I ricercatori svelano i meccanismi di guarigione delle vescicole extracellulari e dimostrano il loro potere curativo con un chip sul cuore.
Ottobre 14, 2020
Le vescicole extracellulari (EVs) – messaggeri di dimensioni nanometriche che viaggiano tra le cellule per fornire segnali e carichi – sono strumenti promettenti per la prossima generazione di terapie per tutto, dalle malattie autoimmuni e neurodegenerative al cancro e alle lesioni dei tessuti. È già stato dimostrato che le vescicole extracellulari derivati da cellule staminali aiutano le cellule cardiache a riprendersi dopo un attacco di cuore, ma è rimasto un mistero il modo in cui aiutano e se l’effetto benefico è specifico per i (EVs) derivati da cellule staminali.
Ora, i ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno svelato i potenziali meccanismi alla base del potere curativo delle (EVs) e hanno dimostrato la loro capacità non solo di rianimare le cellule dopo un attacco di cuore, ma anche di mantenere le cellule funzionanti mentre sono prive di ossigeno durante un attacco di cuore. I ricercatori hanno dimostrato questa funzionalità nel tessuto umano utilizzando un chip sul cuore con sensori incorporati che monitoravano continuamente le contrazioni del tessuto.
Il team ha anche dimostrato che questi viaggiatori intercellulari potrebbero essere derivati da cellule endoteliali, che rivestono la superficie dei vasi sanguigni e sono più abbondanti e più facili da mantenere rispetto alle cellule staminali.
La ricerca è pubblicata su Science Translational Medicine.
“La nostra tecnologia organ-on-chip è progredita al punto che ora possiamo combattere i bersagli dei farmaci invece di combattere la progettazione del chip”, ha detto Kit Parker, professore di bioingegneria e fisica applicata della Tarr Family presso SEAS e autore senior dello studio. “Con questo studio, abbiamo imitato una malattia umana su un chip con cellule umane e abbiamo sviluppato un nuovo approccio terapeutico per curarla”.
Gli attacchi di cuore o gli infarti del miocardio si verificano quando il flusso sanguigno al cuore è bloccato. Naturalmente, il modo migliore per trattare un attacco di cuore è ripristinare il flusso sanguigno, ma quel processo in realtà può causare più danni alle cellule del cuore. Il cosiddetto danno da ischemia-riperfusione (IRI) o danno da riossigenazione, si verifica quando l’afflusso di sangue ritorna al tessuto dopo un periodo di mancanza di ossigeno.
“La risposta cellulare all’IRI coinvolge molteplici meccanismi, come il sovraccarico di calcio e protoni, stress ossidativo, disfunzione mitocondriale e altro”, ha detto Moran Yadid, borsista post-dottorato presso SEAS e The Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering e primo autore dell’articolo. “Questo complesso insieme di processi rappresenta una sfida per lo sviluppo di terapie efficaci in grado di affrontare ciascuno di questi problemi”.
È qui che entrano in gioco gli EVs derivati dall’endotelio. Poiché queste vescicole derivano dal tessuto vascolare, che è sintonizzato in modo univoco per rilevare lo stress ipossico, i ricercatori hanno ipotizzato che il carico che trasportano potrebbe fornire protezione diretta al muscolo cardiaco.
I ricercatori hanno mappato l’intera serie di proteine EEV che sono, o possono essere, espresse dalle vescicole.
“Sorprendentemente, anche se queste vescicole hanno un diametro di soli centocinquanta nanometri, contengono quasi 2.000 proteine diverse”, ha detto Yadid. “Molte di queste proteine si riferiscono a processi metabolici come la respirazione, la funzione mitocondriale, la segnalazione e l’omeostasi. In altre parole, molti processi che riguardano la risposta cardiaca allo stress. Quindi, piuttosto che una molecola terapeutica, pensiamo che gli esosomi contengono un cocktail di molecole e proteine che possono, insieme, aiutare la cellula a mantenere l’omeostasi, affrontare lo stress, modificare l’azione metabolica e ridurre la quantità di lesioni. “
Il team ha testato l’effetto degli EEV sul tessuto cardiaco umano utilizzando il modello heart-on-a-chip sviluppato dal Disease Biophysics Group presso SEAS. Le piattaforme Organ-on-Chip imitano la struttura e la funzione del tessuto nativo e consentono ai ricercatori di osservare, in tempo reale, gli effetti delle lesioni e dei trattamenti sui tessuti umani. Qui, i ricercatori hanno simulato un infarto del miocardio e una riossigenazione su chip che erano stati infusi con EEV e quelli che non lo erano.
I ricercatori hanno scoperto che nei tessuti trattati con EEV, i cardiomiociti potrebbero adattarsi meglio alle condizioni di stress e sostenere un carico di lavoro più elevato. I ricercatori hanno indotto lesioni per tre ore di restrizione dell’ossigeno seguite da 90 minuti di riossigenazione e quindi hanno misurato la frazione di cellule morte e la forza contrattile del tessuto. Il tessuto cardiaco trattato con EEV aveva la metà delle cellule morte e una forza contrattile quattro volte superiore rispetto al tessuto non trattato dopo la lesione.
Il team ha anche scoperto che i cardiomiociti feriti che erano stati trattati con EEV mostravano una serie di proteine più simili a quelle non ferite rispetto alle cellule non trattate. Sorprendentemente, il team ha anche osservato che le cellule trattate con EEV hanno continuato a contrarsi anche senza ossigeno.
“I nostri risultati indicano che gli EEV potrebbero proteggere il tessuto cardiaco da lesioni da riossigenazione in parte integrando le cellule danneggiate con proteine e molecole di segnalazione che supportano diversi processi metabolici, aprendo la strada a nuovi approcci terapeutici”, ha affermato André G. Kléber, Visiting Professor di Patologia presso la Harvard Medical School e coautore dello studio.
“Le terapie cellulari esosomiali potrebbero essere utili quando il modello tradizionale di una molecola, un bersaglio semplicemente non cura la malattia”, ha detto Parker. “Con le vescicole che abbiamo somministrato, riteniamo di adottare un approccio da fucile per colpire una rete di bersagli farmacologici. Con la nostra piattaforma chip su organo, saremo pronti a utilizzare esosomi sintetici in modo terapeutico che potrebbe essere più efficiente e suscettibile di più produzione affidabile “.
La ricerca è stata co-autore di Johan U. Lind, ex borsista post-dottorato presso SEAS e attuale professore assistente presso l’Università di Copenhagen, Danimarca; Herdeline Ann M. Ardoña, ex borsista post-dottorato presso SEAS e attuale professore assistente presso l’Università della California Irvine; Sean P.Sheehy, Lauren E. Dickinson, Feyisayo Eweje, Maartje M.C. Bastings, Benjamin Pope, Blakely B. O’Connor, Juerg R. Straubhaar e Bogdan Budnik.
È stato sostenuto dall’Harvard Materials Research Science and Engineering Center e dalla National Science Foundation con sovvenzione DMR-1420570 e dal National Center for Advancing Translational Sciences of the NIH con i numeri di premio UH3TR000522 e 1-UG3-HL-141798-01.
Fonte:
Materials provided by Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences. Original written by Leah Burrows.
Multimedia:
Riferimenti:
- Moran Yadid, Johan U. Lind, Herdeline Ann M. Ardoña, Sean P. Sheehy, Lauren E. Dickinson, Feyisayo Eweje, Maartje M.C. Bastings, Benjamin Pope, Blakely B. O’Connor, Juerg R. Straubhaar, Bogdan Budnik, Andre G. Kleber, Kevin Kit Parker. Endothelial extracellular vesicles contain protective proteins and rescue ischemia-reperfusion injury in a human heart-on-chip. Science Translational Medicine, 2020; 12 (565): eaax8005 DOI: 10.1126/scitranslmed.aax8005
Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences. “Reviving cells after a heart attack: Researchers unravel the healing mechanisms of extracellular vesicles and demonstrate their healing power on a heart-on-a-chip.” ScienceDaily. ScienceDaily, 14 October 2020. <www.sciencedaily.com/releases/2020/10/201014171322.htm>.