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La terapia cellulare per la rigenerazione cardiaca, sebbene promettente, è stata ostacolata da problemi con la sopravvivenza a lungo termine delle cellule trapiantate. Ora, una tecnica che combina tre diversi tipi di cellule in un cluster 3-D potrebbe migliorare la sua efficacia nel ridurre il tessuto cicatriziale e nel migliorare la funzione cardiaca dopo un attacco di cuore.
Chiamata CardioCluster, la tecnica di bioingegneria è stata sviluppata da Megan Monsanto, una dottoranda che ha lavorato con Mark Sussman, illustre Professore di biologia presso il San Diego State University Heart Institute.
La ricerca mostra che i cluster cellulari migliorano la funzione cardiaca perché hanno tassi di ritenzione molto migliori rispetto alle iniezioni di singole cellule: i cluster sono rimasti all’interno delle pareti cardiache dei modelli di topo per cinque mesi dopo il trapianto, un progresso significativo.
In qualità di studente impegnata in un master in bioingegneria presso SDSU, Monsanto si è interessata molto alla coltura dei tessuti per la ricerca cardiaca. Questo l’ha portata da Sussman, biologo molecolare e ricercatore principale di lunga data presso l’istituto.
Quando ha appreso delle difficoltà nel far sì che le cellule iniettate persistessero e sopravvivessero all’interno delle pareti del cuore, le è venuta l’idea di un cluster 3-D di cellule che interagirebbero tra loro e aderirebbero al sito di trapianto. Ma anche lei era sorpresa di quanto tempo fossero sopravvissuti i cluster 3D come ammasso.
“A 20 settimane eravamo ancora in grado di vedere le cellule“, ha detto Monsanto. “Il nostro progetto si avvale degli attributi benefici intrinseci di tre distinti tipi di cellule cardiache, ciascuno noto per possedere proprietà benefiche che attenuano le malattie cardiache in modo unico”.
La combinazione di cluster a cui è arrivata la ricercatrice dopo approfondite ricerche, comprende cellule staminali mesenchimali che aiutano a comunicare e supportare altre cellule, cellule progenitrici endoteliali che rivestono l’interno dei vasi sanguigni e cellule interstiziali cardiache che sono fondamentali per la formazione del tessuto cardiaco.
Lo studio è stato pubblicato su Nature Communications ad agosto.
Lavorando nel laboratorio Sussman con cellule cardiache umane impiantate chirurgicamente nei cuori di topi immunocompromessi, la ricercatrice ha modificato geneticamente le cellule trapiantate perchè esprimessero un tag fluorescente per consentire il loro tracciamento. Ogni tipo di cellula ha un tag o un colore diverso, quindi settimane dopo, quando la ricercatrice le ha monitorato, tutti e tre i tag colorati sono stati costantemente trovati mediante imaging al microscopio confocale.
Uno dei motivi degli alti tassi di ritenzione e longevità di queste cellule è che sono state coltivate insieme prima dell’iniezione e questa familiarità massimizza l’interazione cellula-cellula.
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Spiegano gli autori:
“La terapia cellulare per il trattamento dell’insufficienza cardiaca è al centro di un’intensa ricerca, ma i progressi verso il recupero strutturale e funzionale rimangono modesti. L’aumento ingegnerizzato di effettori cellulari stabiliti supera gli ostacoli per migliorare l’attività riparativa. Tale implementazione di “prossima generazione” include la distribuzione di popolazioni di cellule combinatorie che esercitano effetti sinergici. L’isolamento e l’espansione simultanei di tre distinti tipi di cellule interstiziali derivate dal dal tessuto cardiaco umano, precedentemente segnalati dal nostro gruppo, hanno richiesto la progettazione di una struttura 3D che massimizza l’interazione cellulare, consente rapporti cellulari definiti, controlla le dimensioni, consente l’iniettabilità e riduce al minimo la perdita di cellule. Nel presente documento, cellule staminali mesenchimali (MSC), cellule progenitrici endoteliali (EPC) e c-Kit +le cellule interstiziali cardiache (cCIC) quando coltivate insieme, formano spontaneamente microambienti 3D privi di scaffold chiamati CardioClusters. Il profilo scRNA-Seq rivela l’espressione CardioCluster di fattori rilevanti per le cellule staminali, molecole di adesione / matrice extracellulare e citochine, mantenendo un trascrittoma più nativo simile alle cellule cardiache endogene. La somministrazione intramiocardica di CardioCluster migliora la ritenzione cellulare e la densità capillare con la conservazione delle dimensioni dei cardiomiociti e la funzione cardiaca a lungo termine in un modello di infarto murino seguito a 20 settimane. L’utilizzo di CardioCluster in questo contesto preclinico stabilisce intuizioni fondamentali, ponendo le basi per l’ottimizzazione nelle terapie cellulari destinate a mitigare il danno cardiomiopatico“.
“Quando hai bisogno di entrare in un brutto quartiere, è meglio andare con degli amici”, ha spiegato Sussman. “Dal momento che queste cellule parlano tra loro, si supportano a vicenda quando entrano nell’ambiente ostile del cuore danneggiato“. I CardioClusters imitano da vicino l’ambiente naturale all’interno del corpo umano molto meglio delle singole cellule coltivate 2-D che vengono facilmente pompate fuori dal cuore. La loro superficie più ampia come un cluster aiuta con la ritenzione.
“Le cellule più resistenti vanno naturalmente verso l’esterno mentre proteggono le cellule a crescita più lenta al centro”, ha detto Sussman. “Le cellule sembrano sapere cosa fare e hanno capito spontaneamente come assemblare all’interno del cluster“.
Quando la Monsanto ha sottoposto le cellule del cluster a stress test, le cellule esterne sono sopravvissute meglio. Ma se testati separatamente, circa il 50% delle cellule interstiziali cardiache è morto.
“Ogni tipo di cellula all’interno del cluster svolge un ruolo specifico: le cellule staminali mesenchimali sono il collante, le cellule interstiziali cardiache sono il cervello e le cellule progenitrici endoteliali sono l’autostrada su cui viaggiano i nutrienti che mantiene in vita il cluster”, ha spiegato la ricercatrice.
I cluster possono essere modificati e ottimizzati per esigenze diverse e i rapporti cellulari possono essere ottimizzati, il che costituirà il passo successivo nella ricerca.
“Per più di un decennio, una delle principali limitazioni della terapia cellulare è stata che le cellule non si attaccano, quindi l’efficacia del trattamento è persa. Con questo approccio, otteniamo un recupero e una riparazione significativamente migliori e siamo in grado di vedere il cellule mesi dopo, il che è rivoluzionario“, ha concluso Monsanto.
