MOLECULAR AND FUNCTIONAL CHARACTERIZATION OF THE MECHANOTRANSDUCTION SIGNALING PATHWAY IN PANCREATIC ENDOCRINE CELLS: IMPLICATIONS FOR BETA CELLS SURVIVAL, DIFFERENTIATION AND FUNCTION

Pancreatic β-cells, the only cells within the body able to secrete large amount of insulin, play a crucial role in the control of glucose homeostasis and alteration of their function and mass leads to diabetes pathogenesis, a group of pathologies characterized by severe hyperglycemia. Therefore, preserving the remaining β-cell function and replacing the β-cell mass represent the most promising strategies to treat diabetes. Embryonic and pluripotent stem cells hold great promise in generating β-cells for novel therapeutic discoveries in diabetes mellitus. However, their differentiation in vitro is still inefficient, and functional studies reveal that most of these β-like cells still fail to fully mirror the adult β-cell physiology. For their proper growth and functioning, β-cells require a very specific environment, the islet niche, which provides a myriad of chemical and physical signals. While the nature and effects of chemical stimuli have been widely characterized, less is known about the mechanical signals. Therefore, aim of the proposed research was to investigate the contribution of nanotopographical cues on β-cell differentiation and function and to characterize the molecular mechanisms involved. To mimic the nanotopography of the extracellular matrix, cluster-assembled zirconia substrates with tailored roughness were employed. We demonstrated that β-cells perceive nanoscale features and convert these stimuli into mechanotransductive processes which modulate the cellular behavior, via remodeling of the actin cytoskeleton and nuclear architecture. These changes are also paralleled by modulation of mitochondrial dynamics, morphology, and function, favoring a metabolic switch of the cells. The mitomorphosis is driven by substrate-induced reorganization of the cytoskeleton and modification of the mitochondria interplay with other organelles. In conclusion, our data suggest that β-cells sense and respond to nanoscale features by activating a mechanotransductive pathway that promotes β-cell survival and function. By engineering microenvironments mirroring the biophysical niche properties it is possible to elucidate the β-cell mechanotransductive-regulatory mechanisms and to harness them for the promotion of β-cell differentiation capacity. This hopefully will allow us to improve the efficacy of β-cell transplantation therapies and to identify a core set of signaling pathways useful for accelerating regenerative strategies for diabetes treatment.

Le cellule β-pancreatiche svolgono un ruolo fondamentale nell’omeostasi glucidica, essendo le uniche cellule del corpo in grado di produrre e secernere insulina. Alterazioni della loro funzionalità o del loro numero determinano lo sviluppo del diabete mellito, un gruppo di patologie ad eziologia eterogenea caratterizzate da iperglicemia. L’approccio più efficace per trattare i pazienti diabetici dovrebbe consistere nel ripristinare la funzionalità o la massa β-cellulare tramite terapie rigenerative o sostitutive. Tra le terapie sostitutive particolarmente promettenti vi sono quelle che utilizzano cellule staminali embrionali o pluripotenti. Tuttavia, i protocolli ad oggi disponibili per promuovere il loro differenziamento in vitro non sono del tutto efficaci nel generare cellule β completamente mature. Le cellule β, infatti, per essere funzionali ed efficienti necessitano di uno specifico microambiente che fornisca molteplici stimoli chimici e fisici. Particolarmente studiati sono gli stimoli chimici, mentre poco conosciuti sono gli effetti delle proprietà fisiche della matrice extracellulare. Lo scopo del nostro studio è stato, quindi, quello di valutare l’impatto della nanotopografia sul differenziamento e la funzionalità β-cellulare e caratterizzarne i meccanismi molecolari coinvolti. Per riprodurre le proprietà nanotopografiche della matrice extracellulare sono stati utilizzati substrati di zirconio ingegnerizzati su scala nanometrica. Nel nostro lavoro abbiamo dimostrato che le cellule β percepiscono la nanotopografia della matrice e rispondono attraverso una riorganizzazione del citoscheletro di actina e dell’architettura nucleare. Tale processo, noto come meccanotrasduzione, permette il mantenimento delle isole di Langerhans per lungo tempo in cultura, preservando il differenziamento e la funzionalità delle cellule β. I nostri dati, inoltre, dimostrano che la nanostruttura induce una modifica della dinamicità, morfologia e funzionalità mitocondriale favorendo un cambiamento del metabolismo β-cellulare. Anche il processo mitomorfico sembra essere direttamente promosso dalla riorganizzazione del citoscheletro e dalla modifica delle interazioni dei mitocondri con altri organelli citoplasmatici. Nell’insieme, i nostri dati dimostrano che le cellule β percepiscono e rispondono alla nanotopografia attivando un processo meccanotransduttivo che promuove la sopravvivenza e la funzionalità β-cellulare. L’utilizzo di substrati ingegnerizzati che riproducono le proprietà biofisiche del microambiente rappresenta un ottimo strumento per approfondire le conoscenze sui meccanismi molecolari alla base della meccanotransduzione. Queste conoscenze saranno utili per potenziare le terapie rigenerative e per promuovere il differenziamento di cellule staminali in vitro, migliorando così anche l’efficacia delle terapie sostitutive.