Un modello 3D innovativo migliora la ricerca sul NAFLD

La Steatosi epatica non alcolica (NAFLD) si riferisce a un gruppo di condizioni che colpiscono il fegato. Inizia quando il grasso si accumula nelle cellule del fegato, una condizione nota come steatosi. Se non affrontata, questo può portare a problemi più gravi come infiammazione (steatoepatite), cicatrici (Fibrosi), cirrosi e infine insufficienza epatica o cancro. L'aumento del numero di persone con obesità e disturbi metabolici sta causando un incremento dei casi di NAFLD. Nei paesi sviluppati, circa il 30% della popolazione potrebbe avere NAFLD.

Attualmente, le ragioni dietro la NAFLD non sono completamente conosciute e non ci sono trattamenti efficaci per rallentare il suo progresso. L'attenzione principale per il trattamento è sui cambiamenti dello stile di vita, come dieta e esercizio fisico. Se la malattia diventa grave, un trapianto di fegato potrebbe essere l'unica opzione, rendendo la NAFLD una delle principali cause di trapianti di fegato.

#Le cellule coinvolte nella NAFLD

La NAFLD non riguarda solo le cellule del fegato; coinvolge vari tipi di cellule. Quando il grasso si accumula nelle cellule epatiche, causa danni e attiva una risposta da parte di altre cellule nel fegato. Queste includono i colangiociti, le cellule stellate epatiche (HSC) e le cellule di Kupffer. Queste cellule non parenchimali (NPC) svolgono un ruolo significativo nel modo in cui la malattia si sviluppa e progredisce. Quando le cellule epatiche diventano stressate a causa dell'accumulo di grasso, possono causare infiammazione attraverso le cellule immunitarie. Questo processo coinvolge anche la fibrosi, in cui il tessuto cicatriziale si forma a causa delle azioni delle HSC e la risposta dei colangiociti.

Per trovare trattamenti efficaci per la NAFLD, è cruciale comprendere come queste cellule interagiscono tra loro.

#Approcci di ricerca per studiare la NAFLD

I ricercatori spesso utilizzano modelli animali per studiare la NAFLD, il che ha aiutato a identificare informazioni importanti sulle cause della malattia. Sono disponibili varie diete e modelli genetici nei topi per questo scopo. Tuttavia, questi modelli non riflettono completamente come la malattia influisca sugli esseri umani e ci sono complicazioni etiche riguardo al loro utilizzo. Di conseguenza, molti scienziati mirano a creare sistemi in vitro basati sull'uomo che possano fornire approfondimenti complementari sulla NAFLD.

Sono emersi diversi modelli in vitro, dimostrando che la NAFLD può essere studiata utilizzando cellule umane. Tuttavia, queste cellule umane primarie sono spesso limitate in numero, rendendo difficile il test di farmaci ad alto rendimento. Al contrario, possono essere utilizzate linee cellulari epatiche trasformate, ma i loro sfondi anomali possono renderle meno rilevanti per comprendere le funzioni metaboliche.

Un'alternativa promettente proviene dalle cellule staminali pluripotenti indotte umane (hiPSC). Queste cellule possono essere trasformate in grandi quantità di vari tipi di cellule epatiche, inclusi gli epatociti, i macrofagi e i colangiociti. Le cellule simili agli epatociti (HLC) derivate da hiPSC mostrano caratteristiche importanti simili alle cellule epatiche naturali. Possono anche essere prodotte da vari campioni di pazienti, rendendole utili per studiare le malattie epatiche.

#Sviluppo di un nuovo modello 3D per la NAFLD

Per affrontare le limitazioni dei modelli precedenti, i ricercatori hanno sviluppato una nuova piattaforma in vitro 3D che assomiglia da vicino alla struttura e alla funzione del fegato. Questa piattaforma combina HLC con NPC in una matrice di collagene per creare un ambiente epatico più realistico. Le cellule cresciute in questo setup possono auto-organizzarsi, mimando l'architettura del fegato e mantenendo le loro proprietà essenziali per periodi prolungati.

Utilizzando questo nuovo modello, i ricercatori hanno studiato la NAFLD e sono stati in grado di replicare vari aspetti della malattia, incluso l'accumulo di lipidi nelle cellule epatiche e la risposta delle NPC. Analisi approfondite di RNA e lipidi hanno rivelato un modello di espressione genica negli HLC coerente con la NAFLD, mentre le NPC mostravano segni di infiammazione e fibrosi. Questa nuova piattaforma rappresenta un significativo passo avanti nella modellizzazione della NAFLD, fornendo nuove strade per studiare come si sviluppa la malattia e identificare potenziali nuove terapie.

#Tecniche di coltura cellulare

Gli HLC sono stati generati dalla linea di hiPSC e coltivati utilizzando tecniche specifiche. Queste cellule sono state mantenute su piastre appositamente rivestite e cresciute in un mezzo definito con additivi come TGFβ1 e FGF2. Per creare un ambiente 3D, gli HLC sono stati collocati in RAFT, che ha permesso loro di crescere in modo da imitare le strutture epatiche.

Le NPC, inclusi i colangiociti e le HSC, sono state anch'esse incorporate nelle colture 3D. Sono stati utilizzati diversi rapporti di HLC e NPC per riflettere meglio l'ambiente naturale del fegato. Il mezzo di coltura è stato integrato per supportare la salute e la crescita di tutti i tipi di cellule.

#Analisi della risposta degli HLC nelle colture 3D

I ricercatori hanno valutato come gli HLC mantenessero le loro caratteristiche nel tempo nelle colture 3D. Gli HLC hanno mostrato l'espressione di diversi marcatori epatici critici, indicando che hanno mantenuto la loro identità e funzionalità. In particolare, le cellule hanno mostrato una maturità funzionale migliorata e sono state capaci di produrre proteine essenziali come l'albumina.

Lo studio ha anche esplorato come la presenza di acidi grassi influisca sugli HLC nelle colture 3D. L'esposizione all'acido oleico ha portato a un significativo accumulo di lipidi nelle cellule, mentre l'acido palmitico ha causato stress cellulare più severo e ridotto la vitalità. I risultati suggeriscono che l'ambiente della coltura 3D gioca un ruolo cruciale nel migliorare la capacità delle cellule di accumulare grasso e rispondere allo stress lipidotossico.

#Analisi trascrittomica e lipidomica degli HLC

Per indagare ulteriormente l'impatto degli acidi grassi sugli HLC, i ricercatori hanno effettuato analisi trascrittomiche. Queste analisi hanno rivelato modelli distinti di espressione genica negli HLC esposti agli acidi grassi. Vari geni associati al metabolismo dei lipidi, al ciclo cellulare e all'infiammazione sono stati influenzati dai trattamenti, specialmente dopo un'esposizione prolungata all'acido palmitico.

Le analisi lipidomiche hanno mostrato che i trattamenti con acidi grassi hanno alterato i profili lipidici degli HLC, indicando cambiamenti coerenti con la NAFLD. Ad esempio, le cellule trattate con acido oleico mostrano specifiche specie lipidiche associate alla steatosi, mentre le cellule trattate con acido palmitico mostrano caratteristiche di lipotossicità.

#Risposte delle cellule non parenchimali nelle colture 3D

Oltre a studiare le cellule epatiche, i ricercatori si sono concentrati anche sulle NPC nelle colture 3D. Gli organoidi di colangiociti, le HSC e i macrofagi sono stati incorporati nel modello per imitare il complesso ambiente cellulare del fegato. Ogni tipo di NPC ha mantenuto la propria identità e caratteristiche funzionali nel tempo nella struttura 3D.

Le risposte delle NPC a vari stimoli sono state esaminate. Le HSC, in particolare, sono state valutate per il loro stato di attivazione e la risposta fibrotica quando stimolate con fattori come TGFβ1. I ricercatori hanno scoperto che le NPC subivano cambiamenti in base al loro ambiente, evidenziando l'importanza delle interazioni cellulari nel processo della malattia.

#Co-colture 3D complesse e interazioni cellulari

Per creare un modello più completo per la NAFLD, i ricercatori hanno stabilito condizioni per co-coltivare HLC con varie NPC, permettendo alle cellule di interagire naturalmente. Questo approccio ha portato a miglioramenti nell'organizzazione complessiva delle strutture cellulari, promuovendo una rappresentazione più realistica del fegato.

L'ambiente di co-coltura 3D ha permesso agli HLC di circondare le strutture dei colangiociti, mentre le HSC e i macrofagi si sono disposti intorno ai gruppi di HLC. Questa auto-organizzazione è fondamentale per studiare come le cellule comunicano e rispondono a lesioni in modo che rifletta l'ambiente nativo del fegato.

#Indagare gli effetti degli acidi grassi sulle cellule co-coltivate

I ricercatori hanno testato gli effetti combinati degli acidi grassi sulle cellule co-coltivate per comprendere come rispondono in un ambiente integrato. Gli HLC hanno mostrato segni di accumulo di lipidi, in particolare quando esposti all'acido oleico. Quando influenzati dall'acido palmitico, gli HLC hanno mostrato dedifferenziazione e morte cellulare, il che suggerisce un impatto distinto basato sul tipo di acido grasso.

In effetti, le NPC, specialmente le HSC, sembravano proliferare e diventare attivate in risposta agli HLC circostanti durante il trattamento con acidi grassi. È stata osservata anche la secrezione di citochine pro-infiammatorie e profibrotiche come TNFα e IL6, indicando che le interazioni tra i diversi tipi di cellule svolgono un ruolo vitale nella progressione della NAFLD.

#L'importanza del nuovo modello

Lo sviluppo di questa nuova piattaforma multicellulare rappresenta un significativo avanzamento nello studio della NAFLD. Consentendo ai ricercatori di imitare le interazioni naturali tra cellule epatiche e NPC, il modello fornisce approfondimenti sui processi cellulari coinvolti nella progressione della malattia.

Questa piattaforma affronta molte limitazioni dei modelli esistenti fornendo una fonte continua di cellule che riflettono meglio la complessità delle malattie epatiche. I risultati degli studi condotti utilizzando questo modello possono portare a una migliore comprensione dei meccanismi che guidano la NAFLD e aiutare a identificare nuovi obiettivi terapeutici.

#Direzioni future

Sebbene lo studio attuale abbia fatto progressi sostanziali, ci sono ancora opportunità di miglioramento. Gli esperimenti futuri potrebbero concentrarsi sull'inclusione di cellule endoteliali, che si sa svolgono ruoli essenziali nella patologia epatica. I ricercatori potrebbero anche esplorare la creazione di piattaforme completamente derivate da una singola linea di hiPSC, il che potrebbe migliorare la coerenza e l'affidabilità dei risultati.

In generale, questo approccio innovativo apre nuove strade per indagare le malattie epatiche. Fornisce uno strumento robusto per esaminare come le cellule epatiche e le NPC interagiscano nel contesto della NAFLD, con il potenziale di scoprire nuovi meccanismi coinvolti nella malattia e facilitare lo sviluppo di terapie mirate.