Le cellule progenitrici del sangue autorinnovanti potrebbero ampliare la portata della terapia cellulare contro il cancro. / Self-Renewing Blood Progenitors Could Expand the Reach of Cancer Cell Therapy

Le cellule progenitrici del sangue autorinnovanti potrebbero ampliare la portata della terapia cellulare contro il cancro. / Self-Renewing Blood Progenitors Could Expand the Reach of Cancer Cell Therapy

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

Un gruppo di ricercatori dell'Università della California del Sud ha sviluppato un metodo per espandere in laboratorio una popolazione chiave di cellule progenitrici ematopoietiche, preservandone l'identità e la funzione, superando così un ostacolo di lunga data in ematologia ed aprendo nuove possibilità per l'immunoterapia contro il cancro.

Lo studio, pubblicato su Cell, descrive come i ricercatori abbiano generato un gran numero di progenitori granulocitari-monocitari (GMP), cellule precursori del sistema immunitario che danno origine a macrofagi, monociti e neutrofili, utilizzando un sistema di coltura che permette a queste cellule di autorinnovarsi in vitro. Il lavoro non solo mette in discussione le ipotesi convenzionali sulla biologia dei progenitori ematopoietici, ma fornisce anche una piattaforma potenzialmente scalabile per la progettazione di cellule immunitarie mirate ad attaccare il cancro.

"Questa è la prima volta che riusciamo a selezionare singole cellule progenitrici ed ad espanderle in grandi quantità senza differenziarle", ha affermato l'autore senior Qi-Long Ying, PhD, professore di biologia delle cellule staminali presso la USC. "Mantengono la loro identità originale."

Questo risultato risolve un problema che ha frustrato i ricercatori per decenni. Sebbene le cellule staminali ematopoietiche ed i loro discendenti siano stati ampiamente studiati, gli scienziati hanno faticato a mantenere in coltura per lunghi periodi specifiche popolazioni di cellule progenitrici ematopoietiche senza che queste si differenziassero in cellule immunitarie mature.

Ying ha spiegato che il progetto è nato dall'esperienza del suo laboratorio con le cellule staminali embrionali, che possono essere mantenute in coltura a tempo indeterminato. Ha ipotizzato che, se le cellule staminali embrionali potessero essere espanse a lungo termine, approcci simili potrebbero essere sviluppati in futuro anche per le cellule staminali e progenitrici presenti nel midollo osseo.

Dopo anni di sperimentazione, i ricercatori hanno stabilito le condizioni di coltura che supportano selettivamente le GMP, una popolazione di cellule progenitrici responsabili della generazione di diversi tipi di cellule del sistema immunitario innato coinvolte nel riconoscimento e nella distruzione delle cellule anomale.

Mettere in discussione un paradigma consolidato

Secondo il coautore Daniel McKim, PhD, una delle scoperte più sorprendenti non è stata semplicemente la capacità di espandere le GMP, ma la dimostrazione che queste cellule progenitrici potevano subire un esteso autorinnovamento in vitro.

"La teoria prevalente è sempre stata che i progenitori ematopoietici siano cellule intermedie di breve durata, incapaci di autorinnovarsi", ha affermato McKim. "Una delle differenze tra cellule staminali ematopoietiche e progenitori risiede nella convinzione che queste cellule non siano in grado di autorinnovarsi. Quello che abbiamo scoperto è che, nelle giuste condizioni, possono farlo."

I ricercatori sottolineano che il fenomeno dell'autorinnovamento si verifica in coltura. Una volta reintrodotte negli animali, le GMP si comportano come normali cellule progenitrici, producendo popolazioni immunitarie a valle prima di esaurirsi.

Tuttavia, la capacità di generare un gran numero di GMP in vitro rappresenta un significativo progresso tecnico. I ricercatori riportano livelli di espansione che si avvicinano ad otto ordini di grandezza, pur mantenendo le caratteristiche delle cellule progenitrici.

Sviluppare terapie cellulari migliori

Al di là degli aspetti biologici di base, i ricercatori intravedono importanti implicazioni per l'immunoterapia contro il cancro.

Le attuali immunoterapie cellulari sono dominate dagli approcci con cellule CAR-T, che hanno rivoluzionato il trattamento di diversi tumori del sangue, ma hanno mostrato un successo più limitato contro i tumori solidi. Da tempo i ricercatori sono interessati a sviluppare terapie basate sui macrofagi ed altre cellule del sistema immunitario innato, poiché queste cellule infiltrano naturalmente i tumori e possono rimodellare il microambiente tumorale.

Tuttavia, tradurre questi concetti in terapie efficaci si è rivelato difficile. I macrofagi ed i monociti maturi sono difficili da modificare geneticamente, da produrre su larga scala e spesso non persistono dopo l'infusione.

Le nuove GMP (Good Manufacturing Practices) ampliate potrebbero rappresentare una soluzione. Poiché le cellule progenitrici possono essere generate in grandi quantità e modificate geneticamente prima del trapianto, offrono una fonte rinnovabile di cellule immunitarie in grado di combattere i tumori.

"Nel nostro corpo queste cellule sono molto rare", ha affermato Ying. "Le cellule mature non possono crescere ed è molto difficile modificarle geneticamente. Ora abbiamo cellule progenitrici che possono essere espanse a lungo termine in grandi quantità e possiamo modificarle geneticamente con facilità. Questo rende tutto possibile."

Il gruppo ha modificato geneticamente macrofagi sia murini che umani dotandoli di recettori chimerici per l'antigene (CAR) e li ha valutati in modelli murini. A differenza dei macrofagi maturi, che spesso rimangono intrappolati in organi come polmoni e fegato dopo l'infusione, le cellule progenitrici si sono distribuite ampiamente in tutto il corpo e si sono innestate nel midollo osseo.

Una volta stabilite, le cellule hanno generato popolazioni di macrofagi e monociti capaci di infiltrarsi nei tumori.

McKim ha osservato che questo approccio potrebbe superare diverse limitazioni che hanno ostacolato le immunoterapie basate sui macrofagi. "Uno dei problemi principali è stato la difficoltà di manipolare geneticamente queste cellule ed il fatto che, una volta reintrodotte nell'organismo, non riescono a raggiungere la destinazione desiderata", ha affermato. "Le cellule progenitrici risolvono entrambi i problemi. Sono facili da manipolare geneticamente e si espandono dopo il trapianto."

Implicazioni per i tumori solidi

I ricercatori ritengono che le terapie immunitarie innate derivate da cellule progenitrici possano offrire vantaggi nei tumori solidi, dove gli approcci con cellule CAR T hanno incontrato difficoltà.

I tumori spesso creano microambienti altamente immunosoppressivi che limitano l'attività delle cellule T. I macrofagi e le cellule immunitarie innate correlate, al contrario, migrano naturalmente nei tumori e possono contribuire a stimolare risposte immunitarie più ampie.

"I monociti ed i macrofagi tendono a infiltrarsi nei tumori", ha affermato McKim. "Possono uccidere le cellule tumorali, ma possono anche contribuire a generare una risposta immunitaria antitumorale naturale da parte dell'organismo ospite". Questa capacità potrebbe rivelarsi particolarmente importante nei tumori che eludono il trattamento perdendo specifici antigeni bersaglio, un meccanismo comune di resistenza alla terapia con cellule CAR T.

Sebbene la ricerca sia ancora in fase preclinica, i ricercatori ritengono che la piattaforma potrebbe in futuro supportare un'ampia gamma di applicazioni di ingegneria immunitaria, al di là del cancro.

ENGLISH

A team of researchers at the University of Southern California has developed a method to expand a key population of blood-forming progenitor cells in the laboratory while preserving their identity and function, overcoming a longstanding barrier in hematology and opening new possibilities for cancer immunotherapy.

The study, published in Cell, describes how investigators generated large numbers of granulocyte-monocyte progenitors (GMPs)—immune precursor cells that give rise to macrophages, monocytes, and neutrophils—using a culture system that enables these cells to self-renew in vitro. The work not only challenges conventional assumptions about hematopoietic progenitor biology but also provides a potentially scalable platform for engineering immune cells designed to attack cancer.

“This is the first time we can pick single progenitor cells and expand them in large quantities without differentiation,” said senior author Qi-Long Ying, PhD, professor of stem cell biology at USC. “They retain the original identity.”

The achievement addresses a problem that has frustrated researchers for decades. Although hematopoietic stem cells and their descendants have been extensively studied, scientists have struggled to maintain specific blood-forming progenitor populations in culture over long periods without the cells differentiating into mature immune cells.

Ying said the project grew out of his laboratory’s experience working with embryonic stem cells, which can be maintained indefinitely in culture. He reasoned that if embryonic stem cells could be expanded long term, similar approaches might eventually be developed for stem and progenitor cells found in bone marrow.

After years of experimentation, the researchers established culture conditions that selectively support GMPs, a progenitor population responsible for generating several innate immune cell types involved in recognizing and destroying abnormal cells.

Challenging a longstanding paradigm

According to co-author Daniel McKim, PhD, one of the most surprising findings was not simply the ability to expand GMPs but the demonstration that these progenitor cells could undergo extensive self-renewal in vitro.

“The prevailing theory has been that hematopoietic progenitors are short-lived intermediate cells that are incapable of self-renewal,” McKim said. “One of the distinctions between hematopoietic stem cells and progenitors is the belief that these cells are not able to self-renew. What we found is that under the right conditions, they can.”

The researchers emphasize that the self-renewal phenomenon occurs in culture. Once transplanted back into animals, the GMPs behave like normal progenitor cells, producing downstream immune populations before eventually becoming depleted.

Still, the ability to generate vast numbers of GMPs in vitro represents a significant technical advance. The investigators report expansion levels approaching eight orders of magnitude while maintaining the cells’ progenitor characteristics.

Building better cell therapies

Beyond the basic biology, the researchers see major implications for cancer immunotherapy.

Current cellular immunotherapies are dominated by CAR T-cell approaches, which have transformed treatment for several blood cancers but have shown more limited success against solid tumors. Investigators have long been interested in developing therapies based on macrophages and other innate immune cells because those cells naturally infiltrate tumors and can reshape the tumor microenvironment.

However, translating those concepts into viable therapies has proven difficult. Mature macrophages and monocytes are challenging to genetically engineer, difficult to manufacture at scale, and often fail to persist after infusion.

The newly expanded GMPs may provide a solution. Because the progenitor cells can be generated in large numbers and genetically modified before transplantation, they offer a renewable source of tumor-fighting immune cells.

“In our body these cells are very rare,” Ying said. “The mature cells cannot grow, and it is very challenging to genetically modify them. Now we have progenitor cells that can be expanded long-term in large quantities, and we can easily genetically modify them. That makes everything possible.”

The team engineered both mouse and human GMPs with chimeric antigen receptors (CARs) and evaluated them in mouse models. Unlike mature macrophages, which often become trapped in organs such as the lungs and liver after infusion, the progenitor cells distributed broadly throughout the body and engrafted within the bone marrow.

Once established, the cells generated populations of macrophages and monocytes capable of infiltrating tumors.

McKim noted that this approach may overcome several limitations that have hindered macrophage-based immunotherapies. “One of the big issues has been that it’s hard to engineer these cells, and when you put them back into the body they don’t get where they need to go,” he said. “The progenitors solve both problems. They’re easy to engineer, and they expand after transplantation.”

Implications for solid tumors

The researchers believe progenitor-derived innate immune therapies may offer advantages in solid tumors, where CAR T-cell approaches have struggled.

Tumors often create highly suppressive microenvironments that limit T-cell activity. Macrophages and related innate immune cells, by contrast, naturally migrate into tumors and can help stimulate broader immune responses.

“Monocytes and macrophages love going into tumors,” McKim said. “They can kill tumor cells themselves, but they can also help generate a natural antitumor immune response by the host.” That capability could prove particularly important in cancers that evade treatment by losing specific target antigens, a common mechanism of resistance to CAR T-cell therapy.

Although the work remains preclinical, the investigators believe the platform could eventually support a wide range of immune-engineering applications beyond cancer.

Da:

https://www.insideprecisionmedicine.com/topics/oncology/self-renewing-blood-progenitors-could-expand-the-reach-of-cancer-cell-therapy/