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Accademia Europea di Bolzano: nuova protocollo per ottenere cellule staminali pluripotenti indotte

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nato nei laboratori del Centro di Biomedicina dell’Accademia Europea di Bolzano (EURAC) un nuovo protocollo per semplificare il processo che permette di ottenere cellule staminali pluripotenti indotte. Mentre la metodologia tradizionale richiede l’utilizzo di sangue fresco, la nuova procedura permette di far regredire a uno stadio simile a quello delle cellule staminali embrionali anche cellule provenienti da campioni di sangue congelato di persone adulte. Le cellule così riprogrammate possono essere utilizzate per capire come si sviluppano alcune malattie e per testare nuove terapie. Il nuovo protocollo riduce anche i costi e i tempi di lavoro in laboratorio.

Per la loro capacità di differenziarsi in altri tipi di cellule, le cellule staminali embrionali hanno un grande potenziale in ambito medico. Il loro utilizzo, però, apre questioni di tipo etico perché per prelevarle è necessario distruggere l’embrione. Per questo le ricerche mediche utilizzano le cosiddette cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC). È infatti possibile riprogrammare cellule adulte reperibili con un semplice prelievo di sangue fino a farle “regredire” a uno stadio simile a quello delle cellule staminali embrionali. Le cellule riprogrammate (o iPSC) sono in grado di dare origine a tutti i tipi cellulari di un organismo adulto, come cellule del cervello o del cuore.

La tecnologia delle iPSC sta rivoluzionando la scienza medica, permettendo di esplorare i meccanismi molecolari che regolano le patologie, fornendo nuovi bersagli terapeutici, e offrendo opportunità per la scoperta di nuovi farmaci. Attraverso le iPSC sarà inoltre sempre più realistica la possibilità di sviluppare una vera e propria medicina personalizzata, permettendo di testare farmaci specifici su cellule, come neuroni e cardiomiociti, altrimenti impossibili da isolare da pazienti con specifiche patologie.
“La procedura che abbiamo messo a punto semplifica il processo che permette di ottenere queste cellule. Con la metodologia tradizionale il sangue fresco viene centrifugato in presenza di reagenti in grado di separare le cellule richieste per la riprogrammazione. Il nostro protocollo, invece permette di partire da sangue congelato e riduce il numero di reagenti necessari. Questo permette di minimizzare i costi, i tempi di lavoro e anche la complessità delle operazioni da svolgere in laboratorio”, spiegano Viviana Meraviglia e Alessandra Zanon, ricercatrici del Centro di Biomedicina dell’EURAC e principali autrici dello studio.

“Il grande vantaggio del nostro metodo è quello di poter essere applicato anche a campioni di sangue prelevati in precedenza e conservati in biobanca. Potremo attingere ai campioni raccolti nell’ambito di altri studi che abbiamo svolto o da biobanche di altri centri di ricerca”, continua Alessandra Rossini, coordinatrice dello studio.

Le ricerche del Centro di Biomedicina dell’EURAC si concentrano in particolare su malattie neurologiche, come il Parkinson, e cardiovascolari. Al momento i ricercatori sono impegnati nel differenziamento delle cellule pluripotenti indotte in cardiomiociti per studiare una malattia genetica associata a un’aritmia del ventricolo destro (displasia aritmogena del ventricolo destro, ARVD) e in neuroni dopaminergici, cioè delle cellule specifiche del cervello, per studiare lo sviluppo del Parkinson.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista scientifica internazionale “JoVE”, Journal of Visualized Experiments, che ha inviato nei laboratori del Centro di Biomedicina una troupe per filmare nel dettaglio tutti i passaggi della nuova metodologia, in modo che possano essere replicati anche in altri centri di ricerca.

 

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Detective presso Computer Crime Research Center. Investigazioni Roma. Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Seminario Analisi del Crimine Violento Università di Roma

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La prima mappa del cancro su scala genomica, con l’aiuto di CRISPR

Grazie alla tecnica di editing, un gruppo di ricerca, di cui fanno parte anche due ricercartori italiani, ha prodotto la prima mappa genomica delle vulnerabilità del cancro, identificando migliaia di geni chiave per la vitalità delle cellule tumorali e centinaia di nuovi possibili bersagli farmacologici

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Il data center del Wellcome Sanger Institute, usato per la realizzazione della prima mappa del cancro su scala genomica. (Cortesia: Data Center, Wellcome Sanger Institute)

disattivarla e comprenderne la funzione. CRISPR è la tecnica maestra per questo tipo di interventi detti knockout, e si conferma un formidabile strumento investigativo anche in campo oncologico.

Se dopo aver coltivato le cellule tumorali per due settimane, la quantità di una certa guida risulta diminuita, vuol dire che le cellule che ce l’avevano in dotazione non sono riuscite a proliferare. Se ne può dedurre che il gene corrispondente è essenziale per la sopravvivenza del tumore e che colpirlo potrebbe essere una strategia anti-cancro vincente.

“In pratica abbiamo dato a ciascun gene la possibilità di dimostrare il suo potenziale come futuro bersaglio terapeutico”, ci ha spiegato Francesco Iorio. Il bioinformatico italiano si è laureato a Salerno, per poi perfezionarsi all’Istituto Telethon di Genetica e Medicina e all’Istituto Europeo di Bioinformatica di Cambridge. Ora è a capo del gruppo che fornisce il supporto computazionale al progetto Cancer Dependency Map al Wellcome Sanger Institute.

“Il problema è che lo sviluppo di nuovi farmaci in ambito oncologico presenta un livello altissimo di attrito. Il 95 per cento dei candidati farmaci fallisce le ultime fasi di sperimentazione clinica, perciò è di fondamentale importanza partire con un target che abbia un’alta probabilità di arrivare fino in fondo”, continua il ricercatore. Questa è proprio la filosofia di Open Targets, il consorzio di istituzioni accademiche e industrie farmaceutiche che ha finanziato gli esperimenti.

Il “knock-out screening” del Sanger ha individuato migliaia di geni chiave per la vitalità delle cellule tumorali, ma molti di questi sono necessari anche per mantenere in vita le cellule sane, dunque non possono essere presi di mira. Con gli algoritmi messi a punto da Iorio, però, è possibile distinguere questi due casi, e anche discriminare le cellule uccise dalla strategia anti-cancro e quelle morte per cause diverse.

“La bioinformatica dapprima è servita a ripulire i dati e poi ad assegnare a ogni gene candidato un punteggio”. Insomma un indice di priorità, che ci dice quanto un determinato bersaglio meriti di essere ulteriormente studiato, sulla base dei segnali di fitness, del livello di espressione e via continuando. Oltre a questo numero, compreso tra zero e cento, viene valutato il livello di trattabilità, ovvero se esistono già farmaci che prendono di mira quel gene, se sono facili da sviluppare o mancano del tutto le informazioni al riguardo.

L’irlandese Behan ha fatto uno screening a tappeto con CRISPR, utilizzando una collezione di ben 100.000 molecole guida, in media 5 per gene, per coprire i tumori su scala davvero genomica. Tagliare una sequenza è il modo più semplice per disattivarla e comprenderne la funzione. CRISPR è la tecnica maestra per questo tipo di interventi detti knockout, e si conferma un formidabile strumento investigativo anche in campo oncologico.

Se dopo aver coltivato le cellule tumorali per due settimane, la quantità di una certa guida risulta diminuita, vuol dire che le cellule che ce l’avevano in dotazione non sono riuscite a proliferare. Se ne può dedurre che il gene corrispondente è essenziale per la sopravvivenza del tumore e che colpirlo potrebbe essere una strategia anti-cancro vincente.

“In pratica abbiamo dato a ciascun gene la possibilità di dimostrare il suo potenziale come futuro bersaglio terapeutico”, ci ha spiegato Francesco Iorio. Il bioinformatico italiano si è laureato a Salerno, per poi perfezionarsi all’Istituto Telethon di Genetica e Medicina e all’Istituto Europeo di Bioinformatica di Cambridge. Ora è a capo del gruppo che fornisce il supporto computazionale al progetto Cancer Dependency Map al Wellcome Sanger Institute.

“Il problema è che lo sviluppo di nuovi farmaci in ambito oncologico presenta un livello altissimo di attrito. Il 95 per cento dei candidati farmaci fallisce le ultime fasi di sperimentazione clinica, perciò è di fondamentale importanza partire con un target che abbia un’alta probabilità di arrivare fino in fondo”, continua il ricercatore. Questa è proprio la filosofia di Open Targets, il consorzio di istituzioni accademiche e industrie farmaceutiche che ha finanziato gli esperimenti.

Il “knock-out screening” del Sanger ha individuato migliaia di geni chiave per la vitalità delle cellule tumorali, ma molti di questi sono necessari anche per mantenere in vita le cellule sane, dunque non possono essere presi di mira. Con gli algoritmi messi a punto da Iorio, però, è possibile distinguere questi due casi, e anche discriminare le cellule uccise dalla strategia anti-cancro e quelle morte per cause diverse.

“La bioinformatica dapprima è servita a ripulire i dati e poi ad assegnare a ogni gene candidato un punteggio”. Insomma un indice di priorità, che ci dice quanto un determinato bersaglio meriti di essere ulteriormente studiato, sulla base dei segnali di fitness, del livello di espressione e via continuando. Oltre a questo numero, compreso tra zero e cento, viene valutato il livello di trattabilità, ovvero se esistono già farmaci che prendono di mira quel gene, se sono facili da sviluppare o mancano del tutto le informazioni al riguardo.

(Cortesia: Data Center, Wellcome Sanger Institute)

Tutto considerato, i ricercatori hanno deciso di concentrarsi, in particolare, su un gene detto WRN, sottoponendolo a una prova di fattibilità. Gabriele Picco, post-doc del gruppo di Mathew Garnett, lo ha validato in vivo in collaborazione con il Candiolo Cancer Institute di Torino, studiando cosa accade quando si inibisce il gene nelle cellule tumorali trapiantate nel topo.

WRN è coinvolto in una malattia rara, la sindrome di Werner, e fa invecchiare precocemente chi ne possiede una variante difettosa. Ma fino a 25-30 anni tutto ciò non impedisce una vita normale, quindi disattivare il gene in chiave anti-tumorale appare tutto sommato una strada ragionevole. “Questo gene risulta essenziale nei tumori che hanno una caratteristica detta instabilità microsatellitare, in particolare quelli che colpiscono colon-retto e ovaie, ma la strada verso il successo clinico è ancora molto lunga”, precisa Iorio.

Bisognerà sviluppare un farmaco che agisce sulla proteina codificata dal gene (un’elicasi), testarlo su modelli preclinici, magari anche su organoidi, poi nei modelli animali in vivo e infine sull’uomo.  E che cosa ne sarà degli altri 600 bersagli individuati? “Ce ne sono molti con un buon punteggio, tra cui 2 o 3 paragonabili a WRN. Ora un gruppo si occuperà di selezionare i target migliori e validarli. C’è una miniera di molecole che aspetta di essere esplorata”, dice Iorio.

Intanto la topografia del cancro verrà perfezionata. “Questa è la prima viewa bassa risoluzione, diventerà sempre più esaustiva e nitida man mano che aggiungeremo nuovi dati. Il nostro screening ha riguardato 300 linee cellulari, coprendo i tipi di cancro a incidenza più elevata, ma non rappresenta tutto lo spettro dell’eterogeneità genomica del cancro umano. Dobbiamo estendere il set di modelli e stiamo lavorando a una banca dati integrata che metta insieme il nostro screening e quello del Broad Institute, arrivando a un migliaio di linee cellulari”.

Ci sono ancora lande del paesaggio tumorale che sono “terra incognita” e aspettano di essere riempite: la mappa delle vulnerabilità del cancro è un work in progress.


(L’originale di questo articolo è stato pubblicato nel blog CRISPerMANIA il 10 aprile 2019.





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Lo sviluppo dell’immunità nei neonati: come l’ordine sorge dal caos

Un gruppo di recenti ricerche si sta concentrando sull’attività del sistema immunitario subito dopo la nascita, quando il neonato si trova ad affrontare per la prima volta numerose minacce esterne. Insieme ad analoghe ricerche sullo sviluppo del sistema immunitario nei bambini e negli adulti, questi studi serviranno a realizzare vaccini migliori

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Fonte immagine © BSIP / AGF

Molti aspetti del sistema immunitario sono rimasti a lungo misteriosi per gli scienziati. La sua attività è incredibilmente complicata e varia molto da individuo a individuo; una comprensione più profonda di come funziona potrebbe portare a vaccini più numerosi e migliori, e persino a una distinzione più chiara tra salute e malattia.

Ora tre studi riferiscono di aver trovato dei nuovi modelli in mezzo all’apparente caos del sistema, modelli che riguardano anche i giorni cruciali immediatamente successivi alla nascita, quando il sistema immunitario si trova ad affrontare per la prima volta molte minacce provenienti dal mondo esterno.

Lo scorso anno, alcuni ricercatori europei hanno pubblicato un’analisi del sistema immunitario di 100 bambini nati prematuri tra una e 12 settimane dopo la nascita. E in uno studio apparso questa settimana su “Nature Communications”, un consorzio globale di ricercatori ha iniziato a stabilire una linea di riferimento per uno sviluppo sano del sistema immunitario esaminando quali geni, proteine e cellule immunitarie sono attivi durante i primi sette giorni di un neonato.

“In tutta la prima settimana di vita avvengono massicci cambiamenti molecolari”, dice Ofer Levy, medico dello staff e direttore del programma Precision Vaccines del Boston Children’s Hospital, che ha contribuito allo studio più recente. “Cambiano oltre 1000 geni, molte proteine, centinaia di metaboliti: stiamo parlando di cambiamenti davvero radicali”.

Entrambi questi studi – e un terzo che guarda al sistema immunitario degli adulti – fanno parte di uno sforzo crescente per capire non solo i pezzi del sistema, ma il modo in cui si adattano fra loro, dice Petter Brodin, immunologo pediatrico e docente al Karolinska Institute di Stoccolma, autore senior dell’articolo dell’anno scorso. “Il sistema immunitario è estremamente complesso; ci sono così tante parti in movimento”, dice Brodin. “Se ci concentriamo solo su, diciamo, un tipo di cellula o di proteina, non saremo in grado di vedere come è cablato il sistema nel suo complesso, o come è regolato e funziona in un dato paziente in un dato momento”.

Brodin aggiunge di essere rimasto sorpreso quando la sua ricerca ha indicato che il sistema immunitario dei bambini risponde alla nascita in modi simili, indipendentemente dal fatto che siano nati a termine o prematuri.

“Quando il bambino esce e affronta l’ambiente per la prima volta succede qualcosa”, dice. “Avvengono molti cambiamenti drastici”. La ricerca di Brodin mostra che i batteri colonizzano rapidamente il tratto digestivo, la pelle e i polmoni dei neonati, e questa secondo lui è la “forza trainante” dei cambiamenti. “Pensiamo che questo sia il fattore scatenante dopo la nascita, che sia la ragione per cui tutti i bambini rispondono in modo simile: sono tutti colonizzati”, dice. Ulteriori ricerche potrebbero aiutare a distinguere la normale variazione individuale e determinare in che modo i neonati con certe caratteristiche affronteranno l’infanzia, osserva.

Nello studio pubblicato questa settimana, Levy e gli altri ricercatori del gruppo internazionale hanno confrontato due campioni di sangue di 30 neonati nati in Gambia, in Africa occidentale, convalidando i loro risultati in altri 30 neonati nati dall’altra parte del mondo, in Papua Nuova Guinea. Sono stati così in grado di ottenere enormi quantità di dati da un solo millilitro di sangue di ciascun bambino, una cosa che solo pochi anni fa non sarebbe stata possibile, dice Levy, che è anche professore alla Harvard Medical School.

Anche se i neonati hanno mostrato molte variazioni nelle misure di attività genetica, immunitaria e metabolica, il team è stato sorpreso di trovare quelle che Levy definisce “firme di base” del cambiamento di attività geniche e immunitarie dei bambini nel corso della prima settimana dopo la nascita.

Lo studio ha cominciato a impostare un parametro di base del comportamento immunitario che sarà utile per capire come i bambini prematuri o malati differiscono da quella norma, dice Levy, la cui squadra sta ora studiando in che modo i vaccini influenzano il processo.

Anche James Wynn, professore associato all’Università della Florida che studia le infezioni del sangue nei neonati, ritiene che lo studio del consorzio aiuti a stabilire un parametro di base di quel tipo, “una sorta di tabella di marcia  di ciò che avviene durante quella prima settimana”. Wynn, che non è stato coinvolto in nessuno dei nuovi studi, dice che è ansioso di vedere i dati relativi ad ancora più bambini, e in particolare a neonati prematuri come quelli che cura e studia. “Penso che questo lavoro sia fondamentale per determinare uno stato di malattia”, dice.

In un terzo studio recente, che ha esaminato il sistema immunitario in età adulta, scienziati dell’Università di Stanford e di Israele hanno seguito per più di nove anni l’attività nel sistema immunitario di 135 adulti di varie età. La ricerca, pubblicata all’inizio di questo mese su “Nature Medicine”, indica che, sebbene il sistema immunitario di ogni adulto sia diverso, i cambiamenti legati all’età seguono una traiettoria comune. È come se tutti guidassero verso la stessa posizione ma a velocità diverse, dice Shai Shen-Orr, coautore senior dello studio e responsabile del laboratorio di immunologia dei sistemi e medicina di precisione al Technion-Israel Institute of Technology.

Shen-Orr dice che lui e i suoi collaboratori hanno usato queste informazioni per sviluppare una misura clinica della salute immunitaria che può dire ai pazienti se il loro sistema immunitario funziona in modo appropriato, allo stesso modo in cui sono usati i livelli di colesterolo e la pressione sanguigna per valutare la salute cardiovascolare.

I dati potrebbero anche aiutare a identificare le persone che non trarranno beneficio dai vaccini antinfluenzali, dice, aggiungendo che potrebbe anche potenzialmente servire come punto di riferimento per i cambiamenti di stile di vita o per i farmaci destinati a rallentare l’invecchiamento immunologico.

Wayne Koff, presidente e amministratore delegato dello Human Vaccines Project (un’organizzazione internazionale senza scopo di lucro che lavora per decodificare il sistema immunitario umano), dice che tutte queste indagini per tracciare un quadro complessivo del sistema sono cruciali per lo sviluppo di vaccini di nuova generazione.

Quelli facili da creare sono già stati ottenuti, dice; studi come questi, che rivelano il funzionamento dettagliato del sistema immunitario, sono essenziali per espandere il portafoglio di malattie che possono essere prevenute o curate. “Negli ultimi sei-otto anni, forse, si è capito che comprendere la complessità di fondo del sistema immunitario umano è davvero al centro della prossima rivoluzione nella sanità pubblica”, dice. “È la prossima frontiera della medicina.”


(L’originale di questo articolo è stato pubblicato su “Scientific American” il 13 marzo 2019.





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L’addestramento degli astronauti che si preparano a tornare sulla Luna

Un video dell’Esa ci porta nel bel mezzo dei test per formare i moonwalker del futuro. Il training si tiene a Lanzarote

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Non manca molto al ritorno dell’essere umano sulla Luna, e astronauti ed esperti di esplorazione spaziale sanno che c’è solo un modo per prepararsi a compiere, di nuovo, quel piccolo passo: studio, allenamento e messa a punto delle tecnologie giuste. È per questo che l’Agenzia spaziale europea sta portando avanti Pangaea, una serie di operazioni per mimare, già sulla Terra, le condizioni che la nuova generazione di moonwalker si ritroverà a gestire, e per collaudare tute spaziali e attrezzature.

In questo video, girato qualche settimana fa, ecco la simulazione di una passeggiata lunare direttamente dall’isola di Lanzarote, in Spagna, una delle location più adatte secondo gli scienziati per ricreare (perlomeno dal punto di vista geologico) l’ambientazione del nostro satellite.

(Credit video: Esa)





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