Imaging in tempo reale della migrazione indotta da CCL5 di cellule staminali scheletriche periosteali nei topi

La riparazione delle fratture è un processo dinamico e multicellulare che si distingue dallo sviluppo scheletrico embrionale e dal rimodellamento. Durante questo processo, l’induzione di segnali di lesione dal tessuto danneggiato è seguita dal rapido reclutamento, proliferazione e successiva differenziazione delle cellule staminali /progenitrici scheletriche, che sono tutte fondamentali per la stabilità generale e la fissazione delle ^fratture1. In particolare, le prime fasi della guarigione delle fratture richiedono la formazione di callo molle, che è principalmente attribuita alle cellule residenti periosteali2. Quando le ossa sono ferite, un sottogruppo di cellule periosteali risponde rapidamente e contribuisce a nuovi intermedi cartilagineici differenziati e osteoblasti all’interno del ^callo3, implicando la presenza di una distinta popolazione di cellule staminali / progenitrici scheletriche all’interno del periostio. Pertanto, l’identificazione e la caratterizzazione funzionale delle cellule staminali scheletriche residenti nel periostio (SSC) costituiscono un approccio terapeutico promettente per le malattie degenerative dell’osso e i difetti ^ossei4.

Si ritiene che le SSC risiedano in più posizioni tissutali, incluso il midollo osseo. Analogamente al midollo osseo, anche nel perostio sono state identificate SSC osteogeniche/condrogene4,5,6.  Queste SSC periosteali (P-SSC) possono essere etichettate con marcatori di lignaggio mesenchimale precoce (ad esempio, Prx1-Cre5, Ctsk-Cre7 e Axin2-CreER8) durante lo sviluppo osseo fetale4,7,8,9,10. Una limitazione significativa di questi singoli modelli di tracciamento del lignaggio genetico è che esiste una sostanziale eterogeneità all’interno delle popolazioni cellulari marcate. Inoltre, non sono in grado di distinguere le SSC etichettate dalla loro progenie in vivo. Per ovviare a questa limitazione, abbiamo recentemente sviluppato un mouse a doppio reporter (Mx1-Cre⁺Rosa26-Tomato⁺α SMA-GFP⁺) per visualizzare distintamente i P-SSC dalle SSC del midollo osseo (BM-SSC)¹¹. Con questo modello, è stato determinato che le P-SSC sono contrassegnate dalla doppia marcatura Mx1⁺αSMA⁺, mentre le cellule Mx1⁺ più differenziate risiedono nel midollo osseo, nelle superfici endosteale e periostale e nelle ossa corticali e trabecolari11,12.

Citochine multiple e fattori di crescita sono noti per regolare il rimodellamento e la riparazione ossea e sono stati testati per il miglioramento della riparazione scheletrica nei difetti critici del ^segmento1,13. Tuttavia, a causa della complessità cellulare dei modelli di lesione generati attraverso l’interruzione della barriera fisica del compartimento osseo, gli effetti diretti di queste molecole sulla migrazione e l’attivazione endogena di P-SSC durante la guarigione non sono chiari. Le caratteristiche funzionali e le dinamiche migratorie delle SSC sono spesso valutate in vitro eseguendo un test transwell o scratch, in combinazione con citochine o fattori di crescita noti per indurre la migrazione in altre popolazioni cellulari. Pertanto, l’interpretazione dei risultati di questi esperimenti in vitro per l’applicazione nei loro corrispondenti sistemi in vivo è impegnativa. Attualmente, la valutazione in vivo della migrazione delle cellule staminali/progenitrici scheletriche non è tipicamente osservata in tempo reale; piuttosto, viene misurato in punti temporali fissi post-frattura5,7,14,15,16.

Un limite di questo metodo è che la migrazione non viene valutata a livello di singola cella; piuttosto, viene misurato attraverso i cambiamenti nelle popolazioni cellulari. A causa dei recenti progressi nella microscopia intravitale animale vivo e della generazione di topi reporter aggiuntivi, è ora possibile il monitoraggio in vivo delle singole cellule. Utilizzando la microscopia intravitale di animali vivi, abbiamo osservato la distinta migrazione delle P-SSC dalla nicchia di sutura calvariale a una lesione ossea entro 24-48 ore dopo la lesione nei topi Mx1 / Tomato / αSMA-GFP.

CCL5/CCR5 è stato recentemente identificato come un meccanismo di regolamentazione che influenza il reclutamento e l’attivazione delle P-SSC durante la risposta precoce all’infortunio. È interessante notare che non è stato rilevato alcuna migrazione P-SSC sostanziale in risposta a un infortunio in tempo reale. Tuttavia, il trattamento di una lesione con CCL5 produce una migrazione robusta e distinta direzionalmente delle P-SSC, che può essere catturata in tempo reale. Pertanto, l’obiettivo di questo protocollo è quello di fornire una metodologia dettagliata per registrare la migrazione in vivo di P-SSC in tempo reale dopo il trattamento con CCL5.