Una svolta nella produzione di sangue artificiale
Una scoperta che potrebbe rendere più efficiente la produzione di sangue artificiale in futuro
Da decenni gli scienziati lavorano alla produzione artificiale di sangue. Ora, i ricercatori dell'Università di Costanza e della Queen Mary University di Londra hanno fatto un importante passo avanti verso questo obiettivo con una nuova scoperta.
In Germania sono necessarie circa 15.000 unità di sangue al giorno, la maggior parte delle quali proviene attualmente da donazioni. La ricerca sullo sviluppo di fonti alternative, come la produzione di sangue artificiale su larga scala, è in corso da decenni, ma è ancora lontana dal raggiungere un'utilità diffusa. La sfida principale risiede nelle complesse e non ancora del tutto apprezzate modalità con cui il nostro corpo produce naturalmente questo fluido vitale.
La dottoressa Julia Gutjahr, biologa presso l'Istituto di Biologia Cellulare e Immunologia Turgovia dell'Università di Costanza, studia i meccanismi di produzione del sangue. Insieme ai colleghi della Queen Mary University di Londra, ha identificato il segnale molecolare, la chemochina CXCL12, che innesca l'espulsione del nucleo da parte dei precursori dei globuli rossi, un passo fondamentale nello sviluppo dei globuli rossi.
La produzione di sangue richiede un tempismo perfetto
Nell'organismo, la produzione naturale di sangue avviene nel midollo osseo. Le cellule staminali si sviluppano in eritroblasti, cellule precursori degli eritrociti, i globuli rossi. "Nella fase finale dello sviluppo di un eritroblasto in un eritrocita, l'eritroblasto espelle il suo nucleo. Questo processo avviene solo nei mammiferi, consentendo di fare più spazio all'emoglobina coinvolta nel trasporto dell'ossigeno", spiega Gutjahr.
Mentre il processo di maturazione delle cellule staminali in eritrociti è ora quasi ottimizzato, in precedenza non era chiaro quali fattori inducessero l'espulsione del nucleo. "Abbiamo scoperto che la chemochina CXCL12, presente soprattutto nel midollo osseo, può innescare l'espulsione del nucleo, anche se in interazione con diversi fattori. Aggiungendo CXCL12 agli eritroblasti al momento giusto, siamo riusciti a indurre artificialmente l'espulsione del loro nucleo", spiega Gutjahr.
Questa scoperta rappresenta una svolta scientifica che in futuro dovrebbe contribuire a rendere molto più efficiente la produzione di sangue artificiale. Tuttavia, saranno necessarie ulteriori ricerche. Gutjahr ha iniziato questo lavoro nel 2019 come ricercatrice post-dottorato nel laboratorio del professor Antal Rot alla Queen Mary University di Londra. Ora continua la sua ricerca presso l'Università di Costanza. Dal 2023 è a capo di un proprio gruppo di ricerca presso l'Istituto di Biologia Cellulare e Immunologia Turgovia, dove prosegue gli studi sul CXCL12.
"Attualmente stiamo studiando come utilizzare il CXCL12 per ottimizzare la produzione artificiale di eritrociti umani", spiega Gutjahr. "È importante notare che, oltre all'immediata applicazione pratica per la produzione industriale di globuli rossi, i nostri risultati hanno portato a una comprensione completamente nuova dei meccanismi biologici cellulari coinvolti nelle risposte degli eritroblasti alle chemochine. Mentre tutte le altre cellule migrano quando sono stimolate da CXCL12, negli eritroblasti questa molecola di segnalazione viene trasportata all'interno della cellula, persino nel nucleo", aggiunge Rot. "Lì accelera la loro maturazione e aiuta a espellere il nucleo. La nostra ricerca dimostra per la prima volta che i recettori delle chemochine non agiscono solo sulla superficie cellulare, ma anche all'interno della cellula, aprendo così prospettive completamente nuove sul loro ruolo nella biologia cellulare", afferma Rot.
Produzione ottimizzata per applicazioni più ampie
Le cellule staminali sono attualmente il metodo più efficace per produrre sangue artificiale, con l'espulsione nucleare che avviene in circa l'80% delle cellule. Tuttavia, le fonti di cellule staminali sono limitate e si basano sull'isolamento dal sangue del cordone ombelicale o da donazioni di midollo osseo per il trattamento di malattie specifiche, non fattibili per la produzione di massa di sangue per soddisfare le esigenze cliniche.
Tuttavia, recentemente è diventato possibile riprogrammare diversi tipi di cellule in cellule staminali e utilizzarle per generare globuli rossi. Questo approccio offre una fonte di cellule quasi illimitata per la produzione di sangue artificiale, ma richiede molto più tempo e la percentuale di successo per l'espulsione del nucleo è solo del 40% circa. "Sulla base delle nostre nuove scoperte, che evidenziano il ruolo chiave di CXCL12 nell'innescare l'espulsione del nucleo, possiamo prevedere che l'uso di CXCL12 dovrebbe portare a un miglioramento significativo nella produzione di globuli rossi da cellule riprogrammate", afferma Gutjahr.
Se la produzione su larga scala diventerà possibile, potrebbe emergere un'ampia gamma di applicazioni. "Anche se le cellule del corpo sono facilmente disponibili, il processo di produzione in laboratorio rimarrà complesso. Tuttavia, ciò consentirebbe la generazione mirata di tipi di sangue rari, aiuterebbe a colmare le carenze o permetterebbe agli individui di riprodurre il proprio sangue per trattamenti specializzati in molte malattie diverse", afferma Gutjahr.
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Pubblicazione originale
Julia Christine Gutjahr, Elin Hub, Caroline Amy Anderson, Maryna Samus, Katharina Artinger, Esteban A. Gomez, Christoph Ratswohl, Natalie Wickli, Mandy Raum, Neil Dufton, Jesmond Dalli, Jemima J. Burden, Johan Duchene, Antal Rot; "Intracellular and nuclear CXCR4 signaling promotes terminal erythroblast differentiation and enucleation"; Science Signaling, Volume 18
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