Le vecchie cellule umane possono diventare più giovani “convincendole” a creare le proteine usate per produrre cellule pluripotenti indotte, questo è quanto hanno scoperto i ricercatori di Stanford e i loro colleghi. La scoperta potrebbe avere implicazioni per la ricerca sull’invecchiamento.
Le vecchie cellule umane tornano a uno stato più giovane e vigoroso dopo essere state indotte ad esprimere brevemente un gruppo di proteine coinvolte nello sviluppo embrionale, secondo un nuovo studio condotto dai ricercatori della Stanford University School of Medicine.
Le proteine, note come fattori Yamanaka, sono comunemente usate per trasformare le cellule adulte in cellule staminali pluripotenti indotte o cellule iPS. Le cellule staminali pluripotenti indotte possono diventare quasi qualsiasi tipo di cellula nel corpo, indipendentemente dalla cellula da cui hanno origine. Sono diventati importanti nella medicina rigenerativa e nella realizzazione di medicinali.
Lo studio ha scoperto che indurre vecchie cellule umane in una capsula da laboratorio a creare queste proteine riavvolge molte delle caratteristiche molecolari dell’invecchiamento e rende le cellule trattate quasi indistinguibili dalle loro controparti più giovani.
“Quando le cellule iPS sono prodotte da cellule adulte, diventano sia giovani che pluripotenti”, ha affermato Vittorio Sebastiano, PhD, assistente professore di ostetricia e ginecologia e studioso della Facoltà di famiglia di Woods in Medicina traslazionale pediatrica. “Ci siamo chiesti da qualche tempo se fosse possibile semplicemente riavvolgere il vecchio orologio senza indurre pluripotenza. Ora abbiamo scoperto che, controllando strettamente la durata dell’esposizione a questi fattori proteici, possiamo promuovere il ringiovanimento in più tipi di cellule umane “.
Sebastiano è l’autore senior dello studio, che sarà pubblicato online su Nature Communications il 24 marzo. L’ex studente laureato Tapash Sarkar, PhD, è l’autore principale dell’articolo.
“Siamo molto entusiasti di questi risultati”, ha affermato il coautore dello studio Thomas Rando, MD, PhD, professore di neurologia e scienze neurologiche e direttore del Glenn Center for the Biology of Aging di Stanford. “I miei colleghi e noi abbiamo perseguito il ringiovanimento dei tessuti da quando i nostri studi nei primi anni 2000 hanno rivelato che i fattori sistemici possono rendere più giovani i vecchi tessuti. Nel 2012, Howard Chang e io abbiamo proposto il concetto di utilizzare i fattori di riprogrammazione per ringiovanire cellule e tessuti, ed è gratificante vedere prove di successo con questo approccio. ” Chang, MD, PhD, è professore di dermatologia e di genetica a Stanford.
Esposizione alle proteine
I ricercatori del laboratorio di Sebastiano producono cellule iPS da cellule adulte, come quelle che compongono la pelle, esponendole ripetutamente per un periodo di circa due settimane a un gruppo di proteine importanti per lo sviluppo embrionale precoce. Lo fanno introducendo messaggi RNA quotidiani di breve durata nelle cellule adulte. I messaggi RNA codificano le istruzioni per produrre le proteine Yamanaka. Nel tempo, queste proteine riavvolgono il destino delle cellule, spingendole all’indietro lungo la linea temporale dello sviluppo fino a quando non assomigliano alle giovani cellule pluripotenti simili all’embrione da cui hanno avuto origine.
Recentemente i ricercatori hanno iniziato a chiedersi se esporre le cellule adulte alle proteine di Yamanaka per giorni anziché per settimane potrebbe innescare questa inversione giovanile senza indurre pluripotenza totale. In effetti, i ricercatori del Salk Institute for Biological Studies hanno scoperto nel 2016 che esprimere brevemente i quattro fattori Yamanaka nei topi con una forma di invecchiamento precoce ha prolungato la durata della vita degli animali di circa il 20%. Ma non era chiaro se questo approccio avrebbe funzionato negli esseri umani.
Sarkar e Sebastiano si chiedevano se le vecchie cellule umane avrebbero reagito in modo simile e se la risposta sarebbe stata limitata a pochi tipi di cellule o generalizzata per molti tessuti. Hanno escogitato un modo per utilizzare materiale genetico chiamato messenger RNA per esprimere temporaneamente sei fattori di riprogrammazione – i quattro fattori Yamanaka più due proteine aggiuntive – nella pelle umana e nelle cellule dei vasi sanguigni. Messenger RNA si degrada rapidamente nelle cellule, consentendo ai ricercatori di controllare strettamente la durata del segnale.
I ricercatori hanno quindi confrontato i modelli di espressione genica delle cellule trattate e delle cellule di controllo, entrambi ottenuti da adulti anziani, con quelli delle cellule non trattate dei giovani. Hanno scoperto che le cellule degli anziani mostravano segni di inversione dell’invecchiamento dopo soli quattro giorni di esposizione ai fattori di riprogrammazione. Mentre le cellule anziane non trattate esprimevano livelli più elevati di geni associati a percorsi di invecchiamento noti, le cellule anziane trattate assomigliavano più da vicino alle cellule più giovani nei loro schemi di espressione genica.
Quando i ricercatori hanno studiato i modelli di tag chimici associati all’invecchiamento chiamati gruppi metilici, che fungono da indicatore dell’età cronologica di una cellula, hanno scoperto che le cellule trattate sembravano in media tra 1½ e 3½ anni più giovani rispetto alle cellule non trattate degli anziani , con picchi di 3 anni e mezzo (nelle cellule della pelle) e 7 anni e mezzo (nelle cellule che rivestono i vasi sanguigni).
Confronto dei segni distintivi dell’invecchiamento
Successivamente hanno confrontato diversi segni distintivi dell’invecchiamento, tra cui il modo in cui le cellule percepiscono i nutrienti, metabolizzano i composti per creare energia e smaltire i rifiuti cellulari, tra cellule di giovani, cellule trattate da anziani e cellule non trattate da anziani.
“Abbiamo visto un drammatico ringiovanimento su tutti i segni distintivi, ma uno su tutti i tipi di cellule testati”, ha detto Sebastiano. “Ma il nostro ultimo e più importante esperimento è stato fatto sulle cellule staminali muscolari. Sebbene siano naturalmente dotati della capacità di auto-rinnovarsi, questa capacità diminuisce con l’età. Ci siamo chiesti: possiamo anche ringiovanire le cellule staminali e avere un effetto a lungo termine? ”
Quando i ricercatori hanno trapiantato vecchie cellule staminali muscolari di topo che erano state trattate in topi anziani, gli animali hanno riguadagnato la forza muscolare dei topi più giovani, hanno scoperto.
Infine, i ricercatori hanno isolato le cellule dalla cartilagine delle persone con e senza artrosi. Hanno scoperto che l’esposizione temporanea delle cellule osteoartritiche ai fattori di riprogrammazione ha ridotto la secrezione di molecole infiammatorie e migliorato la capacità delle cellule di dividersi e funzionare.
I ricercatori stanno ora ottimizzando il pannello di riprogrammazione delle proteine necessarie per ringiovanire le cellule umane e stanno esplorando la possibilità di trattare cellule o tessuti senza rimuoverli dal corpo.
“Sebbene sia necessario molto più lavoro, speriamo di poter un giorno avere l’opportunità di riavviare interi tessuti”, ha detto Sebastiano. “Ma prima vogliamo assicurarci che questo sia rigorosamente testato in laboratorio e trovato sicuro.”
Altri co-autori di Stanford sono l’ex studioso post dottorato Marco Quarta, PhD; studioso post-dottorato Shravani Mukherjee, PhD; studente laureato Alex Colville; assistenti di ricerca Patrick Paine, Linda Doan e Christopher Tran; Constance Chu, MD, professore di chirurgia ortopedica; Stanley Qi, PhD, assistente professore di bioingegneria e di biologia chimica e dei sistemi; e Nidhi Bhutani, PhD, professore associato di chirurgia ortopedica.
Hanno contribuito allo studio anche i ricercatori del sistema sanitario Palo Alto per affari veterani, dell’Università della California-Los Angeles e dell’Istituto di ricerca sulla medicina molecolare a Sunnyvale, in California.
La ricerca è stata sostenuta dal National Institutes of Health (concede R01 AR070865, R01 AR070864, P01 AG036695, R01 AG23806, R01 AG057433 e R01 AG047820), Glenn Foundation for Medical Research, American Federation for Aging Research e il Department of Veterans Affairs .
Sarkar, Quarta e Sebastiano sono co-fondatori della startup Turn Biotechnologies, una società che sta applicando la tecnologia descritta nel documento per trattare le condizioni associate all’invecchiamento. Rando è membro del comitato scientifico consultivo.
