I ricercatori della University of Virginia School of Medicine hanno scoperto come le cellule che ci permettono di sentire possono ripararsi da sole dopo essere state danneggiate, un’intuizione che potrebbe giovare agli studi svolti per curare e prevenire la perdita dell’udito.
I risultati della ricerca soono stati resi noti sulla rivista eLife.
Cellule uditive danneggiate: eccor come è possibile ripararle
Le cellule ciliate sono naturalmente fragili. Devono essere delicati in modo da poter percepire il suono, ma devono anche resistere alle continue sollecitazioni meccaniche insite nel loro lavoro.
L’esposizione prolungata a forti rumori danneggia le c. ciliate in vari modi, e uno di questi è danneggiare i nuclei dei “peli” stessi. Queste strutture simili a capelli sono conosciute come stereociglia e la nuova ricerca di Shin mostra un processo che usano per ripararsi.
Le c. ciliate dispiegano una proteina chiamata XIRP2, che può rilevare danni ai nuclei costituiti da una sostanza chiamata actina. Shin e il suo team hanno scoperto che XIRP2 prima rileva il danno, quindi migra verso il sito del danno e ripara i nuclei riempiendo nuova actina.
Questo processo è rilevante anche per lo studio più ampio della biologia cellulare, ha detto Shin.
Shin ei suoi colleghi eseguiranno ulteriori ricerche su come vengono riparati i nuclei. Comprendendo questo, gli scienziati saranno in una posizione migliore per sviluppare nuovi modi per combattere la perdita dell’udito, anche la perdita dovuta all’invecchiamento, affermano i ricercatori.
“La perdita dell’udito legata all’età colpisce almeno un terzo di tutti gli adulti più anziani”, ha detto Shin. “Comprendere e sfruttare i meccanismi interni attraverso i quali le c. ciliate contrastano l’usura sarà cruciale per identificare i modi per prevenire la perdita dell’udito legata all’età. Inoltre, questa conoscenza ha potenziali implicazioni per condizioni associate come il morbo di Alzheimer e altre condizioni di demenza”.
Un’altra ricerca pubblicata su Stem Cell Reports ha rilevato che i modelli basati su colture di organoidi per la formazione di c. ciliate cocleari possono essere utilizzati per identificare farmaci che promuovono la rigenerazione delle c. ciliate in uno schermo di librerie di farmaci ad alto rendimento.
Le c. ciliate nell’orecchio mediano la percezione del suono. Di conseguenza, quando le c. ciliate vengono distrutte o perse a causa dell’esposizione a suoni forti, determinate sostanze chimiche, malattie o invecchiamento, la conseguenza è la perdita dell’udito parziale o completa. Secondo le stime dell’OMS, entro il 2050 una persona su 10 in tutto il mondo soffrirà di ipoacusia invalidante.
Le c. ciliate perse nei mammiferi non possono essere riparate o sostituite, ma curiosamente le c. ciliate in altre specie come pesci e uccelli hanno il potenziale per rigenerarsi. Le ragioni di queste differenze non sono completamente comprese, ma significa che la rigenerazione delle c. ciliate negli esseri umani potrebbe essere possibile nelle giuste condizioni.
Per identificare queste condizioni, Guoqiang Wan e colleghi dell’Università di Nanjing, in Cina, hanno generato colture di strutture simili all’orecchio interno, i cosiddetti organoidi cocleari , da tessuto cocleare immaturo di topi neonati. Nel corso del tempo, questi organoidi cocleari si sono moltiplicati e hanno fatto crescere le c. ciliate in laboratorio. Lo studio, recentemente pubblicato su Stem Cell Reports , ha utilizzato questi organoidi cocleari per vagliare una raccolta di oltre mille farmaci approvati dalla FDA per sostanze che stimolano la formazione di c. ciliate.
Una delle sostanze più potenti, un farmaco antitumoralechiamato Regorafenib, ha promosso la formazione di cellule ciliate negli organoidi cocleari cresciuti in laboratorio. In particolare, questo composto ha anche promosso la formazione di cellule ciliate nei tessuti cocleari del topo. Sorprendentemente, le cellule ciliate sono state persino rigenerate nei tessuti cocleari del topo dopo essere state distrutte dall’esposizione chimica.
Questo lavoro pone le basi per approcci di screening ad alto rendimento agli stimolatori dell’identità della rigenerazione delle cellule ciliate nei mammiferi come potenziale trattamento per la perdita dell’udito. Prima che ciò possa essere applicato ai pazienti, sono necessarie ulteriori ricerche per affrontare la sicurezza e determinare se i farmaci identificati possono indurre le cellule ciliate nelle coclee umane.
Gli scienziati del laboratorio USC Stem Cell di Neil Segil hanno identificato una barriera naturale alla rigenerazione delle cellule sensoriali dell’orecchio interno, che si perdono nei disturbi dell’udito e dell’equilibrio. Il superamento di questa barriera può essere un primo passo per riportare le cellule dell’orecchio interno a uno stato simile a un neonato che è pronto per la rigenerazione, come descritto in uno studio pubblicato su Developmental Cell.
“L’ipoacusia permanente colpisce oltre il 60% della popolazione che raggiunge l’età pensionabile”, ha affermato Segil, professore presso il Dipartimento di biologia delle cellule staminali e medicina rigenerativa e il Dipartimento di otorinolaringoiatria dell’USC Tina e Rick Caruso—Testa e collo Chirurgia. “Il nostro studio suggerisce nuovi approcci di ingegneria genetica che potrebbero essere utilizzati per incanalare parte della stessa capacità rigenerativa presente nelle cellule embrionali dell’orecchio interno”.
Nell’orecchio interno, l’organo uditivo, che è la coclea, contiene due tipi principali di cellule sensoriali : ” c. ciliate ” che hanno proiezioni cellulari simili a peli che ricevono vibrazioni sonore; e le cosiddette “cellule di supporto” che svolgono importanti ruoli strutturali e funzionali.
Quando le delicate cellule ciliate subiscono danni da rumori forti, alcuni farmaci da prescrizione o altri agenti dannosi, la conseguente perdita dell’udito è permanente nei mammiferi più anziani. Tuttavia, per i primi giorni di vita, i topi di laboratorio mantengono la capacità delle cellule di supporto di trasformarsi in cellule ciliate attraverso un processo noto come “transdifferenziazione”, consentendo il recupero dalla perdita dell’udito. Entro una settimana di età, i topi perdono questa capacità rigenerativa, persa anche negli esseri umani, probabilmente prima della nascita.
Sulla base di queste osservazioni, lo studioso post-dottorato Litao Tao, Ph.D., lo studente laureato Haoze (Vincent) Yu e i loro colleghi hanno esaminato più da vicino i cambiamenti neonatali che fanno perdere alle cellule di supporto il loro potenziale di transdifferenziazione.
Nelle cellule di supporto, le centinaia di geni che istruiscono la transdifferenziazione nelle cellule ciliate sono normalmente disattivate. Per attivare e disattivare i geni, il corpo fa affidamento su molecole attivanti e repressive che decorano le proteine note come istoni. In risposta a queste decorazioni note come “modificazioni epigenetiche”, le proteine istoniche avvolgono il DNA in ciascun nucleo cellulare, controllando quali geni vengono “attivati” essendo avvolti liberamente e accessibili, e quali vengono “spenti” essendo strettamente avvolti e inaccessibile. In questo modo, le modificazioni epigenetiche regolano l’attività genica e controllano le proprietà emergenti del genoma.
Nelle cellule di supporto della coclea di topo neonato, gli scienziati hanno scoperto che i geni delle cellule ciliate erano soppressi sia dalla mancanza di una molecola attivante, H3K27ac, sia dalla presenza della molecola repressiva, H3K27me3. Tuttavia, allo stesso tempo, nelle cellule di supporto del topo appena nato, i geni delle cellule ciliate sono stati mantenuti “preparati” per attivarsi dalla presenza di una decorazione istonica ancora diversa, H3K4me1. Durante la transdifferenziazione di una cellula di supporto in una cellula ciliata, la presenza di H3K4me1 è cruciale per attivare i geni corretti per lo sviluppo delle cellule ciliate.
Sfortunatamente con l’età, le cellule di supporto della coclea hanno gradualmente perso H3K4me1, facendole uscire dallo stato di attivazione. Tuttavia, se gli scienziati hanno aggiunto un farmaco per prevenire la perdita di H3K4me1, le cellule di supporto sono rimaste temporaneamente pronte per la transdifferenziazione. Allo stesso modo, le cellule di supporto del sistema vestibolare, che naturalmente mantenevano H3K4me1, erano ancora preparate per la transdifferenziazione nell’età adulta.
“Il nostro studio solleva la possibilità di utilizzare farmaci terapeutici, editing genetico o altre strategie per apportare modifiche epigenetiche che attingano alla capacità rigenerativa latente delle cellule dell’orecchio interno come un modo per ripristinare l’udito”, ha affermato Segil. “Simili modificazioni epigenetiche possono anche rivelarsi utili in altri tessuti non rigeneranti, come la retina, i reni, i polmoni e il cuore”.
Le cellule sensoriali nell’orecchio interno e i recettori tattili nella pelle hanno in realtà molto in comune, secondo un nuovo studio del laboratorio USC Stem Cell di Neil Segil pubblicato negli Atti della National Academy of Sciences ( PNAS ) .
“Ci sono sorprendenti somiglianze nello sviluppo di due tipi di c. sensoriali specializzate : le cosiddette ” c. ciliate ” che ricevono vibrazioni sonore nell’orecchio interno e le c. di Merkel che percepiscono il tocco leggero sulla superficie della pelle”, ha affermato.
Segil, che è professore presso il Dipartimento di biologia delle cellule staminali e medicina rigenerativa, e il Dipartimento di otorinolaringoiatria dell’USC Tina e Rick Caruso — Chirurgia della testa e del collo. “In definitiva, queste somiglianze evolutive sono un’eredità della storia evolutiva condivisa. Ciò dimostra come la storia della biologia evolutiva dello sviluppo, o ‘evo devo’, si estenda anche a quello che chiamiamo ‘livello epigenetico’, o come i geni sono regolati”.
Nello studio, Ph.D. lo studente Haoze (Vincent) Yu, lo studioso post dottorato Litao Tao e i loro colleghi hanno identificato un meccanismo condiviso coinvolto nella regolazione genica o nell’epigenetica, che consente alle c. staminali e alle c. progenitrici di differenziarsi in c. ciliate più specializzate e cellule di Merkel.
Per iniziare il processo di differenziazione, le parti giuste del DNA di una cellula staminale devono essere estratte dal deposito. Ogni cellula umana può immagazzinare circa sei piedi di DNA nel suo nucleo, perché questo DNA è avvolto attorno a minuscole “bobine” costituite da proteine chiamate istoni. Queste bobine di DNA e proteine istoniche sono ulteriormente impacchettate insieme per formare quelli che sono noti come nucleosomi, che sono impilati per creare la cromatina, che è il materiale che costituisce i cromosomi.
Quando il DNA è avvolto strettamente in questa configurazione di immagazzinamento, la cromatina è chiusa e inaccessibile alla proteina ATOH1. Questa proteina è un “principale regolatore” che può attivare una rete di geni di differenziazione nel DNA all’interno della cromatina, ma non senza averne prima ottenuto l’accesso.
A tal fine, ATOH1 stimola la produzione di una seconda proteina nota come POU4F3, un “fattore pioniere” giustamente chiamato con la capacità di avventurarsi in nuove frontiere legandosi alla cromatina chiusa e inaccessibile. Dopo che POU4F3 ha tracciato una scia legandosi alla cromatina chiusa, ATOH1 è in grado di andare avanti coinvolgendo e attivando la rete di geni che guida la differenziazione nelle cellule ciliate e nelle cellule di Merkel.
Sorprendentemente, c’è una significativa sovrapposizione nelle regioni specifiche della cromatina che POU4F3 rende accessibili ad ATOH1 nelle cellule ciliate e nelle cellule di Merkel.
“È notevole che questi due tipi di cellule , che sono entrambi coinvolti nel rilevamento di stimoli meccanici ma derivano da parti distinte dell’embrione, si affidano entrambi allo stesso meccanismo ATOH1/POU4F3 per differenziarsi”, ha affermato Segil. “Il nostro studio suggerisce che questo meccanismo è estremamente antico ed è emerso prima che le cellule ciliate e le cellule di Merkel si discostassero da un comune antenato evolutivo, un tipo di cellula ‘ur-meccanorecettore'”.
Gli scienziati dei laboratori USC Stem Cell di Neil Segil e Justin Ichida hanno rivelato un modo più semplice per generare le cellule sensoriali dell’orecchio interno. Il loro approccio utilizza la riprogrammazione diretta per produrre cellule sensoriali note come “cellule ciliate”, a causa delle loro sporgenze simili a peli che percepiscono le onde sonore. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista eLife.
“Siamo riusciti a riprogrammare direttamente una varietà di tipi di cellule di topo in quelle che chiamiamo cellule simili a cellule ciliate indotte, o iHC”, ha affermato Ph.D. la studentessa Louise Menendez, autrice principale dello studio. “Questo ci consente di generare in modo efficiente un gran numero di iHC per identificare cause e trattamenti per la perdita dell’udito “.
Gli scienziati hanno riprogrammato con successo tre diversi tipi di cellule di topo per diventare iHC. I primi due tipi erano versioni embrionali e adulte di cellule del tessuto connettivo, note come fibroblasti. Il terzo era un diverso tipo di cellula dell’orecchio interno, noto come cellula di supporto.
Per ottenere la riprogrammazione, gli scienziati hanno esposto i fibroblasti e le cellule di supporto a un cocktail di quattro fattori di trascrizione, che sono molecole che aiutano a trasmettere le istruzioni codificate nel DNA. Gli scienziati hanno identificato questo cocktail testando varie combinazioni di 16 fattori di trascrizione che erano altamente attivi nelle cellule ciliate dei topi appena nati.
“I quattro ingredienti chiave si sono rivelati essere i fattori di trascrizione Six1, Atoh1, Pou4f3 e Gfi1”, ha affermato Menendez.
Gli iHC risultanti assomigliavano a cellule ciliate presenti in natura in termini di struttura, elettrofisiologia e attività genetica. Gli iHC possedevano anche molte altre caratteristiche distinte delle c. ciliate , inclusa la vulnerabilità a un antibiotico noto per causare la perdita dell’udito.
“Le c. ciliate sono facili da danneggiare e attualmente impossibili da riparare negli esseri umani”, ha affermato Segil, professore presso il Dipartimento di biologia delle cellule staminali e medicina rigenerativa e il Dipartimento di otorinolaringoiatria dell’USC Tina e Rick Caruso—Chirurgia della testa e del collo, e uno degli autori corrispondenti dello studio. “Invecchiamento, rumori forti e alcuni farmaci chemioterapici e antibiotici possono portare alla perdita permanente delle c. ciliate , che è la principale causa di perdita dell’udito in tutto il mondo”.
Gli iHC hanno il potenziale per accelerare la ricerca sulla perdita dell’udito in almeno due modi importanti, secondo Ichida, professore associato di biologia delle cellule staminali e medicina rigenerativa presso la John Douglas French Alzheimer’s Foundation presso la USC, e l’altro autore corrispondente dello studio.
