla scoperta di altri tre – MEF2C, CEBPB e IRF8 – che hanno migliorato la differenziazione e la maturità funzionale delle cellule. Questa combinazione di sei fattori ha prodotto ciò che gli autori hanno definito TFiMGL: cellule simili alla microglia indotte da fattori di trascrizione.

"Queste cellule esprimono marcatori chiave della microglia come CD11b, P2RY12, CX3CR1, TMEM119 e TREM2 e mostrano una risposta dinamica all'IFN-γ ed agli aggregati proteici patologici", si legge nel documento.

Uno strumento potente per la modellazione delle malattie e la scoperta di farmaci

È importante notare che i TFiMGL non solo erano trascrizionalmente simili alla microglia umana reale, ma rispondevano anche funzionalmente a segnali correlati alla malattia. Ad esempio, l'esposizione all'interferone gamma, una molecola presente in concentrazioni elevate nelle infezioni cerebrali, ha indotto forti risposte di espressione genica. Analogamente, l'esposizione alla proteina TDP-43, legata alla SLA, ha innescato cambiamenti trascrizionali che rispecchiano quelli osservati nella microglia malata.

Questo metodo rapido e riproducibile apre nuove strade allo studio di malattie neurodegenerative come l'Alzheimer, il Parkinson e la SLA, nonché di patologie psichiatriche che coinvolgono la neuroinfiammazione. "Basandosi su questo studio proof-of-concept, crediamo che identificando ulteriori fattori di trascrizione (TF) e sviluppando metodi per perfezionare ulteriormente la forza di espressione dei singoli TF e l'ordine della loro comparsa sulla scala temporale di quattro giorni, potremo ulteriormente perfezionare specifiche identità della microglia e persino creare sottotipi di microglia con funzioni dedicate nel cervello", ha affermato il primo autore Songlei Liu, PhD.

Direzioni future: dagli organoidi cerebrali alla terapia

Il gruppo ha già iniziato ad applicare i TFiMGL in modelli di organoidi cerebrali ed in sistemi di screening farmacologico di nuova generazione come CircaVent, una piattaforma sviluppata da Wyss per lo studio dei disturbi mentali. "Nel nostro impegno per sviluppare organoidi cerebrali umani con caratteristiche di pazienti affetti da specifici disturbi cerebrali... avevamo anche bisogno di poter incorporare la microglia", ha affermato la co-autrice Jenny Tam, PhD.

I ricercatori ritengono che la piattaforma TFome™ possa essere estesa per produrre altri tipi cellulari difficili da ottenere. "Questo approccio di differenziazione cellulare può aprire molte strade alla ricerca sulle malattie cerebrali e nuove prospettive terapeutiche", ha affermato George Church, PhD. "Altrettanto rilevante, può essere applicato alla generazione di altri tipi cellulari difficili da ottenere e terapeuticamente rilevanti".

Permettendo una creazione più rapida, economica e precisa della microglia umana in vitro, questo progresso fornisce uno strumento essenziale per comprendere la salute del cervello e sviluppare nuovi trattamenti per patologie neurologiche devastanti.

ENGLISH

Microglia, the immune cells of the brain, are increasingly recognized as key players in neurodegenerative and psychiatric diseases. However, their inaccessibility in humans and the significant differences between human and rodent microglia have limited scientific understanding and therapeutic development. Now, scientists at the Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard and Harvard Medical School have developed a revolutionary method to derive functional human microglia-like cells from induced pluripotent stem cells (iPSCs) in just four days.

This innovation builds on the team’s TFome™ platform, which enables transcription factor-driven cell programming. “Our method systematically and iteratively tests a wide array of TF candidates to identify an optimal set of TFs that effectively yield a desired cell identity,” the researchers wrote in Nature Communications.

Their approach contrasts with traditional microglia differentiation protocols, which can take up to five weeks and often result in immature cells. By using TFome™, the team was able to induce gene expression changes in iPSCs that quickly redirected them to a microglial fate.

TFome™ and smart screening accelerate differentiation

The researchers began with a curated set of 40 transcription factors (TFs) based on known regulators of microglial identity. They expressed random combinations of five to seven TFs in iPSCs and then analyzed the cells using single-cell RNA sequencing to assess how closely their gene expression resembled that of primary human microglia.

Through this screen, they identified a potent three-factor cocktail—SPI1, CEBPA, and FLI1—that launched the cells into a microglial-like state. A second screening round with 42 additional TFs led to the discovery of three more—MEF2C, CEBPB, and IRF8—which enhanced the differentiation and functional maturity of the cells. This six-factor combination yielded what the authors termed TFiMGLs: transcription factor-induced microglia-like cells.

“These cells express key microglia markers such as CD11b, P2RY12, CX3CR1, TMEM119, and TREM2 and display dynamic responsiveness to IFN-γ and pathological protein aggregates,” the paper noted.

A powerful tool for disease modeling and drug discovery

Importantly, the TFiMGLs were not only transcriptionally similar to real human microglia but also responded functionally to disease-relevant cues. For instance, exposure to interferon gamma, a molecule elevated in brain infections, elicited strong gene expression responses. Similarly, exposure to the ALS-linked protein TDP-43 triggered transcriptional changes that mirror those seen in diseased microglia.

This rapid and reproducible method opens new avenues for studying neurodegenerative diseases like Alzheimer’s, Parkinson’s, and ALS, as well as psychiatric conditions involving neuroinflammation. “Building on this proof-of-concept study, we believe that by identifying additional TFs, developing ways to further fine-tune the expression strength of individual TFs, and order of their appearance on the four-day time scale, we can further hone specific microglia identities and even create microglia subtypes with dedicated functions in the brain,” said first author Songlei Liu, PhD.

Future directions: from brain organoids to therapeutics

The team has already begun applying the TFiMGLs in brain organoid models and next-generation drug screening systems such as CircaVent, a Wyss-developed platform for studying mental health disorders. “In our efforts to develop human brain organoids with features from patients who suffer from specific brain disorders… we also needed to be able to incorporate microglia,” said co-corresponding author Jenny Tam, PhD.

The researchers believe the TFome™ platform could be extended to produce other hard-to-access cell types. “This cell differentiation approach can open many avenues of brain disease-focused research and new therapeutic perspectives,” said George Church, PhD. “Equally relevant, it can be applied to the generation of other hard-to-get and therapeutically relevant cell types.”

By enabling faster, cheaper, and more precise creation of human microglia in vitro, this advance provides an essential tool for understanding brain health and developing new treatments for devastating neurological conditions.

Da:

https://www.insideprecisionmedicine.com/topics/molecular-dx/ultra-fast-generation-of-human-microglia-in-a-dish-may-accelerate-brain-research/