Unità di Biologia vascolare e Medicina rigenerativa

Responsabile

Giulio Pompilio
Prof

L’attività di ricerca applicata ha come obiettivo generale lo sviluppo di nuove strategie diagnostiche e terapeutiche per il trattamento di patologie cardiovascolari per cui le terapie convenzionali sono insufficienti o non disponibili.

Le condizioni cliniche di interesse sono l’ischemia refrattaria cardiaca e periferica e patologie cardiovascolari di origine genetica prive di terapie eziologiche, come la Sindrome di Marfan. Le attività si articolano in progetti di ricerca che hanno come denominatore comune il paziente, quale fonte di materiale biologico e quale destinatario finale delle attività di ricerca traslazionale.

In particolare, l’Unità è focalizzata su:

  1. l’utilizzo di modelli cellulari umani derivati da cellule staminali e/o progenitrici per studi meccanicistici e terapeutici;
  2. lo sviluppo e l’implementazione di prodotti biologici avanzati di terapia rigenerativa cardiovascolare.

L’Unità si avvale inoltre di:

  • una sezione specificamente dedicata alla ricerca clinica con particolare riferimento alle terapie biologiche avanzate (prodotti di terapia cellulare e genica) cardiache e periferiche, impegnata in studi clinici controllati secondo le regole della Good Clinical Practice;
  • un laboratorio di chirurgia sperimentale per studi traslazionali su modelli murini di patologia miocardica e periferica.

Progetti

  • Studio di patologie di origine genetica con modelli cellulari umani

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

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

    L’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 (per esempio, Distrofia Muscolare di Duchenne e Becker). L’obiettivo è quello di mettere a punto analisi avanzate con lo scopo di:

    1. migliorare il grado di maturità dei CM-d-iPSC per offrire un modello di malattia che ricapitoli la patologia nel cuore umano;
    2. analizzare i meccanismi molecolari che sottendono a cardiomiopatie con eziologia genetica;
    3. 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, 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.

    Studio di fattori cellulari e molecolari che contribuiscono alla patogenesi della cardiomiopatia aritmogena

    La cardiomiopatia aritmogena è la causa più diffusa, soprattutto in Italia, di morte improvvisa di origine cardiaca tra i giovani atleti. È causata da una mutazione nel DNA, che porta, con modalità fino ad oggi non note, alla comparsa di grasso nel cuore, impedendone la corretta funzione e provocando cortocircuiti elettrici, che lo portano a contrarsi con un ritmo frenetico e disordinato tanto da causarne spesso l’arresto.

    Questo progetto ha contribuito a fare chiarezza sul fenomeno della trasformazione cellulare in adipociti, le cellule del grasso che si formano nel cuore dei pazienti. In particolare è stata individuata la componente cellulare responsabile del fenomeno e sono stati chiariti i meccanismi a esso sottesi. I risultati del primo studio evidenziano come le cellule mesenchimali dello stroma cardiaco, cellule di sostegno con compiti di scambio e di interconnessione con le cellule contrattili, siano, in questi pazienti, più propense all’accumulo di grasso e al differenziamento in adipociti. Le cellule stromali cardiache costituiscono quindi un modello ottimale di malattia.

    La stretta collaborazione con i clinici dell’Unità di Elettrofisiologia permette di espandere il progetto, che, partendo da materiale bioptico prelevato dai pazienti, ha come scopo quello di comprendere meccanismi cellulari e molecolari della malattia, in modo da individuare bersagli terapeutici per lo sviluppo di nuovi farmaci. In particolare, l’obiettivo principale consiste nell’individuare i cofattori di patogenesi che spieghino perché portatori della stessa mutazione genetica abbiano espressione clinica diversa della cardiomiopatia aritmogena, e i fattori che innescano i processi degenerativi descritti. Inoltre, viene studiato il contributo delle dislipidemie sul fenotipo e il ruolo del sistema nervoso nello scatenare la patologia.


    Sviluppo di prodotti di terapia rigenerativa dell'ischemia miocardica e periferica

    Ruolo della Ciclofillina A nel danno tissutale ischemico e nella rigenerazione

    L’ischemia critica degli arti inferiori (CLI) è una patologia molto diffusa; colpisce circa tre milioni di individui in Europa Occidentale e la sua prevalenza sta aumentando in tutto il mondo. Nonostante le moderne applicazioni chirurgiche e terapeutiche abbiano aumentato la percentuale di salvataggio degli arti affetti da CLI, l’amputazione resta sempre l’evento più probabile. Quindi l’identificazione di nuove strategie e targets terapeutici rappresenta una reale emergenza clinica.

    Poiché la CLI è caratterizzata da un’inadeguata vascolarizzazione tissutale, nuove linee di ricerca si sono rivolte all’impiego di fattori che promuovano la formazione di nuovi vasi al fine di incrementare il flusso ematico nei tessuti ischemici. Nel laboratorio è stata identificata una proteina che promuove la neoangiogenesi, la Ciclofillina A (CyPA), enzima afferente alla famiglia delle peptidil-prolil cis-trans isomerasi.

    Studi in corso sono volti alla completa caratterizzazione degli effetti pro-angiogenici della CyPA in un modello pre-clinico di “hind-limb ischemia” nel topo. Tali studi offriranno la base per un’eventuale traslazione clinica della CyPA nel trattamento dell’ischemia periferica.

    Ruolo dei progenitori cardiaci umani (hCPCs) nell'omeostasi miocardica e loro utilizzo come prodotti di terapia biologica avanzata. Profilo clinico e farmaci

    La scoperta di progenitori residenti nel cuore adulto ha rivoluzionato il dogma del cuore come organo incapace di autorinnovamento. È stato dimostrata (Gambini E. et al. Cardiovasc Res 2011) la presenza di una popolazione di cellule progenitrici residenti cardiache (hCPCs) in grado di differenziare in cardiomiociti, cellule endoteliali e cellule muscolari lisce in-vitro e in-vivo, contribuendo all’omeostasi tissutale e alla rigenerazione cardiaca.

    Per studiare il ruolo dei hCPCs nell’omeostasi cardiaca fisiologica e patologica nel cuore umano, l’Unità ha interesse nella correlazione del profilo clinico e terapeutico dei pazienti cardiopatici con le caratteristiche biologiche di hCPCs (Gambini et al. Transl Res 2012). I risultati ottenuti hanno mostrato che alcune variabili cliniche, i fattori di rischio e la terapia farmacologica del paziente hanno un impatto di diversa entità sul numero e la funzione delle hCPCs residenti.

    Gli studi in corso sono volti a valutare l'influenza di alcuni farmaci per uso cardiovascolare sulla capacità di proliferazione, differenziamento e risposta allo stress ossidativo di tali cellule. Lo scopo è quello di individuare molecole che possiedono un effetto benefico sui progenitori cardiaci e di sviluppare nuovi protocolli di pre-condizionamento ex-vivo ed in-vivo per migliorare il loro potenziale terapeutico. È inoltre di interesse per il laboratorio lo studio degli effetti di condizioni patologiche croniche (come la fibrillazione atriale) sulle caratteristiche biologiche delle hCPCs.

    Studi pre-clinici di prodotti di terapia cellulare cardiaca e traslazione clinica GMP-grade

    La medicina rigenerativa basata sull’impiego di cellule staminali/progenitrici di origine cardiaca ha fornito approcci terapeutici alternativi nel trattamento delle patologie cardiovascolari. Tuttavia, studi preclinici hanno dimostrato che le hCPCs presentano una limitata capacità di sopravvivenza, proliferazione e integrazione nel cuore danneggiato.

    Lo sviluppo di tecniche che migliorino la sopravvivenza delle hCPCs trapiantate è fondamentale per ricostituire in modo adeguato il pool di cellule staminali residenti e per massimizzare il loro potenziale rigenerativo. Di conseguenza, l’interesse è quello di testare l’efficacia terapeutica delle hCPCs studiate finora nel laboratorio in modelli preclinici di ischemia acuta del miocardio per identificare le sottopopolazioni con migliore capacità rigenerativa. Ci si avvale, per questi studi, della vasta esperienza dell’Unità nei modelli murini di patologie cardiache e in tecnologie avanzate di analisi funzionale cardiaca, come l’ecocardiografia 2-D e le misurazioni emodinamiche invasive.

    Inoltre, nell’ottica di poter utilizzare in clinica cellule hCPCs, è in fase avanzata di implementazione un protocollo per la loro produzione, in accordo con le regole della Good Manifacturing Practice (GMP), come definito dall’Istituto Superiore di Sanità (ISS) per la sperimentazione clinica dei prodotti di terapia cellulare (PTC).


    Terapia cellulare della cardiomiopatia ischemica refrattaria

    Studio clinico di fase I di iniezione endocavitaria intramiocardica di cellule CD133+ derivate da midollo per il trattamento della cardiomiopatia ischemica refrattaria: RECARDIO trial

    Lo studio si basa sull’utilizzo delle cellule progenitrici endoteliali, prelevate nel paziente dal sangue midollare e inoculate nel cuore per via percutanea allo scopo di creare nuovi vasi (angiogenesi terapeutica) all’interno di regioni cardiache colpite da ischemia. Con l’innesto di tali cellule, opportunamente preparate, nel tessuto miocardico, ci si pone l’obiettivo di restituire alla porzione di muscolo cardiaco sofferente per mancanza di ossigeno una quantità di sangue sufficiente alle richieste metaboliche (neoangiogenesi terapeutica).

    Come da evidenze sperimentali del laboratorio, tali cellule (chiamate CD133+) hanno la potenzialità di dare luogo a nuovi vasi sanguigni (by-pass naturali). Si tratta di una nuova possibile terapia che viene proposta a pazienti che non sono più curabili con le tecniche convenzionali di rivascolarizzazione (angioplastica con stent o by-pass).

    Il giorno precedente l’intervento, i pazienti vengono sottoposti, dopo somministrazione di anestesia spinale, all’espianto di circa 250ml di sangue midollare dalla cresta iliaca. Il sangue midollare così aspirato viene immediatamente trasferito presso il Laboratorio GMP di Terapia Cellulare “Stefano Verri” dell’AO San Gerardo di Monza, dove personale qualificato ed autorizzato effettua le manipolazioni del materiale biologico con selezione di cellule staminali CD133+. L’intervento di iniezione cellulare viene effettuato il giorno seguente. La fase di osservazione clinica e strumentale si protrae per un periodo di 1 anno dall’intervento.

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Staff

  • Patrizia Nigro, Ph.D

    Elisa Gambini, Ph.D

    Aoife Gowran, Ph.D

    Giuseppina Milano, Ph.D

    Gianluca Perrucci, Ph.D

    Erica Rurali, Ph.D

    Elena Sommariva, Ph.D

    Gabriella Spaltro, Ph.D

    Maria Cristina Vinci, PhD

    Chiara Pilato, MSc

    Alessandro Scopece, MSc

    Ilaria Stadiotti, MSc

    Vera Vigorelli, MSc

    Clinical Research Staff

    Beatrice Bassetti, MSc