Gli scienziati del Johns Hopkins All Children’s Hospital, insieme a un team internazionale di ricercatori, stanno gettando nuova luce sulle cause del diabete di tipo 2. La ricerca offre una potenziale strategia per lo sviluppo di nuove terapie che potrebbero ripristinare le cellule beta pancreatiche disfunzionali o, forse, anche prevenire lo sviluppo del diabete T 2.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Nature Communications.
Diabete di tipo 2: ecco cosa ha rivelato la nuova ricerca
Lo studio mostra che le cellule beta dei pazienti affetti da diabete di tipo 2 sono carenti di una proteina di traffico cellulare chiamata “proteina di trasferimento del fosfatidilinositolo alfa” (o PITPNA), che può promuovere la formazione di “piccoli pacchetti” o granuli intracellulari contenenti insulina.
Queste strutture facilitano l’elaborazione e la maturazione del “carico” di insulina. Ripristinando PITPNA nelle cellule beta carenti di tipo 2, viene ripristinata la produzione di granuli di insulina e questo inverte molte delle carenze associate al fallimento delle cellule beta e al diabete di tipo 2.
I ricercatori affermano che è importante capire come geni specifici regolano la funzione delle cellule beta pancreatiche, compresi quelli che mediano la produzione e la maturazione dei granuli di insulina come PITPNA, per fornire opzioni terapeutiche alle persone.
Matthew Poy, Ph.D., professore associato di Medicina e Chimica Biologica presso la Johns Hopkins University School of Medicine e leader del team Johns Hopkins All Children all’interno dell’Institute for Fundamental Biomedical Research, è stato il ricercatore principale dello studio.
Aggiunge che il lavoro di follow-up è ora focalizzato sulla possibilità che PITPNA possa migliorare la funzionalità delle cellule beta pancreatiche derivate da cellule staminali.
Poiché le terapie basate sulle cellule staminali sono ancora nelle fasi relativamente iniziali di sviluppo clinico, sembra che gran parte del potenziale di questo approccio rimanga inutilizzato. Poy ritiene che l’aumento dei livelli di PITPNA nelle cellule beta derivate dalle cellule staminali sia un approccio che potrebbe migliorare la capacità di produrre e rilasciare insulina matura prima del trapianto nei soggetti diabetici.
“Il nostro sogno è che l’aumento di PITPNA possa migliorare l’efficacia e la potenza delle cellule staminali beta-simili”, afferma Poy. “È qui che si sta dirigendo la nostra ricerca, ma dobbiamo scoprire se la capacità di queste cellule staminali indifferenziate che possono essere convertite in molti tipi cellulari diversi può essere ottimizzata – e a quale livello – per essere convertite in cellule beta sane che producono insulina . L’obiettivo sarebbe trovare una cura per il diabete di tipo 2. ”
In un altro studio, i ricercatori sul diabete della Washington University School of Medicine di St. Louis hanno scoperto almeno un motivo per cui le cellule che secernono insulina prodotte da cellule staminali in laboratorio non funzionano così come le cellule naturali.
La scoperta potrebbe contribuire ad accelerare il progresso verso la produzione di cellule che secernono insulina, chiamate cellule beta delle isole, più efficaci nel trattamento del diabete di tipo 1 insulino-dipendente.
Da quando gli scienziati hanno scoperto per la prima volta che potevano campionare cellule della pelle o cellule adipose delle persone, convertire quelle cellule in cellule staminali e quindi guidare le cellule staminali a svilupparsi in cellule beta che secernono insulina , i ricercatori hanno tentato di affinare il processo.
I ricercatori affermano che le nuove scoperte, pubblicate il 15 maggio sulla rivista Nature Cell Biology , potrebbero aiutare ad aprire la strada alla produzione di cellule beta più efficienti ed efficaci per curare le persone con diabete insulino-dipendente .
“Abbiamo imparato diverse cose che potrebbero avere un potenziale terapeutico immediato per le persone con diabete”, ha affermato il ricercatore senior Jeffrey R. Millman, Ph.D., professore associato di medicina e ingegneria biomedica. “I nostri risultati dimostrano che gli attuali metodi per generare cellule beta derivate da cellule staminali potrebbero non essere così utili come vorremmo nel trattamento del diabete.”
In questo studio, il gruppo di ricerca ha utilizzato una sofisticata tecnologia di sequenziamento di singole cellule per capire perché alcune cellule beta ottenute da cellule staminali risultano essere meno mature e meno efficienti nel produrre insulina rispetto alle loro controparti naturali.
Utilizzando una tecnica chiamata sequenziamento multiomico a cellula singola, i ricercatori hanno confrontato le cellule beta derivate dalle cellule staminali con le cellule beta naturali e hanno scoperto che le cellule prodotte da cellule staminali spesso non producono tanta insulina in risposta al glucosio. Inoltre, a volte i profili genetici delle cellule erano più vicini ad altri tipi di cellule presenti nell’intestino, come le cellule del fegato o quelle intestinali.
Utilizzando l’apprendimento automatico e metodi computazionali per esaminare un vasto set di dati di DNA da singole cellule beta, il team di Millman ha scoperto che uno dei motivi per cui le cellule beta derivate dalle cellule staminali tendono ad essere immature riguarda le irregolarità in una sostanza chiamata cromatina nelle cellule. La cromatina aiuta ad “aprire” e “chiudere” vari geni nelle cellule beta.
I ricercatori preferirebbero, per esempio, che la cromatina nelle cellule mantenga i geni che secernono insulina più aperti e attivi mentre chiuda i geni che fanno sì che le cellule si comportino più come cellule del fegato, scomponendo il grasso anziché secernendo insulina.
“Dopo aver appreso le differenze di cromatina tra le cellule beta naturali e le cellule beta derivate da cellule staminali, crediamo che sarà possibile regolare la cromatina per migliorare la qualità delle cellule beta derivate da cellule staminali, nonché la quantità di cellule che possiamo produrre”, ha detto Millman.
Ha spiegato che ogni anno a circa 60.000 persone negli Stati Uniti viene diagnosticato il diabete di tipo 1 insulino-dipendente. Gli esperti stimano che per curare il diabete in così tante persone sarebbero necessari circa 60 trilioni di cellule beta funzi
I risultati potrebbero portare a un miglioramento delle cellule che secernono insulina derivate da cellule staminali
Utilizzando la tecnologia di sequenziamento di singole cellule, i ricercatori sul diabete della Washington University School of Medicine di St. Louis hanno scoperto perché le cellule beta delle isole prodotte da cellule staminali potrebbero non essere altrettanto efficaci nel produrre insulina in risposta allo zucchero nel sangue.
I risultati potrebbero migliorare il trattamento per i soggetti con diabete insulino-dipendente. La foto mostra bioreattori contenenti una soluzione di cellule insieme a fattori di crescita che le aiutano a svilupparsi in cellule beta secernenti insulina. Credito: Scuola di Medicina dell’Università di Washington a St. Louis
I ricercatori sul diabete della Washington University School of Medicine di St. Louis hanno scoperto almeno un motivo per cui le cellule che secernono insulina prodotte da cellule staminali in laboratorio non funzionano così come le cellule naturali.
La scoperta potrebbe contribuire ad accelerare il progresso verso la produzione di cellule che secernono insulina, chiamate cellule beta delle isole, più efficaci nel trattamento del diabete di tipo 1 insulino-dipendente.
Da quando gli scienziati hanno scoperto per la prima volta che potevano campionare cellule della pelle o cellule adipose delle persone, convertire quelle cellule in cellule staminali e quindi guidare le cellule staminali a svilupparsi in cellule beta che secernono insulina , i ricercatori hanno tentato di affinare il processo.
I ricercatori affermano che le nuove scoperte, pubblicate sulla rivista Nature Cell Biology , potrebbero aiutare ad aprire la strada alla produzione di cellule beta più efficienti ed efficaci per curare le persone con diabete insulino-dipendente .
“Abbiamo imparato diverse cose che potrebbero avere un potenziale terapeutico immediato per le persone con diabete”, ha affermato il ricercatore senior Jeffrey R. Millman, Ph.D., professore associato di medicina e ingegneria biomedica. “I nostri risultati dimostrano che gli attuali metodi per generare cellule beta derivate da cellule staminali potrebbero non essere così utili come vorremmo nel trattamento del diabete.”
In questo studio, il gruppo di ricerca ha utilizzato una sofisticata tecnologia di sequenziamento di singole cellule per capire perché alcune cellule beta ottenute da cellule staminali risultano essere meno mature e meno efficienti nel produrre insulina rispetto alle loro controparti naturali.
Utilizzando una tecnica chiamata sequenziamento multiomico a cellula singola, i ricercatori hanno confrontato le cellule beta derivate dalle cellule staminali con le cellule beta naturali e hanno scoperto che le cellule prodotte da cellule staminali spesso non producono tanta insulina in risposta al glucosio. Inoltre, a volte i profili genetici delle cellule erano più vicini ad altri tipi di cellule presenti nell’intestino, come le cellule del fegato o quelle intestinali.
Utilizzando l’apprendimento automatico e metodi computazionali per esaminare un vasto set di dati di DNA da singole cellule beta, il team di Millman ha scoperto che uno dei motivi per cui le cellule beta derivate dalle cellule staminali tendono ad essere immature riguarda le irregolarità in una sostanza chiamata cromatina nelle cellule. La cromatina aiuta ad “aprire” e “chiudere” vari geni nelle cellule beta.
I ricercatori preferirebbero, per esempio, che la cromatina nelle cellule mantenga i geni che secernono insulina più aperti e attivi mentre chiuda i geni che fanno sì che le cellule si comportino più come cellule del fegato, scomponendo il grasso anziché secernendo insulina.
“Dopo aver appreso le differenze di cromatina tra le cellule beta naturali e le cellule beta derivate da cellule staminali, crediamo che sarà possibile regolare la cromatina per migliorare la qualità delle cellule beta derivate da cellule staminali, nonché la quantità di cellule che possiamo produrre”, ha detto Millman.
Ha spiegato che ogni anno a circa 60.000 persone negli Stati Uniti viene diagnosticato il diabete di tipo 1 insulino-dipendente. Gli esperti stimano che per curare il diabete in così tante persone sarebbero necessari circa 60 trilioni di cellule beta funzionanti.
“Ma se riuscissimo a rendere le cellule più efficienti, forse potremmo dimezzare quel numero”, ha detto Millman. “Siamo molto lontani dal riuscire a farlo, ma quanto più efficienti saranno le cellule beta, tanto più saremo vicini ad aumentare la produzione necessaria per produrre trattamenti”.
In un altro sviluppo, il team di Millman ha impiantato cellule beta derivate da cellule staminali nei topi e ha scoperto che dopo sei mesi, molte delle carenze identificate in tali cellule venivano corrette semplicemente collocando le cellule in un ambiente naturale, anziché in una piastra di coltura. in laboratorio, suggerendo che i problemi legati alla cromatina nelle cellule beta derivate dalle cellule staminali sono risolvibili.
La Washington University ha concesso in licenza la proprietà intellettuale di Millman a Sana Biotechnology con l’obiettivo di rendere disponibili ai pazienti le future terapie per il diabete derivate da cellule staminali.
“Il diabete è una malattia cronica devastante”, ha detto Millman. “Per molti anni, il nostro obiettivo è stato quello di aiutare le persone con diabete a produrre la propria insulina in risposta al glucosio. Questi risultati ci portano un passo avanti verso tale obiettivo.”
In un’ulteriore ricerca, gli studiosi coinvolti hanno convertito cellule staminali umane in cellule produttrici di insulina e hanno dimostrato nei topi infusi con tali cellule che i livelli di zucchero nel sangue possono essere controllati e il diabete curato funzionalmente per nove mesi.
I risultati, dei ricercatori della Washington University School of Medicine di St. Louis, sono stati pubblicati online sulla rivista Nature Biotechnology .
“Questi topi avevano un diabete molto grave con valori di zucchero nel sangue superiori a 500 milligrammi per decilitro di sangue – livelli che potrebbero essere fatali per una persona – e quando abbiamo somministrato ai topi le cellule che secernevano insulina , entro due settimane i loro livelli di glucosio nel sangue erano aumentati. ritornarono alla normalità e rimasero così per molti mesi,” ha detto il ricercatore principale Jeffrey R. Millman, Ph.D., assistente professore di medicina e di ingegneria biomedica alla Washington University.
Diversi anni fa, gli stessi ricercatori hanno scoperto come convertire le cellule staminali umane in cellule beta pancreatiche che producono insulina. Quando tali cellule incontrano lo zucchero nel sangue, secernono insulina. Tuttavia, il lavoro precedente aveva i suoi limiti e non era riuscito a controllare efficacemente il diabete nei topi.
Ora, i ricercatori hanno dimostrato che una nuova tecnica da loro sviluppata può convertire in modo più efficiente le cellule staminali umane in cellule produttrici di insulina che controllano più efficacemente lo zucchero nel sangue.
“Un problema comune quando si tenta di trasformare una cellula staminale umana in una cellula beta che produce insulina – o in un neurone o in una cellula cardiaca – è che si producono anche altre cellule che non si vogliono”, ha detto Millman. “Nel caso delle cellule beta, potremmo ottenere altri tipi di cellule del pancreas o del fegato .”
Le cellule del pancreas e del fegato fuori bersaglio non danneggiano nulla quando vengono impiantate in un topo, ma non combattono nemmeno il diabete.
“Più cellule fuori bersaglio si ottengono, meno cellule rilevanti dal punto di vista terapeutico si hanno”, ha detto. “Abbiamo bisogno di circa un miliardo di cellule beta per curare una persona dal diabete. Ma se un quarto delle cellule che produciamo sono in realtà cellule del fegato o di altre cellule del pancreas, invece di aver bisogno di un miliardo di cellule, avrai bisogno di 1,25 miliardi di cellule. curare la malattia è il 25% più difficile.”
Usando la nuova tecnica, il team di Millman ha scoperto che venivano prodotte molte meno cellule fuori bersaglio mentre le cellule beta prodotte avevano una funzione migliorata. La tecnica prende di mira l’impalcatura interna delle cellule, chiamata citoscheletro. Il citoscheletro è ciò che dà forma a una cellula e consente alla cellula di interagire con l’ambiente circostante, convertendo segnali fisici in segnali biochimici.
“È un approccio completamente diverso, fondamentalmente diverso nel modo in cui lo affrontiamo”, ha detto. “In precedenza, identificavamo varie proteine e fattori e li spargevamo sulle cellule per vedere cosa sarebbe successo. Poiché abbiamo compreso meglio i segnali, siamo stati in grado di rendere quel processo meno casuale.”
Comprendere questo processo ha permesso al team di Millman di produrre più cellule beta. È importante sottolineare che la nuova tecnica funziona in modo efficiente con cellule staminali provenienti da molteplici fonti diverse, ampliando notevolmente la capacità di questa tecnica nello studio della malattia.
“Siamo stati in grado di produrre più cellule beta e quelle cellule hanno funzionato meglio nei topi, alcuni dei quali sono rimasti curati per più di un anno”, ha detto Millman. ”
Ha spiegato che c’è ancora molto da fare prima che questa strategia possa essere utilizzata per curare le persone affette da diabete. Dovranno testare le cellule per periodi di tempo più lunghi in modelli animali più grandi e lavorare per automatizzare il processo per avere qualche speranza di produrre cellule beta che possano aiutare milioni di persone che attualmente necessitano di iniezioni di insulina per controllare il loro diabete . Ma la ricerca continua.
Segnalando un potenziale nuovo approccio al trattamento del diabete, i ricercatori della Washington University School of Medicine di St. Louis e dell’Università di Harvard hanno prodotto cellule che secernono insulina da cellule staminali derivate da pazienti con diabete di tipo 1.
Le persone con questa forma di diabete non possono produrre la propria insulina e necessitano di iniezioni regolari di insulina per controllare il livello di zucchero nel sangue. La nuova scoperta suggerisce che potrebbe essere all’orizzonte un approccio terapeutico personalizzato al diabete, che si basi sulle cellule staminali dei pazienti per produrre nuove cellule che producono insulina.
I ricercatori hanno dimostrato che le nuove cellule potevano produrre insulina quando incontravano lo zucchero. Gli scienziati hanno testato le cellule in coltura e nei topi e in entrambi i casi hanno scoperto che le cellule secernevano insulina in risposta al glucosio.
“In teoria, se potessimo sostituire le cellule danneggiate in questi individui con nuove cellule beta pancreatiche , la cui funzione primaria è immagazzinare e rilasciare insulina per controllare la glicemia, i pazienti con diabete di tipo 1 non avrebbero più bisogno di iniezioni di insulina”, ha affermato il primo. autore Jeffrey R. Millman, PhD, assistente professore di medicina e ingegneria biomedica presso la Washington University School of Medicine.
“Le cellule che abbiamo prodotto rilevano la presenza di glucosio e secernono insulina in risposta. E le cellule beta svolgono un lavoro molto migliore nel controllare lo zucchero nel sangue rispetto ai pazienti diabetici.”
Millman, il cui laboratorio si trova nella Divisione di Endocrinologia, Metabolismo e Ricerca sui Lipidi, ha iniziato la sua ricerca mentre lavorava nel laboratorio di Douglas A. Melton, PhD, ricercatore dell’Howard Hughes Medical Institute e co-direttore dello Stem Cell Institute di Harvard. Lì, Millman aveva utilizzato tecniche simili per produrre cellule beta da cellule staminali derivate da persone che non avevano il diabete. In questi nuovi esperimenti, le cellule beta provenivano da tessuti prelevati dalla pelle di pazienti diabetici.
” C’erano stati dubbi sulla possibilità di produrre queste cellule da persone con diabete di tipo 1″, ha spiegato Millman. “Alcuni scienziati pensavano che, poiché il tessuto proveniva da pazienti diabetici, potrebbero esserci difetti che ci impediscono di aiutare le cellule staminali a differenziarsi in cellule beta. Si scopre che non è così.”
Millman ha affermato che sono necessarie ulteriori ricerche per garantire che le cellule beta prodotte da cellule staminali derivate dai pazienti non causino lo sviluppo di tumori, un problema emerso in alcune ricerche sulle cellule staminali, ma non ci sono prove di tumori nel topo. studi, anche fino a un anno dopo l’impianto delle cellule.
Ha detto che le cellule beta derivate dalle cellule staminali potrebbero essere pronte per la ricerca umana in tre o cinque anni. A quel tempo, Millman prevede che le cellule verrebbero impiantate sotto la pelle dei pazienti diabetici con una procedura chirurgica minimamente invasiva che consentirebbe alle cellule beta di accedere al flusso sanguigno del paziente.
“Quello che stiamo immaginando è una procedura ambulatoriale in cui una sorta di dispositivo riempito con le cellule verrebbe posizionato appena sotto la pelle”, ha detto.
L’idea di sostituire le cellule beta non è nuova. Più di due decenni fa, i ricercatori della Washington University Paul E. Lacy, MD, PhD, ora deceduto, e David W. Scharp, MD, iniziarono a trapiantare tali cellule in pazienti con diabete di tipo 1. Ancora oggi, in diversi studi clinici, ai pazienti è stato somministrato un trapianto di cellule beta con un certo successo. Tuttavia, quelle cellule provengono dal tessuto pancreatico fornito da donatori di organi. Come per tutti i tipi di donazione di organi, la necessità di cellule beta delle isole per le persone con diabete di tipo 1 supera di gran lunga la loro disponibilità.
Millman ha affermato che la nuova tecnica potrebbe essere utilizzata anche in altri modi. Poiché questi esperimenti hanno dimostrato che è possibile produrre cellule beta dal tessuto di pazienti con diabete di tipo 1, è probabile che la tecnica funzioni anche in pazienti con altre forme della malattia, tra cui il diabete di tipo 2, il diabete neonatale e la sindrome di Wolfram. Allora sarebbe possibile testare gli effetti dei farmaci antidiabetici sulle cellule beta dei pazienti affetti da varie forme della malattia.
