Il dispositivo microfluidico che emulava il battito cardiaco e la circolazione sanguigna di un embrione. I canali di semina cellulare sono indicati da colorante alimentare rosso, mentre i canali di controllo della contrazione ventricolare del cuore e i canali di controllo della valvola di circolazione sono indicati rispettivamente da colorante alimentare blu e verde. Credito:Jingjing Li, UNSW Sydney
Ingegneri biomedici e ricercatori medici dell'UNSW Sydney hanno fatto scoperte indipendenti sulla creazione di cellule staminali del sangue embrionale che potrebbero un giorno eliminare la necessità di donatori di cellule staminali del sangue.
I risultati fanno parte di un passo nella medicina rigenerativa verso l'uso di "cellule staminali pluripotenti indotte" per il trattamento delle malattie, in cui le cellule staminali sono decodificate da cellule di tessuto adulto anziché utilizzare embrioni umani o animali vivi.
Ma mentre sappiamo delle cellule staminali pluripotenti indotte dal 2006, gli scienziati hanno ancora molto da imparare su come la differenziazione cellulare nel corpo umano può essere imitata artificialmente e in modo sicuro in laboratorio allo scopo di fornire cure mediche mirate.
Sono emersi due studi dai ricercatori dell'UNSW in quest'area che gettano nuova luce non solo su come i precursori delle cellule staminali del sangue si trovano negli animali e nell'uomo, ma anche su come possono essere indotti artificialmente.
In uno studio pubblicato oggi su Cell Reports , i ricercatori della UNSW School of Biomedical Engineering hanno dimostrato come una simulazione del cuore pulsante di un embrione utilizzando un dispositivo microfluidico in laboratorio ha portato allo sviluppo di "precursori" di cellule staminali del sangue umano, che sono cellule staminali sul punto di diventare cellule staminali del sangue.
E in un articolo pubblicato su Nature Cell Biology a luglio, i ricercatori dell'UNSW Medicine &Health hanno rivelato l'identità delle cellule negli embrioni dei topi responsabili della creazione delle cellule staminali del sangue.
Entrambi gli studi sono passi significativi verso la comprensione di come, quando, dove e quali cellule sono coinvolte nella creazione delle cellule staminali del sangue. In futuro, questa conoscenza potrebbe essere utilizzata per aiutare i malati di cancro, tra gli altri, che sono stati sottoposti a dosi elevate di radio e chemioterapia, a reintegrare le cellule staminali del sangue esaurite.
Emulare il cuore
Nello studio dettagliato in Cell Reports , l'autore principale Dr. Jingjing Li e altri ricercatori hanno descritto come un sistema microfluidico di 3 cm x 3 cm ha pompato le cellule staminali del sangue prodotte da una linea di cellule staminali embrionali per imitare il cuore pulsante di un embrione e le condizioni della circolazione sanguigna.
Ha detto che negli ultimi decenni, gli ingegneri biomedici hanno cercato di produrre cellule staminali del sangue in piastre di laboratorio per risolvere il problema della carenza di cellule staminali del sangue dei donatori. Ma nessuno è ancora riuscito a raggiungerlo.
"Parte del problema è che non comprendiamo ancora completamente tutti i processi in corso nel microambiente durante lo sviluppo embrionale che portano alla creazione di cellule staminali del sangue intorno al giorno 32 nello sviluppo embrionale", ha detto il dottor Li.
"Così abbiamo realizzato un dispositivo che imita il battito cardiaco e la circolazione sanguigna e un sistema di scuotimento orbitale che provoca stress da taglio, o attrito, delle cellule del sangue mentre si muovono attraverso il dispositivo o in un piatto."
Questi sistemi hanno promosso lo sviluppo di cellule staminali del sangue precursori che possono differenziarsi in vari componenti del sangue:globuli bianchi, globuli rossi, piastrine e altri. Erano entusiasti di vedere questo stesso processo, noto come ematopoiesi, replicato nel dispositivo.
Il coautore dello studio, il professor Robert Nordon, si è detto stupito del fatto che non solo il dispositivo abbia creato precursori delle cellule staminali del sangue che hanno continuato a produrre cellule del sangue differenziate, ma abbia anche creato le cellule dei tessuti dell'ambiente cardiaco embrionale che è cruciale per questo processo .
"La cosa che mi stupisce di questo è che le cellule staminali del sangue, quando si formano nell'embrione, si formano nella parete del vaso principale chiamato aorta. E praticamente escono da questa aorta e vanno in circolazione, quindi andare al fegato e formare quella che viene chiamata ematopoiesi definitiva, o formazione di sangue definitiva.
"Far formare un'aorta e quindi le cellule che emergono effettivamente da quell'aorta nella circolazione, questo è il passaggio cruciale necessario per generare queste cellule."
"Quello che abbiamo dimostrato è che possiamo generare una cellula che può formare tutti i diversi tipi di cellule del sangue. Abbiamo anche dimostrato che è strettamente correlata alle cellule che rivestono l'aorta, quindi sappiamo che la sua origine è corretta. e che prolifera", A/Prof. disse Nordon.
I ricercatori sono cautamente ottimisti riguardo al loro successo nell'emulazione delle condizioni cardiache embrionali con un dispositivo meccanico. Sperano che possa essere un passo avanti verso la soluzione delle sfide che limitano i trattamenti medici rigenerativi oggi:carenza di cellule staminali del sangue del donatore, rigetto delle cellule del tessuto del donatore e le questioni etiche che circondano l'uso degli embrioni IVF.
"Le cellule staminali del sangue utilizzate nel trapianto richiedono donatori con lo stesso tipo di tessuto del paziente", A/Prof. disse Nordon.
"La produzione di cellule staminali del sangue da linee di cellule staminali pluripotenti risolverebbe questo problema senza la necessità di donatori compatibili con i tessuti che forniscano una scorta abbondante per curare i tumori del sangue o le malattie genetiche".
Il Dr. Li ha aggiunto:"Stiamo lavorando per aumentare la produzione di queste cellule utilizzando bioreattori".
Mistero risolto
Nel frattempo, e lavorando indipendentemente dal Dr. Li e da A/Prof. Nordon, il professor John Pimanda dell'UNSW Medicine &Health e il dottor Vashe Chandrakanthan stavano conducendo le proprie ricerche su come vengono create le cellule staminali del sangue negli embrioni.
Nel loro studio sui topi, i ricercatori hanno cercato il meccanismo utilizzato naturalmente nei mammiferi per produrre cellule staminali del sangue dalle cellule che rivestono i vasi sanguigni, note come cellule endoteliali.
"Era già noto che questo processo avviene negli embrioni di mammiferi in cui le cellule endoteliali che rivestono l'aorta si trasformano in cellule del sangue durante l'emopoiesi", ha affermato il prof. Pimanda. "Ma l'identità delle cellule che regolano questo processo era stata fino ad ora un mistero."
Nel loro articolo, il Prof. Pimanda e il Dr. Chandrakanthan hanno descritto come hanno risolto questo enigma identificando le cellule nell'embrione che possono convertire sia le cellule endoteliali embrionali che quelle adulte in cellule del sangue. Le cellule, note come "cellule stromali PDGFRA+ derivate da Mesp1", risiedono sotto l'aorta e circondano l'aorta solo in una finestra molto stretta durante lo sviluppo embrionale.
Il dottor Chandrakanthan ha affermato che conoscere l'identità di queste cellule fornisce ai ricercatori medici indizi su come le cellule endoteliali adulte dei mammiferi potrebbero essere attivate per creare cellule staminali del sangue, cosa che normalmente non sono in grado di fare.
"La nostra ricerca ha dimostrato che quando le cellule endoteliali dell'embrione o dell'adulto vengono mescolate con "cellule stromali PDGFRA+ derivate da Mesp1", iniziano a produrre cellule staminali del sangue", ha affermato.
Sebbene siano necessarie ulteriori ricerche prima che ciò possa essere tradotto nella pratica clinica, inclusa la conferma dei risultati nelle cellule umane, la scoperta potrebbe fornire un potenziale nuovo strumento per generare cellule ematopoietiche innestare.
"Utilizzare le proprie cellule per generare cellule staminali del sangue potrebbe eliminare la necessità di trasfusioni di sangue da donatori o trapianto di cellule staminali. I meccanismi di sblocco utilizzati dalla Natura ci avvicinano di più al raggiungimento di questo obiettivo", ha affermato il prof. Pimanda. + Esplora ulteriormente
