Organizzazione e funzione del tessuto epatico

Il fegato è un organo chiave che svolge compiti vitali per la vita, come il metabolismo dei nutrienti e degli xenobiotici, nonché la disintossicazione. È straordinariamente dinamico, essendo in grado di rinnovare costantemente le sue cellule e rigenerare 2/3 della sua massa dopo epatectomia parziale. La funzionalità epatica dipende dalla sua architettura tissutale unica. Gli epatociti presentano una polarità apico-basale complessa: le loro membrane apicali formano una cintura stretta tridimensionale (3D) tra le cellule adiacenti, che danno collettivamente origine alla rete biliare canaliculi (BC), un componente essenziale per la secrezione biliare e la funzionalità epatica complessiva. I diversi contatti cellula-cellula nel tessuto consentono agli epatociti di sviluppare più superfici apicali e basolaterali per cellula dando origine a una complessa organizzazione tissutale 3D. È quindi molto importante comprendere la specifica organizzazione strutturale degli epatociti e le loro interazioni con le cellule endoteliali sinusoidali ma anche con le cellule stellate e di Kupffer al fine di comprendere la funzionalità epatica e l’omeostasi. Questo progetto mira a identificare e caratterizzare i fattori chiave che sono responsabili del mantenimento e della perdita della polarità degli epatociti, nonché dell’organizzazione 3D della rete BC e sinusoidale nel tessuto epatico. Stiamo affrontando tre domande:

  • Come viene regolata la polarità degli epatociti?
  • In che modo le cellule con polarità complessa si assemblano nel tessuto?
  • Come viene mantenuta l’architettura dei tessuti quando c’è un ricambio cellulare dovuto alla rigenerazione dei tessuti?

Ricostruzione della struttura del tessuto epatico in 3D

L’obiettivo è quello di sviluppare una comprensione quantitativa della struttura del fegato utilizzando l’analisi delle immagini e la modellazione multi-scala. Utilizziamo una pipeline di tecniche di imaging all’avanguardia e nuovi algoritmi di analisi delle immagini per ricostruire la struttura 3D del tessuto epatico e le sue dinamiche in vivo. Applicando microscopia ottica ad alta e super risoluzione, microscopia elettronica (EM) e imaging intra-vitale, miriamo a sviluppare una comprensione quantitativa senza precedenti dell’organizzazione del tessuto epatico su più scale, che vanno dal livello sub-cellulare a quello lobulare. I parametri quantitativi estratti saranno utilizzati per generare un modello di struttura tissutale. Le previsioni del modello saranno quindi testate introducendo endocitosi genetica per la consegna di siRNA e perturbazioni chimiche. Silenziamento dei geni in epatociti primari o nel fegato di topo è possibile utilizzando state-of-the-art RNA interference (RNAi) (Zeigerer et al., 2012). Utilizzando questo approccio, è stato possibile descrivere i fenotipi a più scale, dal livello molecolare a quello cellulare fino alla fisiologia dell’organo e dell’organismo. Studi di validazione saranno condotti sul fegato in via di sviluppo, adulto e rigenerante dopo epatectomia parziale.

Genomica funzionale nel fegato di topo

L’efficiente erogazione di SIRNA e silenziamento genico negli epatociti offre la possibilità unica di condurre un’analisi di biologia dei sistemi nel fegato di topo, come sistema modello di organo dei mammiferi. Un esempio dell’enorme potenziale di questo approccio è l’analisi multi-scala del fegato dopo l’esaurimento di Rab5 da parte di siRNAs consegnato tramite nanoparticelle lipidiche (LNPs) in collaborazione con Victor Koteliansky (Zeigerer et al., Natura 2012).

Fig. 1

È ormai ampiamente accettato che la moderna ricerca biologica non possa più limitarsi allo studio isolato di singoli componenti molecolari, ma debba comprendere molteplici livelli di complessità, ordinati gerarchicamente dal molecolare al sub-cellulare, alle cellule, ai tessuti, agli organi e a interi organismi. Il nostro obiettivo è integrare le informazioni funzionali all’interno di ogni livello e ponte tra le scale, per capire come le perturbazioni a livello molecolare si manifestano a tutti i livelli di complessità.

Regolazione delle dimensioni del fegato durante lo sviluppo e la rigenerazione

Le dimensioni e la forma degli organi sono accuratamente controllate durante lo sviluppo e la rigenerazione. Nella Drosophila e nei mammiferi, gli studi negli ultimi anni hanno scoperto un ruolo critico della via di trasduzione del segnale dell’ippopotamo nella regolazione delle dimensioni dell’organo: ad esempio, la de-regolazione dell’ippopotamo porta alla crescita eccessiva del fegato. Finora, abbiamo ottenuto una buona comprensione delle componenti molecolari della via di segnalazione dell’ippopotamo, dei loro effetti sulla proliferazione e sull’apoptosi, del loro ruolo nell’auto-rinnovamento e nell’espansione delle cellule staminali e delle cellule progenitrici tessuto-specifiche e della loro funzione nella rigenerazione dei tessuti. Tuttavia, mancano ancora informazioni su come le cellule “percepiscano” a livello molecolare il completamento dello sviluppo o della riparazione degli organi al fine di arrestare la proliferazione cellulare e prevenire la crescita eccessiva degli organi. Stiamo sviluppando un quadro teorico e sperimentale per misurare, descrivere e modellare come le vie di segnalazione che agiscono nello sviluppo del fegato e nell’omeostasi come Ippopotamo, HGF e Wnt siano regolate per garantire il corretto processo morfogenetico durante lo sviluppo e la riparazione del fegato.

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