Nanomeccanica Cellulare e Prospettive di Medicina Rigenerativa

Sala Auditorium, ore 14.30 – 15.30

Robuste evidenze sperimentali dimostrano come le nostre cellule producano oscillazioni meccaniche (1-3). Queste ultime sono comprese sia all’interno della gamma udibile o subsonica di una vibrazione. Le stesse dinamiche cellulari sono modulate in modo ritmico: una sorta di “ritmo circadiano molecolare” che rappresenta di per sè un portale di informazioni (4).
E’ ormai evidente che il riconoscimento biomolecolare sia intimamente legato alla natura oscillatoria delle componenti subcellulari. L’idea che le molecole debbano collidere con modalità diffusive all’interno delle cellule interagendo come una chiave in una serratura per scatenare una risposta cellulare è attualmente vista come un caso particolare della trasduzione dei segnali cellulari. Infatti, le reazioni cellulari mostrano caratteristiche dinamiche di connettività ad ampio raggio che accadono con velocità troppo elevate per poter essere spiegate esclusivamente sulla base di una semplice diffusione molecolare nell’ambiente acquoso intracellulare. La maggior parte delle molecole d’acqua è associata a strutture subcellulari, che sono costantemente in movimento, oscillanti, come il citoscheletro e il nucleoscheletro, formando una sorta di network tessile che ingloba il nucleo, i mitocondri e il reticolo endoplasmatico, creando seri problemi ad un traffico meramente diffusivo di molecole segnale. Dobbiamo necessariamente attingere ad un’altra visione della generazione e propagazione delle informazioni biologiche. Se pensiamo alle proteine ​​cellulari in termini fisici, possiamo vedere come alcuni dei loro motivi altamente conservati e ripetuti, quali strutture ad alfa-elica e le anse che connettono le alfa-eliche tra loro, siano rispettivamente assimilabili ad un sistema di molle e connettori, in grado di rendere una singola proteina capace di vibrare in una sorta di risonanza di fase. Questo oscillatore (la proteina) è come un metronomo, che grazie alla presenza di motori molecolari come kinesine o dineine, è in grado di muoversi lungo il cito-nucleo-scheletro, dove i microtubuli agiscono come una rete elastica dissipativa delle principali differenze ritmiche tra i vari oscillatori che compongono l’insieme delle molecole segnale (5,6). Questo contesto facilita e promuove il raggiungimento di fasi di sincronizzazione attraverso stadi evolutivi degli andamenti vibrazionali di ciascun oscillatore (molecola segnale) che, grazie alla rete di microtubuli con cui interagisce, diventa consapevole di quanto sta avvenendo nel sistema, per la sua intrinseca connettività.
Tale approccio ci sta aiutando ad indagare come andamenti oscillatori multipli siano in grado di condividere informazioni. I microtubuli cellulari, a causa delle loro modalità intrinseche di vibrazione e polarità elettrica, sono ora considerati come un sistema in grado di generare campi elettrici ad alta frequenza con caratteristiche di irraggiamento (7). E’ stato dimostrato come i microtubuli siano la fonte di una attività elettrodinamica sperimentalmente rilevata nella regione di frequenze comprese fra kHz e GHz (8). Sorprendentemente sono state evidenziate proprietà di commutazione di livelli di memoria nei profili di conduttività elettrica a livello di singoli microtubuli in vitro (9). Utilizzando un approccio combinato di “Scanning Tunneling Microscopy (STM) e Atomic Force Microscopy (AFM) è emerso come lo stato di memoria conduttiva in questi elementi sia associato ad una modulazione fine del riarrangiamento strutturale del microtubulo e dei suoi elementi costitutivi, le tubuline, in grado di generare definite configurazioni di simmetria nella architettura del microtubulo in fase di polimerizzazione in vitro (8). Possiamo quindi vedere i microtubuli come nanostruttrue cave in grado di memorizzare ed elaborare informazioni, al pari di uno switch della flash memory nel chip di un computer (9).
La capacità delle cellule di generare e modulare campi elettromagnetici ci ha portato ad esplorare la possibilità di dirigere le funzioni cellulare mediante energie fisiche. Abbiamo così scoperto per la prima volta che l’esposizione a campi magnetici di frequenza estremamente bassa (ELF-MF) di cardiomiociti ventricolari adulti era in grado di modulare la trascrizione genica di un sistema endorfinergico (10) essenziale nella regolazione della crescita e della contrattilità miocardica. Abbiamo anche scoperto che l’esposizione a ELF-MF induce una alta resa di cardiogenesi e un notevole incremento nella trasformazione di cellule staminali embrionali (ES) murine in cellule miocardiche terminalmente differenziate caratterizzate da attività contrattile spontanea (11).
Più recentemente, abbiamo dimostrato che campi elettromagnetici di 2,4 GHz, la stessa frequenza usata per connettersi tramite Internet in tutto il mondo, possono essere opportunamente convogliati a cellule in coltura mediante un Radio Electric Asymmetric Conveyer (REAC). La tecnologia REAC genera nei tessuti microcorrenti elettriche in risposta al campo magnetico che vengono convogliate con una particolare sonda al tessuto oggetto di trattamento, senza limiti di profondità, producendo una corrente risultante anch’essa convogliata attraverso la sonda nell’area di interesse. Questo processo si traduce in una ottimizzazione della polarità cellulare (cell polarity) elemento essenziale nel mantenimento dello stato di salute cellulare, come riportato in dettaglio più avanti. Questa strategia innovativa si è dimostrata in grado di indurre notevoli effetti biologici a molti livelli interconnessi, dalla modulazione dell’espressione genica e proteica fino al rimodellamento strutturale e funzionale cellulare, portando ad una elevata resa di differenziamento in senso cardiaco, vascolare, neuronale e muscolare scheletrico, sia in cellule ES murine (12) che in cellule staminali mesenchimali umane derivate da tessuto adiposo (hADSC) (13). Abbiamo scoperto che il differenziamento verso le stesse tipologie cellulari poteva essere addirittura indotto mediante esposizione a REAC in fibroblasti umani cutanei (14). Per la prima volta, cellule somatiche non-staminali umane adulte sono state riprogrammate verso destini ai quali non sarebbero mai altrimenti andate in contro. Tutto questo senza l’utilizzo di tecniche di trasferimento genico mediante vettori virali, potenzialmente rischiose, e senza l’impiego di molecole chimiche costose e legate a procedimenti complessi di sintesi. Inoltre, la riprogrammazione delle cellule somatiche mediante tecnologia REAC ha comportato un aumento transiente dell’espressione di geni di staminalità, seguito dalla loro inibizione trascrizionale (14), senza congelare le cellule esposte in intermedi simil-embrionali, cosa che può comportare la persistenza di elementi cellulari soggetti ad una deriva tumorale.
L’esposizione a campi elettromagnetici convogliati con REAC è stata in grado di invertire la senescenza staminale in vitro (15). Tale processo di invecchiamento si associa ad una ridotta espressione del gene TERT, che codifica per il nucleo catalitico della telomerasi, e ad un accorciamento della lunghezza dei telomeri, due fenomeni ritenuti irreversibili. Abbiamo dimostrato come il trattamento con REAC fosse capace di indurre la riespressione del gene TERT e di aumentare la lunghezza dei telomeri, con il pieno recupero del potenziale differenziativo nelle hADSC esposte (15). L’effetto antiinvecchiamento del REAC ha anche coinvolto l’attivazione di un percorso telomerasi-indipendente, portando ad un aumento della trascrizione di Bmi-1 e dei geni della staminalità, nonché delle proteine da questi codificate ​​(15). Questa scoperta può avere importanti implicazioni biomediche. Infatti, le cellule staminali, come qualsiasi altra cellula del corpo, vanno in contro a senescenza, e questo ostacola il loro potenziale differenziativo e di auto-rinnovamento, spiegando anche il declino associato all’età nella potenzialità di auto-guarigione di tessuti e organi danneggiati. Inoltre, la senescenza indotta da prolungata espansione delle cellule staminali in vitro, come accade quando si cerca di aumentarne il numero prima di un trapianto, ostacola seriamente l’espressione di pluripotenza/multipotenza, portando ad un progressivo declino nel repertorio e nella resa dei processi differenziativi. La capacità del REAC di agire come una “macchina del tempo” sulla cronobiologia delle cellule staminali può creare i presupposti per approcci futuri di ringiovanimento dei tessuti e può ottimizzare il risultato terapeutico del trapianto di cellule staminali espanse in vitro.
Completando il quadro delle possibili applicazioni di campi elettromagnetici in diversi contesti della medicina rigenerativa, l’esposizione a campi radioelettrici mediante REAC ha consentito di realizzare un differenziamento morfo-funzionale in senso neurologico in cellule PC12, una linea tumorale di feocromocitoma di ratto che ricapitola caratteristiche metaboliche del morbo di Parkinson (16). L’azione del REAC è stata mediata dalla attivazione trascrizionale di geni neurogenetici, come neurogenina-1, β3-tubulina e Nerve Growth Factor (NGF), ed è stata associata ad un aumento costante del numero di cellule che esprimono sia β3-tubulina che tirosina idrossilasi (16).
L’azione anti-invecchiamento della tecnologia REAC poteva essere marcatamente contrastata dal pretrattamento cellulare con un inibitore della Ialuronan Sintasi di tipo 2, enzima battistrada nella sintesi intracellulare di acido ialuronico (17). L’acido ialuronico e i glicosaminoglicani sono elementi essenziali nel mantenimento della polarità cellulare. Questa sta emergendo come una proprietà fondamentale dello stato di salute cellulare, essendo il risultato della modulazione di flussi ionici, delle dinamiche oscillatorie dei microtubuli a livello del citoscheletro e del nucleoscheletro e della stessa asimmetria con cui le cellule strutturano diversamente la loro porzione basale da quella apicale e da quelle che formano contatti con le cellule circostanti. La polarità cellulare è essenziale nella modulazione fisiologica dei processi di pluripotenza, differenziamento e invecchiamento delle cellule staminali, come mostrato anche dal fatto che una alterazione della polarizzazione cellulare si associa costantemente a malattie, processi patologici di invecchiamento e cancro (18-21). Questi risultati indicano che la risposta delle cellule staminali all’energia fisica convogliata mediante un campo elettromagnetico possa sottintendere il ripristino di una condizione, la polarità cellulare, in virtù della quale le cellule sono in grado di ottimizzare i loro processi trascrizionali e informazionali. Dalla loro sincronizzazione ed evoluzione in ritmi coerenti dipende ciò che noi definiamo stato di salute cellulare, che nelle cellule staminali potrebbe coincidere con la massima espressione di pluripotenza, potenzialità differenzativa e capacità di resistere a processi di senescenza, e quindi nel recupero di un potenziale intrinseco di autoguarigione.
Nel complesso, quanto si sta scoprendo sulla segnalazione biofisica cellulare offre un indizio per reinterpretare i nostri approcci futuri alla medicina rigenerativa, indicando come le energie fisiche possano essere convogliate a cellule staminali e somatiche per reclutarle in un programma di autoguarigione in tessuti danneggiati.
In questo contesto, abbiamo dimostrato e brevettato per la prima volta la capacità delle cellule di esprimere profili vibrazionali (nanomeccanici) del loro stato di salute e del loro multiforme repertorio differenziativo (22). Una gran varietà di processi biologici si basa sulle proprietà nanomeccaniche delle strutture subcellulari, come la rete microtubulare e, più in generale, del citoscheletro e nucleoscheletro, il cui intrinseco comportamento ritmico conferisce caratteristiche di connettività e modalità di sincronizzazione che possono essere trasmesse e registrate fino al livello della superficie cellulare. L’AFM può essere utilizzato per acquisire informazioni sulle proprietà nanomeccaniche cellulari (22,23), fornendo la possibilità di identificare firme vibrazionali che possono essere utilizzate per indurre differenziamenti specifici in cellule staminali indifferenziate.
In un prossimo futuro, riteniamo possibile sfruttare la natura diffusiva di energie fisiche come le vibrazioni meccaniche, acustiche o subsoniche, i campi elettromagnetici e la luce, per realizzare nuovi approcci terapeutici basati sulla riprogrammazione in situ delle cellule staminali, aprendo la strada ad una medicina rigenerativa incentrata sulla stimolazione della naturale capacità dei tessuti di sviluppare percorsi di autoguarigione.

Bibliografia

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prof. Carlo Ventura

  • Laboratorio Nazionale di Biologia Molecolare e Bioingegneria delle Cellule Staminali
  • Istituto Nazionale di Biostrutture e Biosistemi (INBB)
  • Eldor Lab, Acceleratori di Innovazione, CNR, via Piero Gobetti 101, 40129 Bologna
  • Department of Experimental, Diagnostic and Specialty Medicine (DIMES), Università di Bologna.