M6C2 – INNOVAZIONE, RICERCA E DIGITALIZZAZIONE DEL SERVIZIO SANITARIO NAZIONALE
C2 Investimento 2.1 – Valorizzazione e potenziamento della ricerca biomedica del SSN
L’obiettivo dell’investimento è di potenziare il sistema della ricerca biomedica in Italia, rafforzando la capacità di risposta dei centri di eccellenza nel settore delle patologie rare e favorendo il trasferimento tecnologico tra ricerca e imprese.
C2 Investment 2.1 – Strengthening and enhancing biomedical research in the NHS
The aim of the investment is to strengthen the biomedical research system in Italy, enhancing the response capacity of the centers of excellence in the rare disease field and promoting technology transfer between research and business.
Le malattie croniche, come il tumore metastatico e la sepsi, possono essere sostenute da uno stato di infiammazione persistente unitamente ad un’irrisolta condizione di immunosoppressione. Queste profonde alterazioni della risposta immunitaria possono persistere a lungo dopo la risoluzione dell’evento acuto, nel caso della sepsi, o dopo la rimozione o il trattamento del tumore primario. L’ipotesi alla base di questo progetto prevede che i fattori rilasciati nella fase acuta della sepsi o dal tumore primario possano istruire negativamente i progenitori mieloidi presenti nel midollo osseo, favorendo lo sviluppo di forme cellulari immature in grado di sostenere il processo di cronicizzazione della malattia. Infatti, queste cellule mieloidi aberranti hanno una marcata attività immunosoppressiva e sono in grado di promuovere l’instabilità genetica delle cellule tumorali dotandole di una maggiore resilienza al microambiente da cui derivano e di una maggiore adattabilità a nuovi distretti tissutali. Questo progetto si propone di comprendere i processi molecolari che avvengono nelle cellule mieloidi, sia a livello di midollo osseo che della circolazione sanguigna, e che favoriscono la cronicizzazione e l’aggravamento della sepsi da un lato, e del tumore dall’altro. L’ipotesi proposta è stata studiata utilizzando una pletora di tecnologie e modelli innovativi che spaziano da analisi ad alta risoluzione su singola cellula quali scRNA-seq e scATAC-seq, all’uso di modelli murini di sepsi cronica, alla generazione di modelli murini “umanizzati” cioè in grado di ricostituire il sistema immunitario umano, fino alla generazione di precursori mieloidi da cellule staminali pluripotenti indotte (iPS). È stata inoltre costituita per la prima volta in Italia una bio-banca di tessuto midollare umano, il tutto associato ad una gestione clinica efficiente e consolidata.
Nel primo anno di attività sono stati reclutati sia i pazienti con sepsi che i pazienti affetti da tumore primario (melamona, sarcoma e adenocarcinoma pancreatico), e attraverso la valutazione della composizione delle cellule mieloidi circolanti è stato possibile identificare una popolazione specifica di cellule mieloidi immature, simili a progenitori midollari, e presente unicamente nel sangue dei pazienti, ma non dei donatori sani. Queste cellule sono in grado di rilasciare strutture particolari, dette neutrophil extracellular traps (NETs), contenenti fattori in grado di promuovere sia l’immunosoppressione che la risposta infiammatoria. L’analisi su singola cellula ha evidenziato che queste cellule mieloidi hanno un fenotipo immaturo e sovra esprimono geni regolatori del metabolismo e delle amine biogene, che, tra l’altro, controllano sia la proliferazione che l’assetto epigenetico delle cellule. Parallelamente, sono stati avviati gli studi sui modelli murini sia di tumore che di sepsi. Ad oggi, il modello murino di sepsi indotta da legatura e puntura cecale è stato ottimizzato e sono state effettuate le analisi volte a determinare le alterazioni trascrizionali e fenotipiche associate alle cellule mieloidi e ai loro progenitori in corso di malattia. Infine, è stata messa a punto la derivazione delle cellule pluripotenti (iPS) a partire da cellule immunitarie circolanti, ne è stato caratterizzato il genotipo ed è stato iniziato il processo di differenziamento in vitro per la produzione di precursori ematopoietici. Le cellule iPS sono state successivamente manipolate geneticamente in base ai target genetici identificati nelle cellule mieloidi immature dei pazienti, al fine di comprendere il contributo di questi geni nel processo di alterazione della mielopoiesi.
Chronic diseases, such as metastatic cancer and sepsis, can be sustained by a state of persistent inflammation coupled with an unresolved state of immunosuppression. These profound alterations in the immune response may persist for an extended period following the resolution of the acute event, as observed in the case of sepsis, or following the removal or treatment of the primary tumor. It is our hypothesis that factors released in the acute phase of sepsis or by the primary tumor exert a negative regulatory influence on myeloid progenitors present in the bone marrow, thereby facilitating the development of immature cellular forms capable of sustaining the chronicity of the disease. These aberrant myeloid cells display pronounced immunosuppressive activity and can promote genetic instability, thus enabling tumor cells to exhibit greater resilience to the microenvironment from which they are derived and greater adaptability to new tissue districts.
The objective of this project is to elucidate the molecular processes occurring in myeloid cells, both in the bone marrow and in the bloodstream, that contribute to the chronicization and exacerbation of sepsis and cancer. The proposed hypotheses have been investigated using cutting-edge high-resolution techniques, including single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) and single-cell ATAC sequencing (scATAC-seq). To test our hypotheses, we employed murine models of chronic sepsis, generated “humanized” murine models capable of reconstituting the human immune system, and derived myeloid precursors from induced pluripotent stem cells (iPSCs). Additionally, we have established a biobank of human bone marrow tissue, which is currently unavailable in Italy, and developed a consolidated clinical management framework.
In the first year of the project, patients with sepsis and those with primary tumors (melanoma, sarcoma, and pancreatic adenocarcinoma) were recruited for participation. The composition of circulating myeloid cells was assessed, and a specific population of immature and progenitor-like cells was identified as being uniquely present in the blood of these patients. These cells release specific structures, designated as neutrophil extracellular traps (NETs), containing factors that promote both immunosuppression and inflammatory responses. Single-cell analysis demonstrated that these immature myeloid cells overexpress genes regulating metabolism and biogenic amines, controlling the proliferation and the epigenetic landscape of these cells.
Per informazioni relative al Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNRR) consulta il portale ItaliaDomani e il portale dedicato alla Missione Salute.