Nel 2006, uno studio dei dottori Kazutoshi e Shinya Yamanaka ha mostrato che era possibile riprogrammare le cellule usando solo quattro geni master chiamati Oct4, Sox2, Klf4 e c-Myc, o in breve OSKM [1]. Questi quattro fattori di riprogrammazione sono spesso chiamati fattori Yamanaka dal nome di uno dei loro scopritori.

Prima di questo, si presumeva che le cellule uovo (ovociti) contenessero una serie complessa di fattori necessari per riprogrammare una cellula somatica in una cellula embrionale.

Takahashi e Yamanaka hanno capovolto questa idea quando hanno mostrato che solo quattro dei fattori Yamanaka erano necessari per ottenere questa trasformazione.

Hanno usato i fattori Yamanaka per riprogrammare i fibroblasti di topo adulto (cellule del tessuto connettivo) in uno stato embrionale chiamato pluripotenza, uno stato in cui la cellula si comporta come una cellula staminale embrionale e può diventare qualsiasi altro tipo di cellula nel corpo.

Questa scoperta ha aperto la strada alla ricerca su come questi fattori Yamanaka potrebbero essere utilizzati per il ringiovanimento cellulare e un potenziale modo per combattere le malattie legate all’età.

Fattori Yamanaka per il ringiovanimento cellulare e animale

Nel 2011, un team di ricercatori francesi, tra cui Jean-Marc Lemaitre, ha segnalato per la prima volta il ringiovanimento cellulare utilizzando i fattori Yamanaka [2]. Durante la loro vita, le cellule esprimono diversi modelli di geni e questi modelli sono unici per ogni fase della vita di una cellula; questo profilo di espressione genica rende facile identificare una cellula vecchia o giovane. A quel tempo, era anche noto che le cellule invecchiate come i fibroblasti avevano telomeri corti e mitocondri disfunzionali, due dei nove motivi per cui invecchiamo [3].

Jean-Marc Lemaitre e i suoi colleghi hanno testato gli effetti dei fattori Yamanaka sui fibroblasti invecchiati di persone anziane normali e anche di persone sane di età superiore ai 100 anni. Hanno aggiunto due ulteriori fattori genetici di pluripotenza al mix OSKM, vale a dire NANOG e LIN28, ed hanno esaminato l’effetto che questo ha avuto sull’espressione genica, sui telomeri e sui mitocondri di queste persone anziane.

Hanno scoperto che insieme, i sei fattori erano in grado di riportare le cellule di vecchi donatori in uno stato pluripotente, il che significa che potevano diventare qualsiasi altro tipo di cellula nel corpo. Queste divennero note come cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC).

I ricercatori hanno notato che le cellule avevano un tasso di crescita più elevato rispetto alle cellule invecchiate da cui erano state riprogrammate; avevano anche telomeri più lunghi e mitocondri che si comportavano in modo giovanile e non erano più disfunzionali. In altre parole, la riprogrammazione delle cellule ha invertito alcuni aspetti dell’invecchiamento e riportato le cellule a uno stato simile a quello durante lo sviluppo.

I fattori Yamanaka sembrano invertire l’invecchiamento epigenetico

Il passaggio finale per i ricercatori è stato quindi guidare queste iPSC a diventare nuovamente fibroblasti utilizzando altri fattori di riprogrammazione. Il risultato è stato che questi fibroblasti riprogrammati non esprimevano più i modelli genici associati alle cellule invecchiate e avevano un profilo di espressione genica indistinguibile da quelli dei giovani fibroblasti. In sostanza, hanno dimostrato che le alterazioni epigenetiche (modifiche ai modelli di espressione genica), per una ragione per cui invecchiamo, erano invertite.

PERCHE’ INVECCHIIAMO: ALTERAZIONI EPIGENETICA

Le alterazioni epigenetiche sono cambiamenti legati all’età nell’espressione genica che danneggiano le funzioni fondamentali delle cellule e aumentano il rischio di cancro e altre malattie legate all’età. Uno dei motivi proposti per invecchiare sono i cambiamenti nell’espressione genica che le nostre cellule sperimentano quando invecchiamo; queste sono comunemente chiamate alterazioni epigenetiche. Queste alterazioni danneggiano le funzioni fondamentali delle nostre cellule e possono aumentare il rischio di cancro e altre malattie legate all’età.

Oltre a ciò, hanno anche dimostrato che la lunghezza dei telomeri, la funzione mitocondriale e i livelli di stress ossidativo si erano tutti ripristinati su quelli tipicamente osservati nei giovani fibroblasti. L’attrito dei telomeri e la disfunzione mitocondriale sono altre due ragioni per cui si pensa che invecchiamo.

Questa è stata la prima prova che le cellule invecchiate, anche da individui molto vecchi, potrebbero essere ringiovanite, e questo è stato seguito da una marea di studi indipendenti che hanno confermato questi risultati nello stesso e in altri tipi di cellule.

I fattori Yamanaka possono essere utilizzati negli animali vivi?

È stato facile isolare le cellule in un piatto, riportarle a uno stato di sviluppo, quindi guidarle a diventare qualsiasi tipo di cellula desiderassero utilizzando i fattori Yamanaka. Ma questo ovviamente non era pratico in un animale vivente poiché le cellule non potevano cancellare la loro memoria, quindi tornavano a uno stato pluripotente. Immagina se una cellula del cuore dimenticasse di essere una cellula del cuore mentre avrebbe dovuto aiutare a pompare il sangue in tutto il corpo!

C’era anche la preoccupazione che l’espressione dei fattori Yamanaka fosse nota per indurre il cancro negli animali [4].

Alcuni ricercatori ritenevano che potesse essere possibile curare il cancro e invertire l’invecchiamento nelle cellule senza riportarle completamente alla pluripotenza. Ma nessuno era riuscito a raggiungere questo obiettivo con successo negli animali vivi. Tutto questo stava per cambiare nel dicembre 2016.

Il professor Juan Carlos Izpisua Belmonte e il suo team di ricercatori del Salk Institute hanno riportato la conclusione del loro studio, che ha mostrato per la prima volta che le cellule e gli organi di un animale vivente possono essere ringiovaniti [5].

Per lo studio, i ricercatori hanno utilizzato un topo progerico appositamente progettato per invecchiare più rapidamente del normale, nonché un ceppo di topo che invecchia normalmente. Entrambi i tipi di topi sono stati progettati per esprimere i fattori Yamanaka quando sono entrati in contatto con l’antibiotico doxiciclina, che è stato somministrato loro attraverso l’acqua da bere.

Hanno permesso che i fattori Yamanaka fossero espressi transitoriamente includendo la doxiciclina nell’acqua per due giorni, quindi l’hanno rimossa in modo che i geni OSKM fossero nuovamente silenziati. I topi hanno quindi avuto un periodo di riposo di cinque giorni prima di altri due giorni di esposizione alla doxiciclina; questo ciclo è stato ripetuto per tutta la durata dello studio.

Riprogrammazione cellulare parziale

Dopo appena sei settimane di questo trattamento, che ha riprogrammato costantemente le cellule dei topi, i ricercatori hanno notato miglioramenti nel loro aspetto, inclusa una ridotta curvatura spinale legata all’età. A questo punto anche alcuni dei topi dei gruppi di esperimento e di controllo sono stati sottoposti a eutanasia in modo che la loro pelle, i reni, lo stomaco e la milza potessero essere esaminati. I topi di controllo hanno mostrato una serie di cambiamenti legati all’età rispetto ai topi trattati, che presentavano una serie di segni dell’invecchiamento arrestati o addirittura invertiti, comprese alcune alterazioni epigenetiche.

I topi trattati hanno anche sperimentato un aumento del 50% del loro tempo medio di sopravvivenza rispetto ai topi di controllo progerico non trattati. Va notato che non tutti i segni dell’invecchiamento sono stati influenzati dalla riprogrammazione cellulare parziale e, se il trattamento è stato interrotto, i segni dell’invecchiamento sono ricomparsi.

Forse la cosa più importante, mentre la riprogrammazione cellulare parziale condotta in questo modo periodico ha ripristinato alcuni segni di invecchiamento epigenetico, non ha ripristinato la differenziazione cellulare, che farebbe tornare la cellula allo stato embrionale e dimenticare che tipo di cellula fosse in precedenza; come puoi immaginare, questa sarebbe una brutta cosa in un animale vivente.

Infine, non solo l’espressione transitoria dei fattori Yamanaka ha ringiovanito almeno parzialmente le cellule e gli organi nei topi progerici, ma sembrava anche migliorare la rigenerazione dei tessuti nel gruppo di topi ingegnerizzati di 12 mesi che invecchiano normalmente. I ricercatori hanno osservato che la riprogrammazione parziale ha migliorato la capacità di questi topi di rigenerare i tessuti del pancreas, con conseguente aumento della proliferazione delle cellule beta; inoltre, c’è stato un aumento delle cellule satelliti nel muscolo scheletrico. Entrambi questi tipi di cellule in genere diminuiscono durante l’invecchiamento.

Fattori Yamanaka utilizzati per migliorare la funzione cognitiva nei topi anziani

Nell’ottobre 2020, un altro studio ci ha portato un passo avanti verso la riprogrammazione cellulare parziale che ha raggiunto la clinica quando i ricercatori hanno dimostrato che la riprogrammazione cellulare parziale migliora la memoria nei topi anziani. Come hanno dimostrato gli studi precedenti, la riprogrammazione cellulare parziale è un atto di equilibrio tra il ringiovanimento epigenetico delle cellule e il ripristino dei loro orologi di invecchiamento, senza ripristinare completamente la loro identità cellulare in modo che dimentichino che tipo di cellula sono [6].

Precedenti studi ci hanno anche mostrato che questo atto di bilanciamento è possibile e che esponendo le cellule abbastanza a lungo ai fattori di riprogrammazione, è possibile il ringiovanimento della cellula senza cancellare la sua identità cellulare.

Come nello studio precedente di cui abbiamo parlato, i topi in questo studio avevano le loro cellule ingegnerizzate per reagire alla doxiciclina, un antibiotico comune utilizzato nella pratica veterinaria, al fine di esprimere i fattori di riprogrammazione OSKM. I ricercatori hanno scoperto che dare ai topi un’esposizione sufficiente ha migliorato la loro funzione cognitiva senza un aumento della mortalità durante un periodo di quattro mesi.

Un altro passo avanti per la riprogrammazione cellulare parziale

Alla fine del 2020, i ricercatori, tra cui il Dr. David Sinclair, hanno pubblicato uno studio che ha dimostrato che erano riusciti a ripristinare la vista perduta a vecchi topi e topi con nervi retinici danneggiati, utilizzando la riprogrammazione cellulare parziale [7].

Per ridurre il rischio di cancro hanno deciso di provare la riprogrammazione cellulare parziale meno uno dei fattori Yamanaka. Uno degli autori dello studio, il dottor Yuancheng Lu, stava cercando un modo più sicuro per ringiovanire le cellule invecchiate, poiché c’erano alcune preoccupazioni sul fatto che l’uso di c-Myc potesse causare il cancro in determinate circostanze. Quindi alla fine hanno deciso di utilizzare solo Oct4, Sox2 e Klf4 (OSK).

La buona notizia era che anche OSK è stato in grado di ringiovanire i nervi oculari danneggiati nei topi e ripristinare la vista. Ha anche lavorato per migliorare la compromissione della vista legata all’età nei topi trattati e nei topi che hanno sperimentato un aumento della pressione oculare, un’emulazione del glaucoma.

Il Coautore dello studio, il dottor David Sinclair, ha detto in un articolo su Nature, “Ci siamo posti una domanda: se i cambiamenti epigenetici sono un fattore determinante dell’invecchiamento, puoi ripristinare l’epigenoma?”, O, in altre parole, “Puoi invertire l’orologio?”. La risposta sembra essere un sonoro sì!

Affinamento del metodo di riprogrammazione cellulare parziale

Nel gennaio 2021 i ricercatori hanno dimostrato che la riprogrammazione parziale ringiovanisce le cellule umane di 30 anni, facendo funzionare le cellule vecchie e usurate come le cellule di una persona di circa 25 anni. I ricercatori di questo studio hanno utilizzato un approccio che ha esposto le cellule a fattori di riprogrammazione sufficienti per spingerle oltre il limite in cui erano considerate cellule somatiche piuttosto che staminali, ma solo appena oltre [8].

I fibroblasti che sono stati riprogrammati in questo modo hanno conservato una quantità sufficiente delle loro memorie cellulari epigenetiche per tornare ad essere fibroblasti ancora una volta. L’esposizione di queste cellule ai fattori OSKM è stata eseguita con un pacchetto lentivirale attivato con doxiciclina come avevano fatto anche precedenti studi sugli animali.

Forse la cosa più interessante, secondo l’orologio multi-tessuto di Horvath del 2013, le cellule campione che avevano poco meno di 60 anni sono diventate epigeneticamente equivalenti a cellule che avevano circa 25 anni dopo 13 giorni di riprogrammazione cellulare parziale, e l’orologio cutaneo e sanguigno di Horvath 2018 ha mostrato che anche le cellule di circa 40 anni sono state restituite epigeneticamente a quelle di un 25enne. Sembra che le cellule riprendano un’età epigenetica di circa 25 anni, suggerendo che questo è un picco di prima cellula o l’età funzionale ottimale per le cellule.

Le sfide future per la riprogrammazione cellulare parziale

Di gran lunga, il più grande ostacolo alla traduzione della riprogrammazione cellulare parziale nelle persone è la necessità di trovare un modo per attivare i fattori Yamanaka nelle nostre cellule senza dover ingegnerizzare i nostri corpi per reagire a un farmaco come la doxiciclina. Ciò potrebbe richiedere lo sviluppo di farmaci in grado di attivare l’OSKM, modificando ogni cellula del nostro corpo per rispondere a un particolare composto come la doxiciclina, il che sarebbe estremamente impegnativo sebbene plausibile.

Un’altra possibilità è modificare la linea germinale in modo che i nostri figli nascano con una tale modifica per rispondere a un composto scelto, un’idea che attualmente è un incubo etico da considerare, per non parlare delle sfide tecniche di farlo con successo. Qualunque sia la soluzione, deve essere pratica.

L’altro grande ostacolo è trovare un metodo adatto a lungo termine che non richieda una manutenzione costante, per timore che i segni dell’invecchiamento ritornino rapidamente, come accadeva nei topi quando il trattamento è stato interrotto. Sebbene ci sia qualche ragione per credere che questi segni non ritornerebbero così rapidamente nelle persone date le differenze tra il metabolismo del topo e quello umano e i nostri sistemi di riparazione superiori, è probabile che ritornino a tempo debito. Quindi, trovare un modo conveniente per mantenere il trattamento ciclico è fondamentale; ciò potrebbe potenzialmente essere ottenuto utilizzando farmaci o terapia genica transitoria.

Il futuro di Yamanaka fattori per combattere l’invecchiamento

Partendo dal presupposto che queste barriere possono essere superate e che i rapidi progressi della biotecnologia offrono una ragione per pensare che lo faranno, la riprogrammazione cellulare parziale potrebbe avere un grande potenziale per prevenire o addirittura curare le malattie dell’invecchiamento.

Si potrebbe prevedere un uso precoce e di primo passaggio di questo approccio in modo preventivo: gli anziani a rischio di malattie legate all’età potrebbero ricevere una riprogrammazione parziale al fine di fermare o almeno rallentare significativamente questo aspetto dell’invecchiamento e quindi ridurre il loro rischio di sviluppare malattie legate all’età.

Fasi più raffinate possono vederlo utilizzato in modo più mirato per riparare un determinato organo o tessuto danneggiato da lesioni o malattie. In un altro scenario, più avanzato, si potrebbe tentare il ringiovanimento graduale di tutto il corpo delle persone anziane al fine di prevenire totalmente le malattie legate all’età e mantenerle sane, attive e in grado di continuare a godersi la vita.

Anche aziende come Google Calico stanno attualmente studiando modi alternativi per ottenere una riprogrammazione cellulare parziale senza utilizzare i fattori Yamanaka. Questa è un’altra direzione di ricerca che potrebbe rivelarsi più pratica e sicura rispetto all’utilizzo dei fattori Yamanaka.

Il rapido progresso della tecnologia medica potrebbe potenzialmente significare che tali terapie di riprogrammazione cellulare parziale potrebbero diventare disponibili in un futuro non troppo lontano. Certamente lo speriamo.