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Un’innovativa nicchia di cellule staminali microingegnerizzate

Saremo presto in grado di curare le malattie non con pillole, ma tramite terapie con cellule staminali. Comprendere e controllare la differenziazione delle cellule staminali è estremamente importante e richiede strumenti innovativi come la nicchia sintetica, o substrato, sviluppata nel corso del progetto NICHOID.

Ricerca di base
Salute

La medicina rigenerativa mira a riparare e ripristinare la funzione biologica di tessuti e organi danneggiati, spesso utilizzando cellule staminali, ad esempio nella riparazione della cartilagine o nella guarigione delle ferite. Tuttavia, ciò richiede lo sviluppo di substrati di coltura che simulino l’ambiente nativo delle cellule staminali e che possano sostenere la loro espansione e differenziazione.

La polimerizzazione di un innovativo substrato di cellule staminali

I substrati polimerici sono strutture ingegnerizzate a partire da materiali polimerici sintetici come l’acido poli-L-lattico o l’acido poliglicolico. Stanno emergendo come ambienti sintetici 3D in grado di influire sulla crescita e sulla proliferazione delle cellule, insieme a feeder layer (strati di coltura) o altri composti biologici impiegati per mantenere il fenotipo delle cellule staminali. Per superare i problemi di sicurezza associati all’uso di tali additivi e feeder layer, il progetto NICHOID, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca (CER) , ha sviluppato un substrato polimerico con struttura a griglia utilizzando una tecnologia di microfabbricazione chiamata polimerizzazione laser a due fotoni. «Il nostro approccio ha condotto allo sviluppo di un substrato di nicchioidi sicuro e di facile utilizzo», spiega la ricercatrice principale, Manuela Teresa Raimondi del Politecnico di Milano. Il nicchioide è stato testato su cellule staminali mesenchimali (MSC) note per la loro capacità rigenerativa in applicazioni di ortopedia, chirurgia plastica e ricostruttiva, nonché per il loro potenziale immunosoppressivo nel trapianto di organi. Sono anche sensibili agli stimoli meccanici provenienti dal microambiente. Si ritiene che gli impulsi meccanici trasdotti all’interno delle cellule determinino il destino cellulare poiché alterano la forma del nucleo, e pertanto l’importazione e l’esportazione dei fattori di trascrizione fondamentali per la regolazione dell’espressione genica. «Il nicchioide, in sostanza, previene la diffusione delle cellule durante la proliferazione confinando meccanicamente le cellule nella griglia, evitando in tal modo questo passaggio fondamentale verso la differenziazione», enfatizza Raimondi. Con l’aiuto dei colleghi dell’affiliato Politecnico di Milano e del Consiglio Nazionale delle Ricerche, i ricercatori hanno osservato una configurazione nucleare tondeggiante nelle MSC aderenti alla griglia microscopica del nicchioide, mentre è stata osservata una configurazione sparsa in cellule aderenti al substrato piano intorno alla griglia. Quest’ultima morfologia ha coinciso con un aumento della permeabilità nucleare e del flusso di molecole di segnalazione che inducono la differenziazione cellulare. L’osservazione che nelle cellule staminali l’importazione nucleare di fattori di trascrizione che attivano la differenziazione cellulare sia regolata innanzitutto da stiramenti della membrana nucleare è stata supportata anche tramite previsioni computazionali del flusso di importazione nucleare in funzione della morfologia cellulare. Questo controllo geometrico della staminalità cellulare apre una strada verso la riprogrammazione della capacità delle cellule staminali di generare tipi di cellule multipli (multipotenza) o persino tutti i tipi di cellule (pluripotenza) in coltura, senza la necessità di agenti chimici o modificazioni genetiche.

Prospettive future del substrato nicchioide

I risultati ottenuti dal progetto ERC-NICHOID rappresentano un nucleo sostanziale di nuove conoscenze di base su come ingegnerizzare la funzione delle cellule staminali in coltura. «Il CER è stato così visionario da finanziarmi altri due progetti di prova di concetto, già durante il progetto NICHOID, per favorire il trasferimento tecnologico di tutte le mie invenzioni», sottolinea Raimondi. Il progetto della prova di concetto MOAB, finanziato dal CER, consentirà ai ricercatori di integrare la loro innovazione nicchioide in un bioreattore miniaturizzato e accessibile otticamente già esistente. L’obiettivo è quello di sfruttare il substrato nicchioide in una piattaforma per la scoperta di farmaci per testare farmaci su equivalenti di tessuto 3D e organoidi. La commercializzazione del dispositivo avverrà da parte della spin-off del Politecnico di Milano, MOAB Srl, sviluppata grazie al finanziamento del CER. Alla luce della pandemia da COVID-19, Raimondi ha in programma di promuovere il substrato nicchioide per l’espansione delle MSC per la cura del COVID-19, sulla base di una nuova strategia terapeutica già in fase di sperimentazione clinica in Cina e negli Stati Uniti. Inoltre, utilizzerà tutti gli strumenti di ricerca avanzata sviluppati durante il progetto NICHOID per accelerare i test preclinici necessari a portare nuove terapie antivirali e vaccini nelle cliniche.

Parole chiave

NICHOID, cellula staminale, differenziazione cellulare, substrato polimerico, nicchia di cellule staminali, medicina rigenerativa, polimerizzazione a due fotoni, scoperta di farmaci

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