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Gli organi dell'orecchio interno, la coclea, l'utricolo, il sacculo e tre canali semicircolari, mediano la capacità di sentire e di stare in equilibrio. All'interno della coclea, le cellule ciliate convertono i suoni in segnali elettrici che vengono trasmessi ai neuroni gangliari a spirale (SGN). Gli SGN attivano potenziali d'azione per propagare i segnali neurali attraverso il circuito uditivo. Le mutazioni genetiche, i farmaci ototossici e l'esposizione a suoni forti contribuiscono alla morte delle cellule ciliate e del SGN che provocano la perdita dell'udito1-4. Una volta perse, queste celle non vengono sostituite. L'uso di iPSC ed ESC per generare cellule ciliate nascenti o SGN è molto promettente per le terapie di sostituzione delle cellule dell'orecchio interno5-8. Una raffica di progressi ha dimostrato che le cellule staminali pluripotenti e i progenitori derivati dall'orecchio interno possono differenziarsi in cellule ciliate e SGN a vari stadi di maturità. Le cellule staminali embrionali di mammifero (ESC) e le cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) possono essere utilizzate per generare cellule ciliate funzionali e SGN9-11. È stato anche dimostrato che le cellule staminali e le cellule progenitrici derivate dall'orecchio interno dei mammiferi formano cellule ciliate e neuroni con proprietà delle loro controparti cellulari in vivo 12-16.
L'uso di progenitori otici derivati da iPSC o ESC per sostituire le cellule ciliate perse e gli SGN richiede una differenziazione efficiente. Una differenziazione impropria o la continua proliferazione di progenitori derivati dallo stelo innestato nell'orecchio interno possono esacerbare la funzione dell'orecchio interno e rappresentare un rischio tumorigenico come la formazione di teratomi nell'orecchio interno17. C'è una chiara necessità di sviluppare le condizioni di coltura e comprendere la differenziazione dei progenitori otici. Una strategia nello sviluppo di questi metodi è quella di ricapitolare le decisioni sul destino cellulare prese dai progenitori neurosensoriali durante lo sviluppo dell'orecchio interno. I protocolli che prevengono la proliferazione e dirigono i progenitori otici nelle cellule ciliate o SGN contribuiranno a migliorare la sicurezza e l'efficacia delle terapie sostitutive.
Durante lo sviluppo, l'orecchio interno inizia con l'ispessimento dell'ectoderma superficiale in una regione ristretta tra i rombomeri 5 e 6 per diventare il placode otico. Quando il placode otico si invagina per formare una coppa otica, un insieme di cellule nella regione anteriore della coppa otica dà origine al dominio neurale-sensoriale-competente (NSD), che contiene i precursori delle cellule ciliate e dei neuroni dell'orecchio interno18. Studi di mappatura del destino su topi, polli e pesci zebra che sviluppano l'orecchio interno suggeriscono popolazioni multiple di progenitori neurosensoriali che danno origine alle cellule ciliate sensoriali, che circondano le cellule di supporto e i neuroni otici19-22. Il fattore di trascrizione del gruppo ad alta mobilità, Sox2, è stato implicato nella specificazione delle cellule sensoriali e utilizzato come marcatore per i progenitori dell'orecchio interno23,24. Le mutazioni ipomorfiche che diminuiscono i livelli di espressione di Sox2 nell'orecchio interno provocano la perdita delle cellule ciliate, delle cellule di supporto e degli SGN nella coclea25,26.
Per studiare le cellule progenitrici otiche sottoposte a decisioni sul destino cellulare, è stata precedentemente stabilita una linea cellulare di progenitori otici multipotenti immortalizzati (iMOP) con restrizione del destino da progenitori cocleari che esprimono Sox2. Le cellule iMOP sono state originariamente derivate dalla coclea embrionale E12.5-13.5 e infettate con un retrovirus c-Myc27. Le cellule iMOP possono proliferare continuamente come cellule formanti colonie note come otosfere e hanno la capacità di differenziarsi in cellule ciliate, cellule di supporto e SGN27. La comprensione della capacità delle cellule iMOP di differenziarsi in linee otiche distinte consente l'applicazione di questi risultati per generare in modo efficiente cellule ciliate derivate da iPSC o ESC e SGN. Protocolli di differenziazione efficienti apriranno nuove strade per le terapie di sostituzione cellulare delle malattie dell'orecchio interno che sono recalcitranti ai trattamenti convenzionali. Una questione cruciale nella generazione di cellule otiche mediante coltura cellulare in vitro è quella di avere marcatori di differenziazione che aiutino a determinare se le cellule sono in fase di differenziazione. Cdkn1b (p27KIP) è stato ampiamente utilizzato come marcatore precoce per il differenziamento nello sviluppo dell'orecchio interno, tuttavia, l'espressione di Cdkn1b nelle cellule iMOP e il modo in cui è correlato al differenziamento non sono stati affrontati. In questo studio, vengono descritte le attuali condizioni di coltura e il modo in cui l'espressione di Cdkn1b è correlata ad altri marcatori di differenziazione di iMOP.