Differenziamento – osservazioni morfologiche

I profondi e complicati cambiamenti cui vanno in contro le cellule staminali neuronali durante il differenziamento interessano molteplici aspetti della biologia cellulare e possono essere studiati a vari livelli, tra cui il primo è senz’altro quello morfologico.

Riportiamo una serie di immagini delle cellule staminali neuronali in coltura avviate al differenziamento secondo il protocollo già descritto, che si riferiscono a fotografie scattate con una fotocamera digitale collegata al microscopio ottico a contrasto di fase. Il differenziamento è stato fotografato a intervalli di tempo regolari, cioè ogni tre giorni. Le cellule sono adese in monostrato ad una matrice di laminina e ornitina stratificata sul fondo della fiasca da coltura. Come si vede dalle fotografie del pannello a) della Figura 15, la popolazione inizialmente è composta da cellule in fase oscura, bipolari, con processi citoplasmatici di una certa estensione e cellule pleiomorfiche visibilmente aderenti al substrato; cellule singole a fase chiara, che sono invece debolmente attaccate al substrato o del tutto staccate come si presentano di solito le cellule morte galleggianti situate su un piano focale diverso da quello del monostrato. Al giorno 0 le due popolazioni cellulari, shK ed shCSB, hanno un aspetto pressoché simile: le cellule di queste linee di progenitori neuronali presentano una tipica morfologia stellata pure nello stato ancora indifferenziato e immaturo; le cellule shCSB mostrano una polarizzazione lievemente minore rispetto alle cellule k. Dal 3° giorno in poi, quando ormai entrambi i fattori di crescita sono stati sottratti, si può vedere che la densità cellulare è molto aumentata perché le cellule continuano a proliferare essendo ancora capaci di self-renewal, ma con un tasso di proliferazione visibilmente più basso per la linea shCSB rispetto a quella di controllo. Al 9° giorno, nelle cellule shCSB questo rallentamento del tasso di proliferazione si associa anche ad un incremento della morte cellulare rispetto alle cellule K, come si evince dalle aree svuotate e dalle cellule in sospensione. Dal 12° giorno in poi, sono riportate le immagini prese con obbiettivi a due diversi ingrandimenti per ogni giorno; la foto di sinistra è presa con l’obbiettivo 10X e quella di destra con quello 4X, perché da questo momento in poi l’organizzazione delle cellule in coltura è tale da rendere necessaria l’osservazione almeno su due livelli diversi per poter considerare il processo nella sua interezza pannelli b) e c) della Figura 15. Le cellule di controllo sono molte più numerose rispetto alle cellule silenziate e mostrano una caratteristica morfologia neuronale, altamente polarizzata per la

94 presenza di lunghi prolungamenti neuritici che formano una fitta rete interconnessa, con tendenza alla formazione di fasci molto più pronunciata rispetto alle cellule shCSB, dove pure si osserva ma è minore.

a) primi 9 giorni di differenziamento: con la sottrazione del primo fattore di crescita al giorno 0 (day 0), le cellule sono avviate al differenziamento, ma per diversi giorni la modulazione indotta con la sottrazione anche del secondo fattore nel day 3, non si riflette a livello morfologico; le cellule non sono trasformate visibilmente. La proliferazione procede perché le cellule mantengono ancora la capacità di self-renewal e si osserva l’aumento della densità cellulare. Nella linea 2, shCSB, la proliferazione è rallentata è c’è morte cellulare.

b) giorni 12-15 del differenziamento: Nella linea di controllo il differenziamento procede con la formazione di lunghi

prolungamenti neuritici che si interconnettono tra cellule adiacenti e vanno a formare grosse fascicolazioni non più adese alla matrice distribuita sul fondo della fiasca. Nella linea silenziata il processo è profondamente arretrato

95

c) giorni 18-21 del differenziamento : le strutture fascicolari e gli aggregati di corpi cellulari hanno raggiunto

dimensioni tali da poter essere visibili anche ad occhio nudo, come corpi fluttuanti nel terreno di crescita all’interno della fiasca

Fig. 15: Serie di fotografie prese ogni tre giorni con fotocamera digitale collegata al microscopio ottico a contrasto di fase, durante un esperimento di differenziamento in vitro protratto per circa 20 giorni.

Infatti, le aggregazioni in fasci sono più ridotte in lunghezza e spessore e ci sono molte più cellule che conservano ancora un aspetto di cellule singolarmente adese al substrato e assai meno polarizzate. Dal 15° giorno in poi la situazione delle cellule silenziate è ancora principalmente di adesione al substrato e fascicolazione disorganizzata e inconsistente se confrontata con quella delle cellule della linea 1, dove ormai si sono formati lunghi e spessi aggregati di prolungamenti neuritici raccolti in fasci che si diramano da grossi agglomerati di corpi cellulari ormai non più distinguibili singolarmente. Tutte queste strutture risultano anche visibili ad occhio nudo come formazioni fluttuanti nel mezzo di crescita. Al contrario di quanto osservato per il self-renewal appare rilevante anche il processo di morte cellulare, che risulta maggiormente presente nella linea 2 rispetto alla linea 1 e progressivamente sempre più visibile col procedere del differenziamento. Ciò risulta evidente già dall’osservazione al microscopio ottico, con cui si vede chiaramente la presenza di cellule morte in sospensione soprattutto col procedere del protocollo differenziativo. In una certa misura la morte cellulare è riscontrabile anche per le cellule K, e ed è considerata essere parte del processo fisiologico di differenziamento neuronale [90] [91], ma le cellule silenziate per CSB mostrano un tasso di morte molto più pronunciato, fornendo

96 un’ulteriore indicazione, oltre a quella morfologica, di un ruolo importante della proteina nella formazione dei neuroni.

Abbiamo tentato di quantificare tale osservazione attraverso l’utilizzo di colorazioni specifiche per la stima della morte cellulare, sia sfruttando la marcatura con Trypan Blue che quella a fluorescenza con PI-FDA-Ho (ioduro di propidio, fluoresceina diacetato e Hoechst 33342). Tuttavia problemi di natura tecnica ci hanno impedito di portare a buon fine tale quantificazione, dal momento che le stime apparentemente sembrerebbero indicare che la morte cellulare per le due linee si attesti su livelli simili, nonostante la palese differenza osservabile invece al microscopio ottico. Tale discrepanza è probabilmente dovuta al fatto che col procedere del differenziamento, e con la formazione e l’ispessimento dei lunghi fasci visibili per la linea 1, la risospensione delle cellule necessaria ai fini delle procedure di conta si fa sempre più difficoltosa, necessitando per la separazione delle singole cellule di vigorose sollecitazioni meccaniche che rischiano di danneggiare le lunghe estensioni cellulari formatesi. Dal momento che le stime di morte cellulare basate su entrambe le colorazioni citate si basano sulla permeabilizzazione delle cellule una volta che queste sono morte, è ovvio che qualsiasi danno che rischi di compromettere la permeabilità cellulare determina una stima falsata.