Avanzare la ricerca sul Parkinson con colture cellulari 3D

Negli ultimi anni la maggior parte dei farmaci progettati per trattare i disturbi neurodegenerativi non sono riusciti a produrre gli effetti desiderati nella fase di sperimentazione clinica. Ciò indica una forte incapacità dei test convenzionali di coltura 2D e dei modelli animali di replicare la fisiopatologia umana, producendo quindi dati intraducibili. A questo proposito, le colture cellulari 3D hanno consentito di colmare il divario, fornendo piattaforme in grado di imitare gli ambienti cellulari, le interazioni neuronali e gliali e gli effetti del flusso sanguigno nel cervello e, quindi, fornendo dati predittivi utili per percorsi clinici ( 1).

Malattie neurodegenerative

Le malattie neurodegenerative sono malattie croniche e progressive caratterizzate dal declino della funzione cerebrale e dall'eventuale perdita dell'attività neuronale che causa deficit cognitivi e perdita della funzione motoria. Attualmente non esistono cure e hanno un impatto negativo sulla qualità della vita degli individui colpiti e della società, con conseguente onere sempre crescente sui sistemi sanitari globali (2).

Morbo di Parkinson (PD)

Identificato principalmente come disturbo del movimento, il morbo di Parkinson è caratterizzato dalla perdita della materia grigia profonda, dovuta alla perdita di neuroni nella substantia niagra, con conseguente carenza di dopamina nei gangli della base. È noto che colpisce circa l'1-2% delle persone di età superiore ai 65 anni in tutto il mondo. I sintomi sono bradicinesia, rigidità, tremori a riposo e instabilità della postura accompagnati da sintomi non motori come disturbi del sonno, costipazione, demenza e deficit cognitivi e olfattivi. La patologia tissutale rivela livelli elevati di inclusioni proteiche note come corpi di Lewy o neuriti di Lewy rispettivamente all'interno del corpo e dei processi cellulari neuronali. Attualmente l'eziologia molecolare della malattia di Parkinson rimane sconosciuta e di conseguenza le strategie terapeutiche si limitano alla gestione dei sintomi motori (3). La maggior parte dei farmaci che hanno avuto buoni risultati durante le fasi precliniche, non hanno avuto successo durante gli studi clinici di fase 2 e 3. Ciò è dovuto principalmente alla mancata comprensione dell’eziologia molecolare della malattia di Parkinson, causata dalla mancanza di modelli rappresentativi. Pertanto strumenti sperimentali come le culture 3D hanno un disperato bisogno di facilitare il progresso nella comprensione della malattia di Parkinson e la scoperta di misure terapeutiche efficaci.

Modelli di colture cellulari 3D per studi sulla PD

Le cellule di neuroblastoma umano (SH-SY5Y) sono una linea cellulare popolare utilizzata per la malattia di Parkinson, poiché è in grado di produrre neuroni doperminergici tipici della malattia di Parkinson. I modelli 3D dei modelli 5D SH-SY3Y sono sviluppati coltivando queste cellule su una matrice 3D in supporti DMEM. Una volta differenziate, le cellule vengono esposte all'α-sincleina ricombinante per sviluppare lo stato tissutale tipico della PD (4).

Il mesencefalico umano di Lund (LUHMES) è una linea cellulare immortalizzata utilizzata anche per la ricerca sulla malattia di Parkinson. Queste cellule sono in grado di ricreare un sistema fisiologicamente rilevante con l'ulteriore vantaggio di colture su larga scala con buona consistenza da lotto a lotto (5). Negli ultimi dieci anni, le cellule LUHMES sono state utilizzate come piattaforma di coltura cellulare 3D per studi di neurotossicità utilizzando la tecnica di scuotimento rotatorio, in cui le cellule vengono agitate in modo continuo, facilitando la formazione di aggregati sferoidali, con astrociti, neuroni, oligodendrociti e microglia. Questo sistema ha portato alla formazione di un fenotipo simile ai neuroni primari, accompagnato dalla formazione naturale della matrice extracellulare e dalla maturazione di sistemi con mielinizzazione e sinaptogenesi di astrociti, neuroni e oligodendrociti (6). Altri modelli 3D disponibili includono sfere neuroectodermiche umane 3D (hNES) che sono state utilizzate per sviluppare un modello ad alto rendimento utilizzando un bioreattore microfluidico e modelli organoidi del mesencefalo umano sviluppati da iPSC (7-8). Con un’ampia gamma di modelli diversi, le culture 3D continuano a essere uno strumento essenziale per la convalida degli obiettivi e per colmare il divario tra modelli animali e umani e, in ultima analisi, nello sviluppo di opzioni di trattamento personalizzate.

Riferimenti

1. Slanzi A, Iannoto G, Rossi B, Zenaro E e Constantin G (2020) In vitroModelli di malattie neurodegenerative.  Sviluppo cellulare Biol. 8: 328.
2. Heemels, M.-T. (2016). Malattie neurodegenerative. Natura539:179. doi: 10.1038/539179a
3. Poewe, W., Seppi, K., Tanner, CM, Halliday, GM, Brundin, P., Volkmann, J., et al. (2017). Morbo di Parkinson.  Rev. Dis. Primer3:17013. doi: 10.1038/nrdp.2017.13
4. Xicoy, H., Wieringa, B. e Martens, GJ (2017). La linea cellulare SH-SY5Y nella ricerca sulla malattia di Parkinson: una revisione sistematica.  Neurodegeneratore.12: 10.
5. Harischandra DS, Rokad D., Ghaisas S., Verma S., Robertson A., Jin H. et al. (2019). Differenziazione migliorata del modello di cellule neuronali dopaminergiche umane per la ricerca traslazionale preclinica nella malattia di Parkinson.  Biofisica. Acta Mol. Base Dis.1866: 165533.
6. Smirnova, L., Harris, G., Delp, J., Valadares, M., Pamies, D., Hogberg, HT, et al. (2016). Un modello neuronale dopaminergico LUHMES 3D per test di neurotossicità che consente l'esposizione a lungo termine e l'analisi della resilienza cellulare.  Tossico.90, 2725-2743.
7. Kane, KIW, Moreno, EL, Hachi, S., Walter, M., Jarazo, J., Oliveira, MAP, et al. (2019). Coltura cellulare microfluidica automatizzata di neuroni dopaminergici derivati ​​da cellule staminali.  Rappresentante.9: 1796.
8. Smits, LM, Reinhardt, L., Reinhardt, P., Glatza, M., Monzel, AS, Stanslowsky, N., et al. (2019). Modellazione della malattia di Parkinson in organoidi simili al mesencefalo. NPJ Parkinson Dis.5: 5.
9. Lopes, Fernanda & Bristot, Ivi & Motta, Leonardo & Parsons, Richard & Klamt, Fábio. (2017). Imitare la malattia di Parkinson in un piatto: meriti e insidie ​​​​dei modelli dopaminergici in vitro più comunemente usati. Medicina neuromolecolare. 19/s10.1007-12017-017-x.