Un approccio innovativo per generare i neuroni umani in modo più rapido, efficiente e sicuro rispetto ai metodi tradizionali, è stato messo a punto nei laboratori dell’Università di Padova e dell’Istituto Veneto di Medicina Molecolare da un team di ricerca coordinato dalla professoressa Onelia Gagliano, del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Padova, e dalla professoressa Cecilia Laterza, del Dipartimento di Scienze Biomediche dell’Ateneo patavino.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati di recente sul «Journal of Molecular Neuroscience», in un articolo dal titolo Early Reprogramming Intermediates Enable Direct Neuronal Conversion Via NGN2.
I neuroni umani creati in laboratorio, a partire da cellule del paziente, sono fondamentali per studiare malattie del sistema nervoso come Alzheimer, Parkinson e SLA direttamente su cellule umane, e non solo su modelli animali. Utilizzando le tecniche tradizionali, sono necessarie tra le 6 e le 8 settimane di tempo per trasformare le cellule somatiche prima in cellule staminali pluripotenti e poi in neuroni. Con la nuova tecnica messa a punto dal team
di ricerca padovano, invece, soli 3 giorni sono sufficienti per una riprogrammazione parziale, seguiti da 9 giorni di induzione neuronale, arrivando a ottenere neuroni in soli 12 giorni totali. Il processo, inoltre, applicando la nuova strategia, comporta costi inferiori.
«Si passa da un processo che può richiedere 6/8 settimane complessive, a poco meno di due settimane, evitando la completa stabilizzazione in uno stato pluripotente – spiega la professoressa Onelia Gagliano –. Abbiamo inoltre identificato una “finestra temporale” di particolare plasticità cellulare: uno stato intermedio in cui la cellula non è più fibroblasto, ma non è ancora diventata una vera cellula staminale. È proprio in questa fase di transizione che essa risulta più “ricettiva” ai segnali che la guidano a diventare un neurone».
La ricerca è iniziata nel 2020 quando Gagliano e Laterza lavoravano come post-doc nel laboratorio del professor Nicola Elvassore e, unendo le rispettive competenze nel reprogamming e nel differenziamento neuronale, hanno il primo esperimento che ha funzionato. Da quell’intuizione iniziale è poi nato un progetto di ricerca strutturato, scritto da Gagliano e finanziato attraverso un grant STARS dell’Università di Padova.
La possibilità di generare neuroni umani in laboratorio è fondamentale per poter studiare malattie del sistema nervoso direttamente su cellule umane, e non solo su modelli animali. Infatti, molte patologie neurologiche e neurodegenerative, come Alzheimer, Parkinson, SLA o disturbi del neurosviluppo, colpiscono cellule nervose che non sono facilmente accessibili nel paziente: non si possono prelevare neuroni dal cervello di una persona per studiarli. Per questo si prelevano cellule della pelle per creare in vitro modelli che riproducono, almeno in parte, le caratteristiche cellulari della malattia umana, oltre che per testare farmaci in modo più predittivo, personalizzato e preciso rispetto a un modello animale. Le due strategie ad oggi più utilizzate però sono poco efficienti. La prima, la conversione diretta da
fibroblasti a neuroni, richiede più fattori genetici e diverse settimane con una bassa efficienza, spesso inferiore al 5%. La seconda strategia prevede il passaggio da fibroblasti a cellule staminali pluripotenti in 4 settimane e, successivamente, la loro differenziazione in neuroni in altre 2 o 3 settimane, e comporta rischi legati alla presenza di cellule staminali residue. Il risultato principale della ricerca dell’Università di Padova è aver dimostrato che bastano solo 3 giorni di riprogrammazione parziale per rendere le cellule della pelle dei pazienti competenti a trasformarsi in neuroni, attivando un solo gene chiave per lo sviluppo dei neuroni stessi.
Sono diverse le applicazioni più promettenti della scoperta: generare neuroni da pazienti con patologie neurologiche per studiarne i meccanismi; testare farmaci su larga scala sui neuroni creati in laboratorio; valutare la risposta individuale a trattamenti specifici con sistemi di medicina personalizzata. La rapidità e la riduzione dei costi, inoltre, rendono questa strategia particolarmente interessante anche per contesti industriali e biotech.
La ricerca ora punta a nuovi obiettivi: valutare più a fondo la maturità funzionale dei neuroni ottenuti, per capire se alla fine di questo processo più veloce i neuroni sono già funzionanti; studiare la plasticità cellulare degli stati intermedi, per comprendere meglio come le cellule cambiano identità e quali modifiche epigenetiche rendano le cellule così plastiche; applicare il protocollo a cellule di pazienti con malattie neurologiche, per verificarne l’utilità in modelli patologici reali e capire quindi se anche questo protocollo di differenziamento consente di replicare in vitro le caratteristiche della patologia di interesse.
