Oggi i farmaci basati sugli anticorpi – proteine che combattono le infezioni e le malattie – vengono prescritti per tutto, dal cancro al Covid-19 al colesterolo alto. I farmaci anticorpali sono forniti da cellule geneticamente modificate che funzionano come piccole fabbriche di proteine in laboratorio.
L’immagine al microscopio confocale mostra cellule staminali mesenchimali (verdi) catturate all’interno di nanoviali (rosa). La tecnologia nanoviale è stata sviluppata da Dino Di Carlo e colleghi dell’UCLA. Credito immagine: Shreya Udani/UCLA
Nel frattempo, i ricercatori hanno preso di mira il cancro, le lesioni agli organi interni e una serie di altri disturbi con nuove strategie in cui cellule ingegnerizzate in modo simile vengono impiantate direttamente nei pazienti.
Queste applicazioni biotecnologiche si basano sul principio secondo cui l’alterazione del DNA di una cellula per produrre più istruzioni genetiche per produrre una determinata proteina farà sì che la cellula rilasci più di quella proteina.
UN nuovo studio dell’UCLA suggerisce che, almeno in un tipo di cellula staminale, il principio non è necessariamente vero.
I ricercatori hanno esaminato le cellule staminali mesenchimali, che risiedono nel midollo osseo e possono autorinnovarsi o svilupparsi in cellule ossee, adipose o muscolari. Le cellule mesenchimali secernono un fattore di crescita proteico chiamato VEGF-A, che svolge un ruolo nella rigenerazione dei vasi sanguigni e che gli scienziati ritengono possa avere il potenziale per riparare i danni da attacchi di cuore, lesioni renali, malattie arteriose degli arti e altre condizioni.
Quando i ricercatori hanno confrontato la quantità di VEGF-A rilasciata da ciascuna cellula mesenchimale con l’espressione dei geni nella stessa cellula che codifica per VEGF-A, i risultati sono stati sorprendenti: l’espressione genica era correlata solo debolmente con l’effettiva secrezione del fattore di crescita.
Gli scienziati hanno identificato altri geni che correlano meglio con la secrezione del fattore di crescita, incluso uno che codifica per una proteina presente sulla superficie di alcune cellule staminali. Isolando le cellule staminali con quella proteina sulla superficie, il team ha coltivato una popolazione che secerneva VEGF-A in modo prolifico e ha continuato a farlo anche giorni dopo.
I risultati, pubblicati oggi su Nature Nanotechnology, suggeriscono che un presupposto fondamentale in biologia e biotecnologia potrebbe essere riconsiderato, ha affermato l’autore co-corrispondente Dino Di Carlo, Armond ed Elena Hairapetian Professore di Ingegneria e Medicina presso l’Università Scuola di Ingegneria dell’UCLA Samueli.
“Il dogma centrale è che le istruzioni sono nel DNA, queste vengono trascritte nell’RNA e poi l’RNA viene tradotto in proteine”, ha detto Di Carlo, che è anche membro dell’UCLA. Istituto dei Nanosistemi della California E Eli ed Edythe Broad Center di medicina rigenerativa e ricerca sulle cellule staminali. “Sulla base di ciò, molti scienziati hanno ipotizzato che se avessimo più RNA, avremmo più proteine, e quindi più proteine rilasciate dalla cellula. Abbiamo messo in dubbio questa ipotesi.
“Sembra che non possiamo supporre che se un gene è espresso a livelli più alti, ci sarà una maggiore secrezione della proteina corrispondente. Abbiamo trovato un chiaro esempio in cui ciò non accade e ciò apre molte nuove domande”.
I risultati potrebbero contribuire a rendere più efficiente la produzione di trattamenti basati su anticorpi e a definire nuovi trattamenti cellulari più efficaci. Conoscere i giusti interruttori genetici da attivare potrebbe consentire l’ingegnerizzazione o la selezione di cellule straordinariamente produttive per realizzare o fornire terapie.
Lo studio dell’UCLA è stato condotto utilizzando apparecchiature di laboratorio standard potenziate con una tecnologia inventata da Di Carlo e dai suoi colleghi: nanovials, microscopici contenitori di idrogel a forma di ciotola, ognuno dei quali cattura una singola cellula e le sue secrezioni. Sfruttando un nuovo metodo analitico abilitato alle nanofialette, gli scienziati sono stati in grado di collegare la quantità di VEGF-A rilasciata da ciascuna delle 10.000 cellule staminali mesenchimali a un atlante che mappa decine di migliaia di geni espressi da quella stessa cellula.
“La capacità di collegare la secrezione proteica all’espressione genetica a livello di singola cellula rappresenta una grande promessa per i campi della ricerca sulle scienze della vita e dello sviluppo terapeutico”, ha affermato Kathrin Plath, professoressa di chimica biologica dell’UCLA, membro del Broad Stem Cell Research Center e co-autore corrispondente dello studio. “Senza di esso, non saremmo potuti arrivare ai risultati inaspettati che abbiamo trovato in questo studio. Ora abbiamo un’entusiasmante opportunità di imparare cose nuove sui meccanismi alla base dei processi fondamentali della vita e utilizzare ciò che impariamo per migliorare la salute umana”.
Sebbene l’attivazione delle istruzioni genetiche per il VEGF-A abbia mostrato una scarsa correlazione con il rilascio della proteina, i ricercatori hanno identificato un gruppo di 153 geni con forti legami con la secrezione del VEGF-A. Molti di loro sono noti per la loro funzione nello sviluppo dei vasi sanguigni e nella guarigione delle ferite; per altri la loro funzione è attualmente sconosciuta.
Una delle migliori corrispondenze codifica per una proteina della superficie cellulare, IL13RA2, il cui scopo è poco conosciuto. La sua posizione esterna ha reso più semplice per gli scienziati usarlo come marcatore e separare quelle cellule dalle altre. Le cellule con IL13RA2 hanno mostrato il 30% in più di secrezione di VEGF-A rispetto alle cellule prive del marcatore.
In un esperimento simile, i ricercatori hanno tenuto le cellule separate in coltura per sei giorni. Al termine di tale periodo, le cellule con il marcatore secernevano il 60% in più di VEGF-A rispetto alle cellule prive di marcatore.
Sebbene le terapie basate sulle cellule staminali mesenchimali si siano mostrate promettenti negli studi di laboratorio, gli studi clinici con partecipanti umani hanno dimostrato che molte di queste nuove opzioni sono sicure ma non efficaci. La capacità di selezionare elevati secretori di VEGF-A utilizzando IL13RA2 può aiutare a invertire la tendenza.
“Identificare una sottopopolazione che produce di più e i marcatori associati a quella popolazione significa poterli separare molto facilmente”, ha detto Di Carlo. “Una popolazione di cellule molto pura che produce alti livelli di proteina terapeutica dovrebbe costituire una terapia migliore.”
I nanoviali sono disponibili in commercio presso Partillion Bioscience, una società co-fondata da Di Carlo che ha avviato l’attività presso l’incubatore del campus del CNSI, Ingrandire.
Il primo autore dello studio è Shreya Udani, che ha conseguito un dottorato presso l’UCLA nel 2023. Altri coautori, tutti affiliati all’UCLA, sono lo scienziato Justin Langerman; Doyeon Koo, che ha conseguito un dottorato nel 2023; gli studenti laureati Sevana Baghdasarian e Citradewi Soemardy; lo studente universitario Brian Cheng; Simran Kang, che ha conseguito una laurea nel 2023; e Joseph de Rutte, che ha conseguito un dottorato nel 2020 ed è cofondatore e CEO di Partillion.
Lo studio è stato sostenuto dal National Institutes of Health e da un Stem Cell Nanomedicine Planning Award finanziato congiuntamente dal CNSI e dal Broad Stem Cell Research Center.
Fonte: UCLA
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