Progetti di ricerca
TERAPIA CELLULARE E MOLECOLARE DEL DIABETE MELLITO DI TIPO 1 IN MODELLI MURINI PRE-CLINICI DELLA MALATTIA DIABETICA UMANA.
Il progetto, condotto fisicamente presso il Laboratorio per i Trapianti Cellulari Endocrini ed Organi Bioibridi dell’Università di Perugia, si propone di individuare una terapia valida per il T1D mediante approcci di terapia cellulare e molecolare differenti nei meccanismi di azione, ma complementari ai fini del raggiungimento del risultato.
Nel progetto esploreremo:
1) la possibilità di sostituire le beta-cellule pancreatiche danneggiate/distrutte dalla malattia autoimmunitaria, propria del diabete di tipo 1, e pertanto non più in grado di secernere insulina, con nuove cellule in grado di sintetizzare e secernere insulina, che possono avere differente origine: le cellule staminali adulte (e quindi esenti da obiezioni di natura etica) provenienti da insule pancreatiche umane (hIDC), dalla Gelatina di Wharton del cordone ombelicale umano (hUCMS) oppure le cellule staminali indotte alla pluripotenza (hiPSC) che partendo da una cellula adulta qualsiasi la riportano ad uno stato indifferenziato per poi re-differenziarla verso un fenotipo
cellulare che produce insulina (studi iniziati con EU Horizon 2020).
2) Sviluppare mediante l’ausilio di una stampante 3D dispositivi bioibridi per la cura delle lesioni profonde trofiche tipiche del piede diabetico, la più importante causa attuale di amputazione degli arti colpiti da questa grave complicanza.
Dettagli sui modelli cellulari per il trattamento del Diabete Mellito di tipo 1 (T1D) impiegati nel Progetto
1) Cellule staminali da insule pancreatiche umane (hIDC).
Le cellule staminali adulte, derivate da insule pancreatiche umane, dopo espansione in monostrato e da noi ampiamente studiate, esprimono alcuni marcatori tipici della staminalità, come OCT4 e CD90, e possono dunque essere utilizzate come sorgente tissutale alternativa per la terapia cellulare del T1D, in quando svolgono un’azione immuno-modulatoria (cioè in grado di contrastare l’attacco autoimmune che porta al diabete di tipo 1), ma sono anche in grado produrre ex novo insulina dopo adeguata coltura e differenziamento. Di particolare importanza è stato l’aver dimostrato la capacità di differenziare verso il fenotipo beta-cellulare pancreatico quando le stesse cellule venivano incluse, dopo adeguati processi di differenziamento, nelle nostre microcapsule di Alginato di sodio e poli aminoacidi e poi successivamente 4 trapiantate in topi diabetici immuno-incompetenti. Infatti grazie alla totale biocompatibilità del prodotto siamo stati in grado di ottenere, dopo il micro-incapsulamento, la completa maturazione con produzione ex novo di insulina dalle neo-beta cellule. I risultati ottenuti aprono così nuovi orizzonti di ricerca sulla possibilità di usare cellule secernenti insulina in alternativa al trapianto di insule pancreatiche, di fatto limitato dalla scarsa disponibilità di organi di donatori umani.
2) Cellule staminali da cordone ombelicale umano (hUCMS).
Le cellule staminali mesenchimali rappresentano un fenotipo cellulare pluripotente con elevata plasticità differenziativa verso differenti fenotipi cellulari, incluso quello endocrino, e possiedono spiccate capacità immuno-regolatorie. L’utilizzo del cordone ombelicale come fonte di cellule staminali mesenchimali è eticamente accettabile, in quanto non richiede interventi invasivi per il prelievo, è considerato rifiuto sanitario e non necessita di consenso informato.
L’impiego delle hUCMS prevede due fasi:
- isolamento, propagazione e caratterizzazione delle cellule staminali;
- caratterizzazione delle cellule ottenute, sia in condizioni basali che dopo stimolo differenziativi, mediante screening di trascritti critici nel differenziamento endocrino (insulina, Glut-2, GK, Pdx-1, NeuroD/Beta2, Nkx6.1) e test di funzionalità
(rilascio dell’insulina in risposta alle variazioni di concentrazione di glucosio con cui vengono stimolate). Le stesse cellule hUCMS possiedono grazie alla secrezione di Indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO) e di HLAG-5 una spiccata attività immuno-modulatoria.
3) Cellule staminali adulte indotte alla pluripotenza (hiPSC)
Le hiPSC sono cellule staminali generate artificialmente a partire da una cellula terminalmente differenziata (in genere una cellula somatica adulta, ad esempio un fibroblasto della cute/sottocute), mediante l’introduzione di quattro geni specifici codificanti determinati fattori di trascrizione che ne inducono la conversione in cellula staminale di una specifica linea cellulare, che a sua volta potrà svilupparsi verso il fenotipo cellulare desiderato (nel nostro caso cellula insulino-secernente).
Sulla base di tali proprietà, le hiPSC offrono grandi opportunità nel campo della medicina rigenerativa, come la possibilità di indurne la
differenziazione verso la maggior parte dei tipi cellulari presenti nell’organismo (come ad esempio cellule neuronali, pancreatiche, cardiache ed epatiche), ed in chiave di rigenerazione di tessuti o organi danneggiati. Per le cellule indotte alla pluripotenza, la nostra recente partecipazione al progetto EU Horizon 2020 ci ha permesso di validare uno specifico protocollo di differenziamento mirato all’ottenimento del fenotipo beta cellulare insulino secernente.
La metodologia di differenziamento in vitro ci porta ad ottenere degli aggregati cellulari 3D in grado di produrre insulina in maniera regolata, e dunque costituiscono un valido strumento per la terapia cellulare della patologia diabetica.
4) Sviluppo di dispositivi bio-artificiali (scaffolds)per il trattamento delle lesioni del piede
diabetico.
L’argomento già affrontato in passato, in via preliminare, in un progetto di ricerca finanziato dalla Fondazione CARIT di Terni si avvaleva della combinazione di una stampante 3D commerciale ed opportunamente modificata e dell’impiego di hUCMS.
Negli ultimi tempi sono stati conseguiti notevoli progressi tecnici grazie a modifiche apportate alla stampante oltre all’impiego di un bio-inchiostro (bioink)per costruire degli scaffolds. Il bioink è una soluzione di un biomateriale o una miscela di diversi biomateriali nella forma di idrogel, che di solito incapsula i tipi di cellule desiderati, per creare equivalenti tessutali.
Gli scaffold fungono da matrice extracellulare (ECM) sintetica e permettono alle cellule di organizzarsi in una architettura tridimensionale, simile a quella fisiologica, favorendo il rilascio da parte delle stesse cellule di fattori umorali stimolanti, che a loro volta orientano la crescita e la formazione del tessuto desiderato. La realizzazione di tali scaffold si attua tramite il bioprinting, utilizzando i cosiddetti bioink che vengono estrusi dalla stampante a formare i costrutti 3D. Il progetto di ricerca prevede la stampa di scaffolds di varie configurazioni. Questi possono essere differenziati mediante adeguate metodiche in tessuti come la cartilagine, l’osso e la pelle per riparare ulcere trofiche del piede diabetico.
Il progetto, condotto fisicamente presso il Laboratorio per i Trapianti Cellulari Endocrini ed Organi Bioibridi dell’Università di Perugia, si propone di individuare una terapia valida per il T1D mediante approcci di terapia cellulare e molecolare differenti nei meccanismi di azione, ma complementari ai fini del raggiungimento del risultato.
Eventuali ricadute sulla salute pubblica umana (valore sociale)
Il progetto è indirizzato ad una patologia con rilevante impatto sociale ed economico. In Italia ogni paziente diabetico richiede una spesa complessiva annua per costi diretti di 2.738 euro (per un totale di oltre 5M di euro per tutta la popolazione diabetica).
Il costo dell’assistenza sanitaria per paziente diabetico, infatti, aumenta di 3-4 volte se si manifestano complicanze cardiache, vascolari, o a carico del rene, dell’occhio, del sistema nervoso periferico e degli arti inferiori (come le ulcere tipiche del piede diabetico). Se ne deduce, pertanto, che il trattamento intensivo e preventivo della malattia sin dall’esordio, non solo permetterebbe di migliorare la qualità di vita del paziente diabetico, ma risulta anche vantaggioso in termini economici.
La riuscita del progetto anche se parziale permetterà di acquisire delle informazioni per sviluppare futuri trattamenti per migliorare le conduzioni di vita dei pazienti affetti da T1D.
Eventuale impatto sul settore economico-industriale
La riuscita del progetto può avere un risvolto anche nel settore economico, seppure parziale, nelle prime fasi; infatti l’associazione terapeutica fra cellule secernenti insulina ed altri fattori immunomodulatori, in combinazione con microcapsule di alginato di sodio, altamente biocompatibili, è omologata ad un “drug delivery system” (farmaco a lento rilascio).