Sono state identificate proteine in grado di trasformare o riprogrammare i fibroblasti, le cellule più comuni della pelle e del tessuto connettivo, in cellule con proprietà simili a quelle delle cellule progenitrici degli arti. La scoperta, frutto della collaborazione dei ricercatori della Kyushu University e della Harvard Medical School, pubblicata su Developmental Cell, pone le basi per una terapia per la rigenerazione dei tessuti degli arti umani dopo l'amputazione e, un giorno, potrebbe anche restituire le zampe, perse nel corso dell'evoluzione, ai serpenti.
La perdita di un arto
A livello globale, quasi 60 milioni di persone hanno subito la perdita di un arto. Le amputazioni possono derivare da varie condizioni mediche come tumori, infezioni e difetti congeniti, oppure da traumi dovuti a incidenti industriali, stradali e disastri naturali, come i terremoti. Le persone con lesioni agli arti spesso si affidano a materiali sintetici e protesi metalliche, ma molti ricercatori stanno studiando il processo di sviluppo degli arti, con l'obiettivo di portare la terapia rigenerativa, o la rigenerazione naturale dei tessuti, un passo più vicino come potenziale trattamento.
Le cellule progenitrici
"Durante lo sviluppo dell'arto nell'embrione, le cellule progenitrici della gemma dell'arto danno origine alla maggior parte dei tessuti dell'arto, come ossa, muscoli, cartilagine e tendini", ha spiegato Yuji Atsuta, ricercatore principale che ha iniziato ad affrontare questo progetto alla Harvard Medical School e lo continua come docente alla Kyushu University's Graduate School of Sciences. "Un obiettivo importante, quindi, è quello di raggiungere un metodo facile e accessibile per produrre queste cellule", ha continuato Atsuta.
Attualmente, un modo comune per ottenere cellule progenitrici degli arti è quello di ricavarle direttamente dagli embrioni, il che, nel caso degli embrioni umani, solleva problemi etici. In alternativa, si possono ottenere cellule staminali pluripotenti indotte, ovvero cellule adulte che vengono riprogrammate in uno stato simile a quello embrionale e che, in seguito, possono essere trasformate in tipi di tessuto specifici.
Il nuovo metodo per la rigenerazione dei tessuti
Il nuovo metodo, sviluppato da Atsuta e colleghi, che riprogramma direttamente le cellule dei fibroblasti in cellule progenitrici degli arti, evitando le Scoperte proteine per la rigenerazione dei tessuti pluripotenti indotte, semplifica il processo e riduce i costi. Inoltre, riduce il rischio che le cellule diventino cancerogene, come spesso accade con le cellule staminali pluripotenti indotte.
Nella fase iniziale dello studio, i ricercatori hanno esaminato quali geni fossero espressi nelle prime gemme degli arti negli embrioni di topo e di pollo. Quasi tutte le cellule del corpo, compresi i fibroblasti e le cellule progenitrici degli arti, contengono DNA genomico identico, ma le diverse proprietà e funzioni di ciascun tipo di cellula emergono durante lo sviluppo a causa di cambiamenti nell'espressione genica.
L'espressione genica è controllata nelle cellule attraverso proteine specifiche, chiamate fattori di trascrizione. Il gruppo di ricerca ha identificato 18 geni, per lo più fattori di trascrizione, che sono più altamente espressi nelle prime gemme degli arti, rispetto ad altri tessuti e favorendo la rigenerazione.
Lo studio
La squadra di scienziati ha coltivato fibroblasti da embrioni di topo e ha introdotto questi 18 geni nei fibroblasti, utilizzando vettori virali in modo che le cellule producessero questi 18 fattori proteici. I fibroblasti modificati hanno assunto le proprietà e mostrato un'espressione genica simile a quella delle cellule progenitrici degli arti naturalmente presenti nelle gemme degli arti.
Successivamente, nel corso di una serie di esperimenti, i ricercatori hanno ristretto la selezione e determinato che solo tre fattori proteici erano essenziali per riprogrammare i fibroblasti di topo in cellule simili ai progenitori degli arti: Prdm16, Zbtb16 e Lin28a. Una quarta proteina, Lin41, ha aiutato le cellule progenitrici degli arti coltivate a crescere e moltiplicarsi più rapidamente.
I ricercatori non solo hanno confermato che le cellule progenitrici degli arti riprogrammate avevano un'espressione genica simile a quella delle cellule progenitrici naturali degli arti, ma avevano anche capacità simili. "Queste cellule riprogrammate non sono solo dei mimi molecolari; abbiamo confermato il loro potenziale di sviluppo in tessuti specializzati dell'arto, sia in piatti di laboratorio, in vitro, che in organismi viventi, in vivo", ha detto Atsuta.
"I test in vivo sono stati particolarmente impegnativi, poiché abbiamo dovuto trapiantare le cellule riprogrammate di topo nelle gemme degli arti degli embrioni di pollo", ha proseguito Atsuta. In questi esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato i lentivirus, che inseriscono i geni direttamente nel genoma delle cellule infettate, aumentando il rischio che le cellule possano diventare cancerose.
Vettori più sicuri
Il gruppo di ricerca sta, ora, valutando altri vettori più sicuri, come i virus adeno-associati o i plasmidi, che forniscono geni alle cellule senza inserirli nel genoma. Il gruppo di laboratorio di Atsuta sta, inoltre, cercando di applicare questo metodo alle cellule umane, per future applicazioni terapeutiche, e anche ai serpenti, i cui antenati avevano arti che poi sono stati persi durante l'evoluzione.
"È interessante notare che le cellule progenitrici degli arti riprogrammate hanno generato organoidi simili a gemme di arti, il che sembra rendere possibile generare tessuti di arti in specie che non li possiedono più", ha aggiunto Atsuta. "Lo studio dei serpenti senza arti può favorire la scoperta di nuovi percorsi e conoscenze nella biologia dello sviluppo", ha concluso Atsuta.