Dopo 13 anni, il mini cuore ha finalmente un cappotto

Prodotto da: Science Popularization China

Autore: Li Yuhuan (Università di Jilin)

Produttore: China Science Expo

Quando corri in metropolitana per prendere il treno all'ora di punta del mattino, quando resti sveglio fino a tardi per fare gli straordinari in ufficio, chi porta silenziosamente questi fardelli? È il cuore, il motore della vita, che ci fornisce continuamente la fonte della vita in ogni momento. Tuttavia, il cuore non è una macchina di ferro e ha bisogno delle nostre cure.

Le malattie cardiache sono la principale minaccia alla vita e alla salute umana e la salute del cuore è un tema di eterna importanza anche nel campo delle scienze della vita. Scopriamo la storia di come gli scienziati hanno impiegato tredici anni per rivestire finalmente il "mini cuore".

Piccoli organi hanno grandi effetti

Il corpo umano è così delicato e complesso. Per studiare meglio lo sviluppo e gli stati fisiologici e patologici degli organi umani, gli scienziati hanno creato degli "organoidi" in piastre di coltura. Si tratta di una coltura cellulare tridimensionale che ha un'organizzazione spaziale simile all'organo corrispondente ed è in grado di riprodurre alcune delle funzioni dell'organo corrispondente, fornendo un sistema altamente rilevante dal punto di vista fisiologico.

Figura 2 Gli organoidi sono uno strumento potente per studiare lo sviluppo degli organi umani, la fisiologia e la patologia

(Fonte dell'immagine: Genome Institute di Singapore)

A causa della complessità del microambiente cardiaco umano, molti risultati degli studi condotti sugli animali non possono essere completamente trasferiti all'uomo. Gli organoidi cardiaci, noti anche come "mini cuori", sono di grande importanza per comprendere lo sviluppo del cuore e studiare il trattamento delle cardiopatie congenite.

La storia degli organoidi cardiaci

Il team della professoressa Alessandra Moretti dell'Università di Monaco di Baviera in Germania è il primo gruppo di ricercatori al mondo ad aver creato con successo organoidi contenenti cardiomiociti e lo strato esterno delle cellule della parete cardiaca (epicardio). Già nel 2010, il professor Moretti aveva descritto come utilizzare le cellule staminali per creare tessuto miocardico umano; nel 2015 ha fatto nuove scoperte su come utilizzare le cellule staminali per generare esocardi auto-organizzati; nel 2018 ha utilizzato la tecnologia del trascrittoma a cellula singola per esplorare il meccanismo molecolare della generazione delle cellule staminali del tessuto cardiaco; nel 2021 ha utilizzato la tecnologia di editing genetico per correggere le mutazioni genetiche che causano malattie cardiache.

Un problema irrisolto nel campo degli organoidi cardiaci è l'incapacità degli organoidi cardiaci derivati ​​da cellule staminali pluripotenti di formare spontaneamente un vero epicardio, che ha una funzione fondamentale nello sviluppo e nella riparazione cardiaca. In un articolo pubblicato sulla rivista Nature Biotechnology il 3 aprile 2023, il team del professor Moretti ha risolto questo problema, creando un'altra importante pietra miliare nella ricerca sullo sviluppo cardiaco.

Figura 3 Il gruppo di ricerca di Alessandra Moretti ha pubblicato un articolo su Nature Biotechnology, mostrando gli "organoidi epicardici"

(Fonte dell'immagine: sito ufficiale della rivista Nature)

Come nasce e come funziona questo mini cappotto a forma di cuore? Per questo motivo è necessario che ne discutiamo con voi i seguenti aspetti.

1. Come vengono generati gli organoidi epicardici?

Per costruire organoidi cardiaci più simili a quelli reali, il team del professor Moretti ha aggiunto acido retinoico, in grado di promuovere lo sviluppo dell'epicardio, alla formula utilizzata per formare sfere utilizzando cellule staminali pluripotenti umane, e ha poi inserito le sfere nel gel per la coltura 3D. Si è infine scoperto che oltre a formare un nucleo di cardiomiociti, le sfere trattate con acido retinoico formavano anche uno spesso strato di incapsulamento (Figura 4). I ricercatori sono rimasti piacevolmente sorpresi nello scoprire che questo strato di involucro conteneva un gran numero di cellule che esprimevano marcatori epicardici. Questo è esattamente il "rivestimento esterno" degli organoidi cardiaci che tutti cercano da 13 anni!

Figura 4 Diagramma schematico del processo di generazione di organoidi epicardici utilizzando cellule staminali pluripotenti umane

(Fonte dell'immagine: adattata dal riferimento [1])

Grazie a una coltura ulteriormente ottimizzata, i ricercatori hanno finalmente ottenuto organoidi cardiaci in grado di mostrare un miocardio ventricolare funzionale e un'auto-organizzazione epicardica, e li hanno chiamati "epicardioidi".

2. Quanto sono simili gli organoidi epicardici al cuore umano?

Dopo aver ottenuto gli organoidi epicardici, i ricercatori ne hanno analizzato i componenti cellulari mediante sequenziamento di singole cellule e hanno scoperto che contenevano gli stessi tipi di cellule dell'epicardio fetale umano, tra cui cellule epicardiche mesoteliali, cellule mesenchimali derivate dall'epicardio e cellule proliferanti. Inoltre, questo minuscolo organoide riproduce perfettamente il modello ventricolare umano: il tempo di ripolarizzazione del potenziale d'azione del miocardio esterno denso è significativamente più breve di quello del miocardio interno (Figura 5).

Figura 5 Il miocardio esterno (OM) e il miocardio interno (IM) degli organoidi epicardici

(Fonte dell'immagine: Riferimento [1])

Si può osservare che gli organoidi epicardici simulano estremamente bene la struttura, la funzione e la complessità cellulare del cuore umano.

3. Come interagiscono tra loro le diverse cellule cardiache?

Un'ulteriore analisi dei dati del sequenziamento delle singole cellule ha rivelato un gran numero di interazioni tra le cellule epicardiche e altri tipi di cellule. I ricercatori si sono concentrati sull'interazione ligando-recettore tra il fattore di crescita insulino-simile 2 (IGF2) nelle cellule epicardiche e il recettore del fattore di crescita insulino-simile 1 (IGF1R) nei cardiomiociti, perché questo è uno dei principali fattori che determinano la compattazione miocardica nei roditori, ma non è stato studiato nel sistema umano.

I risultati hanno mostrato che il trattamento con inibitori dell'IGF1R ha ridotto significativamente la divisione dei cardiomiociti negli organoidi epicardici (Figura 6); Quando gli organoidi cardiaci senza epicardio sono stati trattati con IGF2, la densità dei cardiomiociti è aumentata con l'aumento della concentrazione di IGF2, indicando che l'IGF2 è sufficiente a indurre la compattazione miocardica anche in assenza di epicardio.

Figura 6 L'interazione tra l'IGF2 delle cellule epicardiche e l'IGF1R dei cardiomiociti promuove la compattazione miocardica.

(Fonte dell'immagine: adattata dal riferimento [1])

4. Chi sono gli “antenati” delle cellule epicardiche?

Da dove provengono queste importanti cellule epicardiche? Finora, l'ontogenesi delle cellule progenitrici epicardiche non è stata chiara e ancora meno si sa delle loro controparti umane.

In questo studio, il professor Moretti ha utilizzato il sequenziamento di singole cellule abbinato a metodi di biologia computazionale per tracciare le traiettorie cellulari lungo una linea temporale e alla fine ha scoperto che le cellule precursori del "pre-JCF" sono la principale fonte di cellule epicardiche. Inoltre, le cellule precursori “pre-JCF” sono “bipotenti” negli esseri umani e possono generare sia cardiomiociti che cellule epicardiche (Figura 7).

Figura 7 Il tracciamento del lignaggio mostra che le cellule progenitrici “pre-JCF” si differenziano in cellule epicardiche e cardiomiociti

(Fonte dell'immagine: Riferimento [1])

5. Cosa possono fare gli organoidi epicardici?

Una delle funzioni principali degli organoidi è quella di simulare le malattie. Dopo aver ottenuto gli organoidi epicardici, i ricercatori sono impazienti di utilizzare questo modello per risolvere problemi che i modelli bidimensionali in vitro non sono in grado di risolvere, come il ruolo chiave della fibrosi nella progressione dell'insufficienza cardiaca. I ricercatori hanno innanzitutto trattato gli organoidi epicardici con un vasocostrittore, che ha innescato l'ipertrofia dei cardiomiociti e ha anche fatto sì che mostrassero le caratteristiche ben note di un cuore in insufficienza: frequenti aritmie e ridotta ampiezza dei transitori di calcio. (Figura 8).

Figura 8 Il trattamento degli organoidi epicardici con il vasocostrittore ET150 ha aumentato la frequenza delle aritmie e ridotto l'ampiezza transitoria del calcio.

(Fonte dell'immagine: adattata dal riferimento [1])

Inoltre, i ricercatori hanno testato la capacità degli organoidi epicardici di imitare la fibrosi miocardica congenita. Hanno generato organoidi epicardici specifici per ogni paziente utilizzando cellule staminali pluripotenti indotte da pazienti con sindrome di Noonan (che presentano grave ipertrofia ventricolare sinistra e fibrosi miocardica alla nascita) e hanno scoperto in coltura che l'ambiente cellulare dell'epicardio consente cambiamenti fibrotici associati a difetti dello sviluppo.

Sulla base di queste scoperte, gli organoidi epicardici possono essere utilizzati nei test preclinici per determinare gli effetti dei farmaci contro la fibrosi miocardica, evitando così il rischio di danni causati dall'esposizione diretta ai soggetti umani.

Conclusione

In una certa misura, si può affermare che gli organoidi rappresentano un potente strumento di ricerca a disposizione degli scienziati per svelare i misteri della vita. Nel campo della ricerca cardiaca, gli organoidi epicardici forniscono una piattaforma unica per affrontare questioni fondamentali nella biologia dello sviluppo, nonché nella medicina cardiovascolare e nella scoperta di farmaci. È prevedibile che questo mini cuore travestito da capospalla porterà altre scoperte. Ma prima di tutto, facciamo del buon esercizio per proteggere i nostri cuori!

Riferimenti:

Meier AB et al., La genomica delle singole cellule epicardioidi svela i principi della biologia dell'epicardio umano nello sviluppo e nelle malattie cardiache. Nat Biotecnologia. 3 aprile 2023.