Da staminali a cellule cardiache in quattro settimane / From stem cells to heart cells in four weeks

Da staminali a cellule cardiache in quattro settimaneFrom stem cells to heart cells in four weeks


Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa



Microfotografia in falsi colori del tessuto bioingegnerizzato ottenuto nello studio (MicrCredit: Gordana Vunjak-Novakovic/Columbia Engineering) / False-colored micrograph of the bioengineered tissue obtained in the study

Successo di una nuova metodica che consente di riprogrammare cellule prelevate dal sangue di un paziente fino a ottenere in sole quattro settimane un piccolo campione di tessuto cardiaco bioingegnerizzato che riproduce molte delle caratteristiche funzionali del tessuto naturale.

Da cellule staminali a cellule cardiache mature in sole quattro settimane di coltura in laboratorio. È quanto hanno ottenuto i ricercatori della Columbia Engineering grazie a una metodica sperimentale completamente nuova, descritta sulle pagine di “Nature”.

Far crescere in laboratorio un tessuto cardiaco che si comporta come tessuto naturale sarebbe una svolta epocale per la ricerca biomedica, perché permetterebbe di studiare la fisiologia e la patologia del cuore in condizioni controllate.

Finora sono stati fatti numerosi tentativi a partire da un semplice prelievo di sangue. Da questo vengono ricavate cellule staminali pluripotenti indotte, forzando cellule mature a ripercorrere a ritroso il cammino di differenziamento cellulare. Le staminali indotte sono poi in grado di ridifferenziarsi in numerosi tipi cellulare maturi, e dare origine a molte delle caratteristiche dei tessuti naturali.

"Molti degli sforzi attuali, inclusi quelli del nostro laboratorio, cercando di riprodurre gli eventi durante lo sviluppo delle cellule naturali” ha spiegato Gordana Vunjak-Novakovic, autore senior dello studio. “Poiché questi sforzi sono stati limitati dal grado di maturazione raggiunto, abbiamo deciso di cercare di fare qualcosa di completamente nuovo: verificare le potenzialità dello sviluppo accelerato. C’è voluta una combinazione di pensiero creativo e di ingegnerizzazione intelligente per sviluppare il modello che ora abbiamo a disposizione: un muscolo cardiaco a un elevato grado di maturazione e specifiche per il paziente che può essere utilizzato per studi sullo sviluppo, la fisiologia e la patologia e di risposta ai farmaci del cuore”.

Gli autori hanno utilizzato cardiomiociti – le cellule del muscolo cardiaco responsabili della contrazione - a uno stadio precoce dello 
sviluppo, derivati da cellule staminali umane, a loro volta ricavate da campioni di sangue. Questi cardiomiociti hanno ancora una notevole plasticità.

Hanno poi incapsulato i cardiomiociti, insieme ad altre cellule di supporto, in una soluzione gelificata contenente fibrina, una proteina elastica che spesso ha una funzione di supporto meccanico nei tessuti viventi. Messo in coltura, il preparato ha dato vita a un piccolo campione di muscolo cardiaco lungo 6 millimetri. Applicando poi una piccola tensione elettrica con un segnale periodico costante, sono riusciti a indurre la contrazione del campione, esattamente come avviene nel tessuto cardiaco naturale.

Inoltre, la piattaforma sperimentale permette anche alcune misurazioni di proprietà funzionali, quali la frequenza, l’ampiezza e la forza delle contrazioni, nonché il monitoraggio della propagazione dei segnali basati sullo scambio cellulare del calcio.

“Finora in questo campo di ricerche si è sempre pensato che fosse meglio partire con cardiomiociti quanto più maturi possibili”, ha aggiunto Kacey Ronaldson-Bouchard, autore principale dell’articolo. “Invece, i cardiomiociti a uno stadio di maturazione ancora precoce, che hanno ancora una notevole plasticità, rispondono meglio ai segnali esterni trasmessi per indurre la maturazione completa”.

ENGLISH


Success of a new method that allows the reprogramming of cells taken from a patient's blood to obtain, in just four weeks, a small sample of bioengineered cardiac tissue that reproduces many of the functional characteristics of the natural tissue.

From stem cells to mature heart cells in just four weeks of laboratory culture. This is what researchers at Columbia Engineering have obtained thanks to a completely new experimental method, described on the pages of "Nature".

Making a cardiac tissue that behaves like a natural tissue grow in the laboratory would be an epoch-making turning point for biomedical research, because it would allow us to study the physiology and pathology of the heart under controlled conditions.

So far, numerous attempts have been made from a simple blood sample. From this, induced pluripotent stem cells are obtained, forcing mature cells to retrace the path of cell differentiation backwards. The induced stem cells are then able to re-differentiate into many mature cell types, and give rise to many of the characteristics of natural tissues.

"Many of the current efforts, including those of our laboratory, trying to reproduce events during the development of natural cells," said Gordana Vunjak-Novakovic, senior author of the study. "As these efforts have been limited by the degree of maturation achieved, we have decided to try and do something completely new: check the potentials of accelerated development.It took a combination of creative thinking and intelligent engineering to develop the model we now have available: a heart muscle with a high degree of maturation and specific to the patient that can be used for studies on the development, physiology and pathology and response to drugs of the heart ".

The authors used cardiomyocytes - the heart muscle cells responsible for the contraction - at an early stage of development, derived from human stem cells, in turn derived from blood samples. These cardiomyocytes still have considerable palpency.

They then encapsulated cardiomyocytes, together with other supporting cells, in a gelled solution containing fibrin, an elastic protein that often has the function of supporting mechanical living tissues. Cultured, the preparation gave birth to a small sample of heart muscle 6 millimeters long. Then applying a small electrical voltage with a constant periodic signal, they managed to induce the contraction of the sample, exactly as it happens in the natural heart tissue.

In addition, the experimental platform also holds some measurements of functional properties, such as the frequency, amplitude and force of contractions, as well as the monitoring of signal propagation based on calcium cell exchange.

"So far in this field of research it has always been thought that it would be better to start with as mature cardiomyocytes as possible," added Kacey Ronaldson-Bouchard, lead author of the article. "On the other hand, cardiomyocytes at an early stage of maturation, which still have considerable plasticity, respond better to the external signals transmitted to induce complete maturation".

Da:

http://www.lescienze.it/news/2018/04/04/news/staminali_cellule_cardiache-3927764/?ref=nl-Le-Scienze_06-04-2018




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