Crosstalk among neurons, muscle and bone on a chip: impact of stem cell derived extracellular vesicles on osteosarcopenia

L’invecchiamento è associato ad una progressiva degenerazione, in massa e funzione, del sistema neuro-muscolo-scheletrico. Le giunzioni neuromuscolari (NMJ) sono sinapsi specializzate, cruciali per la comunicazione tra i motoneuroni spinali (MN) e il muscolo scheletrico. Le NMJ diventano vulnerabili nelle malattie degenerative, come l'atrofia muscolare, dove la compromissione delle NMJ provoca debolezza muscolare. Durante l’invecchiamento si verifica questa condizione di deperimento muscolare chiamata sarcopenia. Infatti, l’osteoporosi e la sarcopenia (osteosarcopenia (OS)) sono malattie del twin-aging. In questo contesto drammatico, la comunicazione tra le diverse popolazioni cellulari viene meno e la capacità di rigenerazione dell’intero sistema viene ostacolata. I meccanismi molecolari che causano la perdita sia muscolare che ossea non sono ancora chiari e il modo in cui il muscolo scheletrico e la NMJ inviano segnali retrogradi ai MN rappresenta un campo di ricerca intrigante. Tuttavia, i dati clinici suggeriscono che gli approcci terapeutici mirati sia alla sarcopenia che all’osteoporosi da soli potrebbero non essere sufficienti per prevenire efficacemente fratture e disabilità. Si mira ad adottare nuovi approcci terapeutici mirati a colpire simultaneamente l’intero sistema in futuro. Per studiare la perturbazione delle NMJ che si verificano nell'atrofia muscolare, oltre alle cellule ossee, un modello ideale conterrebbe MN, miotubi e osteoblasti per ricapitolare l'eziologia o la patologia della malattia umana. Pertanto, il primo obiettivo di questo progetto è quello di sviluppare un dispositivo microfluidico fatto in casa personalizzato per generare e studiare NMJ umani compartimentati in un modello muscolare in vitro collegato al lato osseo. Un trattamento selettivo nel compartimento osseo con desametasone (DEX), un glucocorticoide sintetico (GC), sarà utilizzato per indurre l'osteoporosi: in questo modo, potremmo indagare se questa condizione patologica possa essere il driver per avere un'OS legata alle perturbazioni della NMJ. Lavori recenti dimostrano che sono le azioni paracrine delle cellule staminali, comprese le cellule staminali del liquido amniotico umano (hAFSC) a stimolare la miogenesi e l'osteogenesi adulta. In particolare, le vescicole extracellulari (EV) rappresentano candidati promettenti per la rigenerazione dei tessuti mediata da hAFSC. Mancano ancora studi sulla regolazione dell'intero sistema neuro-muscolo-scheletrico da parte degli EV, pertanto, come secondo obiettivo del progetto, tratteremo la condizione patologica con EV derivati da hAFSC (hAFSCEV). Per questo progetto, ciascuna unità sarà principalmente dedicata a sviluppare aspetti specifici dell'interazione NMJ/muscolo/osso con l'obiettivo comune di creare un nuovo modello in vitro ottimizzato per studiare la complessa interazione tra i tessuti che si verifica nell'OS o in altri processi neuro-muscolari. -disturbi scheletrici. In conclusione, forniremo un sistema validato isolato fluidicamente per studiare le interazioni cellulari in condizioni sane e patologiche, consentendo l'isolamento di compartimenti cellulari per analisi regione-specifiche, che sarà applicabile anche per identificare potenziali bersagli per interventi futuri, come le vescicole extracellulari prodotte dalle cellule staminali.