In molti modi, le cellule staminali sono le dive del mondo biologico. Da una parte, questi mutaforma naturali possono trasformarsi praticamente in qualsiasi tipo di cellula del corpo. A tal proposito, mantengono la promessa di essere in grado di curare malattie che vanno dalle lesioni del midollo spinale ai tumori.

D'altra parte, ha affermato Sarah Heilshorn, professoressa associata di scienza dei materiali e ingegneria, cellule staminali, come dive, sono anche mercuriali e difficili da lavorare.

"Semplicemente non sappiamo come far crescere in modo efficiente ed efficace un numero enorme di cellule staminali e mantenerle nel loro stato rigenerativo, " Ha detto Heilshorn. "Questo ci ha impedito di fare ulteriori progressi nella creazione di terapie".

Fino ad ora, questo è. In un recente articolo in Materiali della natura , Heilshorn ha descritto una soluzione alla duplice sfida di far crescere e preservare le cellule staminali neurali in uno stato in cui sono ancora in grado di maturare in molti tipi di cellule differenti. La prima sfida è che la crescita di cellule staminali in quantità richiede spazio. Come l'agricoltura tradizionale, è un affare bidimensionale. Se vuoi più grano, mais o cellule staminali, hai bisogno di più superficie. Coltivazione di cellule staminali, perciò, richiede un sacco di beni immobili di laboratorio relativamente costosi, per non parlare dell'energia e dei nutrienti necessari per tirare fuori tutto.

La seconda sfida è che una volta che si sono divisi molte volte in un piatto da laboratorio, le cellule staminali non rimangono facilmente nello stato ideale di disponibilità a diventare altri tipi di cellule. I ricercatori si riferiscono a questa qualità come "stabilità". Heilshorn ha scoperto che per le cellule staminali neurali con cui stava lavorando, mantenere la staminalità delle cellule richiede che le cellule si tocchino.

Il team di Heilshorn stava lavorando con un particolare tipo di cellula staminale che matura in neuroni e altre cellule del sistema nervoso. Questi tipi di cellule, se prodotto in quantità sufficiente, potrebbe generare terapie per riparare le lesioni del midollo spinale, contrastare le lesioni cerebrali traumatiche o curare alcuni dei più gravi disturbi degenerativi del sistema nervoso, come le malattie di Parkinson e di Huntington.

In cerca di prudenza

La soluzione di Heilshorn prevede l'uso di materiali migliori in cui far crescere le cellule staminali. Il suo laboratorio ha sviluppato nuovi gel a base di polimeri che consentono di far crescere le cellule in tre dimensioni anziché in due. Questo nuovo processo 3D occupa meno dell'1% dello spazio di laboratorio richiesto dalle attuali tecniche di coltura delle cellule staminali. E poiché le cellule sono così piccole, la pila di gel 3-D è alta solo un millimetro, all'incirca lo spessore di un centesimo.

"Per una cultura 3D, abbiamo bisogno solo di un grafico di 4 pollici per 4 pollici di spazio di laboratorio, o circa 16 pollici quadrati. Una cultura 2-D richiede una trama di quattro piedi per quattro piedi, o circa 16 piedi quadrati, "più di 100 volte lo spazio, secondo il primo autore Chris Madl, un neolaureato in bioingegneria presso il laboratorio di Heilshorn

Oltre al notevole risparmio di spazio del laboratorio, il nuovo processo richiede meno nutrienti e meno energia, anche.

I gel sviluppati dal team consentono alle cellule staminali di rimodellare le lunghe molecole e mantenere il contatto fisico tra loro per preservare i canali di comunicazione critici tra le cellule.

"Il semplice atto di toccare è la chiave per la comunicazione tra le cellule staminali e per mantenere la staminalità. Se le cellule staminali non riescono a rimodellare i gel, non possono toccarsi, "Madl ha spiegato.

"Le cellule staminali non muoiono esattamente se non possono toccarsi, ma perdono quella capacità di rigenerarsi di cui abbiamo davvero bisogno per il successo terapeutico, "Ha aggiunto Heilshorn.

Risultati sorprendenti

Questa necessità per le cellule staminali neurali di rimodellare il loro ambiente differisce da ciò che Heilshorn ha trovato lavorando con altri tipi di cellule staminali. Per quelle cellule, è la rigidità dei gel – non la capacità di rimodellare – che è il fattore chiave per mantenere la staminalità. È come se per questi altri tipi di cellule staminali, i gel devono imitare la rigidità del tessuto in cui le cellule verranno eventualmente trapiantate. Non così con i progenitori neurali, disse Heilshorn.

"La staminalità delle cellule neurali non è sensibile alla rigidità e questa è stata una grande sorpresa per noi, " lei disse.

Il risultato fu così sorprendente e inaspettato che Heilshorn, All'inizio, non credeva ai suoi stessi risultati. Il laboratorio ha finito per testare tre gel completamente diversi per vedere se la loro conclusione reggeva, un insolito passo supplementare in questo tipo di ricerca. Con ogni nuovo materiale, hanno visto che quelle che potevano essere rimodellate producevano cellule staminali di qualità; quelli che non potevano essere rimodellati avevano un effetto negativo sulla staminalità.

Il prossimo obiettivo dell'agenda di ricerca di Heilshorn è creare gel che possono essere iniettati direttamente dal piatto del laboratorio nel corpo. Le possibilità la fanno sentire di nuovo ottimista riguardo alle terapie con cellule staminali. Per un periodo, lei disse, sembrava come se il campo avesse sbattuto contro un muro, quando l'entusiasmo iniziale per la rigenerazione ha lasciato il posto a risultati poco interessanti nella clinica. Con la sua nuova scoperta, lei disse, sembra che le cose nuove possano essere proprio dietro l'angolo.

"C'è questa convergenza di conoscenza biologica e principi ingegneristici nella ricerca sulle cellule staminali che mi fa sperare che potremmo finalmente risolvere alcuni grossi problemi, " lei disse.