Multiplexed single cell transcriptomics optimizes mesodermal patterning and hemogenic endothelial output from murine embryonic stem cells
Questo studio utilizza la trascrittomica single-cell sci-Plex per ottimizzare la generazione di cellule endoteliali emogeniche da cellule staminali embrionali murine, rivelando come il dosaggio e l'integrazione temporale dei percorsi di segnalazione di Activin e BMP4 governino il pattern mesodermico e le decisioni del destino cellulare.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
All'interno di ogni embrione in via di sviluppo, avviene una conversazione silenziosa e precisa tra le cellule, che decide quali diventeranno muscolo, quali diventeranno osso e quali diventeranno il sangue che sostiene la vita. Questa conversazione viene condotta attraverso segnali chimici, molecole che agiscono come istruzioni, dicendo a una cellula dove andare e cosa diventare. Nelle primissime fasi della vita, un gruppo specifico di cellule noto come cellule staminali deve trasformarsi in un tipo di tessuto chiamato mesoderma, che darà origine al cuore e al sistema sanguigno. Gli scienziati sanno da tempo che la concentrazione di questi segnali chimici è importante; troppo di un segnale potrebbe spingere una cellula a diventare una cellula cardiaca, mentre una quantità diversa potrebbe spingerla a diventare sangue. Tuttavia, comprendere esattamente come questi segnali si mescolano e cambiano nel tempo per creare le specifiche cellule ematopoietiche necessarie per un adulto sano è stato una sfida importante. Creare queste cellule del sangue in una capsula di laboratorio si è rivelato difficile perché il processo è così complesso, e i ricercatori hanno faticato a replicare le esatte condizioni presenti all'interno di un embrione vivente.
Un team di ricercatori del Fred Hutch Cancer Center e dell'Università di Washington ha compiuto un passo significativo in avanti utilizzando un nuovo e potente strumento per osservare questo processo mentre si svolge in tempo reale. Hanno lavorato con cellule staminali embrionali di topo, che sono capaci di trasformarsi in qualsiasi tipo di cellula del corpo. Inveve di testare una condizione chimica alla volta, hanno utilizzato un metodo chiamato sci-Plex, che permette loro di esporre migliaia di cellule a molteplici combinazioni di due segnali chimici chiave simultaneamente. Questi segnali sono noti come Activin e BMP4. Applicando una vasta gamma di intensità di questi due segnali alle cellule staminali, i ricercatori hanno potuto osservare come le cellule rispondessero a ogni possibile miscela, tracciando i loro cambiamenti a livello di singola cellula. Questo approccio ha permesso loro di vedere non solo il risultato finale, ma l'intero percorso di come una cellula staminale decida il proprio destino in base alla quantità precisa e alla tempistica dei segnali che riceve.
I ricercatori hanno scoperto che la tempistica e la forza di questi segnali chimici sono critiche. Hanno scoperto che, regolando i livelli di Activin e BMP4, potevano guidare le cellule staminali a diventare tipi specifici di tessuto che imitano ciò che accade in un embrione di topo vivente. Quando le cellule venivano esposte a livelli elevati di Activin e a una quantità moderata di BMP4, avevano maggiori probabilità di diventare un tipo di tessuto chiamato mesoderma della piastra laterale. Questo tessuto è un passaggio cruciale perché contiene i precursori dell'endotelio emogenico, ovvero speciali cellule dei vasi sanguigni che hanno l'unica capacità di trasformarsi in cellule del sangue. Lo studio ha dimostrato che questa specifica combinazione di segnali, applicata nel momento giusto dello sviluppo delle cellule, ha prodotto il maggior numero di questi promettenti precursori cellulari.
Ulteriori indagini hanno rivelato che le cellule generate nella capsula somigliavano da vicino a due diversi tipi di cellule ematopoietiche presenti in natura: quelle che compaiono nel sacco vitellino nelle prime fasi dello sviluppo e quelle che si formano all'interno dell'embrione vero e proprio, che sono i precursori delle cellule staminali ematopoietiche a lungo termine presenti negli adulti. I ricercatori sono stati in grado di distinguere tra questi due tipi osservando specifici marcatori sulla superficie delle cellule. Hanno scoperto che le cellule che somigliano al tipo del sacco vitellino esprimevano una proteina chiamata LYVE1, mentre le cellule che somigliano al tipo dell'interno dell'embrione non la esprimevano. Questa distinzione è importante perché il tipo dell'interno dell'embrione è quello che alla fine porta alla creazione delle cellule staminali ematopoietiche, il gold standard per la rigenerazione del sangue. Il team ha anche testato se l'aggiunta di una sostanza chiamata acido retinoico potesse aiutare a spostare le cellule verso il tipo più maturo, quello dell'interno dell'embrione. Hanno scoperto che l'aggiunta di questa sostanza ha effettivamente ridotto il numero di cellule simili al sacco vitellino e aumentato il numero di cellule simili all'interno dell'embrione, suggerendo un modo per perfezionare ulteriormente il processo.
Nonostante questi successi, i ricercatori sono stati cauti nel notare che non avevano ancora creato cellule staminali ematopoietiche completamente funzionali e durature che potessero essere trapiantate in un topo e sopravvivere indefinitamente. Sebbene avessero generato con successo i precursori precoci e migliorato le condizioni per farli, l'ultimo passo di trasformare questi precursori nelle robuste cellule staminali che si rigenerano autonomamente presenti in natura rimane un ostacolo. Lo studio ha evidenziato che certi geni, noti per essere essenziali per questa trasformazione finale in un embrione vivente, erano assenti o molto bassi nelle cellule coltivate nella capsula. Ciò suggerisce che l'ambiente di laboratorio sia ancora privo di alcuni ingredienti chiave o segnali temporali presenti nell'ambiente naturale.
Il valore di questo lavoro risiede nella mappa che fornisce. Utilizzando il metodo sci-Plex, i ricercatori hanno creato una guida dettagliata che mostra esattamente come diverse dosi di segnali chimici influenzino le decisioni cellulari. Questa mappa permette agli scienziati di vedere le sottili differenze tra cellule che sembrano simili ma hanno destini diversi. Conferma che il percorso per creare cellule staminali del sangue in una capsola non è una singola linea retta, ma un paesaggio complesso dove la tempistica e la forza dei segnali determinano il risultato. Lo studio non sostiene di aver risolto il problema della crescita di cellule staminali del sangue trapiantabili, ma offre una tabella di marcia chiara e basata sui dati su come avvicinarsi a tale obiettivo. Comprendendo le condizioni precise che favoriscono la creazione dei giusti precursori cellulari, la ricerca futura può concentrarsi sul completamento dei pezzi mancanti per produrre infine cellule staminali del sangue che siano davvero pronte per l'uso clinico.
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