Riparazione del danno ischemico ostruttivo del miocardio mediante cellule staminali mesenchimali sottoposte a stimolazione elettromeccanica in bioreattore

Nell’ambito dell’ingegneria dei tessuti, la possibilità di rigenerazione del miocardio post-infartuale è un argomento “caldo”, che suscita grandi speranze ma solleva altrettanto grandi interrogativi - sostenuti dal sussistere di dubbi di base sulle scelte operative praticabili. Esiste tuttavia concordanza nel considerare fondamentale l’utilizzo di un “supporto” che possa mantenere nella sede peri-infartuale le cellule competenti. Infatti, la semplice iniezione di cellule staminali per via endovenosa o direttamente nell’area infartuata non si è dimostrata particolarmente efficace, soprattutto a causa della cospicua perdita cellulare che si verifica rapidamente dopo il trapianto. Ci si orienta quindi verso la strategia di seminare cellule in grado di transdifferenziare in senso muscolare cardiaco su un materiale biocompatibile in vitro e di impiantare successivamente il costrutto ottenuto in vivo dove ci si attende il riassorbimento del biomateriale e l’integrazione delle cellule. Tuttavia, mentre in altri settori della medicina - quali ortopedia e dermatologia - l’impiego di pseudotessuti ingegnerizzati ha già permesso di conseguire ottimi risultati nella rigenerazione di tessuti danneggiati, allo stato attuale, i progressi ottenuti nell’ambito della rigenerazione del miocardio infartuato appaiono ancora aneddotici e distanti dall’ottenere protocolli condivisi per l’impiego in clinica. Il lavoro presentato in questa ricerca, condotto grazie alla sinergia di competenze interdisciplinari negli ambiti chimico, biologico e dell’ingegneria biomedica meccanica ed elettronica, è uno studio di fattibilità di una metodica standardizzata in grado di indirizzare cellule staminali mesenchimali (MSCs) indifferenziate verso l’acquisizione in vitro di caratteri fenotipici confrontabili con quelli delle cellule muscolari cardiache attraverso il paradigma della coltura dinamica in bioreattore. Il prototipo di bioreattore impiegato, in quanto sviluppato originalmente nel corso di questa attività di ricerca, presenta rispetto ad altri strumenti descritti l’innovazione e il vantaggio di non richiedere l’utilizzo di un incubatore, in quanto esso stesso permette di coltivare cellule al suo interno in condizioni controllate di temperatura, pH e concentrazione di CO2. La sua flessibilità operativa consente di impostare e controllare da personal computer leggi di moto di qualsiasi forma anche con cicliche molto veloci. Infine, la presenza di estensimetri in grado di misurare finemente la variazione di tensione esercitata sulla matrice polimerica utilizzata, posta in trazione tra due afferraggi, permette di applicare nel tempo una forza di stiramento costante, ottenendo deformazioni controllate e risultati riproducibili in termini di modificazioni cellulari. Il superamento delle problematiche sorte durante la fase di messa a punto del sistema, che deve essere ritenuto parte integrante del lavoro di sviluppo condotto, ha permesso di studiare l’adattamento di MSCs allo stiramento ciclico, mostrando che questo effettivamente determina alcune differenze fenotipiche rispetto al controllo statico. Inoltre le cellule hanno acquistato una disposizione orientata lungo l’asse longitudinale delle fibre, dato questo particolarmente importante se si considera la disposizione ordinata delle cellule del miocardio, le quali costituiscono un vero e proprio sincizio, indispensabile per una diffusione sincrona dell’impulso elettrico di contrazione. La creazione di uno pseudotessuto cardiaco ottimale richiederà ovviamente ulteriore lavoro, ma la metodica qui presentata si propone al tempo stesso come uno strumento di studio e come una strategia operativa per un approccio innovativo e standardizzabile alla medicina rigenerativa del miocardio.

I linfociti T regolatori nella patologia epatica da HCV: dall'epatite cronica al trapianto

La storia naturale dell’epatopatia HCV-relata passa dall’epatite cronica alla cirrosi ed eventualmente all’epatocarcinoma fino ad arrivare alla possibile necessità del trapianto di fegato. HCV non esercita citolisi diretta, pertanto i fattori immunologici giocano il duplice ruolo di determinare l’evoluzione dell’infezione e il danno epatico. All’interno del sistema immunitario esistono linfociti in grado di inibire l’attivazione delle cellule effettrici modulando la risposta immunitaria; la popolazione regolatoria meglio conosciuta è costituita dai cosiddetti T-reg caratterizzati dal fenotipo CD4+CD35hiFoxp3+. Scopo di questo studio è stato determinare fenotipo e funzione dei T-reg, valutandone le correlazioni con caratteristiche cliniche e parametri biochimici e virologici, nelle diverse fasi della malattia epatica da HCV, a partire dall’epatite cronica, passando per la cirrosi, l’epatocarcinoma e terminando con il follow-up post-trapianto di fegato. Sono stati reclutati 80 pazienti con infezione cronica da HCV non in trattamento antivirale, di cui 52 con epatite cronica, 12 con cirrosi e 16 con epatocarcinoma. Di questi, 11 sono andati incontro a trapianto di fegato e sono stati poi seguiti fino a 36 mesi di follow up. Ventinove soggetti avevano transaminasi persistentemente nella norma e 28 mostravano ALT costantemente oltre 2.5x i valori normali. Quaranta donatori di sangue sono stati utilizzati come controlli sani. Marcatori di superficie (CD4, CD25) ed intracellulari (Foxp3) sono stati valutati in citofluorimetria su sangue intero periferico per tutti i soggetti al basale ed ogni 2-4 settimane dopo trapianto. In una quota di pazienti i T-reg sono stati estratti dai linfociti del sangue periferico con metodi immunomagnetici e la loro funzione valutata come percentuale di inibizione di proliferazione e produzione di IFN-γ da parte delle cellule bersaglio CD4+CD25- in esperimenti di co-coltura effettuati al basale e dopo 24-36 settimane dal trapianto. La percentuale di T-reg e l’espressione del Foxp3 sono risultate aumentate nei soggetti con HCV rispetto ai controlli sani, in particolare in coloro con cirrosi, HCC e nei pazienti con transaminasi normali indipendentemente dallo stadio di malattia, correlando inversamente con i livelli di transaminasi e direttamente con il punteggio MELD. La produzione di IFN-γ è incrementata in tutti i pazienti HCV ma efficacemente controllata solamente dai T-reg dei pazienti con transaminasi normali. Dopo il trapianto di fegato, si verifica una precoce e reversibile riduzione delle T-reg circolanti. Alla 24ma e 36ma settimana dal trapianto la percentuale dei T-reg circolanti è sovrapponibile al basale e i loro effetti, sia in termini di proliferazione che di produzione di IFN-γ, sulle cellule bersaglio, già dotate di una ridotta attività intrinseca, appaiono particolarmente incisivi. In conclusione, l’epatopatia cronica da HCV è caratterizzata da una popolazione di T-reg espansa che però, con l’eccezione dei soggetti con transaminasi normali, non appare in grado di limitare il danno epatico immuno-mediato e potrebbe favorire lo sviluppo e la crescita di lesioni tumorali nei pazienti con malattia avanzata. Il trapianto di fegato, probabilmente a causa della terapia immunosoppressiva, si associa ad un marcato e transitorio declino dei T-reg le cui numerosità e funzione vengono completamente recuperate a sei mesi dall’intervento. La migliore conoscenza dei meccanismi alla base delle cinetica e della funzione delle cellule regolatorie potrà fornire utili strumenti per il loro utilizzo come adiuvanti nella terapia dell’epatopatia cronica HCV relata.

Human papillomavirus (HPV) and associated diseases: between applied diagnostic and basic research

Human Papillomavirus (HPV) is the cause of cervical cancers (among these, adenocarcinoma, AdCa) and is associated to a subgroup of oropharyngeal carcinomas (OPSCCs). Even if the risk for cancer development is linked to the infection by some viral genotypes, mainly HPV16 and 18, viral DNA alone seems not to be sufficient for diagnosis. Moreover, the role of the virus in OPSCCs has not been totally clarified yet. In the first part of the thesis, the performances concerning viral genotyping in clinical cervical samples of a new pyrosequencing-based test and a well-known hybridization-based assay have been compared. Similar results between the methods have been obtained. However, the former showed advantages in detecting intratype variants, higher specificity and a broader spectrum of detectable HPV types. The second part deals with the evaluation of virological markers (genotyping, viral oncoproteins expression, viral load, physical state and CpG methylation of HPV16 genome) in the diagnosis/prognosis of cervical AdCa and HPV-associated OPSCCs. HPV16 has been confirmed the most prevalent genotype in both the populations. Interestingly, the mean methylation frequency of viral DNA at the early promoter showed the tendency to be associated to invasion for cervical AdCa and to a worse prognosis for OPSCCs, suggesting a promising role as diagnostic/prognostic biomarker. The experiments of the third part were performed at the DKFZ in Heidelberg (Germany) and dealt with the analysis of the response to IFN-k transfection in HPV16-positive cervical cancer and head&neck carcinoma cell lines to evaluate its potential role as new treatment. After 24h, we observed increased IFN-b expression which lead to the up-regulation of genes involved in the antigens presentation pathway (MHC class I and immunoproteasome) and antiviral response as well, in particular in cervical cancer cell lines. This fact suggested also the presence of different HPV-mediated carcinogenic pathways between the two anatomical districts.

A step forwards in immunomodulation and immunetolerance knowledge. HLA-G expression in co-cultures of peripheral blood mononuclear cells and stem cells after in vitro NGAL stimulation

NGAL (Neutrophil Gelatinase-associated Lipocalin ) is a protein of lipocalin superfamily. Recent literature focused on its biomarkers function in several pathological condition (acute and chronic kidney damage, autoimmune disease, malignancy). NGAL biological role is not well elucidated. Several are the demonstration of its bacteriostatic role. Recent papers have indeed highlight NGAL role in NFkB modulation. The aim of this study is to understand whether NGAL may exert a role in the activation (modulation) of T cell response through the regulation of HLA-G complex, a mediator of tolerance. From 8 healthy donors we obtained peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) and we isolated by centrifugation on a Ficoll gradient. Cells were then treated with four concentrations of NGAL (40-320 ng/ml) with or without iron. We performed flow cytometry analysis and ELISA test. NGAL increased the HLA-G expression on CD4+ T cells, with an increasing corresponding to the dose. Iron effect is not of unique interpretation. NGAL adiction affects regulatory T cells increasing in vitro expansion of CD4+ CD25+ FoxP3+ cells. Neutralizing antibody against NGAL decreased HLA-G expression and reduced significantly CD4+ CD25+ FoxP3+ cells percentage. In conclusion, we provided in vitro evidence of NGAL involvement in cellular immunity. The potential role of NGAL as an immunomodulatory molecule has been evaluated: it has been shown that NGAL plays a pivotal role in the induction of immune tolerance up regulating HLA-G and T regulatory cells expression in healthy donors. As potential future scenario we highlight the in vivo role of NGAL in immunology and immunomodulation, and its possible relationship with immunosuppressive therapy efficacy, tolerance induction in transplant patients, and/or in other immunological disorders.

Infiammazione e cancro: l'interazione COX-2/CA-IX promuove il potenziale invasivo e la sopravvivenza in ipossia delle cellule del cancro colon-rettale

Cyclooxygenase-2/Carbonic anhydrase-IX up-regulation promotes invasive potential and hypoxia survival in colorectal cancer cells Purpose: Cyclooxygenase-2 (COX-2) is a major mediator of inflammation, playing a pivotal role in colorectal carcinogenesis. Hypoxia is an universal hallmark of solid tumour in vivo. This investigation was prompted by the observation that in colorectal cancer cells the expression of COX-2 protein is positively correlated with that of the hypoxia survival gene Carbonic Anhydrase-IX (CA-IX). Experimental Design: Since COX-2 gene expression and activity is increased in hypoxia, and that CA-IX is expressed also in normoxia in colorectal cancer cells, we tested the hypothesis that COX-2 activity in normoxia, as well as in hypoxia may be functionally linked to that of CA-IX gene. We investigated the role of COX-2 and CA-IX in colorectal cancer cell lines. In this regard, we performed RNA interference to knockdown COX-2 gene in vitro and immunohistochemistry to evaluate the protein expression of COX-2 and CA-IX in human colon cancer tissue specimens ex vivo. Results: We found that COX-2, by PGE2 production, controls CA-IX gene expression in an ERK dependent manner. In line with this finding, we also showed that the COX-2 inhibition by a specific short harpin COX-2 RNA (shCOX-2) or by a specific drug (SC-236), down-regulated CA-IX expression in colon cancer cells. We then exposed colon cancer cells to hypoxia stimuli and found that COX-2/CA-IX interplay promoted hypoxia survival. Moreover, we also report that COX-2/CA-IX interplay triggers Matrix Metalloproteinase 2/9 (MMP-2/9) activation and enhances the invasiveness of colorectal cancer cells. Thus given our above observations, we found that CA-IX and COX-2 protein expressions correlate with more aggressive stage colorectal cancer tissues ex vivo. Conclusions: Taken together these data indicate that COX-2/CA-IX interplay promotes an aggressive phenotype (hypoxia survival and invasiveness) which can be modulated in vitro by COX-2 selective inhibition and which may play a role in determining the biological aggressiveness of colorectal tumours. Moreover, in vitro and ex vivo data also suggest that the signatures of inflammation (COX-2) and hypoxia (CA-IX) may be difficult to be disentangled in colon cancer, being both responsible for the up-regulation of the same pathways.

Immunoconiugati contenenti tossine vegetali o siRNA per la deplezione selettiva di cellule leucemiche. Preparazione, citotossicità e studi di mutagenesi sito-specifica.

CD33 is a myeloid cell surface marker absent on normal hematopoietic stem cells and normal tissues but present on leukemic blasts in 90% of adult and paediatric acute myeloid leukaemia (AML) cases. By virtue of its expression pattern and its ability to be rapidly internalized after antibody binding, CD33 has become an attractive target for new immunotherapeutic approaches to treat AML. In this study two immunoconjugates were constructed to contain a humanised single-chain fragment variable antibody (scFv) against CD33 in order to create new antibody-derived therapeutics for AML. The first immunoconjugate was developed to provide targeted delivery of siRNAs as death effectors into leukemic cells. To this purpose, a CD33-specific scFv, modified to include a Cys residue at its C-terminal end (scFvCD33-Cys), was coupled through a disulphide bridge to a nona-d-arginine (9R) peptide carrying a free Cys to the N-terminal. The scFvCD33-9R was able to completely bind siRNAs at a protein to nucleic acid ratio of about 10:1, as confirmed by electrophoretic gel mobility-shift assay. The conjugate was unable to efficiently transduce cytotoxic siRNA (siTox) into the human myeloid cell line U937. We observed slight reductions in cell viability, with a reduction of 25% in comparison to the control group only at high concentration of siTox (300 nM). The second immunoconjugate was constructed by coupling the scFvCD33-Cys to the type 1 ribosome inactivating protein Dianthin 30 (DIA30) through a chemical linking The resulting immunotoxin scFvCD33-DIA30 caused the rapid arrest of protein synthesis, inducing apoptosis and leading ultimately to cell death. In vitro dose-dependent cytotoxicity assays demonstrated that scFvCD33-DIA30 was specifically toxic to CD33-positive cell U937. The concentration needed to reach 50 % of maximum killing efficiency (EC50) was approximately 0.3 nM. The pronounced antigen-restricted cytotoxicity of this novel agent makes it a candidate for further evaluation of its therapeutic potential.

La terapia combinata di cellule mesenchimali stromali e aceinibitori riduce la fibrosi renale in un modello animale di ostruzione ureterale unilaterale

Le cellule mesenchimali stromali (MSC) sono cellule multipotenti e numerosi studi hanno mostrato i loro effetti benefici nel danno renale acuto ma non sono ancora stati dimostrati potenziali effetti nella malattia renale cronica. L'ostruzione ureterale unilaterale (UUO) è un modello di fibrosi interstiziale nel quale l'attivazione di molecole vasoattive, citochine profibrotiche e infiammatorie gioca un ruolo patogenetico nello sviluppo dell'apoptosi e atrofia tubulare. Il sistema renina-angiotensina (RAS) gioca un ruolo chiave nello sviluppo della fibrosi renale e i farmaci che hanno come target l'angiotensina II, principale mediatore del RAS, sono attualmente la terapia più efficace nel ridurre la progressione della malattia renale cronica. E' noto che gli ACE-inibitori (ACEi) inducono un aumento compensatorio della renina plasmatica per la mancaza del feedback negativo sulla sua produzione. Tuttavia, la renina (R) promuove il danno renale non solo stimolando la produzione di ANGII, ma anche up-regolando geni profibrotici attraverso l'attivazione del recettore renina/prorenina. Lo scopo dello studio è stato indagare se l'infusione di MSC riduceva il danno renalein un modello animale di UUO e comparare gli eventuali effetti protettivi di ACEi e MSC in UUO. Abbiamo studiato 5 gruppi di ratti. A: sham operati. B: ratti sottoposti a UUO che ricevevano soluzione salina. C: ratti sottoposti a UUO che ricevavano MSC 3X106 nella vena della coda al giorno 0. D:ratti sottoposti a UUO che ricevevano lisinopril dal g 1 al g 21. E: ratti sottoposti a UUO che ricevevano MSC 3X106 nella vena della coda al giorno 0 e lisinopril dal g 1 al g 21. I ratti sono stati sacrificati al giorno 7 e 21. I risultati dello studio mostrano che MSC in UUO prevengono l'aumento della renina, riducono la generazione di ANGII e che in terapia combinata con ACEi riducono ulteriormente l'ANGII, determinando una sinergia nel miglioramento della fibrosi renale.

Il nucleotide extracellulare UTP: induzione della migrazione di cellule staminali emopoietiche CD34+

La letteratura scientifica degli ultimi anni si è arricchita di un numero sempre crescente di studi volti a chiarire i meccanismi che presiedono ai processi di homing di cellule staminali emopoietiche e del loro attecchimento a lungo termine nel midollo osseo. Tali fenomeni sembrano coinvolgere da un lato, l’interazione delle cellule staminali emopoietiche con la complessa architettura e componente cellulare midollare, e dall’altro la riposta ad un’ampia gamma di molecole regolatrici, tra le quali chemochine, citochine, molecole di adesione, enzimi proteolitici e mediatori non peptidici. Fanno parte di quest’ultimo gruppo anche i nucleotidi extracellulari, un gruppo di molecole-segnale recentemente caratterizzate come mediatori di numerose risposte biologiche, tra le quali l’allestimento di fenomeni flogistici e chemiotattici. Nel presente studio è stata investigata la capacità dei nucleotidi extracellulari ATP ed UTP di promuovere, in associazione alla chemochina CXCL12, la migrazione di cellule staminali umane CD34+. E’ così emerso che la stimolazione con UTP è in grado di incrementare significativamente la migrazione dei progenitori emopoietici in risposta al gradiente chemioattrattivo di CXCL12, nonché la loro capacità adesiva. Le analisi citofluorimetriche condotte su cellule migranti sembrano inoltre suggerire che l’UTP agisca interferendo con le dinamiche di internalizzazione del recettore CXCR4, rendendo così le cellule CD34+ maggiormente responsive, e per tempi più lunghi, al gradiente attrattivo del CXCL12. Saggi di homing competitivo in vivo hanno parallelamente mostrato, in topi NOD/SCID, che la stimolazione con UTP aumenta significativamente la capacità dei progenitori emopoeitci umani di localizzarsi a livello midollare. Sono state inoltre indagate alcune possibili vie di trasduzione del segnale attivate dalla stimolazione di recettori P2Y con UTP. Esperimenti di inibizione in presenza della tossina della Pertosse hanno evidenziato il coinvolgimento di proteine Gαi nella migrazione dipendente da CXCL12 ed UTP. Ulteriori indicazioni sono provenute dall’analisi del profilo trascrizionale di cellule staminali CD34+ stimolate con UTP, con CXCL12 o con entrambi i fattori contemporaneamente. Da questa analisi è emerso il ruolo di proteine della famiglia delle Rho GTPasi e di loro effettori a valle (ROCK 1 e ROCK 2) nel promuovere la migrazione UTP-dipendente. Questi dati sono stati confermati successivamente in vitro mediante esperimenti con Tossina B di C. Difficile (un inibitore delle Rho GTPasi) e con Y27632 (in grado di inibire specificatamente le cinasi ROCK). Nel complesso, i dati emersi in questo studio dimostrano la capacità del nucleotide extracellulare UTP di modulare la migrazione in vitro di progenitori emopoietici umani, nonché il loro homing midollare in vivo. L’effetto dell’UTP su questi fenomeni si esplica in concerto con la chemochina CXCL12, attraverso l’attivazione concertata di vie di trasduzione del segnale almeno parzialmente condivise da CXCR4 e recettori P2Y e attraverso il reclutamento comune di proteine ad attività GTPasica, tra le quali le proteine Gαi e i membri della famiglia delle Rho GTPasi.

Profilo farmacogenetico di determinanti molecolari dell'attività di cisplatino e gemcitabina in pazienti affetti da tumore polmonare non a piccole cellule

Il carcinoma polmonare rappresenta un problema socio-sanitario di grande rilievo, essendo la prima causa di morte per neoplasia. Il carcinoma polmonare non a piccole cellule (non small cell lung cancer - NSCLC) rappresenta la variante istologica più frequente (80% dei casi di tumore polmonare). Al momento della diagnosi circa il 60-70% dei pazienti presenta una malattia in stadio avanzato o metastatico non essendo suscettibile di trattamento chirurgico. Per questi pazienti il trattamento chemioterapico determina un prolungamento della sopravvivenza e un miglioramento della qualità  della vita rispetto alla sola terapia di supporto, identificandosi come standard terapeutico. L'individuazione del migliore trattamento chemioterapico per questo subset di pazienti rappresenta pertanto una delle principali sfide della ricerca oncologica. I regimi polichemioterapici si possono dividere schematicamente in tre generazioni in relazione all'introduzione nel corso degli anni di nuovi agenti chemioterapici. Con l'avvento dei regimi di terza generazione, il trattamento del NSCLC avanzato sembra aver raggiunto un plateau, mancando infatti chiare dimostrazioni di superiorità  di un regime di ultima generazione rispetto ad un altro. Tra questi l'associazione cisplatino e gemcitabina rappresenta uno dei regimi standard più utilizzati in considerazione del suo favorevole rapporto costo-beneficio. Al fine di migliorare i risultati del trattamento chemioterapico in termini di attività  ed efficacia, una possibilità  consiste nell'individuazione di parametri predittivi che ci consentano di identificare il miglior trattamento per il singolo paziente. Tra i vari parametri predittivi valutabili, un crescente interesse è stato rivolto a quelli di carattere genetico, anche grazie all'avvento di nuove tecniche di biologia molecolare e al sequenziamento del genoma umano che ha dato nuovo impulso a studi di farmacogenetica e farmacogenomica. Sulla base di queste considerazioni, in questa tesi è stato effettuato uno studio mirato a valutare l'espressione di determinanti molecolari coinvolti nel meccanismo di azione di gemcitabina e cisplatino in pazienti affetti dai due tipi istologici principali di NSCLC, adenocarcinomi e carcinomi squamocellulari. Lo studio dei livelli di espressione genica è stata effettuata in tessuti di 69 pazienti affetti da NSCLC arruolati presso l'Istituto Europeo di Oncologia di Milano. In particolare, mediante Real Time PCR è stata valutata l'espressione genica di ERCC1, hENT1, dCK, 5'-NT, CDA, RRM1 e RRM2 in 85 campioni isolati con microdissezione da biopsie provenienti dai tessuti polmonari normali o tumorali o dalle metastasi linfonodali. Le analisi di questi tessuti hanno mostrato differenze significative per i pattern di espressione genica di diversi determinanti molecolari potenzialmente utile nel predire l'efficacia di gemcitabina/cisplatino e per personalizzare i trattamenti in pazienti affetti da cancro. In conclusione, l'evoluzione delle tecniche di biologia molecolare promossa dagli studi di farmacogenetica racchiude in sè notevoli potenzialità  per quanto concerne l'ideazione di nuovi protocolli terapeutici. Identificando le caratteristiche genotipiche e i livelli di espressione geniche di determinanti molecolari implicati nella risposta ai farmaci potremmo infatti predisporre delle mappe di chemiosensibilità-chemioresistenza per ciascun paziente, nell'ottica di approntare di volta in volta le più appropriate terapie antitumorali in base alle caratteristiche genetiche del paziente e della sua patologia neoplastica.

La metilazione del DNA come meccanismo di regolazione dell'espressione genica

La regolazione dell’espressione genica è un processo molto complesso e finemente controllato da fattori multipli, tra i quali quelli epigenetici hanno richiamato l’attenzione nell’ultima decade. I meccanismi di regolazione epigenetica comprendono la metilazione del DNA a livello delle isole CpG nella regione del promotore del gene e le modifiche istoniche post-traduzionali, quali acetilazioni e metilazioni. Questa serie di elementi di regolazione concorre a determinare uno stato di impacchettamento della cromatina più o meno rilassato, che influenzerà la trascrizione di geni critici, per esempio nello sviluppo o nelle neoplasie. Gli ambiti nei quali lo studio del profilo epigenetico ha assunto maggiore rilievo sono effettivamente quello oncologico e quello del differenziamento di cellule staminali, due contesti nei quali si è svolto il mio programma di Dottorato, nel quale ho seguito in parallelo più progetti presentati nella tesi in modo indipendente. La ricerca in campo tumorale è centrata sull’indagine di nuovi marcatori e sull’individuazione di profili epigenetici specifici per un determinato tumore che possano aiutare la diagnostica precoce, la classificazione e la sorveglianza dell’evoluzione clinica della neoplasia. In questo contesto si inserisce il progetto finalizzato alla costruzione di quadri associativi di metilazione in due tumori cerebrali, il glioblastoma (GBM) e l’oligodendroglioma (ODG). La casistica di GBM e di ODG in dotazione è stata valutata dal punto di vista della metilazione dei promotori di geni (MGMT, EMP3,..) con funzioni oncosoppressive e trovati ipermetilati anche in altri tumori o localizzati in regioni citologicamente instabili, per poter correlare questi dati con la risposta terapeutica nel caso del GBM o con i dati di perdita di eterozigosità (LOH) 1p19q nel caso dell’ODG. Parallelamente all’individuazione di marcatori epigenetici in ambito oncologico, la ricerca si sta muovendo anche nell’indagine di nuove potenziali terapie farmacologiche antitumorali su base epigenetica. In questo contesto, con lo scopo di approfondire le relazioni tra i meccanismi alla base della regolazione epigenetica, ci si è riproposti di valutare la correlazione tra il meccanismo di metilazione/demetilazione del DNA e quello di acetilazione/deacetilazione istonica e la loro vicendevole influenza nel determinare silenziamento genico piuttosto che riattivazione dell’espressione di geni ipermetilati. Sono stati usati farmaci epigenetici demetilanti, quali Azacitidina e Decitabina, inibitori della istone deacetilasi, quali la Tricostatina A, e inibitori della via di sintesi di molecole, le poliammine, coinvolte nella regolazione dell’espressione genica con modalità ancora da precisare in modo definitivo. Sebbene i meccanismi di regolazione epigenetica vengano studiati per lo più nel cancro, a causa delle gravi conseguenze che una loro disregolazione porta in termini di silenziamento di geni oncosoppressori, essi sono implicati fisiologicamente anche nel differenziamento di cellule staminali. Gli ultimi due progetti trattati nella tesi si contestualizzano in questo ambito. In particolare viene presentata la messa a punto di una metodologia di immunoprecipitazione sequenziale della cromatina finalizzata all’individuazione di due modificazioni istoniche associate alla stessa regione di DNA. Le modifiche hanno riguardato i marcatori rappresenatativi di cromatina trascrizionalmente repressa H3K27me3 (trimetilazione della Lys27 dell’istone H3) e di cromatina trascrizionalmente attiva H3K24me2 (dimetilazione della Lys4 dell’istone H3) che definiscono i domini detti bivalenti, associati a geni che codificano per fattori di trascrizione che regolano lo sviluppo in cellule embrionali staminali, mantenendoli pronti per un veloce indirizzamento verso l’ attivazione trascrizionale. Il ruolo che la regolazione epigenetica svolge durante il differenziamento di cellule staminali non è ancora noto con precisione. È chiaro però che la memoria della linea cellulare verso la quale si differenzia una cellula staminale adulta, implica l’utilizzo di modifiche epigenetiche, quali la metilazione del DNA e correlati pattern di metilazione e acetilazione istonica. L’ultimo progetto, trattato, è stato finalizzato a verificare il coinvolgimento dell’epigenetica e in particolare della metilazione dei promotori di fattori trascrizionali precocemente attivati durante il differenziamento verso il fenotipo muscolare cardiaco di cellule staminali umane derivate da tessuto adiposo (ADSCs).

Cellule staminali mesenchimali umane da molteplici tessuti adulti: caratteristiche condivise e tessuto-specificità

L’attività di ricerca ha riguardato lo studio di popolazioni di cellule staminali mesenchimali umane (MSC) ottenute da molteplici tessuti adulti. Sono state investigate sorgenti di MSC alternative al midollo osseo, libere da conflitti etici, dotate di vantaggi per l’applicabilità clinica che vanno dalla elevata resa nel recupero cellulare alla tessuto-specificità. Le cellule ottenute dalle diverse sorgenti sono state caratterizzate immunofenotipicamente, commissionate mediante protocolli di induzione specifici per i diversi tipi cellulari ed analizzate con opportuni saggi istologici, immunoistochimici, di espressione genica e proteica. Esperimenti di cocoltura hanno permesso la descrizione di capacità immunomodulatorie e trofiche. - La placenta a termine risulta essere una ricca sorgente di cellule staminali mesenchimali (MSC). Dalla membrana amniotica, dal corion e dalla gelatina di Wharton del cordone ombelicale sono state ottenute MSC con potenzialità differenziative verso commissionamenti mesenchimali, con capacità immunomodulatorie e trofiche. Tali tessuti sono ampiamente disponibili, garantiscono una elevata resa nel recupero cellulare e sono liberi da conflitti etici. - Due popolazioni di cellule con caratteristiche di MSC sono state individuate nella mucosa e nella sottomucosa intestinale. Queste cellule possiedono caratteristiche di tessuto-specificità, sono dotate di attività trofiche ed immunomodulatorie che potrebbero essere vantaggiose per approcci di terapia cellulare in patologie quali le Malattie Infiammatorie Croniche Intestinali (IBD). - Popolazioni di cellule staminali con caratteristiche simili alle MSC sono state ottenute da isole pancreatiche. Tali popolazioni possiedono vantaggi di tessuto-specificità per approcci di terapia cellulare per il Diabete. - Sono stati investigati ed individuati marcatori molecolari (molecole HLA-G) correlati con il livello di attività immunomodulatoria delle MSC. La valutazione di tali marcatori potrebbere permettere di determinare l’attività immunosoppressiva a priori del trapianto, con l’obiettivo di scegliere le popolazioni di MSC più adatte per l’applicazione e di definirne il dosaggio. - E’ stato messa a punto una metodica e una strumentazione per il frazionamento di cellule staminali in Campo Flusso in assenza di marcatura (NEEGA-DF). Questa metodica permette di discriminare sottopopolazioni cellulari in base a caratteristiche biofisiche.

L'espressione dell'enzima Indoleamina 2,3-Diossigenasi come meccanismo immunoregolatore in cellule dentritiche normali e leucemiche

L’enzima indoleamina 2,3-diossigenasi (IDO) catalizza la conversione dell’aminoacido essenziale triptofano in chinurenine. Questa proprietà conferisce a IDO la capacità di inibire la risposta immunitaria sia causando la deplezione dal microambiente di triptofano, che è necessario ai linfociti T per proliferare ed espandersi, sia producendo metaboliti che possono causare l’apoptosi dei linfociti T. Nel presente studio è stata indagata la funzione di IDO in cellule dendritiche normali e leucemiche. Lo studio dell’espressione di IDO in cellule dendritiche normali ha permesso di osservare che, quando immature, IDO è poco espresso, mentre durante la maturazione IDO viene up-regolato. In particolare, l’incremento nell’espressione di IDO non è strettamente legato al livello di maturazione, ma alla qualità dello stimolo maturativo. Infatti uno stimolo endogeno come il ligando di CD40 ha una scarsa efficacia nell’up-regolazione di IDO, uno stimolo batterico come l’LPS ha un’efficacia intermedia, mentre uno stimolo rappresentato da citochine pro-infiammatorie ha un’efficacia massima. L’espressione di IDO risulta direttamente propozionale alla produzione di chinurenine, all’inibizione della proliferazione dei linfociti T e all’induzione di una popolazione di linfociti T regolatori. Lo studio dell’espressione di IDO in cellule dendritiche leucemiche ha permesso di osservare che IDO è espresso a un livello intermedio nelle cellule dendritiche leucemiche immature e viene up-regolato durante la maturazione. La conseguenza principale dell’espressione di IDO in cellule dendritiche leucemiche è l’induzione di una popolazione di linfociti T regolatori fortemente in grado di limitare sia la risposta CD4+ che la risposta CD8+ anti-leucemica e capaci di inibire la maturazione di altre cellule dendritiche. Nel complesso, i dati emersi da questo studio hanno permesso di concludere che, in cellule dendritiche normali, IDO rappresenta un meccanismo tollerogenico la cui intensità di espressione è correlata all’intensità dello stimolo attivatorio da controbilanciare, a cui è sottoposta la cellula dendritica. Nelle cellule dendritiche leucemiche IDO rappresenta un meccanismo di tumor-escape in grado di inibire l’attivazione di cellule dendritiche, linfociti CD4+ e linfociti CD8+.

Effetto della combinazione di cellule CD4+CD25+, cellule staminali emopoietiche CD34+e ATG nella prevenzione della risposta alloreattiva delle cellule T in vitro ed in vivo

Il trapianto delle cellule staminali emopoietiche umane CD34+ in combinazione con le cellule T regolatorie CD4+/CD25+ FoxP3+ (Tregs) potrebbe prevenire l'alloreattività verso le cellule staminali emopoietiche e ridurre il rischio di rigetto in trapianti allogenici HLA non correlati. Per dimostrare questa ipotesi abbiamo messo in coltura le cellule CD34+ e le cellule CD4+/CD25+ isolate con metodica immunomagnetica (Miltnyi Biotec)da sangue periferico non manipolato,sangue periferico mobilizzato con G-CSF o da Cordone ombelicale. Gli esperimenti svolti in vitro, hanno evidenziato che le cellule Tregs arricchite, ottenute dalla stessa fonte delle cellule CD34+( autologhe), mostravano un effetto inibitorio maggiore sulle celulle T alloreattive, rispetto alle cellule Tregs ottenute da un donatore terzo(allogenico).Inoltre l'attività immunosoppressoria delle Tregs era mantenuta dopo stimolazione con cellule CD34+ allogeniche e i Tregs non modificavano l'attività clonogenica delle cellule staminali CD34+. Avendo ottenuto questi dati in vitro abbiamo trapiantato in topi NOD/SCID le cellule Tregs e le cellule CD34+ in rapporto 1:1 o 1:2 ed è stato osservato un normale attecchimento delle cellule staminali. Incubando queste cellule con dosi fisiologiche di timoglobulina derivata da coniglio (nota molecola immunosopressoria) non veniva modificato il numero dei Tregs dopo 6 giorni di coltura. Dopo l'esposizione alla Timoglobulina, inoltre, i Tregs mantenevano la loro attività soppressoria, aumentava l'espressione del recettore chemochinico CCR7, e venivano rilasciate diverse citochine principalmente l'interleuchina 10(IL-10). Tali dati dimostrano come sia le cellule tregs autologhe che quelle allogeniche potrebbero essere trapiantate insieme alle cellule staminali CD34+ dopo un regime preparatorio di terapia che include la timoglobulina. A tale scopo sono state eseguite selezioni di Tregs da aferesi di donatori sani mobilizzati con G-CSF su scala clinica utilizzando biglie immunomagnetiche Clinical grade (Miltenyi Biotec) e sono state confrontate 2 modalità di selezione con due o tre passaggi con o senza la deplezione dei monociti CD14+.Si è dimostrato così che è possibile selezionare un numero uguale di CD34+ e Tregs ,che con la metodica che prevede la deplezione dei monociti si ottiene una popolazione di cellule Tregs più pura ( > 80%) e infine le applicazioni possibili di questi risultati includo: trapianto di cellule CD34+ del donatore insieme a cellule Tregs in trapianti aploidentici ; infusione of cellule tregs isolate da PBSC mobilizzati con G-nei casi di pazienti con GVHD steroide-resistente; infusione di G-Tregs del donatore nei casi di rigetto di organo trapiantato da of donatore ancora vivente.