Phenotypes and Cellular Mechanics of Primary Human Aorta- and Pluripotent Stem Cell-derived Vascular Smooth Muscle Cells

All'interno delle pareti dei nostri vasi sanguigni risiede uno strato specializzato di cellule muscolari che funge da regolatore principale del flusso sanguigno. Queste cellule, note come cellule muscolari lisce vascolari, sono le guardiane della circolazione. Quando sono sane e mature, rimangono calme e strettamente contratte, mantenendo il vaso aperto con una presa costante e potente per mantenere la pressione sanguigna. Tuttavia, quando il corpo ha bisogno di riparare un danno o quando una malattia colpisce, queste stesse cellule possono cambiare la loro natura. Possono allentare la loro presa, crescere e moltiplicarsi rapidamente per tappare una lacerazione o costruire nuovo tessuto. Questa capacità di passare tra uno stato contrattile costante e uno stato di crescita frenetica è vitale per la salute, ma è anche il motore dietro molte condizioni pericolose, come l'indebolimento e l'rigonfiamento delle arterie noto come aneurisma. Per capire come funzionano queste cellule e perché a volte falliscono, gli scienziati devono studiarle in laboratorio. Per decenni, i ricercatori si sono affidati al prelievo di queste cellule direttamente da donatori umani, ma questo approccio presenta un difetto significativo: ogni donatore è diverso e le cellule spesso cambiano il loro comportamento una volta rimosse dal corpo, rendendo difficile capire se un risultato sia dovuto a una specifica malattia o alla naturale variazione tra le persone.

Per risolvere questo problema, un team di ricercatori si è rivolto a una fonte più costante: le cellule staminali pluripotenti umane. Queste sono cellule madri capaci di diventare qualsiasi tipo di tessuto nel corpo. Guidando queste cellule staminali lungo un percorso di sviluppo specifico, gli scienziati hanno creato una fornitura fresca di cellule muscolari lisce vascolari in una piastra. L'obiettivo del loro nuovo studio era vedere se queste cellule derivate da staminali si comportassero davvero come quelle reali trovate nelle arterie umane. Hanno confrontato le loro cellule derivate da staminali con cellule raccolte direttamente dalle aorta umane, i grandi vasi che trasportano il sangue dal cuore. I ricercatori volevano sapere se le cellule create in laboratorio potessero imitare i due stati principali delle cellule reali: lo stato di crescita frenetica e lo stato contrattile calmo. Volevano anche misurare la forza fisica di queste cellule, controllando quanta forza potessero esercitare sul loro ambiente, un fattore chiave nel modo in cui i vasi sanguigni mantengono la loro forma.

Il team ha iniziato coltivando le proprie cellule derivate da staminali e guidandole con cura per diventare del tipo muscolare liscio. Hanno scoperto che queste cellule potevano effettivamente passare tra i due stati. Se lasciate sole, agivano come la versione sintetica e in crescita della cellula, moltiplicandosi e riempiendo lo spazio. Quando i ricercatori hanno aggiunto un particolare inibitore chimico alla coltura, le cellule hanno smesso di dividersi e si sono trasformate nel tipo contrattile maturo. Queste cellule trattate sono cresciute maggiormente, hanno sviluppato fibre interne più forti e hanno prodotto livelli più elevati di proteine responsabili della contrazione muscolare. Per garantire che queste cellule coltivate in laboratorio non stessero solo "facendo la parte" ma la stessero "vivendo", il team ha misurato la loro forza fisica. Hanno posizionato singole cellule su minuscoli pilastri flessibili e hanno osservato quanto i pilastri si piegassero mentre le cellule tiravano su di essi. Hanno anche costruito piccoli tessuti tridimensionali contenenti centinaia di cellule e hanno misurato la forza collettiva che questi piccoli fasci generavano mentre si stringevano.

I risultati hanno mostrato una sorprendente somiglianza tra le cellule coltivate in laboratorio e le cellule prelevate da donatori umani. Entrambi i tipi di cellule generavano forze in un intervallo comparabile, tirando con una forza misurata in miliardi di nuovi per pilastro. Ciò ha confermato che le cellule derivate da staminali erano meccanicamente capaci di svolgere lo stesso lavoro delle cellule naturali. Tuttavia, lo studio ha anche evidenziato una grande differenza nella affidabilità. Le cellule prelevate direttamente dalle aorta umane variavano enormemente da un lotto all'altro. Alcuni lotti erano pieni delle cellule muscolari desiderate, mentre altri contenevano principalmente altri tipi di cellule, e la loro forza e il loro comportamento cambiavano in modo imprevedibile a seconda dell'età del donatore e della parte specifica dell'arteria da cui provenivano. Al contrario, le cellule derivate da staminali erano straordinariamente costanti. Ogni lotto si comportava allo stesso modo, rispondeva allo switch chimico nello stesso modo e produceva la stessa quantità di forza.

I ricercatori hanno anche testato se potessero far comportare le cellule naturali dei donatori più come il tipo contrattile maturo utilizzando lo stesso trattamento chimico. Hanno scoperto che funzionava, ma la risposta era incoerente tra i diversi lotti di cellule dei donatori. Alcuni lotti rispondevano fortemente, diventando molto più forti e contrattili, mentre altri mostravano pochi cambiamenti. Questa incoerenza rendeva difficile trarre conclusioni chiare utilizzando solo le cellule dei donatori. Lo studio ha concluso che, sebbene le cellule provenienti da donatori umani siano utili, presentano troppo "rumore" per essere lo strumento perfetto per studiare la meccanica dei vasi sanguigni. Le cellule derivate da staminali, d'altra parte, offrono un modello pulito e riproducibile. Possono essere attivate e disattivate tra gli stati di crescita e di contrazione con alta precisione, e generano forze che corrispondono alle cellule umane reali. Ciò fornisce agli scienziati uno strumento affidabile e standardizzato per studiare come funzionano i vasi sanguigni, come si degradano nelle malattie e come nuovi farmaci possano aiutare a ripararli, senza la confusione della naturale variazione umana.