cellule produttrici di insulina

I ricercatori utilizzano le cellule staminali per produrre cellule beta pancreatiche che producono insulina

Data: agosto 26, 2021

Fonte: Penn State

Riepilogo: Il corpo umano può essere geneticamente incline ad attaccare le proprie cellule, distruggendo le cellule beta del pancreas che producono insulina, che aiuta a convertire lo zucchero in energia. Chiamato diabete di tipo 1, questo disturbo può manifestarsi a qualsiasi età e può essere fatale se non gestito attentamente con iniezioni di insulina o una pompa per insulina per bilanciare i livelli di zucchero nel corpo.

 

LA STORIA COMPLETA

 

Il corpo umano può essere geneticamente incline ad attaccare le proprie cellule, distruggendo le cellule beta del pancreas che producono insulina, che aiuta a convertire lo zucchero in energia. Chiamato diabete di tipo 1, questo disturbo può manifestarsi a qualsiasi età e può essere fatale se non gestito attentamente con iniezioni di insulina o una pompa per insulina per bilanciare i livelli di zucchero nel corpo.

Ma potrebbe esserci un'altra opzione personalizzata all'orizzonte, secondo Xiaojun "Lance" Lian, professore associato di ingegneria biomedica e biologia alla Penn State. Per la prima volta, Lian e il suo team hanno convertito cellule staminali umane in cellule beta in grado di produrre insulina utilizzando solo piccole molecole in laboratorio, rendendo il processo più efficiente ed economico.

Le cellule staminali possono diventare altri tipi cellulari attraverso segnali nel loro ambiente e alcune cellule mature possono tornare alle cellule staminali - pluripotenza indotta. I ricercatori hanno scoperto che il loro approccio ha funzionato per le cellule staminali pluripotenti indotte e embrionali umane, entrambe derivate da linee di cellule staminali approvate a livello federale. Secondo Lian, l'efficacia del loro approccio potrebbe ridurre o eliminare la necessità di cellule staminali embrionali umane in lavori futuri. Hanno pubblicato i loro risultati oggi (26 agosto) in Rapporti sulle cellule staminali.

"Il diabete è una malattia grave negli Stati Uniti e in tutto il mondo", ha detto Lian. “Le cellule immunitarie del paziente uccidono la loro capacità di produrre insulina e regolare i livelli di glucosio. Pensavamo che le cellule staminali potessero potenzialmente risolvere il problema e consentire a una persona di regolare nuovamente i livelli di insulina e glucosio in modo appropriato".

Le cellule staminali possono diventare qualsiasi tipo di cellula a causa delle condizioni ambientali o dell'interferenza del laboratorio. Il trucco, ha detto Lian, è capire le condizioni precise per far sì che una cellula staminale diventi una versione funzionante del tipo di cellula desiderato.

"Se potessimo convertire le cellule staminali in cellule beta del pancreas e trasferirle al paziente, potrebbe essere possibile curare il diabete", ha detto Lian. “E' una domanda difficile. Gli scienziati hanno cercato di trovare la soluzione per più di 20 anni. Il nostro laboratorio ha capito che dovevamo adottare un approccio diverso".

In precedenti tentativi, secondo Lian, i ricercatori hanno utilizzato fattori di crescita, o gruppi di proteine, per manipolare le cellule staminali in vari tipi di cellule. I fattori di crescita, tuttavia, sono costosi e instabili, risultando in un processo di produzione costoso e inefficiente.

"Nel 2012, il nostro team ha scoperto un mediatore molecolare completamente nuovo in grado di differenziare le cellule staminali allo stadio del mesoderma o dell'endoderma, che sono punti di sviluppo sulla strada per la maturazione delle cellule", ha detto Lian, osservando che il processo utilizzava piuttosto piccole molecole organiche. rispetto a fattori di crescita maggiori. "Queste piccole molecole sono molto più economiche e molto più stabili dei fattori di crescita e potremmo ancora emulare l'effetto dei fattori di crescita per differenziare le cellule staminali in uno stadio intermedio".

Le piccole molecole comprendono un composto chimico chiamato CHIR99021 (CHIR) e attivano la via di segnalazione chiamata Wnt, che dirige la cellula verso uno dei tipi intermedi. Quando Wnt è completamente attivato, la cellula diventa un mesoderma e, infine, una cellula cardiaca matura. Ma una dose più piccola di CHIR attiva solo parzialmente la via Wnt, risultando in una cellula endodermica che può essere persuasa in una cellula beta pancreatica matura o in una cellula epatica.

"Nessun altro l'ha scoperto perché è necessario ottimizzare con precisione e attenzione la concentrazione di CHIR", ha affermato il primo autore Yuqian Jiang, uno studente di dottorato in ingegneria biomedica nel laboratorio di Lian. “Sappiamo che CHIR è importante per la differenziazione delle cellule staminali, ma altri potrebbero testare solo una concentrazione fuori bersaglio di questa sostanza chimica e pensare che non funzioni affatto. Abbiamo testato tutte le possibili concentrazioni e trovato quella precisa per differenziare le cellule staminali in cellule endodermiche”.

I ricercatori hanno dosato cellule con concentrazioni crescenti di CHIR. Hanno scoperto che la dose più bassa non era sufficiente per convertire le cellule, mentre le dosi più elevate uccidevano completamente le cellule. Alla seconda e alla terza dose più bassa, fino all'87% delle cellule staminali diventava cellule endodermiche che potevano essere ulteriormente guidate a diventare cellule beta pancreatiche.

"La differenziazione delle cellule beta richiede circa un mese, con l'aggiunta di diversi cocktail chimici stabiliti da ricerche precedenti in diverse fasi", ha detto Jiang. “Ma i protocolli precedenti utilizzavano fattori di crescita per far avanzare le cellule staminali verso le cellule endodermiche. Il nostro protocollo elimina tale necessità, risparmiando sui costi pur continuando a produrre un buon numero di celle".

I ricercatori hanno anche testato le cellule beta pancreatiche sviluppate con il glucosio. Le cellule hanno prodotto insulina in base al glucosio presente nel loro ambiente, dimostrando la loro funzionalità, ha detto Lian. Per evitare che i corpi dei pazienti uccidano queste cellule - il problema iniziale per le persone con diabete di tipo 1 - i ricercatori hanno in programma di incapsulare le cellule beta derivate da cellule staminali ingegnerizzate con polimeri biomateriali prima di trapiantarle. Secondo Lian, questo proteggerebbe le cellule pur consentendo loro di percepire il loro ambiente e produrre livelli appropriati di insulina.

"Il nostro approccio ci consente di utilizzare la stessa sostanza chimica a basso costo a dosi diverse per generare diversi tipi di cellule intermedie, una delle quali può diventare cellule beta pancreatiche", ha affermato Lian. “Ora stiamo lavorando per ottimizzare questo approccio e spostarlo negli studi clinici, ma abbiamo fatto il duro lavoro per ridurre significativamente i costi. La terapia cellulare è incredibile, ma non tutti possono permettersela. Il nostro obiettivo è renderlo disponibile a tutti coloro che ne hanno bisogno”.

Lian è anche affiliato all'Huck Institute of the Life Sciences.

"Quando ho sentito Lance parlare per la prima volta di ciò che stava cercando di fare, sono rimasto sbalordito dalla sua audacia", ha affermato Andrew Read, direttore degli Huck Institutes of the Life Sciences. “Il suo lavoro incarna il tipo di scienza che mira a cambiare completamente il gioco. Sono davvero contento che abbia raggiunto questo importante traguardo”.

Altri contributori includono i membri del laboratorio di Lian Chuanxin Chen, che si è laureato nel 2018 e ora lavora al Bioland Laboratory in Cina, e Lauren N. Randolph, una borsista post-dottorato presso il Dipartimento di Ingegneria Biomedica e l'Huck Institutes of the Life Sciences. Xin Zhang e Songtao Ye, con il Dipartimento di Chimica dell'Eberly College of Science; e anche Xiaoping Bao, con la Davidson School of Chemical Engineering presso la Purdue University, hanno contribuito.

Il National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering del National Institutes of Health, la National Science Foundation e la Penn State hanno sostenuto questo lavoro.

 

Storia Fonte:

Materiali fornito da Penn State. Originale scritto da Ashley J. Wenners Herron. Nota: Il contenuto può essere modificato per lo stile e la lunghezza.


Riferimento della Gazzetta:

  1. Yuqian Jiang, Chuanxin Chen, Lauren N. Randolph, Songtao Ye, Xin Zhang, Xiaoping Bao, Xiaojun Lance Lian. Generazione di progenitori pancreatici da cellule staminali pluripotenti umane da parte di piccole molecoleRapporti sulle cellule staminali, 2021, DOI: 10.1016/j.stemcr.2021.07.021
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