Galectin and Myc enable cochlear progenitor expansion in vitro and in vivo

L'udito si affida a una struttura delicata e intricata all'interno dell'orecchio interno chiamata coclea. All'interno di questo organo a forma di spirale, minuscole cellule ciliate agiscono come i microfoni del corpo, convertendo le onde sonore in segnali elettrici che il cervello può comprendere. Nei mammiferi, una volta che queste cellule ciliate vengono danneggiate da rumori forti, dall'invecchiamento o da certi farmaci, non ricrescono più. Le cellule di supporto circostanti, che sono solitamente silenziose e inattive, mancano della capacità di dividersi e sostituire le parti perse. Questa perdita permanente porta a un deficit uditivo che la medicina attuale non può invertire. Tuttavia, la natura offre una breve finestra di opportunità nei mammiferi neonati. Per un breve periodo dopo la nascita, un gruppo specifico di cellule adiacenti all'organo dell'udito, noto come cresta epiteliale maggiore, rimane capace di dividersi e trasformarsi in nuove cellule ciliate. Questa popolazione transitoria scompare entro la prima settimana di vita, proprio mentre l'udito inizia, lasciando l'orecchio privo di un naturale meccanismo di riparazione. Comprendere come queste cellule neonatali riescano a rigenerarsi, e perché smettano di farlo, potrebbe fornire la chiave per sbloccare capacità di riparazione simili negli adulti.

Ricercatori dell'Università di Stanford e di altre istituzioni hanno ora esaminato da vicino queste cellule neonatali per scoprire le istruzioni molecolari che ne guidano la crescita. Si sono concentrati sulle cellule della cresta epiteliale maggiore di topi neonati, che sono note per essere potenti cellule staminali capaci di formare cluster tridimensionali chiamati organoidi in una piastra di laboratorio. Questi organoidi imitano l'orecchio interno in via di sviluppo, crescendo in strutture che contengono nuove cellule ciliate e cellule di supporto. Per comprendere il "cambio di marcia" che trasforma queste cellule da uno stato di riposo a uno di rapida divisione, gli scienziati hanno isolato le cellule e le hanno osservate crescere per diversi giorni. Hanno catturato istantanee dell'attività genetica all'interno di singole cellule a uno, tre e sette giorni dall'inizio della crescita. Leggendo il codice genetico di centinaia di queste cellule, hanno creato una mappa dettagliata di come le cellule cambiano all'inizio della moltiplicazione.

L'analisi ha rivelato un chiaro schema di cambiamento. Man mano che le cellule iniziavano a dividersi, cominciavano a produrre alti livelli di proteine specifiche che aiutano le cellule ad aderire tra loro e al loro ambiente. Due di queste proteine, note come galectina-1 e galectina-3, si sono distinte per essere particolarmente attive durante le prime fasi della crescita. Un altro attore chiave identificato è una proteina chiamata Myc, ben nota per il suo ruolo nel dire alle cellule di entrare nel ciclo cellulare e iniziare a dividersi. I ricercatori hanno scoperto che questi fattori non erano solo presenti; erano essenziali. Quando gli scienziati hanno usato dei farmaci per bloccare l'attività di galectina-1, galectina-3 o Myc, le cellule hanno smesso di crescere. Gli organoidi non riuscivano a formarsi o rimanevano piccoli e deboli. Al contrario, quando hanno aumentato artificialmente la quantità di galectina-1 o Myc nelle cellule, gli organoidi crescevano più grandi e contenevano più cellule. Ciò ha confermato che queste specifiche molecole agiscono come regolatori, controllando se le cellule cocleari si espandono e si moltiplicano.

Lo studio è andato oltre per vedere se queste scoperte potessero applicarsi a cellule più vecchie che hanno già perso la capacità di rigenerarsi. Nei topi adulti, la cresta epiteliale maggiore è scomparsa e le cellule rimanenti nella coclea sono generalmente incapaci di formare nuovi organoidi. I ricercatori hanno testato se potessero risvegliare questo potenziale dormiente in cellule prelevate da topi di due settimane di età, un'età in cui l'udito è già iniziato. Hanno utilizzato un virus innocuo per consegnare copie extra dei geni della galectina-1 o di Myc direttamente in queste cellule più vecchie. Il risultato è stato sorprendente: mentre l'aggiunta di galectina-1 extra non ha cambiato molto, l'aggiunta di Myc extra ha indotto con successo le cellule più vecchie a dividersi e a formare organoidi. Ciò ha dimostrato che il macchinario genetico richiesto per la rigenerazione non è interamente perduto nelle cellule più anziane; può essere riattivato dal giusto stimolo molecolare.

Per garantire che questi risultati di laboratorio riflettessero ciò che accade in un animale vivente, il team ha anche esaminato l'orecchio interno di topi che avevano subito danni. Hanno utilizzato un metodo per distruggere specifiche cellule di supporto nella coclea di topi neonati, il che normalmente innesca la divisione delle cellule della cresta epiteliale maggiore vicine per sostituire il tessuto perso. In questi orecchi feriti, i ricercatori hanno osservato un forte aumento dei livelli di galectina-1, in particolare nelle cellule che stavano iniziando a dividersi. Quando hanno bloccato l'azione della galectina-1 in questi animali feriti, le cellule hanno smesso di dividersi e il processo di riparazione è stato interrotto. Ciò ha confermato che lo stesso meccanismo identificato nel piatto è attivamente in gioco nell'orecchio vivente, guidando la risposta naturale al danno.

Il lavoro fornisce un quadro chiaro di come un set specifico di segnali molecolari guidi la capacità rigenerativa dell'orecchio interno. Mostra che la transizione da uno stato silenzioso e non divisivo a uno stato attivo e di crescita è guidata da cambiamenti nel modo in cui le cellule interagiscono con il loro ambiente e tra di loro, mediati da proteine come la galectina-1 e Myc. Sebbene lo studio non offra una cura immediata per la perdita dell'udito, identifica le leve precise che controllano la crescita cellulare nella coclea. Dimostrando che queste leve possono essere azionate per far ripartire la crescita in cellule più vecchie, la ricerca apre la strada allo sviluppo di terapie che possano un giorno ripristinare l'udito risvegliando i sistemi di riparazione dormienti dell'orecchio stesso. I risultati suggeriscono che il potenziale per la rigenerazione esiste all'interno delle cellule stesse, in attesa della corretta chiave molecolare per sbloccarlo.