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Tecnologia staminale: se un agente singolo non funziona, il cocktail può fare l’impensabile

I ricercatori del National Institutes of Health (NIH) hanno ideato un cocktail di quattro piccole molecole in grado di proteggere le cellule staminali chiamate cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) dallo stress e mantenere la normale struttura e funzione delle cellule staminali. I ricercatori suggeriscono che il cocktail potrebbe migliorare i potenziali usi terapeutici delle cellule staminali, che vanno dal trattamento di malattie e condizioni all’editing del genoma. Le cellule staminali pluripotenti umane sono cellule che, in teoria, possono crescere per sempre e fungere da fonte inesauribile di cellule specializzate, come le cellule del cervello, dei reni e del cuore. Ma le cellule staminali sono sensibili e il loro potenziale utilizzo in medicina è ostacolato dallo stress derivante dalla crescita in un piatto di coltura cellulare, che può danneggiare il loro DNA e portare alla morte cellulare. In una serie di esperimenti, gli scienziati guidati da Ilyas Singeç, MD, PhD, hanno utilizzato uno screening ad alto rendimento (HTS) per testare sistematicamente migliaia di composti e farmaci, da identificare una combinazione unica che ha notevolmente migliorato la sopravvivenza delle cellule staminali e ridotto lo stress della coltura cellulare.

Singeç ei suoi co-ricercatori hanno descritto come hanno sviluppato il cocktail, chiamato CEPT, e le sue potenziali applicazioni il 3 maggio in Nature Methods. Le iPSC derivano da cellule della pelle o del sangue riprogrammate. Per migliorare la loro sopravvivenza in coltura, Singeç e il suo team hanno inizialmente testato più di 15.000 farmaci approvati dalla Food and Drug Administration degli Stati Uniti e composti sperimentali di piccole molecole provenienti dalle collezioni dell’NCATS. Tra i 20 farmaci e composti che potrebbero inibire l’attività di ROCK-1, un tipo di enzima chinasi coinvolto nello stress delle cellule staminali, hanno scoperto che il composto Chroman 1 era più potente del suo inibitore tradizionale (chiamato Y-27632), nel migliorare la sopravvivenza cellulare. Per migliorare ulteriormente la sopravvivenza delle cellule, Singeç e il suo team hanno utilizzato le capacità di screening farmacologico a matrice di NCATS per cercare potenziali sinergie tra Chroman 1 e altri farmaci e composti. Lo screening farmacologico a matrice consente ai ricercatori di studiare gli effetti delle combinazioni di farmaci e determinare i possibili meccanismi con cui agiscono questi farmaci.

I ricercatori hanno identificato un farmaco sperimentale, Emricasan, che, se combinato con Chroman 1, potrebbe fornire ulteriore supporto per migliorare la vitalità delle cellule staminali. Secondo Singeç, uno sforzo importante nella biologia delle cellule staminali è un processo sperimentale chiamato clonazione di singole cellule. Sebbene la coltura di cellule staminali in grandi gruppi sia più facile, la clonazione di una singola cellula – coltivare una cellula alla volta in un minuscolo pozzetto di una piastra di coltura cellulare – è molto stressante per le cellule e inefficiente. Il processo ha applicazioni critiche nell’editing genetico e nella creazione di linee cellulari derivate da una singola cellula. Nelle fasi iniziali, il team ha testato gli effetti protettivi di farmaci e composti su 500 cellule staminali alla volta nei pozzetti delle piastre. Per imitare lo stress cellulare osservato durante la clonazione di una singola cellula, i ricercatori hanno quindi sviluppato un nuovo test per consentire loro di esaminare gli effetti di oltre 7.500 composti su solo 10 cellule alla volta. Questo test ha portato all’identificazione di un terzo composto, trans-ISRIB, che ha migliorato la sopravvivenza cellulare, anche quando c’erano poche cellule in ogni piastra.

Ulteriori esperimenti hanno dimostrato che una miscela di composti chiamati poliammine, in combinazione con Chroman 1, Emricasan e trans-ISRIB, si è dimostrata la migliore per la clonazione di singole cellule. Le poliammine sono metaboliti fisiologici derivati da aminoacidi come l’ornitina, l’arginina e la lisina che vengono trasformati enzimaticamente. Esse sono essenziali per la duplicazione cellulare, poiché regolano svariate proteine ed enzimi cellulari, potendo influenzare anche il DNA in modo diretto. Non a caso, in passato, composti antagonisti delle poliammine o del loro metabolismo enzimatico sono stati impiegati nella terapia dei tumori. Il team ha così condotto una serie di esperimenti per testare l’utilità del cocktail. I ricercatori hanno dimostrato, ad esempio, che il CEPT ha migliorato la conservazione delle cellule staminali chiamata crioconservazione, che comporta il loro congelamento, un processo che in genere è molto stressante per loro. La crioconservazione è fondamentale per portare le cellule staminali in clinica, ma un numero significativo di cellule viene perso o danneggiato durante il processo di scongelamento. Il cocktail ha notevolmente migliorato il processo.

In un altro test, i ricercatori hanno studiato l’uso del cocktail sulle iPSC che erano già differenziate in cellule cardiache, neuroni motori e altri tipi di cellule. Hanno scoperto che anche queste cellule più differenziate trattate con CEPT erano più vitali e mostravano una funzione migliorata. Singeç ha anche notato i potenziali usi del cocktail nell’ingegneria dei tessuti e nella produzione biologica di vari tipi di cellule per la medicina rigenerativa e lo sviluppo di farmaci. Il cocktail, perciò, non solo potrebbe essere utile per amplificare le cellule staminali in laboratorio, ma migliorare la loro stabilità e sopravvivenza nel caso di trapianti cellulari su esseri umani. Qualcosa che 20 anni fa non si credeva possibile.

  • A cura del Dr. Gianfrancesco Cormaci, PhD, specialista in Biochimica Clinica.

Pubblicazioni scientifiche

Chen Y, Tristan CA et al, Singeç I. Nat Methods. 2021 May 3.

Chen Y, Tristan CA et al. Methods Mol Biol. 2019; 1919:59-72. 

Dott. Gianfrancesco Cormaci
- Laurea in Medicina e Chirurgia nel 1998 (MD Degree in 1998) - Specialista in Biochimica Clinica nel 2002 (Clinical Biochemistry residency in 2002) - Dottorato in Neurobiologia nel 2006 (Neurobiology PhD in 2006) - Ha soggiornato negli Stati Uniti, Baltimora (MD) come ricercatore alle dipendenze del National Institute on Drug Abuse (NIDA/NIH) e poi alla Johns Hopkins University, dal 2004 al 2008. - Dal 2009 si occupa di Medicina personalizzata. - Guardia medica presso strutture private dal 2010 - Detentore di due brevetti sulla preparazione di prodotti gluten-free a partire da regolare farina di frumento immunologicamente neutralizzata (owner of patents concerning the production of bakery gluten-free products, starting from regular wheat flour). - Responsabile del reparto Ricerca e Sviluppo per la società CoFood s.r.l. (leader of the R&D for the partnership CoFood s.r.l.) - Autore di un libro riguardante la salute e l'alimentazione, con approfondimenti su come questa condizioni tutti i sistemi corporei. - Autore di articoli su informazione medica e salute sui siti web salutesicilia.com, medicomunicare.it e in lingua inglese sul sito www.medicomunicare.com
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