Al fine di comprendere e curare le malattie, e’ necessario studiarle. Molto spesso i ricercatori hanno difficolta’ nel raccogliere campioni di tessuti malati da studiare. Per ovviare a questo, i ricercatori devono svilupparedei ‘modelli di malattie’. Questi sono cellule o tessuti cresciuti in laboratorio che riproducono il comportamento della malattia nel corpo.Le cellule staminali, comprese le cellule staminali pluripotenti indotte “riprogrammate” (cellule ‘iPS’), rappresentano una importante fonte di cellule per la creazione di questi modelli di malattia. Cosa significa “riprogrammare” una cellula e perche’ e’cosi’ importante nel creare un modello di malattia?
Cosa sappiamo?
Nel nostro corpo, il processo di differenziamento cellulare non e’ reversibile. Tuttavia, i ricercatori sono in grado di invertirequesto processo in laboratorio, trasformando cellule adulte in cellule staminali. Questecellule (“cellule staminali pluripotenti indotte” o cellule iPS) possono quindi essere utilizzate per generare qualsiasi tipo di cellula presente nel corpo, come cellule del cuore o del cervello. Questo processo e’ chiamato “riprogrammazione”.
Dato che le cellule iPS hanno gli stessi geni e mutazioni dei pazienti dai quali provengono, i ricercatori possono usare le cellule iPS per ricreare le malattie in laboratorio e studiare come la genetica di un paziente contribuisca alla sua malattia.
Le cellule iPS permettono ai ricercatori di osservare e studiare il “differenziamento cellulare”, il processo attraverso il quale le cellule diventano specializzate, e cosa può andar storto durante il differenziamentoche causale diverse malattie.
A che punto è la ricerca?
Molte malattie sono studiate utilizzando isistemi di modellibasati sulle celluleiPS. Questivariano dalle malattie neurologiche, a quelle del sangue e alle condizioni di immunodeficienza.
Le cellule iPS vengono anche utilizzate per generare cellule e tessuti di malattie specifiche per testare nuovi farmaci e trattamenti in laboratorio.
I ricercatori usano le cellule iPS per “riportare indietro l’orologio” nelle cellule dei pazienti e osservare come le cellule sane si ammalano, o per comparare le cellule malate con le cellule sane.
Le cellule iPS permettono inoltre ai ricercatori di esaminare come i geni dei pazienti, le mutazioni e le condizioni ambientali possano avere un impatto sul progredire della malattia.
Quali sono le sfide?
I ricercatori stanno ancora imparando molto sulle iPS. In teoria, le cellule iPS possono generare qualsiasi cellula del corpo. Tuttavia, i ricercatori devono prima imparare come indirizzarei differenziamenti verso percorsidifferenti.
Le cellule iPS forniscono ai ricercatori cellule contenenti geni e mutazioni associate alla malattia.Questo non implica che le cellule specializzate create in laboratorio - dalle cellule iPS - sisviluppino e si comportinoallo stessomodo delle cellule malate nel corpo.
Creare modelli di malattie complesse (ad esempio quelle causate da problemi tra cellule che compongono strutture complesse, tessuti e organi) con le cellule iPS non è ancora possibile, Potrebbe diventare possibilenelfuturo.
Cos’ è un modello di malattia?
Le malattie umane sono molte e varie. Il fatto che una malattia possa essere curata, dipende spesso dal riuscire a ben capirela sua biologia di base. Senza svolgereuna ricerca che mira a scoprire il funzionamento di una malattia sarebbe difficile far progredire le cure.
I modelli di una malattia consentono ai ricercatori di esplorare il funzionamento della patologia in laboratorio, piuttosto che direttamente in unl paziente. Il modello di una malattia e’ una rappresentazione dellanomalie biologiche umane o animali, che si verificano in una particolare malattia.
Il modello potrebbe essere un animalecon una condizione che mimi una malattia umana, oppure potrebbe essere cellule in una piastra. Qualunque sia il modello, deve riprodurre le caratteristiche di una malattia, o anche l'intera patologia della malattia (tutti gli effetti fisici della malattia), al di fuori del corpo umano.
Modelli animali nella ricerca sullemalattie
I modelli animali, come I topi, sono ampiamente usati nella ricerca. Sono stati studiati per molti anni e possono sviluppare sintomi simili ai sintomi di una malattia umana. Tuttavia, I modelli animali non sono in grado di riprodurre totalmente tutti gli aspetti della biologia umana o di una malattia. I trattamenti che sono stati sviluppati e trovati efficaci nei modelli sperimentali animali possono fornire indizi e informazioni vitali, ma non sempre funzionano quando trasferiti a pazienti umani.
La sperimentazione animale ha altre limitazioni. Le considerazioni etiche implicano che gli animali dovrebbero essere usati nella ricerca solo quando sono necessari per rispondere alla domanda della ricerca.Lo sviluppo di un modello animale per una particolare malattia costituisce comunque molto tempo.
Modelli di malattie basati su cellule umane rispondono a questi problemi. In particolare l’uso di cellule sposta la questione di differenze tra animali e umani, poiche’ I ricercatori possono studiare le cellule umane.
Le cellule umane come modelli di patologie
Le cellule umane sono statecoltivate per la prima volta in laboratorio nel XIX secolo. Da allora la nostra comprensione delle cellule é migliorata notevolmente. L’avanzamento tecnologico ha reso piu’ facile mantenere le cellule umane in vita, sane e prive di contaminazioni al di fuori della protezione del corpo.
Molti di questi progressi provengono dalla ricerca che utilizza le cellule tumorali. Le cellule tumorali, se vengono fornite loro il giustoambiente, possono crescere per prolungati periodi di tempo – addirittura indefinitamente. Cellule sane hanno una vita molto piú corta e sono molto piú difficili da mantenere e ad moltiplicarsi in piastra.
Cellule sane possono essere anche piú difficili da isolare per la ricerca. Alcune cellule, come quelle della pelle o del sangue, possono essere isolate da un paziente con relativa facilitá. Altre sono molto piú difficili, se non impossibili, da ottenere per gli studi scientifici. Per esempio, cellule cerebrali umane sono difficili da isolare senza un’operazionechirurgica. Tuttavia sono assolutamente necessarie per lo studio di diverse malattie neurodegenerative. Certi tipi di cellule staminali possono offrire una soluzione.
Come le cellule staminali possono aiutare a generare modelli di una malattia?
Le cellule staminali possono autorinnovarsi (riprodurre se stesse) e differenziare (trasformarsi) in altre cellule piú specializzate. Un particolare tipo di cellula staminale rappresentaun efficace strumento per generare modelli di malattia: le cellule staminali pluripotenti indotte, o cellule iPS.
Queste cellule staminali cresciute in laboratorio vengono prodotte ‘riprogrammando’ cellule specializzate come cellule della pelle. Cio' inverte il processo di differenziamento, ripristinando lo stato di cellula staminale. Le cellule iPS risultanti possono produrre tutti i differenti tipi cellulari del corpo. Ció significa che sono in grado difornire una fonte di cellule che sarebbero altrimenti difficili da ottenere, come le cellule cerebrali. I ricercatori stanno lavorando su metodi per indurre le cellule iPS a produrre specifici tipi di cellule su richiesta. Le cellule staminali embrionali, ottenute dalle prime fasi embrionali, hanno anche la capacità di generare tutti i differenti tipidi cellule del corpo. Tuttavia, le cellule iPS hanno un vantaggio unico nel generare modelli di malattia:possono essere generate in laboratorio riprogrammandole cellule della pelle di un pazienteper produrre cellule paziente-specifiche. Se la malattia ha una causagenetica, le cellule cresciute in laboratorio saranno portatrici del difetto genetico.
Le cellule iPS hanno un altro vantaggio per i ricercatori. Spesso le malattie vengono diagnosticate alla comparsa dei sintomi.Cio’ puó accadere molto tempo dopo l’inizio del processo patologico nel corpo. Questorende quasi impossibile studiarei primi stadi di certe malattie. La riprogrammazione tecnologica funziona come una macchina del tempo, prendendo cellule mature come le cellule della pellee riportandole aiprimi stadi embrionali. Queste cellule iPS simil-embrionali possono poi essere utilizzate per generare qualunque tipo cellulare che i ricercatori vogliono studiare, dai primi agli ultimi stadi di sviluppo cellulare. Questo fornisce agli scienziati uno strumento per modellare gli eventinel corpo umano malato. Le cellule prodotte in questo modo vengono chiamate cellule iPS per generare modelli di malattia.
Puoi leggere informazioni sul processo delle sperimentazioni cliniche e sull'importanza degli studi preclinici qui.
L’uso di cellule iPS per i modelli di malattia
Negli ultimi anni le cellule iPS sono state createda pazienti affetti da diverse malattie, includendo:
I modelli di malattia che usano le cellule iPS si stanno ancora sviluppando per molte altre condizioni, incluso neurologiche, relate al sangue, metaboliche, cardiovascolari, immunodeficienti e altre. Il numero delle condizioni studiate in questo modo sta aumentato nel tempo.
Sfide per i modelli di malattia con cellule iPS
Le cellule iPS sono state largamente adottate per generare modelli di malattia. Esse rappresentano delle sfide e potrebbero non essere il giusto strumento per rispondere alle domande scientifiche.
- Comprensione delle iPSC: Le cellule iPS sono un tipo di cellula staminale completamente nuova, generato in laboratorio. E’ necessaria una ulteriore ricerca per comprendere il processo di riprogrammazione ed i suoi effetti sulle cellule. E’ inoltre necessario valutare potenziali applicazioni e rischi.
- Ricreare una malattia é un processo complesso: Lo scopo nel generare modellidi malattiae’ l’uso delle cellule iPS per ricreare accuratamente le caratteristiche di una malattia al di fuori del corpo.Ciòviene fatto generando cellule con il codice genetico di un paziente.Tuttavia ciò non sempre si traduce in cellulecon le caratteristiche della malattia. Sebbene le malattie siano spesso totalmente o parzialmente causate da errorigenetici, anche altri processi biologici influenzano o innescano molte malattie. Alcuni di queste malattie non possono essere facilmente riprodotti con l’attuale tecnologia delle cellule iPS. Ad ogni modo i modelli di malattia con cellule iPS possono aiutare i ricercatori a comprendere quanto una patologia sia causatada cambiamenti nel DNA.
- Modelli di malattie con differenti cause: Sebbene,teoricamente,le cellule iPS possono essere usate per creareogni tipo di malattia, sono più adatte per creare malattie causate da mutazioniin un singolo gene (malattie monogeniche), piuttosto quelle causate da alterazioni di più geni (malattie poligeniche o complesse) o malattie determinate da fattori ambientali.
- Le malattie spesso colpisconomolti tipi cellulari: I modelli di malattia con cellule iPS permettono i ricercatori di studiarecome specifici tipi dicellule sonocolpiti da una malattia. Tuttavia, le malattie di solito colpisconotessuti complessi o organi contenenti diversi tipi cellulari che interagiscono a differenti livelli. L’interazione tra le diversecellule contribuisce agli effetti della malattia. I ricercatori stanno ricreando strutture molto piú complesse, includendodiversi tipi cellulari per modellare in modo piú completoquesti aspetti delle malattie..Un approccio consiste nell'utilizzo di cellule staminali da crescere in gruppi di cellule in strutture 3D che assomigliano al tessuto di differenti organi. Queste strutture 3D offrono modellidi malattia piu’ complessi rispetto a una coltura cellulare piatta (2D). Esempi di questo approccio includono organoidi e strutture di ingegneria dei tessuti. Questi "organoidi" offrono modelli di malattia più' complessa rispetto alla piatta coltura cellulare (2D).
Lo sviluppo di future terapie
Le cellule iPS danno la possibilitá ai ricercatori di studiare cellule umane precedentemente inaccessibili, cosí come le cellule nervose del cervello. Il loro utilizzo nei modelli di malattia ha generato una nuova pietra miliare nella comprensione di come funzionano molte malattie. Sono in corso un gran numero di ricerche che utilizzano le cellule iPS, e i ricercatori sono convinti che i modelli di malattia conle cellule iPS forniscano indizi preziosi per lo sviluppo di nuove medicine o di altri trattamenti clinici.
