Differentiation potential and metabolic analysis of satellite cells and amniotic fluid stem cells

Il nostro gruppo ha recentemente caratterizzato due distinte popolazioni di cellule satelliti, classificate come cloni a bassa proliferazione (LPC) e ad alta proliferazione (HPC), che si differenziano in termini di proliferazione, potenziale rigenerativo e metabolismo mitocondriale. Nel mio lavoro di dottorato, abbiamo valutato e caratterizzato la loro biologia cellulare con particolare attenzione a quelle differenze intrinseche presenti anche prima della loro clonazione. Infatti, ambo le tipologie clonali possono essere distinte mediante il potenziale di membrana mitocondriale (ΔΨm) subito dopo l’isolamento dalla fibra. Questo dato è in accordo con lo stato ossido riduttivo mitocondriale misurato tramite NAD+/NADH e la quantificazione della produzione di CO2. Questi risultati sono responsabili delle differenze metaboliche e possono essere spiegati dalla diversa espressione dell’enzima glicolitico Pfkfb3. Inoltre la concentrazione mitocondriale del Ca2+ e la sensibilità all’apoptosi sono modificate così come la dimensione della rete mitocondriale. In conclusione, siamo stati in grado di determinare quale clone rappresenta la cellula staminale all’interno della popolazione di cellule satelliti. Queste nuove osservazioni sperimentali rivelano caratteristiche fisiologiche della biologia delle popolazioni delle cellule satelliti prima e dopo la clonazione, mettendo in luce un’eterogeneità intrinseca della cellula satellite. Nella seconda parte della mia tesi abbiamo esplorato la possibilità che le cellule satelliti possano, se opportunamente stimolate, trans-differenziarsi in cellule muscolari lisce. Il sistema nervoso enterico normalmente interagisce con le cellule muscolari per controllare l’attività peristaltica e secretoria della parete intestinale. L’incompleta colonizzazione dell’intestino da parte delle cellule della cresta neurale provoca la malattia di Hirschsprung, caratterizzata da aganglionosi del colon distale. Le neurosfere (NLBs), precursori enterici in grado di auto-rinnovarsi, possono generare neuroni e glia; essere isolate dall’intestino di topi, ratti e umani e sono in grado di colonizzare l'intestino dopo il trapianto. Il nostro obiettivo è di capire la relazione tra i precursori di cellule satelliti (MPCs) e NLBs utilizzando un modello in vitro di co-coltura: questo sarà utile in prospettiva di un approccio di ingegneria tissutale per la rigenerazione intestinale e muscolo scheletrico. I nostri dati hanno evidenziato che NLBs, in presenza di MPCs, sono in grado di formare nuovi miotubi. L’uso di terreni di coltura miogenici ha evidenziato un notevole aumento della differenziazione in senso muscolare, promuovendo la formazione di striature ed aumentando l’espressione di desmina. Dall’altra parte, l’utilizzo di terreni di coltura neurogenici ha mostrato un fenotipo simil neurale. Come prospettive future, dobbiamo comprendere ulteriormente la relazione tra MPCs e NLBs e se le sinapsi sono coinvolte in questo processo; si deve verificare se un loro utilizzo su polimeri biocompatibili ne possa influenzare il comportamento, ed infine è necessaria una conferma dei suddetti dati tramite un’analisi di differenziazione in vivo in muscolo scheletrico e liscio. Nella terza ed ultima fase del mio lavoro, ci siamo focalizzati ad esplorare la possibilità che cellule non-muscolari possano, se opportunamente stimolate, differenziare in senso muscolare liscio. Il nostro obiettivo è stato quello di ottenere cellule muscolari lisce (SMCs) partendo da cellule staminali del fluido amniotico umano (hAFSC). hAFSC sono state trasdotte utilizzando un virus codificante per ZsGreen sotto il promotore αSMA. SMhAFSC così ottenute hanno evidenziate un alto livello d’espressione dei geni del muscolo liscio (come αSMA, desmina, calponina e smoothelin). Queste caratteristiche sono state confermate da molteplici analisi: di immunofluorescenza, dimostrando la positività a marcatori specifici per il muscolo liscio; microscopia a trasmissione elettronica (TEM), dove si verificava l’aumento della presenza di filamenti intermedi, di corpi densi e depositi di glicogeno, modello simile rispetto alle SMCs. Analisi in timelapse di SMhAFSC hanno dimostrato che queste possiedono un potenziale contrattile superiore rispetto hAFSC e studi su singola cellula hanno evidenziato la presenza di canali calcio voltaggio-dipendenti attivati da potassio solamente su SMhAFSC. In conclusione, siamo stati in grado di generare di cellule muscolari lisce funzionali da un precursore nonmuscolare ed in secondo luogo il processo di trasduzione può rappresentare un valido strumento per distinguere e selezionare differenti popolazioni. Questa fase può eventualmente superare il ben noto problema dell’espansione di progenitori di cellule muscolari lisce, rendendo queste cellule suscettibili per approcci d’ingegneria tessutale.