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Recensione di pubblicazione da progetto FFC

17 Giugno 2020

Nuovissimo modello 3D di tessuto connettivo delle vie aeree per studiare la fisiopatologia FC

F. Malvezzi

Generalmente, episodi di infezione acuta o cronicizzazione di questa, come avviene tipicamente in fibrosi cistica (FC), attivano un’intensa risposta infiammatoria, seguita da fibrosi polmonare, con aumento della proliferazione di alcune cellule, chiamate fibroblasti, e accumulo di elementi della matrice extraepiteliare. S’intende per fibrosi l’aumento e l’indurimento del tessuto connettivo, chiamato anche stroma (1), che supporta e connette strutturalmente e funzionalmente le strutture dei vari organi. Nonostante che la fibrosi polmonare sia studiata a fondo in malattie come l’asma, la broncopneumopatia cronica ostruttiva e la fibrosi polmonare idiopatica, non è stata ben caratterizzata nei pazienti con FC.

Riportiamo qui di un lavoro appena pubblicato (2) sulla prestigiosa rivista Cells, relativo al progetto FFC 8/2017, che ha buone prospettive di offrire un nuovo modello per studiare in laboratorio farmaci per la fibrosi cistica, tenendo conto di alcune caratteristiche reali di un polmone FC. Infatti, nella struttura di un tessuto o di un organo, molta importanza riveste la matrice extracellulare, lo stroma appunto, e le sue caratteristiche fisiopatologiche. Tuttavia, la maggior parte degli studi sulla fibrosi cistica sono focalizzati sulle cellule epiteliali, perché esse esprimono la proteina CFTR malfunzionante in fibrosi cistica e quindi sono direttamente compromesse dalla disfunzione del canale di membrana che la proteina forma. Il modello più usato è stato sinora quello di cellule bronchiali derivate da polmoni espiantati di soggetti FC sottoposti a trapianto polmonare. Un’altra classe di modelli epiteliali, recentemente utilizzati nella ricerca FC, è rappresentata dagli organoidi intestinali (derivati da minibiopsia rettale), che sono quelli attualmente più usati. Si impiegano oggi anche cellule dell’epitelio nasale (derivate da spazzolamento della mucosa nasale) e, con più difficoltà, organoidi da queste sviluppati. Gli organoidi (miniorgani ricavati da cellule staminali dell’epitelio) consentono di studiare facilmente la funzione del canale CFTR attraverso l’analisi di un semplice cambiamento di volume, dipendente da meccanismi naturali o indotto da farmaci. Tuttavia, nessuno di questi modelli considera l’impatto di tutti i componenti dello stroma nella patologia polmonare FC, che possono variamente influenzare la funzionalità dell’epitelio o esserne influenzati, determinando l’evoluzione della malattia.

In questo scenario, gli autori del lavoro (2) propongono un modello di tessuto connettivo (stroma) delle vie aeree FC in tre dimensioni, ottenuto inducendo i fibroblasti broncopolmonari FC (cellule progenitrici dei fibrociti del connettivo) a proliferare, e ne studiano a fondo le caratteristiche morfologiche e il profilo molecolare, in confronto a un tessuto connettivo sano di controllo. Questo equivalente del tessuto connettivo delle vie respiratorie della fibrosi cistica in 3D è quindi composto da fibroblasti primari polmonari FC incorporati nella propria matrice fibrosa extracellulare. Dagli studi fatti, i fibroblasti FC utilizzati hanno mostrato un più alto tasso di proliferazione e hanno prodotto una matrice abbondante e molto caotica, con un diverso contenuto di proteine e una diversa elasticità, rispetto al modello di tessuto sano. Inoltre, il modello FC mostra un potenziamento di alcuni marcatori e geni pro-fibrotici coinvolti nella funzione epiteliale e nella risposta infiammatoria. Questa anomalia può svolgere in vivo un ruolo nella modulazione del comportamento delle cellule epiteliali e infiammatorie e nel rimodellamento polmonare, influenzando in modo significativo la malattia polmonare FC. È da sottolineare che i fibroblasti sono stati immessi in coltura senza la presenza di cellule epiteliali esprimenti il canale CFTR, che è alla base del difetto FC. È notevole osservare quindi che i fibroblasti, provenienti da donatori adulti con fibrosi cistica, mantengano memoria dell’anomalia fisiologica data dal canale CFTR alterato, e mostrino di evolvere in un tessuto connettivo marcatamente diverso da quello sano.

Gli autori sostengono che questo studio apre la strada a un modello di tessuto polmonare bioingegnerizzato rappresentativo della condizione biologica naturale, in grado di fornire conoscenze che potrebbero portare a nuove strategie terapeutiche, almeno nell’ambito dell’infiammazione polmonare. Il modello di tessuto potrebbe essere utilizzato per studiare l’esito della somministrazione di farmaci e per la valutazione della loro efficacia, affiancandosi ai modelli già disponibili, che osservano direttamente la funzione del canale CFTR a livello della membrana apicale delle cellule epiteliali. A tale scopo, gli studi iniziati e riportati nel lavoro pubblicato, continuano con il progetto FFC 14/2019, nel quale il modello indicato verrebbe strutturato in un chip (speciale microcontenitore attrezzato) che consente di indurre variazioni nel contesto del modello e misurarle. Rimane da capire quali indicatori potranno essere adottati, e come interpretarli, se il modello venisse utilizzato per testare farmaci.

Progetto FFC 8/2017, coordinato da Paolo Netti (Centro per Biomateriali avanzati per la Sanità – CRIB, Istituto Italiano di Tecnologia, Napoli), finanziato da Fondazione Ricerca FC con il contributo di Delegazione FFC di Napoli San Giuseppe Vesuviano, Delegazione FFC di Cosenza Sud, Delegazione FFC di Valle Scrivia Alessandria, Delegazione FFC di Foggia, Gruppo di Sostegno FFC di Genova “Mamme per la ricerca”, Con Cecilia amici della ricerca, Gruppo di Sostegno FFC di Reggello Firenze.

Cystic fibrosis is characterized by lung dysfunction involving mucus hypersecretion, bacterial infections, and inflammatory response. Inflammation triggers pro-fibrotic signals that compromise lung structure and function. At present, several in vitro cystic fibrosis models have been developed to study epithelial dysfunction but none of these focuses on stromal alterations. In the present paper (1) authors show a new cystic fibrosis 3D stromal lung model made up of primary fibroblasts embedded in their own extracellular matrix and investigate its morphological and transcriptomic features. Cystic fibrosis fibroblasts showed a high proliferation rate and produced an abundant and chaotic matrix with increased protein content and elastic modulus. Interestingly, they had enhanced pro-fibrotic markers and genes involved in epithelial function and inflammatory response. The study reveals that cystic fibrosis fibroblasts maintain in vitro an activated pro-fibrotic state. This abnormality may play in vivo a role in the modulation of epithelial and inflammatory cell behavior and lung remodeling. The proposed bioengineered model may provide new insights on epithelial/stromal/inflammatory cells crosstalk in cystic fibrosis, paving the way for novel therapeuticstrategies.In addition, this 3D model may be exploited as an in vitro human model to evaluate the patient-specific disease state and the efficacy of therapeutics targeting not only the epithelium but also the underlying connective tissue.

1) Nota redazionale. Lo “stroma” è costituito nel corpo umano da un tessuto, detto “connettivo”, che dà supporto alle diverse componenti di un organo, lo può separare in lobi e può connettere gli organi tra loro. Ad esempio, nella pelle la componente superficiale esterna, l’epidermide, si inserisce su un solido substrato connettivo, che è il derma. Per venire più vicini al nostro problema, nei bronchi l’epitelio di rivestimento verso il loro lume (attraverso cui passa l’aria) è sostenuto da uno strato di connettivo morbido, chiamato sottomucosa, nella quale sono situate anche le ghiandole del muco (ghiandole sottomucose); nel polmone, gli alveoli polmonari, riuniti a grappolo (acini), sono separati e insieme interconnessi tra loro da un sottilissimo reticolo di tessuto connettivo, chiamato “reticolo interstiziale”. Nelle strutture esemplificate lo stroma contiene tra l’altro i vasellini di sangue e li connette all’epitelio (bronchiale o alveolare). Il connettivo è costituito nella sua essenza da cellule immature, chiamate fibroblasti, che si differenziano in cellule mature, i fibrociti: questi, con i loro prolungamenti fibrosi costituiscono l’impalcatura più o meno solida di questo tessuto. Ma, se questa di sostenere, collegare, separare, è la funzione più nota dello stroma connettivale, altrettanto fondamentale è la sua funzione di mediazione tra il sangue e le strutture specifiche di un organo. Per tornare ai bronchi, come esempio a noi più vicino, è nello stroma (la sottomucosa) che si manifestano gli eventi fisiopatologici secondari a ciò che avviene a livello dell’epitelio bronchiale che, oltre alle sue funzioni specifiche di condurre aria, secernere muco e farlo scorrere verso la bocca, è la prima barriera verso l’esterno dell’apparato respiratorio: l’infezione batterica trova nel’epitelio il primo fronte di attacco ma anche di difesa; questo fronte trasmette informazione dell’evento allo stroma, che si farà carico di coinvolgere le retrovie, il sistema immunitario, costituito da diversi tipi di cellule del sangue o del tessuto connettivo stesso (fibroblasti, linfociti, macrofagi, plasmacellule, leucociti neutrofili) e dai loro prodotti, mediatori di risposta infiammatoria (ad esempio le linfochine prodotte dai linfociti T). Lo stroma sarà così la sede effettiva della risposta infiammatoria-immunitaria, che potrà risolversi attraverso una forte proliferazione delle cellule chiave del connettivo stromale, i fibroblasti, risultandone alla fine un consistente aumento della componente fibrosa (fibrosi), una modalità di risoluzione che ha il suo emblema nella cicatrice a seguito di una ferita: il processo è simile a livello di bronchi e polmoni, così come per altri organi, in cui un intervento dannoso abbia messo in moto il meccanismo dell’infiammazione e quindi della riparazione fibrosa, che può aggiungere nuovo danno strutturale e funzionale all’organo colpito (G. M).

2) Claudia Mazio, Laura S Scognamiglio, Rossella De Cegli, Luis J V Galietta, Diego Di Bernardo, Costantino Casale, Francesco Urciuolo, Giorgia Imparato, Paolo A Netti. Intrinsic Abnormalities of Cystic Fibrosis Airway Connective Tissue Revealed by an In Vitro 3D Stromal Model. Cells. 2020 Jun 1;9(6):E1371. doi: 10.3390/cells9061371.