I trapianti di interneuroni umani ingegnerizzati riparano i circuiti respiratori nei ratti feriti. / Engineered Human Interneuron Transplants Repair Respiratory Circuits in Injured Rats

I trapianti di interneuroni umani ingegnerizzati riparano i circuiti respiratori nei ratti feriti. / Engineered Human Interneuron Transplants Repair Respiratory Circuits in Injured Rats

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

Circa 15-20 milioni di persone in tutto il mondo sono colpite da lesioni al midollo spinale, che possono compromettere la mobilità, limitare l'indipendenza ed alterare importanti funzioni corporee. Ad esempio, un danno al midollo spinale a livello del collo interrompe i segnali che controllano il diaframma, il principale muscolo utilizzato per la respirazione. Il corpo non è in grado di ricostruire naturalmente le connessioni neurali perse e non esistono terapie approvate in grado di rigenerare i neuroni e le connessioni danneggiate da una lesione al midollo spinale. Ma questo potrebbe cambiare grazie ad una nuova ricerca condotta dagli scienziati del Gladstone Institutes. 

I dettagli completi del lavoro, condotto sui ratti, sono stati pubblicati su Science Translational Medicine in un nuovo articolo intitolato " Gli interneuroni spinali umani riparano il midollo spinale danneggiato del ratto attraverso l'integrazione sinaptica ". Lo studio dimostra che i neuroni od interneuroni spinali interconnessi derivati ​​da cellule staminali umane – cellule cruciali per la respirazione ed il movimento – possono sopravvivere dopo il trapianto in ratti con lesioni, formare connessioni con i circuiti neurali degli animali riceventi e migliorare la funzione motoria legata alla respirazione. Come afferma Lana Zholudeva, PhD, ricercatrice del Gladstone e prima autrice dell'articolo, "questo studio dimostra che un tipo specifico di interneurone spinale umano può essere ingegnerizzato a partire da cellule staminali e trapiantato in un midollo spinale danneggiato" in modo tale che "le cellule non solo sopravvivano, ma formino nuove vie per riparare le reti danneggiate".

Per lo studio, gli scienziati si sono concentrati su un sottotipo di interneuroni chiamato interneuroni V2a. Si tratta di cellule di relay che svolgono un ruolo nel controllo del movimento. Precedenti ricerche del gruppo di Zholudeva e di altri hanno dimostrato che queste cellule sono implicate nel recupero dopo una lesione traumatica del midollo spinale, compresi i circuiti neurali coinvolti nella respirazione e nella deambulazione. 

Utilizzando cellule staminali pluripotenti indotte umane, Zholudeva ed il suo gruppo hanno generato interneuroni V2a umani trapiantabili, ottimizzati per la riparazione di circuiti spinali danneggiati. Nello specifico, "abbiamo ingegnerizzato interneuroni spinali (SpIN) arricchiti di V2a umani a partire da una linea cellulare di cellule staminali pluripotenti indotte umane che esprime la channelrhodopsina-2 (ChR2) optogenetica", hanno scritto nell'articolo. Secondo Deepak Srivastava, MD, presidente del Gladstone e autore senior dello studio, mettere a punto il processo ha richiesto tempo ed impegno: "Ci sono voluti circa un anno e mezzo di tentativi ed errori per trovare la ricetta giusta per creare questo particolare neurone a partire da cellule staminali, ma ne è valsa davvero la pena". Hanno anche fatto in modo che le cellule potessero essere congelate in provette e successivamente scongelate per l'uso, rendendo possibile il loro impiego in future sperimentazioni cliniche sull'uomo. 

In seguito, gli scienziati hanno trapiantato gli interneuroni in ratti adulti una settimana dopo che questi avevano subito lesioni al midollo spinale cervicale. Due mesi dopo il trapianto, gli scienziati hanno scoperto che le nuove cellule non solo erano sopravvissute all'ambiente ostile del sito della lesione, ma avevano anche formato connessioni con le cellule vicine. Inoltre, quando gli scienziati hanno attivato il sito del trapianto, hanno osservato un aumento dell'attività nel diaframma. Hanno anche attivato i neuroni del tronco encefalico dei ratti e hanno scoperto che le cellule trapiantate si attivavano in risposta. 

Gli scienziati hanno anche testato la respirazione dei ratti in diverse condizioni. In condizioni normali, la differenza nella respirazione degli animali era meno evidente. Ma in un ambiente con basso contenuto di ossigeno od alto contenuto di anidride carbonica, la maggior parte dei ratti del gruppo di controllo, non trattati e feriti, ha mostrato segni di insufficienza respiratoria. Al contrario, la maggior parte dei ratti che hanno ricevuto i nuovi interneuroni V2a ha superato le prove senza difficoltà. "Le cellule trapiantate sembrano fornire quella capacità aggiuntiva", ha affermato Zholudeva. 

Una parte dello studio ha riguardato l'analisi del perché alcuni trapianti abbiano avuto più successo di altri. Gli scienziati hanno identificato un sottoinsieme specifico di interneuroni V2a trapiantati che sembravano particolarmente propensi a connettersi con il circuito respiratorio dell'animale ospite. Prevedono di approfondire questa scoperta nei prossimi passi della ricerca. In futuro, intendono testare la potenziale terapia su animali di taglia maggiore. Valuteranno inoltre se la terapia sia altrettanto efficace sul midollo spinale lesionato mesi od anni dopo la lesione, e non solo nell'immediato. 

Il gruppo spera inoltre di testare il trattamento su altri circuiti neurali. In particolare, sta prendendo in considerazione i circuiti che controllano la funzionalità di braccia e mani, un aspetto che le persone con lesioni del midollo spinale cervicale spesso identificano come la loro massima priorità per il recupero. "Abbiamo dimostrato la fattibilità di questo approccio, ovvero che è possibile ingegnerizzare un tipo di cellula ben definito, trapiantarlo ed utilizzarlo per riparare un circuito specifico", ha affermato Zholudeva. "Ora dobbiamo fare in modo che funzioni in modo più costante, su un maggior numero di circuiti ed, infine, sulle persone".

ENGLISH

About 15 to 20 million people globally are impacted by spinal cord injuries, which can impair movement, limit their independence, and disrupt important bodily functions. For example, damage to the spinal cord that occurs at the neck disrupts signals that control the diaphragm, the main muscle used in breathing. The body does not naturally rebuild lost neural connections and there are no approved therapies that can regenerate the neurons and connections affected by a spinal cord injury. But that could change thanks to new research from scientists at Gladstone Institutes. 

Full details of the work, which was done in rats, are published in Science Translational Medicine in a new paper “Human spinal interneurons repair the injured rat spinal cord through synaptic integration.” It shows that human stem cell-derived spinal interconnected neurons or interneurons—critical cells for breathing and movement—can survive following transplantation in injured rats, form connections with the receiving animals’ neural circuits, and improve breathing-related motor function. As Lana Zholudeva, PhD, a Gladstone investigator and the paper’s first author, puts it, “this study demonstrates that a specific type of human spinal interneuron can be engineered from stem cells and transplanted into an injured spinal cord” in such a way that “the cells not only survive, but form new pathways to repair damaged networks.”

For the study, the scientists focused on a subtype of the interneurons called V2a interneurons. These are relay cells that play a role in controlling movement. Previous research by Zholudeva’s team and others have shown that these cells are implicated in recovery after traumatic spinal cord injury, including in the neural circuits involved in breathing and walking. 

Using human induced pluripotent stem cells, Zholudeva and her team generated transplantable human V2a interneurons that were optimized for repairing injured spinal circuits. Specifically, “we engineered human V2a-enriched SpINs from an optogenetic channelrhodopsin-2 (ChR2) expressing the human induced pluripotent stem cell line,” they wrote in the paper. Getting the process right took some doing, according to Deepak Srivastava, MD, Gladstone president and senior author of the study “it took about a year and a half of trial and error to get the recipe right to make this particular neuron out of stem cells, but it really paid off.” They also ensured that cells could be frozen in vials and later thawed for use, making it possible to use them in human clinical trials down the road. 

Next, the scientists transplanted the interneurons into adult rats one week after they sustained injuries to their cervical spinal cords. Two months post transplantation, the scientists found that the new cells not only survived the hostile environment of the injury site but also formed connections with nearby cells. Furthermore, when the scientists activated the transplant site, they observed increased activity in the diaphragm. They also activated the rats’ own brainstem neurons and found that the transplanted cells switched on in response. 

he scientists also tested the rats’ breathing under different conditions. Under normal conditions, the difference in the animals’ breathing was less noticeable. But in a low oxygen or high carbon dioxide environment, most of the injured, untreated controls showed signs of respiratory failure. In contrast, most of the rats that received the new V2a interneurons passed the challenges without difficulty. “The transplanted cells seem to be providing that additional capacity,” Zholudeva said. 

One component of the study involved looking at why some transplants worked better than others. The scientists identified a specific subset of transplanted V2a interneurons that seemed especially likely to connect with the host animal’s breathing circuit. They plan to follow up on the finding as part of their next steps. Further down the road, they plan to test the potential therapy in larger animals. And they will evaluate whether it is as effective in the injured spinal cord months or years after injury, not just in the immediate aftermath. 

The team also hopes to test the treatment in other neural circuits. Specifically, they are considering circuits that control arm and hand function, something that people with cervical spinal cord injuries often identify as their highest priority for recovery. “We’ve shown a proof of principle that this can work, that you can engineer a defined cell type, transplant it, and have it actually repair a specific circuit,” Zholudeva said. “Now we have to make it work more consistently, in more circuits, and eventually in people.”

Da:

https://www.genengnews.com/topics/translational-medicine/engineered-human-interneuron-transplants-repair-respiratory-circuits-in-injured-rats/?_hsenc=p2ANqtz-9F3fsyad5fQGZJjnZIZR1pL7OP0mUa1V0GdWFFBFbVgqKF8AwWZuUWxTSKj4EIc9fVwHmKJYjS9-tYcDWvNMg75bhxpVHIs70Ly3LoZuKLVyu0EPs&_hsmi=432076671