I modelli biologici di riferimento della ricerca scientifica hanno come obiettivo quello di studiare la complessità dei sistemi biologici e di valutare le reazioni metaboliche nel tempo. Tra questi, i principali sono due: i modelli in-vitro e i modelli in-vivo. I primi studiano colture cellulari bidimensionali, accuratamente controllate in ambienti chimici e fatte proliferare mediante fattori di crescita e proteine, e organismi in vivo, quali, ad esempio, il lievito e i topi, che replicano, solo in parte, la fisiologia e il funzionamento dell’organismo umano.
Tra le principali applicazioni dell’ingegneria tessutale, l’organoide si considera come un promettente modello di riferimento in vitro per l’analisi e la modellizzazione di patologie degli organi adulti umani. La grande potenzialità dell’organoide risiede nella capacità di simulare le caratteristiche, oltre che dei tessuti, di un vero e proprio organo in miniatura. Una delle prime applicazioni degli organoidi è la modellizzazione delle malattie e lo studio dei meccanismi patologici riguardanti gli organi stessi. A questo si collega, naturalmente, la creazione di vere e proprie “biobanche di organoidi”, ovvero, collezione di organoidi umani per studiare le variabilità genetiche. Ancor più rilevante è l’applicazione nel campo della medicina personalizzata: in merito alla rigenerazione e trapianti tessutali, nonché ad una possibile sostituzione autologa del tessuto patologico mediante una correzione in vitro.
Dal lavoro di ricerca condotto dell’Università Tecnica di Monaco, si può evincere la funzionalità degli organoidi e del loro promettente uso finalizzato allo studio dei funzionamenti patologici di organi. Nello specifico, il team ha sfruttato tale coltura tridimensionale per implementare dei “piccoli cuori” totalmente innovativi perché riescono a modellare le principali caratteristiche di comportamento disfunzionale cardiaco. Gli stessi organoidi potrebbero ricoprire un ruolo fondamentale anche nella medicina dello sviluppo: potrebbero essere sfruttati per garantire una differenziazione delle cellule derivabili dal tessuto epicardico in cardiomiociti; inoltre, potrebbero favorire anche la proliferazione dei cardiomiociti persi a causa degli infarti miocardici.
Gli organoidi dunque sono una coltura tridimensionale estremamente promettente in quanto molto più vicina all’essere umano. Ampliando tale osservazione, si evince come gli organoidi rendano l’analisi sperimentale dell’organogenesi e delle funzionalità degli organi adulti, molto più comprensibile e accessibile rispetto ai modelli 2D finora in uso.
BMP-2: Una Proteina Chiave per la Rigenerazione Ossea
BMP-2, o Bone Morphogenetic Protein 2, è una proteina che è già presente nel corpo umano e che promuove la crescita di nuovo osso. BMP-2 è stata studiata per decenni per la sua notevole capacità di guarire l’osso, eliminando quasi completamente la necessità di utilizzare innesti ossei da altre parti del corpo.
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Recentemente la FDA (Food and Drug Administration Statunitense) ha approvato l'uso della Bone Morphogenetic Protein 2 (BMP-2) nelle procedure di innesto osseo. La BMP-2 è una proteina geneticamente sintetizzata in laboratorio che ha la capacità di far crescere osso dalle stesse cellule del paziente in caso di necessita’ di aumento della quantita’ ossea. La BMP-2 si trova naturalmente nel corpo umano in piccole quantità. Tuttavia, al fine di fornirne quantità clinicamente utili, la BMP-2 è prodotta in speciali laboratori. Durante le procedure di innesto osseo la BMP-2 è usata per stimolare naturalmente la produzione di nuovo osso.
La BMP-2 può essere utilizzata per prevenire la perdita ossea nelle mascelle dopo estrazione, per rigenerare l'osso per impianti dentali o per elevazione del seno mascellare e ricostruzione crestale.
La Scoperta e la Funzione delle Proteine Morfogenetiche Ossee
Una proteina morfogenetica ossea (BMP) è una proteina della famiglia del fattore di crescita trasformante (TGF) che può stimolare la produzione di osso e cartilagine. Le BMP svolgono un ruolo chiave nella formazione delle vertebre embrionali e sembrano anche svolgere un ruolo chiave nel segnalare la disposizione di altri tessuti nel corpo. Il malfunzionamento di quel sistema può causare uno stato di malattia.
La scoperta della proteina morfogenetica ossea è generalmente attribuita al Dr. Marshall Urist nella prima parte degli anni ‘1960. Scoprì che i segmenti di osso demineralizzato e polverizzato provocavano la formazione di nuovo osso quando impiantati in sacchetti di coniglio. Il dottor Urist è colui che ha proposto il termine proteina morfogenetica ossea.
Attualmente sono riconosciuti 20 tipi di proteine morfogenetiche ossee. In origine, ce n’erano solo sette e sei di questi, BMP2-BMP7, erano considerati parte della superfamiglia del fattore di crescita trasformante beta. BMP1 è ciò che è noto come metalloproteasi, che è un enzima il cui processo catalitico coinvolge il metallo. Ogni BMP si trova su un cromosoma specifico.
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Le proteine morfogenetiche ossee funzionano interagendo con i recettori cellulari noti come recettori delle proteine morfogenetiche ossee (BMPR). I BMPR segnalano quindi ad altre proteine chiamate SMAD di indurre la crescita. Questo processo contribuisce allo sviluppo del sistema nervoso centrale (SNC), del cuore e della cartilagine. Contribuisce anche allo sviluppo osseo postnatale.
Queste proteine svolgono tutte un ruolo nella formazione precoce dell’embrione. Se i processi e i segnali che creano vengono interrotti, può influenzare lo sviluppo del sistema scheletrico e il modello generale del corpo. La ricerca ha scoperto che il 70% dell’ipertensione arteriosa polmonare ereditaria è causata dalla mutazione in BMPR2. Mutazioni sui cromosomi, e sulla relativa proteina morfogenetica ossea, possono anche causare anomalie e disturbi dello scheletro. Le malattie cancerose spesso comportano anche un malfunzionamento del sistema di segnalazione BMP.
I membri della proteina morfogenetica ossea si sono rivelati utili nella terapia della colonna vertebrale. Negli Stati Uniti, BMP-2 e BMP-7 hanno ricevuto l’approvazione della Food and Drug Administration (FDA) per l’uso sugli esseri umani perché si è scoperto che aiutano con problemi in cui le strutture ossee soffrono di mancata unione e unione ritardata, due aspetti coinvolti nella il processo di guarigione delle ossa. Possono essere combinati con un impianto osseo da rilasciare gradualmente, in un periodo di settimane, per sostenere la guarigione. Sebbene costosi, i trattamenti BMP possono costare meno nel tempo, tenendo conto del numero di interventi correttivi che possono essere richiesti per le lesioni ossee.
BMP-4 e la Transizione Epitelio-Mesenchimale nelle Vene Varicose
Le malattie venose croniche, comprese le vene varicose, sono caratterizzate da disturbi emodinamici dovuti a difetti valvolari, insufficienza venosa e ortostatismo (posizione eretta del corpo). Studi presenti in letteratura scientifica relativi all'aterogenesi hanno indicato che un disturbo dello shear stress induce la transizione epitelio-mesenchimale (EndMT) nelle arterie. La EndMT è associata alla proliferazione incontrollata delle cellule muscolari lisce (SMC) e al rimodellamento vascolare in diverse malattie, inclusa l'aterosclerosi.
In uno studio del 2021, Latha e colleghi hanno valutato se l’alterazione del flusso sanguigno possa causare la EndMT nelle vene. I risultati di questo studio forniscono evidenze scientifiche di una transizione epitelio-mesenchimale nelle vene varicose isolate da pazienti con malattia venosa cronica (C3) e nelle cellule endoteliali della vena ombelicale umana (HUVEC) soggette in vitro ad alterazione dello shear stress. I marcatori associati ad EndMT erano espressi nelle regioni iperplastiche neointimali delle vene varicose umane.
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Quando le cellule endoteliali venose sono state esposte a diversi regimi di flusso venoso, è stato osservato un aumento dell'induzione di EndMT, anche con disturbi minimi del flusso. I dati hanno rivelato che la segnalazione della proteina morfogenetica ossea 4 (BMP4)-pSMAD5 ha un ruolo chiave nella regolazione dell'EndMT nelle vene varicose e nelle cellule endoteliali venose esposte ad alterazione del flusso. La segnalazione BMP4-pSMAD5 sembra rappresentare un evento precoce e prominente: l’inibizione della sua attività previene l'EndMT nelle cellule esposte ad alterazione del flusso.
Lo shear stress è la forza tangenziale del sangue che scorre sulla superficie endoteliale del vaso sanguigno.
La Ricerca Giapponese sulla Ricrescita dei Denti e il Ruolo di USAG-1 e BMP
L’agenesia dentale è la mancanza congenita di uno o più denti all’interno della bocca. Un problema che colpisce circa il 5 per cento della popolazione e il 10 per cento di bambini. La mancanza di uno o più denti può non solo rendere difficili abilità di base come masticare, deglutire e parlare fin dalla giovane età, ma può anche ripercuotersi negativamente su masticazione, digestione e respirazione. Inoltre, aumenta il rischio di sviluppare all’interno del cavo orale condizioni quali malocclusioni o affollamento dentale.
Ad averlo sviluppato da il team di ricerca guidato dal professor Katsu Takahashi, primario di chirurgia orale presso il Medical Research Institute Kitano Hospital di Osaka (Giappone). A differenza dei rettili e dei pesci, che solitamente sostituiscono regolarmente i loro denti, gli esseri umani e la maggior parte degli altri mammiferi sviluppano solo due serie di denti: quelli "da latte" e quelli "permanenti" che restano per il resto della vita. Tuttavia, secondo Takahashi anche noi nascondiamo sotto le nostre gengive germogli dormienti di una terza generazione di gemme dentarie che, con una terapia appropriata, darebbe vita a nuovi denti.
"Quando il trattamento dei denti non è più possibile a causa di gravi carie o erosione degli alveoli dentali, nota come 'piorrea'- spiega Takahashi, le persone li perdono e devono fare affidamento su apparecchi dentali come le dentiere o gli impianti dentali. "Si tratta di un approccio pionieristico, unico al mondo - spiega Takahashi -. I trattamenti protesici utilizzati per i denti persi a causa di carie, malattie o traumi sono spesso considerati costosi e invasivi.
Nel 2005 i ricercatori giapponesi avevano scoperto che i topi privi di un determinato gene avevano un numero maggiore di denti (una mutazione genetica chiamata 'iperdontia'). Successivamente hanno individuato una proteina chiamata proteina morfogenetica ossea (BMP), sintetizzata dal gene Uterine sensitization-associated gene-1 (USAG-1), in grado di bloccare la crescita soprannumeraria di denti quando la dentatura è completa.
Il farmaco è stato testato nel 2018 su topi e furetti con un numero di denti congenitamente ridotto (agenesia dentale), dimostrando di essere in grado di provocare la comparsa di nuovi denti. Una volta che il farmaco avrà dimostrato di non causare reazioni avverse sul corpo umano, sarà testato in un gruppo di bambini che presenta anodontia (a cui mancano sei o più denti permanenti dalla nascita) per dimostrarne l’efficacia. "Questa condizione ereditaria - ha affermato Takahashi - colpisce circa lo 0,1 percento delle persone che possono avere gravi difficoltà a masticare, e in Giappone spesso trascorrono la maggior parte dell'adolescenza indossando una mascherina per nascondere gli ampi spazi tra le labbra. Questo farmaco potrebbe rappresentare per loro una svolta".
Ciononostante, Takahashi è molto fiducioso e punta a renderla disponibile entro il 2030.
Interazione tra MGP, Fosforo, Calcio e Magnesio
La proteina Gla di Matrice vitamina K-dipendente (MGP: Matrix Gla-Protein) agisce come inibitore chiave nel processo di calcificazione vascolare (VC). MGP viene sintetizzata dai condrociti e dalle cellule muscolari lisce della tonaca media vascolare (VSMC: Vascular Smooth Muscle Cell) e la sua assenza o inattività comporta un’eccessiva calcificazione sia della cartilagine di accrescimento sia del tessuto vascolare. Oltre alla sua dipendenza dalla vitamina K, poco si sa circa altri fattori che ne influenzano il metabolismo.
Fosforo, calcio e magnesio sono coinvolti nella mineralizzazione dell’osso e giocano un ruolo importante nella VC. In questa review forniamo una sintesi degli effetti del fosforo, del calcio e del magnesio sul metabolismo di MGP. Elevati livelli di fosforo e di calcio promuovono la VC, in parte, aumentando il rilascio di vescicole di matrice (MV), che sotto l’influenza di questi elettroliti formano calcificazioni competenti.
Fosforo e calcio contemporaneamente inducono una up-regulation di MGP e della sua espressione genica, che forse inibisce il processo di calcificazione. Elevati livelli di fosforo non cambiano i livelli di proteina MGP presente nelle MV. Al contrario, elevate concentrazioni di calcio causano una diminuzione della quota di MGP presente nelle vescicole, che potrebbe in parte spiegare la conseguente calcificazione delle MV.
Il magnesio è un noto inibitore della VC. Tuttavia, il magnesio ha dimostrato di avere un effetto inibitorio sulla sintesi di MGP attraverso la down-regulation del recettore sensibile al calcio (CaRS: Calcium Sensing Receptor) determinando così, una riduzione nella up-regulation di MGP indootta dal calcio. Ci potrebbe anche essere un effetto stimolante del magnesio su MGP in cui è coinvolto il canale TRPM7.
In conclusione, esiste una chiara interazione tra MGP, fosforo, calcio e magnesio.
Effetti del Fosforo su MGP
Nell’Insufficienza renale cronica (CKD: Chronic Kidney Disease) l’iperfosforemia è una complicanza comune. Ci sono prove convincenti che quantità elevate di fosforo correlano con VC e si traducono in un maggiore tasso di mortalità cardiovascolare nei pazienti con CKD. I meccanismi attraverso i quali il fosforo stimola il processo di VC sono, tuttavia, non pienamente conosciuti. È noto che la presenza di elevati livelli di fosforo possa accelerare la precipitazione di calcio e fosforo in forma di cristalli di idrossiapatite.
Quattro studi hanno evidenziato che alti livelli di fosforo aumentano i livelli di MGP. Uno studio non ha riscontrato alcun effetto del fosforo sui livelli di MGP. L’effetto del fosforo su MGP è stato prima studiato in un modello in vitro utilizzando la linea cellulare ATDC5. Un livello di fosforo elevato ha indotto un aumento statisticamente significativo di 6 volte nell’espressione di mRNA di MGP rispetto al controllo.
L’iperfosforemia induce l’up-regulation del pathway ERK1/2-Fra-1, che è stato dimostrato essere essenziale per l’up-regulation di MGP. Il blocco del segnale di trasduzione di ERK1/2 tramite U0126, un inibitore ampiamente utilizzato di MEK1/2 (chinasi a monte di ERK1/2), sopprime l’induzione fosforo-indotta di MGP, sia a livello di trascrizione di mRNA che di produzione proteica. Questi dati suggeriscono fortemente che il fosforo stimola MGP attivando Fra-1 attraverso il pathway ERK1/2.
In sintesi, il fosforo stimola la trascrizione totale di MGP e la sua traduzione proteica attraverso il pathway ERK1/2-Fra-1. Tuttavia la quantità di MGP nelle MV non è influenzata da elevati livelli di fosforo. Inoltre il fosforo può limitare l’affinità di MGP peri cristalli di idrossiapatite.
Effetti del Calcio su MGP
Il calcio è uno ione abbondante che gioca un ruolo importante nella patogenesi della VC. Sia in vivo che in vitro è stata dimostrata una correlazione tra il processo di calcificazione e i livelli di calcio. Questo effetto è sia indipendente che sinergico al fosforo a livelli elevati.
In presenza di alti livelli sia di fosforo sia di calcio, gli effetti calcificanti sono fortemente potenziati. Tuttavia, nonostante gli effetti calcificanti del calcio, un livello di calcio elevato può anche indurre un aumento sia a livello trascrizionale sia proteico di MGP. Questi effetti sono descritti in quattro studi riassunti in Tabella 1. In tre studi è stato dimostrato che il calcio aumenta il livello di MGP, mentre uno studio ha rilevato una diminuzione di MGP. In un altro studio, è stato mostrato che sia il calcio sia il fosforo sono necessari per indurre un aumento di MGP in una linea cellulare MC3T3 - E1.
L’interazione tra gli ioni di calcio e fosforo è probabilmente basata sulla formazione di precipitati che stimolano la fosforilazione ERK1/2. In VSMC aortiche umane la fosforilazione di ERK1/2 può essere mediata attraverso il CaSR. Il calcio in VSMC di ratto stimola l’up-regulation di MGP attraverso un pathway che potrebbe coinvolgere un recettore, funzionalmente legato al CaSR.
Il calcio non solo aumenta la quantità di MGP, ma può anche influenzare la sua efficacia nel prevenire VC. In presenza di quote elevate di calcio, MGP mostra una maggiore affinità per l’idrossiapatite. Questo suggerisce che il calcio induce un cambiamento conformazionale di MGP che promuove il legame MGP-idrossiapatite.
In sintesi, la maggior parte di questi dati sostiene l’ipotesi che MGP è up-regolata in risposta a livelli di calcio elevati. Questo potrebbe implicare un meccanismo di feedback negativo nella regolazione di VC da parte di elevati livelli di calcio attraverso l’up-regulation di MGP. Tuttavia, in risposta ad elevati livelli di calcio, la quantità di MGP nelle MV si riduce.
Effetti del Magnesio su MGP
Il magnesio è ampiamente conosciuto come un inibitore di VC sia in vitro che in vivo. Il magnesio non solo previene, ma può anche diminuire la quota di VC già esistente. Alcuni studi in vitro hanno trovato che la sua funzione di inibizione viene esercitata in presenza di fosforo o calcio.
I meccanismi con cui il magnesio impedisce la VC non sono pienamente stabiliti. Tra gli altri effetti, il magnesio impedisce direttamente la cristallizzazione di apatite in vitro. Inoltre, esso inibisce la via di segnalazione Wnt/β-catenina, un pathway coinvolto nella VC. Oltre a ciò, insieme ad altri ioni, il magnesio influisce direttamente sull’espressione di MGP.
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