Human pluripotent stem cell-based microtechnologies for in vitro modeling of cardiac diseases

Le cellule pluripotenti umane stanno velocemente emergendo come strumenti fondamentali nella ricerca in vitro. In particolare, l’avvento delle cellule pluripotenti indotte ha aperto nuovi orizzonti sullo studio e la modellazione delle malattie umane e lo screening di approcci terapeutici. La possibilità di avere in coltura cellule di origine umana provenienti da tessuti da cui è difficile ottenere campioni bioptici, ha permesso di delineare nuove prospettive di studi in vitro per tessuti come il cervello, il pancreas o il cuore. Specialmente in quest’ultimo caso, il bisogno di nuovi modelli di studio è esaltato dall’impatto che le malattie cardiache hanno sulla sanità e sull’economia mondiali, a cui i modelli di studio tradizionali non riescono a far fronte in modo efficace. L’oggetto di studio di questa tesi di dottorato sono i cardiomiociti umani derivati per differenziamento da cellule staminali pluripotenti e la loro applicazione come modello di studio del tessuto cardiaco. In particolar modo, ci si è focalizzati sul loro fenotipo, ritenuto precoce ed immaturo rispetto al cardiomiocita adulto, che limita enormemente il loro impiego in campo medico e scientifico, impedendo il pieno sviluppo del loro potenziale. Dopo aver introdotto i modelli sperimentali attualmente impiegati nello studio di patologie cardiache, verranno descritte le principali caratteristiche delle cellule pluripotenti umane (hPSC) e dei loro derivati cardiaci (hPSC-CM). Successivamente, l’attenzione verrà focalizzata su due caratteristiche fondamentali che descrivono la fisiologia di un cardiomiocita: l’organizzazione strutturale della cellula legata alla sua funzionalità ed il suo profilo metabolico. In entrambe queste categorie, i hPSC-CM vengono spesso paragonati a cellule cardiache fetali, lontane in termini di sviluppo dal fenotipo del cardiomiocita adulto. L’organizzazione ultrastrutturale di una cellula cardiaca è strettamente correlata con la sua capacità funzionale: nei cardiomiociti adulti si assiste ad una perfetta concertazione spazio-temporale di diverse componenti molecolari la cui azione coordinata permette alle cellule del cuore di svolgere l’attività contrattile. Nel Capitolo 2 di questa tesi, vengono impiegati biomateriali e substrati micro- ingegnerizzati per studiare i meccanismi molecolari che promuovono la maturazione strutturale e funzionale dei cardiomiociti umani in vitro, rendendoli così più vicini fenotipicamente ad una cellula adulta su cui svolgere studi farmacologici e di modellazione di patologie. Il metabolismo cardiaco è una caratteristica altrettanto unica e caratterizzante per un cardiomiocita, essendosi adattato ad sostenere un’attività costante ed energicamente dispendiosa com’è la generazione di forza meccanica. Nel Capitolo 3 viene descritto il metabolismo di un cardiomiocita e viene proposta una nuova piattaforma microfluidica da utilizzare per la validazione di protocolli di maturazione metabolica in vitro. Con il saggio funzionale messo a punto viene inoltre dimostrato come l’induzione di un metabolismo maturo è possibile attraverso la variazione dei substrati energetici presenti nel mezzo di coltura. Infine, in prospettiva dell’applicazione dei protocolli di maturazione descritti nei capitoli precedenti a colture cardiache umane, nel Capitolo 4 viene presentato l’allestimento di due modelli cellulari di patologie genetiche: la distrofia muscolare di Duchenne e la cardiomiopatia aritmogena del ventricolo destro. Vengono presentati e caratterizzati cardiomiociti umani derivati per differenziamento da cellule hiPS di pazienti affetti, mostrando come i cardiomiociti in coltura presentino il fenotipo molecolare aberrante caratterizzante le malattie prese in esame. Si fornisce, così, un modello cellulare cardiaco umano che può trovare impiego nella modellazione in vitro delle due patologie.