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Microfluidic-assisted fabrication of artifical microniches for bone marrow stem cells

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Creare la nicchia giusta per la sopravvivenza di cellule staminali umane

La cellula staminale basata sulla medicina rigenerativa è pronta per il trattamento di molte malattie finora incurabili, dalla rigenerazione dentale all’insufficienza cardiaca. Una ricerca, finanziata dall’UE, di MicroNICHE ha sviluppato un microambiente particolare che mantiene quella «capacità staminale» vitale per le cellule destinate a evolversi in tessuti od organi terapeutici.

Salute

Le cellule staminali emopoietiche (CSE), un tipo di cellule staminali del midollo osseo, non possono essere indotte a riprodursi in vitro. Nel loro sito naturale, il midollo osseo, vivono in un microambiente conosciuto come una nicchia che le mantiene «a riposo» finché non vengono sollecitate a differenziarsi in diverse cellule ematiche; questo ambiente fornisce loro sostanze nutritive e supporto. In determinate circostanze in cui le CSE hanno una cellula bersaglio verso la quale differenziarsi, la «miscela» corretta di fattori per la regolamentazione e dei segnali ambientali e meccanici derivanti dalla matrice extracellulare è un regolatore fondamentale del destino delle cellule staminali.

Costruzione di nicchie artificiali di cellule staminali

Il progetto MicroNICHE è stato concepito come uno strumento per costruire nicchie artificiali di CSE sfruttando le tecniche relative alla microfluidica. I dispositivi della microfluidica sfruttano le proprietà fisiche e chimiche dei liquidi e dei gas su microscala. Pilar Carreras, borsista di Marie Skłodowska Curie, spiega: «Per cercare di mantenere ed espandere le cellule staminali emopoietiche del midollo osseo umano e per implementare ulteriormente la loro traslazione in cellule funzionali coltivate ex vivo, abbiamo dovuto progettare un microambiente 3D biomimetico». Il passo successivo consisteva nello sviluppare micronicchie artificiali con caratteristiche funzionali centrali ricostruite. «In questo progetto abbiamo usato i vantaggi offerti dalla tecnologia microfluidica ad alto rendimento, in particolare dalla microfluidica basata su goccioline», aggiunge Carreras.

Dalle cellule staminali individuali alle cellule differenziate

L’obiettivo iniziale consisteva nel mantenere le cellule per almeno 78 ore per dimostrare la capacità di costruire un ambiente adatto all’incapsulamento e alla coltura di CSE umane. «Tuttavia, abbiamo osservato che le micronicchie erano in grado di mantenere ed espandere le CSE umane fino a otto settimane senza l’utilizzo di complesse tecnologie per la coltura o di additivi nei materiali per la coltura», sottolinea Carreras. Per arrivare a un’idea dei livelli di «capacità staminale» e del potenziale di differenziazione in altre possibili cellule, per una settimana gli scienziati hanno coltivato alcune cellule ricavate dai pazienti dentro alcune goccioline. «Abbiamo osservato che la maggioranza delle cellule racchiuse sono rimaste staminali, con sottopopolazioni molto piccole di cellule differenziate. Questo indica che la maggior parte delle CSE umane mantenute ex vivo coltivate tramite la tecnologia microfluidica ad alto rendimento rimane nel loro stato staminale originario e che può essere coltivata ed espansa a lungo termine», osserva Carreras. La tecnologia di microNICHE ha inoltre dato origine alla sopravvivenza e all’espansione di CSE umane di lungo termine racchiudendo per otto settimane queste cellule in una struttura in idrogel simile a una cipolla grazie al supporto delle cellule staminali mesenchimali (CSM) umane. Carreras prosegue osservando il significato di questa scoperta innovativa dato che, «rappresenta un’opportunità per fornire miglioramenti notevoli nei trapianti di cellule progenitrici, così come uno strumento per studiare i fattori biochimici e biofisici che influiscono sul comportamento delle cellule staminali».

Affrontare le sfide e colmare il divario della ricerca

Sono emerse alcune difficoltà, gestibili grazie al supporto del gruppo nel laboratorio collaboratore del dottor Joaquin Martinez-Lopez (Dipartimento di ematologia, Ospedale 12 de Octubre, a Madrid). È stato necessario modificare il materiale usato per il dispositivo microfluidico concepito al fine di consentire una messa a punto delle sue caratteristiche. In seguito, l’impegnativa immaginografia 3D delle cellule racchiuse è stata affrontata con successo progettando diversi test cellulari per le goccioline coltivate sotto microscopia confocale. Carreras conclude: «Questa tecnologia consente una miriade di nuove applicazioni come un modello universale di nicchia di cellule staminali potenzialmente in grado di espandersi ad altri tipi di cellule». Carreras mette in evidenza ulteriormente l’importanza delle applicazioni di microfluidica nelle scienze della vita e la necessità di colmare il divario tra questo tipo di ricerca e gli ospedali e i pazienti, dato che possono emergere esiti molto più preziosi ed efficienti lavorando a fianco dei pazienti.

Parole chiave

MicroNICHE, cellule staminali, microfluidica, coltura, CSE umane, nicchia di cellule staminali, microfluidica basata su goccioline

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