Nature

Introduzione: Negli ultimi 10 anni sono stati sviluppati protocolli di differenziazione in vitro che convertono le cellule staminali pluripotenti in cellule β pancreatiche. Avere un protocollo di differenziazione efficace è alla base dello sviluppo di terapie cellulari per il diabete. Una sfida nel produrre qualsiasi tipo di cellula generata in vitro è l'eterogeneità delle cellule ottenute durante il processo; ad ogni fase, infatti, alcune cellule seguono il percorso desiderato, mentre altre se ne allontanano. Per migliorare l'efficienza è importante identificare tutti i tipi di cellule prodotti durante la differenziazione.
Obiettivo dello studio: Definire una mappa dei pathways coinvolti nella differenziazione in cellule β, a supporto di future terapie cellulari per il diabete.
Materiali e metodi: Nello studio si è utilizzato il sequenziamento di RNA a cellula singola (scRNA-seq) seguito da un’analisi computazionale per caratterizzare il profilo trascrizionale di più di 100000 cellule singole, ottenute da diverse fasi del differenziamento da cellula staminale (SC) a β cellula (SC-β).
Risultati: Gli autori mostrano che le cellule SC-β rispondono al glucosio in vitro e mantengono la loro identità in coltura. L’analisi del trascrittoma a singola cellula identifica diversi stadi di maturazione delle cellule β. Sono state individuate innanzitutto delle cellule poli-ormonali, la cui identità è stata finora controversa: gli autori concludono che esse rappresentano cellule α che esprimono solo transitoriamente l'insulina. Nel contesto del trapianto, queste cellule potrebbero migliorare la funzione delle cellule β attraverso segnali autocrini. Viene poi dimostrato che i progenitori che falliscono il processo di induzione endocrina si dirigono verso una differenziazione a cellule del pancreas esocrino. Essendo la contaminante esocrina non positiva in ottica di trapianto, gli autori descrivono una strategia di disaggregazione/riaggregazione delle cellule che consente l’eliminazione delle cellule esocrine. Un tipo cellulare presente, scoperto in maniera inattesa, è quello delle cellule enterocromaffine, normalmente presenti nell’intestino e producenti serotonina. Per eliminare questa componente e arricchire la componente endocrina, viene identificato CD49a come marcatore di superfice delle SC-β, che vengono purificate tramite selezione magnetica.
Conclusione: L'analisi dettagliata degli autori dei dati scRNA-seq ha portato all'identificazione di nuovi marcatori di superficie e pathways che miglioreranno ulteriormente le procedure di differenziazione e purificazione delle cellule dell’isola. Questo studio contribuirà alla produzione di un prodotto terapeutico definito e sicuro, che richiederà che le SC-β siano isolate con un alto livello di purezza e cellule progenitrici proliferative rimosse per evitare il rischio di tumore.
Commento editoriale: Una nuova e infinita fonte di cellule β è fondamentale perché in futuro il diabete si possa curare con una terapia cellulare. Le cellule staminali pluripotenti possono diventare in vitro cellule β, ma questo processo non è del tutto caratterizzato. Il gruppo di Melton, a Harvard, aggiunge un altro fondamentale tassello alla conoscenza di questo processo, tramite un approfondito lavoro di sequenziamento del trascritto ma di decine di migliaia di cellule in differenziamento. Tramite il mappaggio dei passaggi molecolari che le cellule staminali compiono nella differenziazione in cellule simili a isole, il lavoro sviluppa due strategie di miglioramento della differenziazione: la riaggregazione in clusters e la selezione per CD49a. Questi sono solo due esempi di come possano essere utilizzati i dati ottenuti dal sequenziamento, che sono ora a disposizione di tutti, e che senza dubbio verranno utilizzati per gli sforzi futuri per produrre cellule delle isole per il trapianto.

A cura di Valeria Sordi e Margherita Occhipinti

Veres A, Faust AL, Bushnell HL, Engquist EN, Hyoje-Ryu Kenty J, Harb G, Poh YC, Sintov E, Gürtler M, Pagliuca FW, Peterson QP, Melton DA. Charting cellular identity during human in vitro β-cell differentiation. Nature Volume 569, pages368–373 (2019). doi: 10.1038/s41586-019-1168-5