Creazione della prima linea cellulare continua di spugne marine

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5766 (2023) Citare questo articolo

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Il potenziale delle sostanze chimiche derivate dalle spugne per applicazioni farmaceutiche rimane in gran parte inesplorato a causa della limitata biomassa disponibile. Sebbene molti abbiano tentato di coltivare cellule di spugna marina in vitro per creare una piattaforma di produzione scalabile per tali prodotti biofarmaceutici, questi sforzi sono stati per lo più infruttuosi. Recentemente abbiamo dimostrato che le cellule di spugna di Geodia barretti potrebbero dividersi rapidamente nel mezzo M1. In questo studio abbiamo stabilito la prima linea cellulare continua di spugne marine, originaria di G. barretti. Le cellule G. barretti coltivate nel mezzo OpM1, una modificazione di M1, crescevano più rapidamente e con una densità maggiore rispetto a M1. Le cellule in OpM1 hanno raggiunto 1,74 raddoppiamenti della popolazione dopo 30 minuti, più del doppio del tasso di crescita già rapido di 0,74 raddoppiamenti della popolazione in 30 minuti in M1. Il numero massimo di raddoppiamenti della popolazione è aumentato da 5 raddoppiamenti in M1 ad almeno 98 raddoppiamenti in OpM1. Le cellule sottocoltivate potrebbero essere crioconservate e utilizzate per inoculare nuove colture. Con questi risultati abbiamo superato un grosso ostacolo che per decenni ha bloccato la strada alla produzione di biofarmaci con cellule di spugna su scala industriale.

Circa il 30% delle migliaia di prodotti naturali marini scoperti ogni anno provengono da spugne e microbi derivati ​​dalle spugne1,2,3,4. Le spugne contengono anche componenti strutturali con potenziali applicazioni per la salute umana nell'ingegneria dei tessuti, ad esempio come impalcatura per far crescere impianti ossei5,6,7. Molti prodotti derivati ​​dalle spugne sono potenziali farmaci candidati per il trattamento di malattie umane8,9,10, come il cancro11,12 e le infezioni da virus13, funghi14 e batteri resistenti ai farmaci15. Ad esempio, l’avarolo, prodotto dalla spugna mediterranea Dysidea avara, ha un forte effetto citostatico sulle cellule leucemiche16,17 e un composto scoperto di recente da un microbo derivato dalla spugna previene la crescita e la formazione di biofilm del batterio Staphylococcus epidermidis, che rappresenta un rischio per pazienti sottoposti a intervento chirurgico in quanto forma biofilm su impianti e dispositivi medici18. L'organismo modello utilizzato in questo studio, Geodia barretti, produce barettini, una famiglia di composti antinfiammatori e antiossidanti19. Per una revisione completa dei vari tipi di composti bioattivi e dei loro effetti e strutture, vedere Han et al. 201920. Sebbene il loro potenziale sia enorme, i candidati farmaci derivati ​​dalle spugne nelle varie fasi della sperimentazione clinica devono affrontare seri problemi di approvvigionamento21. La raccolta selvatica è insostenibile e molti composti sono troppo complessi perché la sintesi chimica sia economicamente fattibile22. La maggior parte degli sforzi per superare i problemi di approvvigionamento si sono quindi concentrati sulla produzione di biomassa utilizzando la maricoltura22,23,24,25 o la coltura cellulare22,26,27,28. La maricoltura si mostra promettente in alcuni casi24,25, ma la coltura di cellule in vitro presenta importanti vantaggi: consente un attento monitoraggio e controllo delle condizioni ed è facile da ottimizzare e ampliare. Nonostante gli sforzi di molti gruppi, per molto tempo si sono stabilite solo le culture primarie. I principali ostacoli nella coltura delle cellule di spugna erano i microbi contaminanti e la comprensione limitata dei requisiti condizionali delle cellule di spugna in vitro26.

Recentemente, abbiamo segnalato che le cellule di più specie di spugne potrebbero dividersi rapidamente in M129, un mezzo specifico per le spugne sviluppato da Munroe et al. nel 201930. Il terreno M1 si basa sul terreno M19930 definito, precedentemente modificato e utilizzato per allestire colture cellulari primarie di varie specie di spugne27,28,31,32,33. Le concentrazioni di aminoacidi sono state ottimizzate attraverso più cicli di ottimizzazione utilizzando un algoritmo genetico30. La proliferazione nel mezzo M1 è stata osservata per le cellule delle spugne piatte dell'erba Geodia sp. e Amphimedon erina, la spugna della barriera corallina Geodia neptuni e la spugna boreale di acque profonde G. barretti, tra le altre specie. Le colture di tutte e 3 le specie Geodia si sono divise rapidamente fino al plateau e potrebbero essere passate mediante subcolture fino a 5 volte e raggiungere fino a 7 raddoppiamenti della popolazione (Nd) a seconda della specie. Questo è stato il primo indizio concreto per lo sviluppo di linee cellulari stabili di spugne marine29. Sebbene questi risultati abbiano rappresentato una svolta, il numero di passaggi e i raddoppiamenti della popolazione raggiunti nel mezzo M1 non producono abbastanza biomassa per produrre composti su scala industriale. Per migliorare queste caratteristiche di crescita delle cellule di spugna in vitro, il terreno M1 è stato utilizzato come base per ottimizzare altri componenti quali vitamine, siero bovino fetale e diversi fattori di crescita (Tabella 1), utilizzando lo stesso algoritmo genetico utilizzato per sviluppare il terreno M130 . Ciò ha portato ad una nuova composizione media, OpM1. Con l'obiettivo di fornire la prova del fatto che una linea cellulare di spugna potrebbe essere ampliata per produrre composti bioattivi in ​​vitro, abbiamo testato se le cellule di G. barretti coltivate in mezzo OpM1 avevano un tasso di crescita più elevato, una densità cellulare massima e un numero massimo di raddoppiamenti della popolazione, a causa ai componenti aggiuntivi.