Le citocalasine come modulatori della differenziazione delle cellule staminali – Cytochalasins as Modulators of Stem Cell Differentiation.

Questo lavoro, finanziato dalla Fondazione Di Bella, è una rassegna approfondita sull’uso delle citocalasine derivate da funghi, come strumenti per modulare il differenziamento cellulare di cellule staminali mesenchimali. La citocalasina B è una molecola su cui il Prof. Luigi Di Bella stava lavorando per i suoi effetti antitumorali. Le citocalasine hanno la capacità di alterare il citoscheletro cellulare, l’impalcatura che determina forma e movimento delle cellule, composto da microfilmenti di actina. Agiscono quindi su tante potenziali attività cellulari: forma, rigidità, divisione, proliferazione, movimento, migrazione, comunicazione, trasporto di nutrienti. Per questo sono potenzialmente utili anche in oncologia. Entrambe le citocalasine inibiscono le citocinesi, ovvero la divisione del citoplasma durante la divisione della cellula, e per questo sono antiproliferative. Inoltre interferiscono con l’assorbimento di nutrienti come il glucosio, lipoproteine e sullo stoccaggio di calcio. La citocalasina D può attivare vie dipendenti dalla proteina oncosoppressore p53, causando l’arresto cellulare. Gli effetti sulla differenziazione di cellule staminali sono molto complessi e variano significativamente in base al tipo specifico di citocalasina, dose, modello cellulare e substrato su cui le cellule vengono fatte crescere. In sintesi queste sostanze modulano il potenziale differenziamento cellulare, agendo sul citoscheletro di actina, modificando forma, rigidità, e influenzando le interazioni. E’ evidente la complessità dei fenomeni osservati e la necessità di approfondimenti per il loro uso clinico futuro.

Autore: Pampanella et al.
Data: 2024
Rivista: Cells 2024, 13, 400.
Argomento: altre letture, citocalasina B, molecole differenzianti
Accesso libero: si
DOI/URL: https://doi.org/10.3390/cells13050400
BLOG: https://www.metododibellaevidenzescientifiche.com/2025/10/08/pampanella-et-al-2024
PANORAMICA AUDIO (IA): https://youtu.be/BK6Uebr5zIY
Parole chiave: citocalasine; cellule staminali; cellule staminali mesenchimali; cellule stromali mesenchimali; microfilamenti di actina; citoscheletro; differenziazione cellulare; osteogenesi; adipogenesi; condrogenesi
Traduzione: l’articolo è stato tradotto in tutte le sue parti, ma con semplificazio

Punti di interesse: La medicina rigenerativa cerca di riparare tessuti e organi danneggiati, spesso utilizzando le cellule staminali (SCs) insieme a impalcature specifiche (come scaffold 3D) o trattamenti, dato che la richiesta di trapianti supera la disponibilità. Le SCs trapiantate possono agire direttamente (sopravvivendo, proliferando e differenziandosi nei tipi cellulari danneggiati) o indirettamente (secernendo fattori che stimolano le proprietà riparative delle cellule residenti). L’obiettivo della ricerca è identificare nuove strategie, come l’uso delle citocalasine, per modulare le proprietà biologiche delle SCs, rallentando il processo di senescenza e potenziando la loro capacità di differenziamento. Le citocalasine sono una famiglia di oltre 60 metaboliti prodotti da diverse specie di funghi. Il loro nome deriva dal greco e riflette la capacità di indurre un “rilassamento” delle cellule. Queste micotossine agiscono modificano l’organizzazione dell’actina cellulare o inibendo la polimerizzazione e l’assemblaggio dei microfilamenti di actina. Interferendo con l’actina citoplasmatica, inducono cambiamenti nella morfologia cellulare e influenzano la divisione. I cambiamenti in forma e proprietà meccaniche sono associati al differenziamento: l’adipogenesi e la condrogenesi sono favorite da strutture citoscheletriche più morbide e disorganizzate e da una forma arrotondata, mentre l’osteogenesi richiede un citoscheletro più rigido e ben organizzato. Questa rassegna analizza gli effetti delle citocalasine sui principali programmi di differenziazione delle cellule staminali mesenchimali (MSCs) umane. La Citochalasina B (CB), ad esempio, blocca la citocinesi (divisione cellulare), portando all’accumulo di cellule multinucleate, e può anche inibire l’assorbimento del glucosio. La Citochalasina D (CD) è un suo isomero e risulta essere molto più potente della CB nell’impedire la polimerizzazione dell’actina.

Le MSCs umane (hMSCs) sono cellule multipotenti cruciali nella medicina rigenerativa. Hanno tipicamente una morfologia simile ai fibroblasti e aderiscono al supporto plastico. Sono definite da specifici marcatori di superficie e possono differenziarsi sia in tipi cellulari mesodermici (come osteociti, adipociti e condrociti) sia in tipi cellulari non mesenchimali (come cellule nervose o epatociti). Le hMSCs promuovono la riparazione dei tessuti sia direttamente (differenziandosi) che indirettamente (attraverso effetti paracrini che riducono l’infiammazione).

Le citocalasine sono promettenti anche come agenti chemioterapici. Il potenziale antitumorale deriva dal loro meccanismo d’azione, ovvero l’interferenza con la polimerizzazione dell’actina e dei filamenti dei microtubuli del citoscheletro cellulare. Sono quindi in grado di interferire con diversi processi cellulare, dalla divisione cellulare, al movimento, al trasporto di nutrienti. Entrambe le citocalasine inibiscono la citocinesi, ovvero la divisione del citoplasma durante la fase di replicazione delle cellule, perché interferiscono con la formazione dell’anello contrattile e con lo sviluppo del solco di scissione. Di conseguenza, possono bloccare la divisione delle cellule neoplastiche ed esercitare un effetto antiproliferativo. Altre proprietà che le rendono interessanti dal punto di vista oncologico: la CB può agire come inibitore dell’assorbimento del glucosio; può prevenire il processo di endocitosi, portando al malassorbimento delle lipoproteine; può alterare la migrazione cellulare modificando il pattern del citoscheletro; può interferire con l’immagazzinamento citosolico di calcio. La Citocalasina D è molto più potente della CB nel prevenire la polimerizzazione dell’actina e può attivare vie dipendenti dalla proteina oncosoppressore 53 (p53), causando l’arresto del ciclo cellulare alla transizione G1-S.

Citocalasine e Osteogenesi: Morfologia e Citoscheletro
Il differenziamento osteogenico è favorito da cellule che perdono la morfologia di fibroblasto, assumono una forma angolare, sono più grandi e hanno un citoscheletro di actina più rigido e ben organizzato. La Citochalasina D (CD) di solito inibisce l’osteogenesi, alterando il dialogo tra actina e vimentina, riducendo l’allungamento cellulare (aspect ratio) e compromettendo vie di segnalazione cruciali come Wnt, attraverso la riduzione della traslocazione nucleare della beta-catenina. Al contrario, la Citochalasina B (CB) è stata osservata promuovere il differenziamento osteogenico in specifici modelli cellulari (hWJ-MSCs), potenziando la rigidità nella zona periferica e l’organizzazione dell’actina corticale. L’effetto delle citocalasine, quindi, dipende dal tipo specifico di tossina, dalla dose e dal tipo di cellula staminale trattata. In alcuni modelli, la CD può invertire gli effetti osteogenici correlati alla dimensione cellulare.
Citocalasine e Osteogenesi: Interazione Cellula-Matrice
Le proprietà meccaniche della Matrice Extra-Cellulare (ECM), come la rigidità, sono fondamentali per regolare l’osteogenesi tramite la connessione con l’actina cellulare. Le SCs coltivate su scaffold 3D possono differenziarsi in osteociti grazie a una specifica morfologia e organizzazione dell’actina, anche senza mezzo osteogenico. La CD tipicamente inibisce l’osteogenesi in queste condizioni, compromettendo le interazioni cellula-substrato e inducendo le cellule ad assumere una forma arrotondata. La morfologia cellulare è considerata un mediatore chiave del differenziamento osteogenico indotto dalla rigidità della matrice. È stato dimostrato che la fibronectina, un componente dell’ECM, può contrastare gli effetti inibitori della CD, “salvando” la diffusione e l’allungamento cellulare, e promuovendo così il programma osteogenico.
Citocalasine e Osteogenesi: Actina Nucleare
Il traffico nucleare dell’actina è cruciale per l’osteogenesi. La CD, distruggendo l’actina citoplasmatica, induce la traslocazione dei monomeri di actina nel nucleo. Questo aumento di actina nucleare spesso innesca lo spostamento del fattore inibitorio YAP dal nucleo al citoplasma, portando in alcuni tipi di MSC ad una promozione dell’espressione dei geni ossei. Tuttavia, lo stesso effetto della CD su YAP può portare anche a una inibizione dell’osteogenesi in altri tipi cellulari. Inoltre, la CD può facilitare l’assemblaggio di filamenti di actina all’interno del nucleo, che modulano l’architettura della cromatina e il destino cellulare. La CD stimola l’osteogenesi anche attraverso la modulazione di regolatori epigenetici.
Citocalasine e Adipogenesi
L’adipogenesi (differenziamento in cellule adipose) è favorita da cellule più morbide e arrotondate, con una ridotta organizzazione e tensione del citoscheletro di actina. Le citocalasine (CD e CB) potenziano efficacemente questo programma. Queste micotossine inducono la depolimerizzazione dell’actina, causano la scomparsa dei contatti focali e la riduzione della diffusione cellulare, portando le MSCs ad assumere la forma arrotondata richiesta. A livello meccanico, la CB riduce l’elasticità cellulare. Tali modifiche favoriscono l’espressione dei marcatori adipogenici, anche attraverso la modulazione di vie di segnalazione molecolare.
Citocalasine e Condrogenesi
La condrogenesi (differenziamento in cartilagine) richiede che le cellule si arrotondino e sintetizzino specifici componenti della ECM come il collagene II. I dati sull’effetto delle citocalasine sono contrastanti. La Citochalasina D (CD) in alcuni studi sembra promuovere la condrogenesi, favorendo l’arrotondamento cellulare e aumentando la produzione di marcatori. In altri contesti, la CD ha inibito il processo, suggerendo che le interazioni cellula-cellula sono essenziali per una condrogenesi robusta. La CD modula anche la proteina YAP, riducendone l’accumulo nucleare, un meccanismo che aiuta a mantenere il fenotipo condrocitario.
Citocalasine e Odontogenesi
L’odontogenesi (differenziamento in dentina/polpa) richiede che le cellule staminali (hDPSCs) siano rigide, allungate, con una fitta rete di fibre di actina e che il fattore di trascrizione YAP sia localizzato prevalentemente nel nucleo. La Citochalasina D (CD) esercita un ruolo fortemente inibitorio. La CD distrugge il citoscheletro di actina, riduce la rigidità e l’allungamento cellulare e riduce drasticamente la localizzazione nucleare di YAP e TAZ. Questo porta a una riduzione nell’espressione dei marcatori odontogenici e inibisce la mineralizzazione.
Citocalasine e Miogenesi
La miogenesi (differenziamento muscolare) richiede la migrazione delle cellule muscolari immature (mioblasti), il raggiungimento di un’alta densità di coltura e la fusione per formare sincizi. Le citocalasine sono prevalentemente inibitorie su questo programma. La Citochalasina D (CD) impedisce la migrazione cellulare, ostacola il raggiungimento dell’alta densità di coltura necessaria per l’espressione di proteine chiave, e interferisce con i meccanismi di trasduzione meccanica (come i canali attivati dallo stiramento) necessari per la maturazione dei miotubi. La CD riduce anche l’accrescimento dei sincizi.
Citocalasine e Tenogenesi
Il differenziamento in tenociti (tenogenesi) richiede che le cellule (hBM-MSCs) assumano una forma allungata, con fibre di actina ad alta densità e allineate, e che avvenga l’attivazione della chinasi di adesione focale (FAK). La Citochalasina D (CD) inibisce la tenogenesi. Il trattamento con CD annulla gli effetti positivi degli stimoli meccanici, rendendo le cellule arrotondate, distruggendo l’organizzazione e l’allineamento dell’actina, diminuendo la fosforilazione di FAK e riducendo l’espressione dei geni tenogenici. L’integrità del citoscheletro di actina è quindi essenziale per la tenogenesi.
Citocalasine e Neurogenesi
La neurogenesi (differenziamento in neuroni) è influenzata dall’organizzazione del citoscheletro, dalla forma cellulare e dalle interazioni cellula-substrato. Le citocalasine agiscono spesso come modulatori negativi. Mentre la Citochalasina B (CB) non ha compromesso la neurogenesi in un modello (mESCs), la Citochalasina D (CD) ha indotto cambiamenti morfologici influenzati dalla topografia del substrato. La CD può compromettere la neurogenesi ippocampale agendo sul turnover dei filamenti di actina e rallentando la crescita assonale. Inoltre, la CB può inibire l’assorbimento di glucosio, il cui accumulo extracellulare influenza negativamente la formazione delle neurosfere.
Conclusioni
In sintesi, le citocalasine modulano il potenziale di differenziamento delle cellule staminali riorganizzando il citoscheletro di actina, modificando la morfologia e la rigidità cellulare e influenzando le interazioni. L’uso di questi composti è vantaggioso per il loro costo contenuto e la facilità di gestione in vitro. Tuttavia, è evidente che gli effetti sono variabili e dipendono dalla dose, dal tipo di tossina e dal modello cellulare. Basse concentrazioni possono aiutare a indirizzare il destino cellulare, mentre alte concentrazioni (>10 μM) possono essere citotossiche o bloccare la proliferazione. Le discrepanze osservate riflettono la complessa azione delle citocalasine e suggeriscono la necessità di standardizzare le condizioni di coltura per ottenere risultati più omogenei e affidabili per il futuro uso clinico.

Traduzione articolo

Riassunto
La medicina rigenerativa mira a identificare nuove strategie di ricerca per la riparazione e il ripristino dei tessuti danneggiati da eventi patologici o accidentali. Le cellule staminali mesenchimali (MSCs) svolgono un ruolo chiave negli approcci di medicina rigenerativa grazie alle loro proprietà specifiche, come l’alto tasso di proliferazione, la capacità di differenziarsi in diverse linee cellulari, il potenziale immunomodulatore e il loro facile isolamento con minimi problemi etici. Uno degli obiettivi principali della medicina rigenerativa è modulare, sia in vitro che in vivo, il potenziale di differenziazione delle MSCs per migliorarne l’uso nella riparazione dei tessuti danneggiati. Nel corso degli anni, sono state raccolte molte prove sulla capacità delle citocalasine, un’ampia famiglia di 60 metaboliti isolati principalmente da funghi, di modulare molteplici proprietà delle cellule staminali (SCs), come la proliferazione, la migrazione e la differenziazione, alterando l’organizzazione del cito- e del nucleo-scheletro. In questa rassegna, abbiamo discusso la capacità di due diverse citocalasine, le citocalasine D e B, di influenzare specifici programmi di differenziazione delle SCs modulati da diversi agenti (chimici o fisici) o da fattori intra- ed extra-cellulari, con particolare attenzione alle MSCs umane (hMSCs).

File pdf della traduzione di Pampanella et al. (2024) Le citocalasine come modulatori della differenziazione delle cellule staminali – Cytochalasins as Modulators of Stem Cell Differentiation” Cells 2024, 13, 400