Abstract
Il corpo umano si rigenera costantemente dopo un danno grazie alle proprietà auto-rinnovanti e differenzianti delle sue cellule staminali residenti. Per recuperare i tessuti danneggiati e rigenerare gli organi funzionali, la ricerca scientifica nel campo della medicina rigenerativa sta cercando fermamente di capire i meccanismi molecolari attraverso i quali il potenziale rigenerativo delle cellule staminali può essere dispiegato in un’applicazione clinica. La scoperta che alcuni organismi sono capaci di processi rigenerativi e lo studio dei modelli evolutivi conservati nella rigenerazione dei tessuti può portare all’identificazione di molecole naturali di specie ancestrali capaci di estendere il loro potenziale rigenerativo ai tessuti umani. Tale possibilità è stata anche fortemente suggerita come risultato dell’uso di energie fisiche, come i campi elettromagnetici e le vibrazioni meccaniche nelle cellule staminali adulte umane. I risultati degli studi scientifici sulla modulazione delle cellule staminali confermano la possibilità di permettere una manipolazione chimica del destino delle cellule staminali in vitro e aprono la strada all’uso di molecole naturali, così come di campi elettromagnetici e vibrazioni meccaniche per indirizzare le cellule staminali umane nella loro nicchia all’interno del corpo, aumentando la capacità naturale umana di auto-guarigione.
1. Introduzione
Il corpo umano si rigenera continuamente grazie alle proprietà peculiari delle sue cellule staminali residenti.
Queste cellule possiedono la capacità unica di autorinnovarsi e differenziarsi, e l’equilibrio tra questi due processi definisce il destino delle cellule staminali e il loro ruolo primario nella rigenerazione dei tessuti.
La rigenerazione è il recupero della struttura e della funzione degli organi dopo una lesione ed è alla base del nostro potenziale di autoguarigione e quindi della conservazione della salute umana. Tale processo presenta una notevole gradazione nel modo in cui è modellato negli organismi viventi, poiché, all’interno della stessa specie, il potenziale rigenerativo è diverso tra i vari organi.
Per salvare i tessuti danneggiati e ripristinare la massa funzionale degli organi, sono stati fatti enormi sforzi nel campo crescente della medicina rigenerativa, impegnando la ricerca scientifica nella comprensione dei meccanismi molecolari attraverso i quali il potenziale rigenerativo delle cellule staminali (come le cellule staminali mesenchimali umane – hMSCs) può essere dispiegato in un’applicazione clinica. Le cellule staminali infatti hanno la capacità di differenziarsi in una vasta gamma di cellule adulte e la loro scoperta e il loro isolamento hanno aperto la strada a nuove speranze nel campo rigenerativo.
D’altra parte, molti aspetti della terapia basata sulle cellule impediscono l’uso delle cellule staminali per rigenerare organi e tessuti: tra questi, è richiesta una grande quantità di cellule staminali e il processo di senescenza si verifica durante l’espansione delle cellule primarie. Inoltre, non è facile isolare le cellule staminali e impegnarle tutte verso un fenotipo specifico, poiché possono differenziarsi in tutti i tipi di cellule mature, comprese le cellule tumorali. Pertanto, un adeguato set up di espansione MSC in vitro, crioconservazione e banking dovrebbe essere necessario per stabilire la sicurezza e l’efficacia nei pazienti trapiantati.
Inoltre, la maggior parte delle applicazioni delle cellule staminali dirette sui pazienti sono ancora in fase di sperimentazione, ad eccezione di alcune procedure effettivamente utilizzate nella pratica clinica, come il trapianto di midollo osseo in ematologia.
Anche l’ingegneria dei tessuti, una delle branche della medicina rigenerativa basata sulla rigenerazione dei tessuti dalle cellule con l’aiuto di biomateriali e fattori di crescita, sta ancora affrontando diversi problemi. Infatti, i tessuti rigenerati utilizzabili dai pazienti sono ancora molto limitati, come i tessuti cutanei, ossei, cartilaginei, capillari e parodontali. Inoltre, il tessuto artificiale ingegnerizzato presenta ancora qualche limitazione correlata alle dimensioni del costrutto che non può essere utilizzato per il recupero di difetti gravi. In realtà, gli unici tessuti ingegnerizzati con una struttura tridimensionale sono vasi, strutture cavernose come la trachea, o tessuti che non sono fisiologicamente sparsi, poiché la vitalità delle cellule seminate su uno scaffold diminuisce gradualmente con lo spessore. Anche l’uso di fattori di crescita da soli o in associazione con i costrutti 3D è ancora considerato come non completamente sicuro, poiché l’influenza risultante sull’ambiente del ricevente rimane in parte da stabilire. Infine, rimangono altri ostacoli, come trovare il miglior scaffold, il bioreattore più adatto, e la soluzione ottimale per la semina di diverse popolazioni di cellule al fine di avere un materiale maturo rilevante impiantabile sui pazienti.
Tutti questi problemi devono essere affrontati prima che le cellule o i costrutti ingegnerizzati possano essere utilizzati di routine in ambito clinico. Pertanto, molteplici studi sono in corso da tempo per affrontare la modulazione dei tratti fisiologici rilevanti noti per essere coinvolti nell’omeostasi dei tessuti e nell’attivazione delle nicchie delle cellule staminali. A tal fine, oltre a studiare gli effetti delle molecole sintetiche, molti ricercatori hanno anche focalizzato la loro attenzione sugli effetti suscitati da molecole naturali ed energie fisiche. I loro risultati sono riportati di seguito.
2. Molecole naturali
La capacità di far ricrescere parti del corpo è comune a molte specie animali, anche se il potenziale rigenerativo varia tra i taxa. Alcuni phyla sono in grado di ricostruire ogni parte del corpo, mentre altri non possono rigenerare gli organi interni.
Danio rerio (zebrafish) è tra gli organismi capaci di processi rigenerativi sorprendenti, che richiedono di scoprire le strategie di rigenerazione sottostanti. Il pesce zebra è da poco utilizzato come modello animale di organogenesi e rigenerazione, grazie alla sua capacità di rigenerare organi complessi, come il cuore, il sistema nervoso centrale e gli arti, con un’efficacia straordinariamente superiore a quella degli esseri umani. Un’altra specie che mostra un potenziale rigenerativo sorprendente è l’axolotl messicano (Ambystoma mexicanum), che può fare auto-copie rigenerando un arto mancante, la coda, o parti del cervello, del cuore e della mascella inferiore. Altre creature sotto i riflettori per le loro capacità rigenerative sono le salamandre, così come diverse rane, o i tunicati. Nonostante la loro distanza evolutiva, come nel caso del pesce zebra che è separato da circa 450 milioni di anni dall’uomo, le nostre cellule staminali possono ancora percepire spunti microambientali ancestrali da queste specie, come dimostra la scoperta che le cellule CD34+ del sangue del cordone ombelicale umano sono reclutate nella vasculogenesi precoce dopo il trapianto in embrioni di pesce zebra pre-gastrulazione, ma non post-gastrulazione. Affine a questo punto di vista è la scoperta di risposte trascrizionali conservate tra la differenziazione delle hMSCs, l’embriogenesi di Xenopus e la rigenerazione di axolotl, identificando reti comuni tra le specie modello che sono associate alla depolarizzazione (cambiamenti nel potenziale di riposo cellulare).
Nell’insieme, questi risultati e l’impiego della biologia comparativa nell’analisi dei modelli evolutivi conservati nella rigenerazione dei tessuti possono portare all’identificazione di molecole naturali capaci di estendere il loro potenziale rigenerativo dalle specie ancestrali ai tessuti umani attraverso la manipolazione di meccanismi comuni/simili nelle loro cellule staminali residenti.
L’indagine del ruolo delle molecole naturali nella biologia delle cellule staminali sta diventando un’area di indagine crescente. La psoralidina, per esempio, un composto fenolico naturale che si trova nei semi della Psoralea corylifolia, è stato visto inibire NOTCH1 nelle cellule staminali del cancro al seno e nelle cellule del cancro al seno, portando ad un arresto della crescita e all’inibizione della transizione da epiteliale a mesenchimale (EMT). Inoltre, due estratti di erbe (estratto di foglie di Tithonia diversifolia ed estratto di Momordica foetida) hanno portato ad una diminuzione dell’adipogenesi e dell’accumulo di goccioline lipidiche nelle cellule staminali adipose derivate umane (hADSCs). Due composti naturali, honokiol (un polifenolo a basso peso molecolare isolato dal genere Magnolia) e hyperoside (un composto flavonoide estratto da Hypericum perforatum), hanno dimostrato di indurre potenzialmente la differenziazione in neuroni nella linea cellulare di carcinoma embrionale murino P19 . Anche i composti sintetici creati dall’assemblaggio di molecole naturali si sono dimostrati efficaci nella modulazione della biologia delle cellule staminali in vitro e in vivo. A tal fine, esteri misti di molecole naturali, come gli esteri misti di ialuronano con acidi butirrico e retinoico (HBR), hanno dimostrato di aumentare notevolmente la cardiogenesi e la vasculogenesi in cellule staminali embrionali di topo e hMSCs, migliorando la capacità delle hMSCs della placenta a termine di promuovere la rigenerazione del miocardio infartuato in vivo in modelli animali sia piccoli (ratto) che grandi (maiale) con insufficienza cardiaca post infarto. Intrigante, nel miocardio di ratti infartuati, HBR stesso ha agito attraverso il rilascio intracellulare delle sue molecole naturali innestate per permettersi una significativa diminuzione delle dimensioni dell’infarto, e dei miociti apoptotici, portando al rimodellamento miocardico inverso, alla normalizzazione della contrattilità miocardica, e l’aumento della massa miocardica vitale e del metabolismo, attraverso l’aumento/reclutamento del numero di cellule staminali endogene stro-1 (un marcatore di cellule staminali mesenchimali) positive, l’aumento del numero di elementi locali con identità di periciti e importanti processi di rivascolarizzazione. Questo risultato mostra la fattibilità del targeting chimico degli organi danneggiati per permettere la sopravvivenza e la riparazione dei tessuti senza trapianto di cellule staminali. Coerentemente con questi risultati, un semplice cocktail di acidi ialuronico, butirrico e retinoico è stato in grado di migliorare la rivascolarizzazione e la funzione dell’innesto di isole con hMSC derivate dal tessuto adiposo nei ratti diabetici.
L’aggiunta di melatonina a questa miscela di molecole naturali è stata in grado di spostare l’impegno delle hMSC verso un destino osteogenico, indicando la fattibilità di creare un insieme multicomponente e multitarget di agenti naturali per reindirizzare chimicamente il repertorio multilineare delle hMSC.
Un importante passo avanti nello sforzo di utilizzare array naturali di molecole per guidare i destini cellulari in condizioni normali e patologiche è venuto dalla scoperta che gli estratti di embrioni di zebrafish ottenuti in diversi stadi di sviluppo erano in grado di contrastare il tasso di proliferazione di diverse linee cellulari di cancro. Gli estratti degli stadi iniziali, intermedi e finali dello sviluppo embrionale hanno portato ad un evidente aumento dell’espressione di p53 in associazione alla riduzione della crescita. In alcune linee cellulari di cancro, come l’adenocarcinoma del rene, la diminuzione della proliferazione era associata a cambiamenti nella fosforilazione di pRb, un modulatore del ciclo cellulare. Inoltre, nelle cellule di adenocarcinoma del colon, è stata osservata un’attivazione della via apoptotica p73-dipendente. Una miscela di estratti di zebrafish in fase iniziale, media e tardiva di sviluppo è stata anche in grado di migliorare la sopravvivenza cellulare a stimoli tossici, come dimostrato dalla riduzione della mortalità osservata in cellule di fette ippocampali di topo (area CA1) che erano state sottoposte a privazione di siero o al trattamento NMDA (N-metil-D-aspartato). Questi risultati e le osservazioni precedenti che mostrano che il microambiente embrionale è in grado di sopprimere lo sviluppo del tumore durante i processi di differenziazione delle cellule ci ha portato a indagare ulteriormente se i fattori embrionali zebrafish possono anche essere sfruttati in un modo stadio di sviluppo per controllare le caratteristiche essenziali nella dinamica delle cellule staminali. A tal fine, abbiamo utilizzato con successo estratti di zebrafish in fase iniziale di sviluppo (ottenuti da embrioni 5,15 ore dopo la fecondazione) su hADSCs in fase iniziale di passaggio per migliorare l’espressione delle cellule staminali di multipotenza, e la trascrizione di TERT, che codifica la subunità catalitica della telomerasi, così come l’espressione genica di BMI1, un rimodellatore della cromatina che agisce come un importante repressore della senescenza indipendente dalla telomerasi.
Nell’insieme, gli studi sopra menzionati, mostrando la possibilità di permettersi una manipolazione chimica del destino delle cellule staminali in vitro, possono aprire la strada all’uso della chimica naturale o sintetica per colpire le cellule staminali umane dove sono già residenti in tutti i tessuti del corpo. Questo porterebbe allo sviluppo di una medicina rigenerativa eseguita senza bisogno di trapianti di cellule (staminali) o di tessuti.
3. Energie fisiche
La possibilità di usare le energie fisiche per stimolare i processi rigenerativi è stata fortemente suggerita dalla capacità dei campi elettromagnetici e delle vibrazioni meccaniche di guidare un’efficiente riprogrammazione in situ del potenziale differenziativo e rigenerativo delle nostre cellule staminali endogene.
Siamo infatti inseriti in una grande varietà di stimoli fisici, tra cui campi elettromagnetici, radiazioni luminose e modelli meccanici oscillatori. In questo senso, la nostra vita, che contiene un’apparente infinità di oscillazioni ritmiche, comprese le oscillazioni intracellulari del calcio e del pH, così come l’espressione ritmica dei geni e delle proteine, può essere considerata come una parte della natura vibratoria dell’universo.
È ormai evidente che le nostre cellule percepiscono e generano energie come campi magnetici e oscillazioni meccaniche. Le cellule contengono una rete di microtubuli che, grazie alla loro polarità elettrica e alle modalità di vibrazione intrinseche, è in grado di generare campi elettrici ad alta frequenza con caratteristiche di radiazione. Applicando la microscopia a scansione tunneling (STM) ai microtubuli che crescono su un array di nanoelettrodi, all’interno di una replica cellulare artificiale progettata per pompare frequenze elettromagnetiche, ha dimostrato l’esistenza di modelli di risonanza tra i dimeri di tubulina, o i microtubuli interi, e le frequenze applicate. STM anche fornito la prova che tali modelli di risonanza potrebbe essere imaged come specifici “profili di corrente di tunneling” corrispondenti alle frequenze elettromagnetiche pompate. La selettività della regione di frequenza per coinvolgere particolari tipi di modifiche conformazionali stabilisce che i cambiamenti meccanici puri possono essere gestiti a distanza in modo atomico utilizzando campi elettromagnetici.
L’importanza della rete di microtubuli come un sistema di trasporto di informazioni è anche dedotto dalla scoperta di proprietà di commutazione di memoria multilivello in un singolo microtubulo del cervello. Anche il DNA, nonostante il suo ruolo di immagazzinamento ed espressione dell’informazione genetica, se considerato come un’entità vibrazionale elettricamente carica, può contribuire alla polarità cellulare, anche in virtù del suo costante assemblaggio in diversi loop e domini che sono una componente essenziale della nanomeccanica e nanotopografia impartita a questa macromolecola da fattori di trascrizione e motori molecolari. Di conseguenza, gli spettri di frequenza di risonanza elettromagnetica sono stati rivelati per il DNA, che è stato trovato ad esibire risonanze elettromagnetiche nella vasta gamma di frequenze da KHz, MHz, GHz, a THz.
Di recente, la medicina rigenerativa si è concentrata sull’uso di stimoli biofisici per modulare le dinamiche cellulari. I fattori fisici nel microambiente cellulare, compresa la meccanica della matrice, la geometria e la forma delle cellule, le forze meccaniche e gli aspetti nanotopografici della matrice extracellulare, possono modulare il destino delle cellule staminali. Ci sono prove che questo tipo di regolazione è altamente influenzato da coesistenti insolubili, adesivi, meccanici, e spunti topologici contenuti e regolati dinamicamente all’interno della nicchia delle cellule staminali. Gli stimoli biofisici possono essere percepiti e trasdotti in risposte biochimiche e funzionali intracellulari dalle cellule staminali, un processo noto come meccano-trasduzione. Il macchinario sensoriale delle cellule staminali può allo stesso tempo percepire e integrare diversi segnali provenienti dalla nicchia e trasformarli in risposte coerenti che permettono la modulazione a valle dell’espressione genica e del destino delle cellule staminali.
Per anni, gli scienziati hanno cercato di guidare il destino delle cellule staminali con l’aiuto della chimica, aumentando la proliferazione cellulare con fattori di crescita o fabbricando costrutti 3D derivati dalla combinazione di cellule staminali o cellule adulte mature, con polimeri naturali o artificiali. Solo negli ultimi anni si è cercato di interagire con le cellule in vivo, direttamente su pazienti o su modelli animali, e in vitro su colture cellulari. Recentemente, alcuni gruppi di ricerca hanno dimostrato la possibilità di utilizzare stimoli fisici direttamente su pazienti, tessuti e cellule.
L’idea alla base dell’utilizzo di stimoli fisici su tessuti e corpo è stata proposta già nel 1974 da Richard Nuccitelli che ha ottenuto prove sulla corrente ionica endogena e sull’interazione con il campo elettrico in tessuti animali multicellulari. Oggi è possibile spiegare i cambiamenti nel comportamento cellulare, in seguito alla stimolazione elettromagnetica, considerando un effetto sulla polarità cellulare e sulla nicchia delle cellule staminali nell’organismo.
L’uso delle energie fisiche a scopo terapeutico è ormai ben noto, essendo approvato dalla Food and Drug Administration (FDA) e utilizzato sui pazienti. Sono stati progettati diversi dispositivi basati su diversi meccanismi fisici, e gli effetti benefici sono stati osservati direttamente sui pazienti. Gli ultrasuoni sono stati utilizzati per scopi medici dal 1950 in alcune situazioni patologiche, come la tendinite o la borsite.
Anche l’uso di campi elettromagnetici a bassissima frequenza (ELF-EMF) con frequenze inferiori a 100 Hz, e intensità di campo magnetico che va da 0,1 a 20 mT, è diventato una terapia utile per la rigenerazione dei tessuti molli, la riparazione delle fratture e il trattamento dell’osteoporosi. I meccanismi d’azione dei campi elettromagnetici ELF non sono ancora chiari. Tuttavia, è stato dimostrato che le correnti elettriche possono accelerare l’attivazione delle cellule e influenzare il rimodellamento epigenetico. In particolare, l’uso di 50 Hz ELF-EMF su cellule GC-2 diminuito metilazione genome-wide e l’espressione di metiltransferasi del DNA in cellule staminali neurali (NSCs) isolate dall’ippocampo di topi appena nati. Inoltre, l’irradiazione ELF-EMF a 1 mT, e 50 Hz, per 12 giorni ha migliorato la proliferazione delle NSC e la specificazione del destino delle cellule neuronali attraverso la regolazione dipendente dal canale Cav1 e la modifica degli istoni. Questi risultati mostrano la fattibilità di utilizzare stimoli fisici per influenzare il destino cellulare.
In questo contesto, abbiamo prima dimostrato la possibilità di utilizzare ELF-EMF per modulare la trascrizione genica di peptidi regolatori della crescita essenziali in cellule miocardiche adulte e per migliorare la cardiogenesi e la differenziazione terminale in cellule miocardiche che battono spontaneamente in cellule staminali embrionali di topo (ES). Poi, con l’aiuto di un trasportatore radioelettrico asimmetrico (REAC), abbiamo scoperto che i campi radioelettrici di 2,4 GHz opportunamente convogliati potrebbero produrre importanti effetti biologici nelle cellule ES di topo e nelle cellule staminali adulte umane. In entrambi i tipi di cellule, abbiamo dimostrato che i campi radioelettrici trasportati dal REAC hanno provocato un aumento dell’espressione dei geni legati alla staminalità, seguito dall’impegno verso i lignaggi neuronale, miocardico e muscolare scheletrico. Gli stessi risultati differenzianti sono stati indotti dall’esposizione REAC nei fibroblasti della pelle umana: per la prima volta, le cellule somatiche adulte non staminali umane sono state impegnate in lignaggi in cui altrimenti non sarebbero mai apparse. Questo effetto è stato mediato da un cambiamento bifasico nell’espressione dei geni della pluripotenza, una sovraespressione temporanea seguita da una regolazione verso il basso, e non ha richiesto l’uso di tecnologie di trasferimento genico mediate da vettori virali o una chimica sintetica ingombrante.
Degno di nota, l’esposizione a REAC delle hADSCs è stata in grado di trasformare la senescenza delle cellule staminali, che si verifica dopo una prolungata (fino a 30 passaggi) espansione in vitro, in un fenomeno reversibile, associato a una diminuzione dell’espressione della β-galattosidasi associata alla senescenza e un aumento dell’espressione del gene TERT e della lunghezza dei telomeri. L’azione di REAC ha anche migliorato la trascrizione genica di BMI1 e quella dei geni legati alla staminalità, stabilendo un braccio indipendente dalla telomerasi per l’inversione della senescenza. Questi risultati possono avere importanti implicazioni biomediche, dal momento che le cellule staminali senescenti diminuiscono il loro potenziale di auto-rinnovamento e differenziazione, riducendo la loro capacità di rigenerazione dei tessuti in vivo e la possibilità di una prolungata espansione in vitro prima del trapianto.
Complicando gli effetti biologici ad ampio raggio della stimolazione REAC è l’osservazione che questa tecnologia è stata in grado di promuovere la differenziazione neurologica e morfofunzionale nelle cellule PC12, una linea cellulare di feocromocitoma surrenale di ratto che mostra caratteristiche metaboliche della malattia di Parkinson. La risposta delle cellule al campo elettromagnetico è stata mediata dall’attivazione trascrizionale di geni neurogenici, come neurogenina-1, β3-tubulina, e fattore di crescita nervosa (NGF), ed è stata associata ad un consistente aumento del numero di cellule che esprimono sia β3-tubulina e tirosina idrossilasi. Questi risultati aprono la nuova prospettiva di utilizzare le energie fisiche nel trattamento delle malattie neurodegenerative e nella riprogrammazione delle cellule tumorali (staminali) in elementi rigenerativi normali. Più recentemente, abbiamo scoperto che l’azione di REAC potrebbe essere significativamente contrastata dal trattamento delle cellule staminali con 4-metilumbelliferone (4-MU), un potente repressore della ialuronina (HA) sintasi di tipo 2 e della sintesi endogena di HA. Questa osservazione suggerisce che le risposte mediate da REAC possono essere avvenute attraverso un ruolo pleiotropico essenziale di questo glicosaminoglicano nella regolazione della polarità delle cellule (staminali).
Le onde d’urto extracorporee (ESW) rappresentano un altro tipo di stimolo biofisico che viene sempre più applicato nel campo della medicina rigenerativa e che potrebbe essere classificato come “meccanoterapia” (cioè, terapia extracorporea ad onde d’urto, ESWT). Infatti, le ESW sono onde “meccaniche”, caratterizzate da una fase iniziale positiva molto rapida, di grande ampiezza, seguita da una pressione negativa, che produce una “microesplosione” che può essere diretta su una zona bersaglio (corpo, tessuto o cellule) per stimolare o modificare le cellule nel loro comportamento. Le onde d’urto sono generate da un dispositivo elettroidraulico che produce una scarica subacquea di scintille ad alto voltaggio a condensatore, convogliata da un riflettore ellittico su tessuti o cellule.
Negli anni ’80, le onde d’urto sono state utilizzate in urologia (litotripsia) per disintegrare i calcoli renali. In seguito, l’applicazione delle ESW è stata estesa ad altri campi, mostrando promettenti speranze per promuovere la guarigione dei tessuti e il recupero da disturbi patologici. Una delle prime applicazioni è stata in campo ortopedico, per indurre la neovascolarizzazione e migliorare l’apporto di sangue e la rigenerazione dei tessuti. Le indagini sull’uso di questa tecnologia si sono diffuse progressivamente, portando alla sua applicazione nel trattamento dei disturbi muscolo-scheletrici, delle patologie tendinee, dei disturbi della guarigione ossea e delle malattie vascolari ossee. L’uso di ESW è stato esteso anche al campo della dermatologia per i disturbi di guarigione delle ferite e le ulcere. Tuttavia, ad oggi, il meccanismo esatto attraverso il quale le cellule convertono i segnali meccanici in risposte biochimiche non è ancora ben compreso. L’accento è stato posto finora sui meccanismi mediati dal rilascio di ATP e dall’attivazione dei recettori P2 che possono favorire la proliferazione cellulare e il rimodellamento dei tessuti attraverso l’attivazione di Erk1/2, nonché le vie di segnalazione PI-3K/AKT e NF-κB, e l’implicazione della segnalazione TLR3 e del successivo TLR4. Diversi studi eseguiti in vitro hanno dimostrato l’effetto di ESW sulla modulazione cellulare attraverso la “meccano-trasduzione”. Recentemente, si è scoperto che ESWW attiva le ADSC attraverso le vie di segnalazione MAPK, PI-3K/AKT e NF-κB e induce nelle cellule HUVEC una sovraespressione dei fattori angiogenici e della caveolina-1, una proteina costitutiva delle caveole, implicata nella regolazione della crescita cellulare, del traffico di lipidi, dell’endocitosi e della migrazione cellulare. In uno studio pubblicato da Zhang e collaboratori, le cellule esposte a ESW a bassa energia (0,04 e 0,13 mJ/mm2) hanno migliorato l’espressione di alcuni fattori angiogenici, come eNOS, Ang-1 e Ang-2. D’altra parte, a energie più alte, ESW ha indotto una riduzione dell’espressione dei fattori angiogenici e un aumento dell’apoptosi. Questi risultati suggeriscono che gli effetti biologici delle onde d’urto sono fortemente correlati all’intensità dell’energia applicata e quindi alle relative forze meccaniche.
Recentemente, gli effetti delle onde d’urto sono stati caratterizzati sull’espressione di IL-6, IL-8, MCP-1 e TNF-α nei fibroblasti del legamento parodontale umano. Dopo un’inibizione precoce dell’espressione dei mediatori pro-infiammatori, le onde d’urto hanno provocato un aumento dose-correlato di IL-6 e IL-8, mentre hanno regolato l’espressione di TNF-α. La maggior parte della letteratura ha mostrato un effetto antinfiammatorio di ESWT in vivo. Tuttavia, l’effetto pro-infiammatorio di ESWT parzialmente osservato sulle cellule in vitro può suggerire un evento pro-attivatore mediato dall’espressione di citochine e chemochine. Si è supposto che gli impulsi delle onde d’urto sulle cellule fossero in grado di creare un milieu pro-infiammatorio, mediato dalla meccano-trasduzione. Tuttavia, questo meccanismo può comportare un’azione più complessa sull’intera architettura della nicchia, con le cellule (staminali) incorporate che si comportano come sensori e attivatori della risposta rigenerativa.
In realtà, la vibrazione meccanica può rappresentare una modalità rilevante per influenzare la riprogrammazione delle cellule staminali in vivo senza dover ricorrere a procedure di trapianto. A questo proposito, abbiamo dimostrato e brevettato per la prima volta la capacità delle cellule di esibire firme “vibrazionali” (nanomeccaniche) della loro salute e del loro repertorio multilineare. Processi vitali ad ampio raggio sono modellati intorno alle caratteristiche nanomeccaniche delle strutture subcellulari, come le reti microtubulari, impartendo caratteristiche di connessione e sincronizzazione che possono essere trasferite e registrate dalla superficie cellulare. La microscopia a forza atomica (AFM) può essere usata per ottenere intuizioni sulle proprietà nanomeccaniche cellulari, fornendo la possibilità di identificare le firme vibrazionali che possono essere usate per guidare gli impegni specifici del lignaggio in diverse popolazioni di cellule staminali in vitro o anche in vivo per promuovere il salvataggio endogeno in organi malati.
4. Conclusione
La visione emergente di una biologia delle cellule (staminali) governata da forze fisiche e influenzata da molecole naturali ancestrali può portarci a reinterpretare il modo in cui immaginiamo il campo della medicina rigenerativa per un prossimo futuro.
In effetti, grazie alla natura diffusiva dei campi elettromagnetici e delle vibrazioni meccaniche, sta emergendo la possibilità di mirare e riprogrammare le cellule staminali dove sono, migliorando la nostra capacità naturale di autoguarigione senza la necessità del trapianto di cellule (staminali) che mostra ancora notevoli limiti.
Conflitti di interesse
Gli autori non hanno dichiarato alcun potenziale conflitto di interesse in relazione alla ricerca, alla paternità e alla pubblicazione di questo articolo.
Contributi degli autori
Federica Facchin ed Eva Bianconi hanno contribuito equamente come co-first authors a questo studio.
Riconoscimenti
Gli autori hanno dichiarato di aver ricevuto il seguente supporto finanziario per la ricerca, la paternità e/o la pubblicazione di questo articolo: finanziato da Eldor Lab, Milano, Italia, e AMeC (Associazione Medicina e Complessità), Via Valdirivo 19, 34100 Trieste, Italia.