Studio di meccanismi eziopatologici di cardiomiopatie ad origine genetica con cellule staminali pluripotenti indotte

Unità di Biologia vascolare e Medicina rigenerativa. Responsabile Giulio Pompilio

La scoperta delle cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) ha rivoluzionato la ricerca basata sulla medicina personalizzata. Questa tecnologia permette, infatti, di riprogrammare cellule altamente differenziate (ad esempio fibroblasti) in cellule staminali pluripotenti che hanno il potenziale di differenziarsi in molteplici linee cellulari. E' da notare che le iPSC sono paziente-specifiche ed offrono una potente piattaforma per la medicina personalizzata che potrebbe essere impiegata per gestire, trattare e potenzialmente curare molti tipi di malattia.

La nostra Unità di Biologia Vascolare e Medicina Rigenerativa ha ampie competenze nella generazione di iPSC e cardiomiociti derivati da iPSC (CM-d-iPSC) ottenute da pazienti con cardiomiopatie su base genetica come la Distrofia Muscolare di Duchenne e Becker (vedi Figura sottostante).

Il nostro imperativo è quello di mettere a punto analisi avanzate con lo scopo di:

  • migliorare il grado di maturità dei CM-d-iPSC per offrire un modello di malattia che ricapitola la patologia nel cuore umano;
  • analizzare i meccanismi molecolari che sottendono a cardiomiopatie con eziologia genetica;
  • sviluppare saggi di tipo ‘high-throughput’ in CM-d-iPSC per identificare nuovi farmaci su base personalizzata.
  • Tale progetto di ricerca ha un valore altamente traslazionale. Esso, infatti, grazie alla sinergia tra la ricerca di base e clinica ha come obiettivo principale il miglioramento della cura di pazienti con patologie cardiovascolari attraverso la traslazione di terapie sempre più mirate ed efficaci calibrate sul paziente.

Step 1 Generazione iPSC. I fibroblasti dermici umani sono stati trasfettati con i fattori di riprogrammazione (Oct3 / 4, Klf4, Sox2, c Myc) e le colonie iPSC sono emerse dopo 17 giorni dalla trasfezione.

Step 2 Caratterizzazione delle iPSC. Le iPSCs sono risultate positive per la fosfatasi alcalina ed hanno presentato un’elevata espressione delle proteine di pluripotenza Oct3/4 e SSEA4.

Step 3 Differenziamento in cardiomiociti. Le iPCS sono state differenziate in CMs attraverso la modulazione temporale del signalling di Wnt (come descritto da Lian et al. 2013 Nature Protocols, 8: 162-175). L’esito positivo del differenziamento è stato dimostrato mediante l’analisi dell'espressione del marcatore cardiomiocitario, la troponina cardiaca di tipo 2 (cTnT 2).

Step 4 Modello distrofico di cardiomiopatia con CM-d-iPSC. I CM-d-iPSCs mostrano caratteristiche molecolari associate alla malattia cardiaca distrofica, come la maggiore espressione della proteina Nup153, che è risultata traslocata nel nucleo rispetto ai CM-d-iPSCs di controllo (A) e un aumento della morte cellulare (B).

Step 5 Sviluppo di una piattaforma per migliorare la maturità di CM-d-iPSCs.

In collaborazione con il Dott. Marco Rasponi (Dipartimento di Elettronica, Informatica e Bioingegneria, Politecnico di Milano), abbiamo sviluppato una nuova piattaforma microfluidica basata sulla coltura di CM-d-iPSCs. Si basa su un dispositivo precedentemente sviluppato (“heart-on-a-chip”, Marsano et al., 2016, Lab Chip, 16, 599-610) e ottimizzato per eseguire la cultura contemporanea di più costrutti cellulari in ambiente tridimensionale. Questo sistema si è dimostrato efficace in quanto aumenta la maturità dei CM-d-iPSCs.