Un team di ricerca MDC guidato da Jan Philipp Junker e Daniela Panáková ha scoperto che il pesce zebra può rigenerare il tessuto cardiaco dopo un infortunio. Le cellule del tessuto connettivo svolgono un ruolo importante nel processo entrando temporaneamente in uno stato attivato, come riporta il team in Nature Genetics .

Quando una persona subisce un infarto e non riceve un trattamento abbastanza rapidamente, le cellule del muscolo cardiaco (cardiomiociti) vengono danneggiate dalla mancanza di ossigeno e iniziano a estinguersi. Quindi si forma il tessuto cicatriziale e, poiché non siamo in grado di produrre nuovi cardiomiociti, il cuore non può più pompare come dovrebbe. Le cose sono molto diverse nei vertebrati inferiori come il pesce zebra, che può rigenerare gli organi, compreso il cuore.

"Volevamo scoprire come fa questo pesciolino e se potessimo imparare da esso", afferma il professor Jan Philipp Junker, capo del Laboratorio di biologia quantitativa dello sviluppo presso il Berlin Institute for Medical Systems Biology (BIMSB), parte del Centro Max Delbrück di Medicina Molecolare dell'Associazione Helmholtz (MDC) a Berlino. Lavorando con la dott.ssa Daniela Panáková, che dirige il laboratorio di segnalazione elettrochimica in sviluppo e malattie presso l'MDC, i ricercatori hanno simulato lesioni da infarto del miocardio nel cuore del loro pesce zebra. Utilizzando analisi unicellulari e alberi di lignaggio cellulare, hanno monitorato la rigenerazione dei cardiomiociti. Ora hanno pubblicato le loro osservazioni sulla rivista Nature Genetics .

I cuori umani si fermano prima della rigenerazione

I ricercatori hanno iniziato tenendo un ago freddo al cuore di un millimetro del pesce zebra per alcuni secondi al microscopio. L'ago uccide qualsiasi tessuto che tocca. Proprio come nei pazienti umani con infarto, questo provoca una risposta infiammatoria, seguita da cicatrici dalle cellule del tessuto connettivo note come fibroblasti. "Sorprendentemente, la risposta immediata alla lesione è molto simile. Ma mentre il processo negli esseri umani si ferma a quel punto, continua nel pesce. Formano nuovi cardiomiociti, che sono in grado di contrarsi", afferma Junker.

"Volevamo identificare i segnali che provengono da altre cellule e aiutare a guidare la rigenerazione", continua. Il team di Junker ha utilizzato la genomica unicellulare per cercare nel cuore ferito le cellule che non esistono in un cuore sano di pesce zebra. Hanno trovato tre nuovi tipi di fibroblasti che entrano temporaneamente in uno stato attivato. Sebbene esternamente siano identiche agli altri fibroblasti, queste cellule attivate possono leggere un'intera serie di geni aggiuntivi responsabili della formazione di proteine, come i fattori del tessuto connettivo come il collagene 12.

I fibroblasti danno il segnale per la rigenerazione

Nell'uomo, la cicatrizzazione (o fibrosi) è vista come un ostacolo alla rigenerazione del cuore. Ma i fibroblasti sembrano essere importanti per il processo non appena entrano nel loro stato di attivazione temporanea. Quanto siano importanti è diventato chiaro quando Panáková ha utilizzato un trucco genetico per disattivare i fibroblasti che esprimono il collagene 12 nel pesce zebra. Il risultato:nessuna rigenerazione. Junker ritiene che abbia senso che i fibroblasti siano responsabili di dare i segnali di riparazione:"Dopotutto si formano proprio nel sito della lesione", afferma.

Per identificare la fonte di questi fibroblasti attivati, il team di Junker ha prodotto alberi di lignaggio cellulare utilizzando una tecnica chiamata LINNAEUS, che il suo laboratorio ha sviluppato nel 2018. LINNAEUS lavora con cicatrici genetiche che agiscono collettivamente come un codice a barre per l'origine di ogni cellula. "Creiamo questo codice a barre utilizzando le forbici genetiche CRISPR-Cas9. Se, dopo la lesione, due cellule hanno la stessa sequenza di codici a barre, significa che sono correlate", spiega Junker. I ricercatori hanno identificato due fonti di fibroblasti temporaneamente attivati:lo strato esterno del cuore (epicardio) e lo strato interno (endocardio). Le cellule che producono collagene 12 sono state trovate esclusivamente nell'epicardio.

Diverse discipline hanno lavorato a stretto contatto con lo studio

Diversi ricercatori dell'MDC hanno collaborato durante lo studio, dagli esperimenti sui pesci, alle analisi genetiche, all'interpretazione bioinformatica dei risultati. "Per me, la cosa più eccitante è stata vedere come le nostre discipline si completano a vicenda e come potremmo verificare i risultati della bioinformatica su un animale vivente", afferma Sara Lelek, che è l'autrice principale dello studio ed era responsabile dell'animale prove. "È stato un grande progetto che ha permesso a tutti noi di contribuire con la nostra esperienza. Penso che sia per questo che lo studio è così completo e così utile per molti ricercatori."

Il Dr. Bastiaan Spanjaard, anche uno degli autori principali, è d'accordo:"Poiché avevamo aree di competenza così diverse, spesso dovevamo spiegarci i nostri esperimenti e le nostre analisi l'un l'altro. La rigenerazione del cuore è un processo complesso che è influenzato da molte cose diverse. Gli esperimenti ha prodotto enormi quantità di dati. Filtrare i segnali biologici corretti da essi è stato estremamente impegnativo".

Non è ancora chiaro se i cuori danneggiati nei mammiferi come umani e topi non abbiano i segnali necessari o la capacità di leggere i segnali. Se i segnali mancano, alla fine potrebbero essere sviluppati farmaci per simularli. Ma, dice Junker, trovare un modo per imitare l'interpretazione del segnale sarebbe molto più difficile.

I fibroblasti aiutano anche a formare nuovi vasi sanguigni

I ricercatori ora vogliono esaminare più da vicino i geni che i fibroblasti temporaneamente attivati ​​leggono particolarmente spesso. Sanno che molti dei geni in questione sono importanti per il rilascio di proteine ​​nell'area circostante. E questi potrebbero includere fattori che influenzano anche i cardiomiociti. E le prove iniziali suggeriscono che i fibroblasti attivati ​​non promuovono solo la rigenerazione del cuore; aiutano anche a formare nuovi vasi sanguigni che forniscono ossigeno al cuore.