Cambiando la segnalazione elettrica naturale che esiste nelle cellule di fuori del sistema nervoso si può migliorare la resistenza alle infezioni batteriche pericolose, secondo la nuova ricerca condotta da biologi della Tufts University. I ricercatori hanno scoperto che la somministrazione di farmaci, compresi quelli già utilizzati negli esseri umani per altri scopi, per rendere la cellula depolarizzata, rafforza la risposta immunitaria innata nei girini con infezioni e lesioni da E. coli. Questa scoperta rivela un aspetto innovativo del sistema immunitario – la regolazione bioelettrica non neurale – e suggerisce un nuovo approccio per applicazioni cliniche in medicina umana.
Lo studio è stato pubblicato online il 26 maggio 2017, in NPJ Regenerative Medicine, una rivista di Nature Research.
“Tutte le cellule, non solo quelle nervose, naturalmente generano e ricevono segnali elettrici. Essere in grado di regolare tale bioelettricità non neurale con i molti farmaci che sono stati già approvati per uso umano, offre una nuova e straordinaria possibilità al sistema immunitario di resistere alle infezioni “, hanno spiegato gli autori dell’articolo Michael Levin e Vannevar Bush dell’ Allen Discovery Center alla Tufts e del Tufts Center for Regenerative and Developmental Biology in the School of Arts and Sciences
Levin è anche docente al Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering alla Harvard University.
Tutti i vertebrati, dai pesci alle persone, hanno due tipi di immunità con caratteristiche comuni. Il sistema immunitario adattativo si basa sulla memoria della precedente esposizione ad un agente patogeno specifico ed è la base per le strategie di vaccinazione. Il sistema immunitario innato è presente dal momento in cui un ovulo viene fecondato e fornisce una prima linea di difesa contro gli agenti patogeni attraverso le barriere di superficie, gli amminoacidi chiamati peptidi antimicrobici, e alcune cellule del sangue. Il sistema immunitario innato svolge anche un ruolo nella riparazione dei tessuti e nella rigenerazione e l’interazione tra rigenerazione e immunità innata è un settore emergente della ricerca.
Una migliore comprensione dell’ immunità innata può aiutare a combattere nuovi agenti patogeni per i quali non è stata sviluppata alcuna memoria adattiva, affrontare la migrazione geografica delle malattie, sostenere i pazienti immuno-deficienti e sviluppare un trattamento più efficace delle lesioni traumatiche.
Il potenziale transmembrana (Vmem) – potenziale di tensione causata da differenze di ioni negativi e positivi sui lati opposti della membrana di una cellula – è noto per svolgere un ruolo fondamentale in molte funzioni essenziali in numerosi tipi di cellule ed i ricercatori hanno ipotizzato che potrebbe anche influenzare l’immunità innata. Nello studio embrionale su Xenopus laevis infettate con patogeni umani di E. coli , le rane sono state esposte a diversi composti, tra cui alcuni utilizzati in medicina umana sia per la depolarizzazione (carica positiva) che per la iperpolarizzazione (carica negativa) delle loro cellule. Le rane X. laevis sono un modello popolare per la ricerca in medicina rigenerativa, dello sviluppo, cancro e studi neurobiologici.
I decessi da patogeno E. coli sono diminuiti
La depolarizzazione con diversi agenti ha aumentato significativamente la capacità degli embrioni di resistere ai batteri. Gli embrioni sopravvissuti alle infezione dopo aver ricevuto ivermectina, un anti-parassitari umano, sono aumentati in media del 32 per cento rispetto alla sopravvivenza degli embrioni che non hanno ricevuto il composto depolarizzante. La mortalità negli embrioni di controllo non trattati era del 50/70 per cento.
Per verificare che i composti depolarizzanti cambiavano la carica elettrica delle cellule ospiti e non semplicemente danneggiavano i batteri, sono stati condotti ulteriori esperimenti in cui le cellule di girino sono state iniettate con mRNA codificanti canali ionici specifici che depolarizzano direttamente le cellule di rana, senza alterare i batteri. Questo approccio ha convalidato quanto osservato con i farmaci depolarizzanti.
Al contrario, gli embrioni le cui cellule sono state iniettate con mRNA codificante canali ionici iperpolarizzanti, si è ridotta a circa il 20 per cento. Analogamente, la sopravvivenza degli embrioni è stata ridotta dalla esposizione a composti chimici che hanno iperpolarizzato gli embrioni o interferito con la depolarizzazione.
Gli esperimenti hanno anche dimostrato che il neurotrasmettitore serotonina è un intermediario tra la tensione e la risposta immunitaria, un risultato coerente con le altre recenti ricerche del laboratorio di Levin. Fluoxetina antidepressivo comune, che blocca il movimentodella serotonina dentro e fuori dalle membrane cellulari, ha dimostrato di annullare gli effetti benefici della depolarizzazione sulla sopravvivenza embrionale.
L’analisi dei geni la cui espressione sarebbe alterata cambiando lo stato bioelettrico delle cellule di girino, ha trovato che l’interazione tra tensione, segnalazione neurotrasmettitore e impatti sulla funzione immunitaria, coinvolge molti degli stessi geni che sono coinvolti nella risposta immunitaria umana.
Scoperta inaspettata
Per esaminare la connessione tra bioelettricità, immunità e rigenerazione, lo studio ha esaminato l’effetto dell’amputazione di un germoglio di coda sulla sopravvivenza dopo un’ infezione. Sorprendentemente, la rimozione dei germogli di coda negli embrioni ha aumentato la loro capacità di sopravvivere alla infezione da E. coli. Invece di sopraffare la rigenerazione della coda dell’embrione, lo stress aggiunto e le infezioni hanno indotto l’attivazione di meccanismi di difesa comuni, tra cui il reclutamento dei macrofagi (un tipo di globuli bianchi che fa parte del sistema immune innato), che sembra aumentare l’efficienza nell’eliminazione del batteri.
“I componenti del sistema immune innato come i macrofagi erano noti per essere essenziali per il processo di rigenerazione, ma il nuovo studio esamina il lato opposto e altrettanto importante di quella relazione – come il sistema immunitario ha impatti sulla rigenerazione”, ha detto Jean-Francois Pare, Ph.D., primo autore dell’ articolo e socio di ricerca nel laboratorio Levin. “L’interazione tra la risposta alle lesioni fisiche e l’infezione ha il potenziale di rivelare nuovi modi di trattare entrambe, sia le infezioni che le lesioni fisiche gravi”.
Sono attualmente in corso degli studi per estendere questa ricerca ai sistemi dei mammiferi, presso la Tufts University e l’Istituto Wyss. Ulteriori ricerche sono necessarie anche per determinare con precisione quali cellule percepiscono i cambiamenti bioelettrici e trasmettono l’effetto alle cellule immunitarie innate coinvolte, come i batteri infettivi stessi possono rispondere ai cambiamenti del microambiente bioelettrico e il ruolo del microbioma in tali interazioni.
Fonte: Nature
