Micro-engineered skeletal and cardiac muscle for Duchenne muscular dystrophy in vitro models

La distrofia muscolare di Duchenne è una delle più frequenti e severe patologie genetiche neuromuscolari che affliggono la funzionalità del muscolo scheletrico e cardiaco. Il gene codificante la distrofina, proteina la cui mutazione è alla base della patologia, è stato scoperto più di vent’anni fa. Da allora, notevoli progressi sono stati compiuti nella comprensione della patogenesi di questa malattia e diverse strategie sperimentali volte al suo trattamento sono state testate, sia in vitro su convenzionali colture cellulari che in vivo su diversi animali modello. Tuttavia, eccezione fatta per alcuni promettenti risultati recentemente ottenuti in trials clinici, ad oggi non vi è ancora una cura efficace e definitiva in grado di alterare o rallentare la progressione di questa patologia, il cui tasso di mortalità è pari al 100%. In tale contesto, lo scopo di questa tesi di dottorato è quello di sviluppare dei modelli in vitro micro-ingegnerizzati di muscolo scheletrico e cardiaco umano, che siano rappresentativi dei tessuti distrofici e dunque utili per testare approcci terapeutici volti al ripristino dell’espressione di distrofina. La strategia applicata per l’ottenimento di tali modelli si basa sull’applicazione di tecnologie su microscala per riprodurre in vitro i principali stimoli che guidano il differenziamento e consentono la funzionalità del muscolo scheletrico e cardiaco in vivo. In particolare, le proprietà meccaniche del micro-ambiente e l’organizzazione topologica della coltura cellulare sono stati ottimizzati sia per il muscolo scheletrico che cardiaco. Tali tecnologie su micro-scala sono state accoppiate con un’appropriata fonte cellulare umana. Per l’ingegnerizzazione del muscolo scheletrico sono stati utilizzati mioblasti umani primari derivanti da biopsie di pazienti DMD mentre, per la modellazione del muscolo cardiaco, cellule umane pluripotenti indotte (iPS) sono state differenziate in cardiomiociti paziente-specifici. Entrambi i modelli in vitro di muscolo distrofico ottenuti sono stati validati testando l’abilità di diversi approcci terapeutici nel ripristinarne l’espressione di distrofina. In particolare, tre diversi tipi cellulari miogenici sono stati testati nel muscolo scheletrico distrofico ingegnerizzato. Inoltre, nei cardiomiociti distrofici derivanti da cellule iPS è stato testato il ripristino dell’espressione di distrofina per mezzo di un cromosoma artificiale portante la sua completa sequenza genomica. Da tali risultati emerge come i modelli umani in vitro sviluppati in questo lavoro possano rappresentare un’utile piattaforma su cui effettuare test pre-clinici preliminari di diverse strategie terapeutiche. Inoltre, essi posso potenzialmente essere utilizzati come strumento complementare durante i trials clinici, per testare, ad esempio, diverse preparazioni di cellule destinate al paziente.