Follicoli piliferi completamente maturi generati in laboratorio come “follicloidi” coltivati

Un team di ricercatori dal Giappone che studia i processi di crescita del follicolo pilifero e la pigmentazione dei capelli ha generato con successo follicoli piliferi in colture, controllando le interazioni epiteliali-mesenchimali (EMI) e la disposizione delle cellule epiteliali e mesenchimali in tre dimensioni, in vitro. Gli scienziati, guidati da Tatsuto Kageyama, PhD, assistente professore presso la facoltà di ingegneria presso la Yokohama National University, suggeriscono che il modello del follicolo pilifero fornirà nuove informazioni sullo sviluppo del follicolo pilifero, che potrebbero indicare lo sviluppo di nuovi approcci per il trattamento dei capelli disturbi della perdita e potenzialmente hanno anche rilevanza per i test sugli animali e lo screening dei farmaci.

Segnalando il loro lavoro in La scienza avanzain un documento intitolato “Riprogrammazione di microambienti tridimensionali per l’induzione del follicolo pilifero in vitro”, Kageyama e colleghi hanno concluso: “Questo approccio può essere utile non solo per comprendere le basi delle EMI nell’induzione del follicolo pilifero, ma anche per applicazioni come alternative alla sperimentazione animale, alla rigenerazione del follicolo pilifero e allo screening dei farmaci”.

Quando un embrione si sviluppa, si verificano interazioni tra lo strato esterno della pelle chiamato strato epidermico e il tessuto connettivo chiamato mesenchima. Queste interazioni epiteliali-mesenchimali funzionano come un sistema di messaggeri per innescare lo sviluppo di vari tessuti e organi, inclusa la morfogenesi del follicolo pilifero. La morfogenesi è il processo in un organismo in cui le cellule sono organizzate in tessuti e organi.

Negli ultimi decenni gli scienziati hanno utilizzato modelli animali per studiare i meccanismi critici coinvolti nello sviluppo dei capelli. Ma comprendere appieno i processi coinvolti nello sviluppo del follicolo pilifero rimane impegnativo e fino ad oggi la morfogenesi del follicolo pilifero non è stata riprodotta con successo in una piastra di coltura di laboratorio. “Sebbene i modelli murini knockout e knockdown possano essere utilizzati per identificare geni e segnali chiave relativi allo sviluppo del follicolo pilifero in base all’aspetto dei peli corporei, chiarire completamente i meccanismi molecolari per le EMI rimane difficile a causa dell’ambiente affollato in vivo”, ha spiegato il team.

L’uso delle colture organoidi nella ricerca è stato più recentemente al centro di un’attenzione diffusa. Come versioni minuscole e semplici di un organo, gli scienziati producono e utilizzano organoidi per studiare lo sviluppo e la patologia di tessuti e organi in un piatto di coltura di laboratorio. “Gli organoidi erano uno strumento promettente per chiarire i meccanismi della morfogenesi del follicolo pilifero in vitro”, ha affermato Kageyama.

Alcuni progressi erano stati segnalati in precedenza con la ricostruzione di aggregati simili a germi del follicolo pilifero (HFG) in coltura, utilizzando cellule epiteliali e mesenchimali embrionali dissociate, ha continuato il team. “Quando trapiantati nella pelle di topi nudi, gli HFG hanno generato follicoli piliferi de novo, il che implica che gli HFG hanno capacità di neogenesi dei capelli”. Tuttavia, i ricercatori hanno sottolineato che indurre la generazione di follicoli piliferi maturi e la neogenesi dei capelli nelle culture è rimasto impegnativo.

Per il loro studio riportato, i ricercatori hanno fabbricato organoidi del follicolo pilifero controllando la struttura generata dalle cellule embrionali epiteliali e mesenchimali, utilizzando una concentrazione piuttosto bassa di matrici extracellulari. Le matrici extracellulari hanno regolato la spaziatura tra i due tipi di cellule embrionali da una forma a manubrio a una configurazione core-shell. Follicoli piliferi di nuova formazione con caratteristiche tipiche sono emersi in gruppi a forma di conchiglia. Questi gruppi a forma di guscio centrale aumentano l’area di contatto tra due regioni cellulari per migliorare i meccanismi che contribuiscono alla crescita del follicolo pilifero.

Un lungo follicolo pilifero rappresentativo generato dai follicloidi piliferi dopo un lungo periodo di coltura. [Yokohama National University]

Il sistema di coltura organoide di nuova concezione del team ha generato follicoli piliferi e fusti dei capelli con un’efficienza quasi del 100%. Gli organoidi del follicolo pilifero hanno prodotto follicoli piliferi completamente maturi con fusti piliferi lunghi (circa 3 mm di lunghezza dopo 23 giorni di coltura), “… cosa che non è stata raggiunta in precedenza”, ha affermato il team. Quando si è verificata questa crescita, i ricercatori hanno potuto monitorare la morfogenesi del follicolo pilifero e la pigmentazione dei capelli in vitro e comprendere le vie di segnalazione nei processi.

Il team, inoltre, ha esaminato la fattibilità dell’utilizzo degli organoidi del follicolo pilifero per lo screening dei farmaci e la medicina rigenerativa. Hanno anche aggiunto al mezzo di coltura un farmaco stimolante i melanociti che svolge un ruolo chiave nella produzione della pigmentazione del colore dei capelli. Con l’aggiunta di questo farmaco, i ricercatori hanno migliorato significativamente la pigmentazione delle fibre simili a capelli. Inoltre, trapiantando gli organoidi del follicolo pilifero, hanno ottenuto un’efficiente rigenerazione del follicolo pilifero con cicli ripetuti dei capelli.

Gli scienziati ritengono che questo modello di follicolo pilifero in vitro potrebbe aiutare gli scienziati a comprendere meglio l’induzione del follicolo pilifero, valutare la pigmentazione dei capelli e i farmaci per la crescita dei capelli e potenzialmente come rigenerare i follicoli piliferi.

Il metodo è anche scalabile, hanno osservato, aprendo il potenziale per ulteriori vie di ricerca. “La preparazione su larga scala dei follicloidi piliferi può essere combinata con la tecnologia di ingegneria genetica (utilizzando CRISPR-Cas9, RNA a corto raggio e inibitore del segnale) per eseguire un’analisi completa dei geni chiave relativi allo sviluppo del follicolo pilifero, alla pigmentazione dei capelli e al follicolo pilifero malattie dello sviluppo”.

I risultati potrebbero anche rivelarsi rilevanti per altri sistemi di organi e contribuire alla comprensione di come si sviluppano i processi fisiologici e patologici. “Poiché le EMI sono cruciali per la morfogenesi di altri tessuti e organi, questo può fornire un approccio versatile per la preparazione di altri organoidi”, hanno suggerito gli scienziati.

La ricerca riportata ha utilizzato cellule di topo, ma guardando avanti alla ricerca futura, il team prevede di ottimizzare il proprio sistema di coltura organoide utilizzando cellule umane. “Il nostro prossimo passo è utilizzare cellule di origine umana e fare domanda per lo sviluppo di farmaci e la medicina rigenerativa”, ha affermato il coautore Junji Fukuda, PhD, professore presso la facoltà di ingegneria della Yokohama National University. Nel loro articolo, gli autori hanno osservato: “… stiamo attualmente studiando il nostro approccio utilizzando cellule di cellule staminali di tessuti umani da donatori di follicoli piliferi o cellule indotte da cellule staminali pluripotenti umane”.

La ricerca futura potrebbe eventualmente indicare nuove strategie terapeutiche per i disturbi della caduta dei capelli come l’alopecia androgena, che è comune sia negli uomini che nelle donne. “Questo modello di follicolo pilifero in vitro potrebbe essere prezioso per comprendere meglio l’induzione del follicolo pilifero, valutare la crescita dei capelli e l’inibizione della crescita dei capelli da parte di farmaci e modellare i capelli grigi in un ambiente ben definito”, hanno suggerito i ricercatori.

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