Cellule staminali create da ricercatori della UC Berkeley mentre si sviluppano nel tessuto muscolare. In verde le proteine actina di tessuto muscolare molle ed in blu i nuclei cellulari. (Immagine: Laboratorio di Song Li)Bioingegneri dell'Università di Berkeley hanno dimostrato che stimoli fisici possono sostituire alcune sostanze chimiche quando si spingono cellule mature a ritornare alla fase pluripotente, e riuscire a diventare qualsiasi tipo di cellula del corpo.
I ricercatori hanno coltivato fibroblasti (cellule prelevate dalla pelle umana e dalle orecchie di topo) su superfici con scanalature parallele che misurano 10 micrometri di larghezza [10 millesimi di millimetro] e 3 micrometri di altezza.
Dopo due settimane di cultura in un cocktail speciale usato per riprogrammare cellule mature, i ricercatori hanno trovato che le cellule ritornate ad uno stato embrionale erano quattro volte di più rispetto a quelle coltivate su una superficie piana. Le cellule cresciute in strutture di nanofibre allineate in parallelo hanno avuto effetti simili.
Lo studio, pubblicato online il 20 ottobre sulla rivista Nature Materials, potrebbe migliorare in modo significativo il processo di riprogrammazione delle cellule adulte in cellule staminali embrionali, che possono differenziarsi, o svilupparsi, in qualsiasi tipo di tessuto che compone il nostro corpo.
Il premio Nobel 2012 per la Fisiologia e la Medicina è stato assegnato a scienziati che hanno scoperto che é possibile riprogrammare le cellule usando composti biochimici e proteine che regolano l'espressione genica. Queste cellule staminali pluripotenti indotte, da allora sono diventate un pilastro della ricerca nel campo della medicina rigenerativa, nella modellazione di malattie e nella selezione di farmaci.
"Il nostro studio dimostra per la prima volta che le caratteristiche fisiche dei biomateriali possono sostituire alcuni di questi fattori biochimici e regolare la memoria dell'identità di una cellula", ha detto il ricercatore principale Song Li, professore di bioingegneria della UC Berkeley. "Abbiamo dimostrato che i segnali biofisici possono essere convertiti in segnali chimici intracellulari che inducono le cellule a cambiare".
L'attuale processo di riprogrammazione delle cellule si basa su una formula che utilizza un virus per introdurre proteine che alterano i geni in cellule mature. Per aumentare l'efficienza del processo di riprogrammazione sono usati anche alcuni composti chimici, tra cui l'acido valproico, che possono influenzare notevolmente la struttura globale e l'espressione del DNA.
"La preoccupazione con i metodi attuali è la bassa efficienza con cui le cellule in realtà si riprogrammano e gli effetti imprevedibili a lungo termine di certe manipolazioni genetiche o chimiche imposte", ha detto l'autore principale dello studio Timothy Downing, che ha fatto questa ricerca come dottorando alla UC Berkeley nel Joint Graduate Program in Bioengineering della UC San Francisco. "Per esempio, l'acido valproico è una sostanza chimica potente che altera drasticamente lo stato epigenetico della cellula e può causarne variazioni indesiderate all'interno. Per questo motivo molti stanno ricercando il modo di migliorare i vari aspetti del processo di riprogrammazione".
Precedenti studi hanno dimostrato che forze fisiche e meccaniche possono influenzare il destino della cellula, ma l'effetto sullo stato epigenetico e sulla riprogrammazione cellulare non era ancora chiaro. Il nuovo studio ha scoperto che le cellule di coltura su biomateriali micro-scanalati migliorano la qualità e la coerenza del processo di riprogrammazione, e sono altrettanto efficaci dell'acido valproico.
Cellule staminali pluripotenti, create dalla pelle umana o da un tessuto dell’orecchio del topo, mentre si sviluppano in neuroni. I nuclei delle cellule sono in blu e il rosso mette in evidenza un tipo di proteina filamentosa espressa nelle cellule nervose. (Immagine: laboratorio di Song Li)
"Le cellule si allungano, per esempio, quando migrano in tutto il corpo", ha detto Downing, che ora è ricercatore nel laboratorio di Li. "Nel caso della topografia, dove noi controlliamo l'allungamento di una cellula attraverso il controllo del microambiente fisico, possiamo imitare meglio ciò che una cellula potrebbe sperimentare nel suo ambiente fisiologico nativo. A questo proposito, questi stimoli fisici sono meno invasivi ed artificiali per la cellula e quindi hanno meno probabilità di causare effetti collaterali indesiderati".
I ricercatori stanno ora studiando se le cellule che crescono su superfici scanalate possono eventualmente sostituire l'acido valproico e forse gli altri composti chimici nel processo di riprogrammazione. "Stiamo anche studiando se i fattori biofisici possono aiutare a riprogrammare le cellule in tipi cellulari specifici, come i neuroni", ha detto Jennifer Soto, studente laureato in bioingegneria alla UC Berkeley e co-autrice dello studio.
La ricerca é stata finanziata dal California Institute of Regenerative Medicine e dal National Institutes of Health.
Fonte: University of California - Berkeley.
Riferimenti: Timothy L. Downing, Jennifer Soto, Constant Morez, Timothee Houssin, Ashley Fritz, Falei Yuan, Julia Chu, Shyam Patel, David V. Schaffer, Song Li. Biophysical regulation of epigenetic state and cell reprogramming. Nature Materials, 2013; DOI: 10.1038/nmat3777
Pubblicato da Sarah Yang in newscenter.berkeley.edu (> English version) - Traduzione di Franco Pellizzari.
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