Perché alcune persone sembrano sempre in buona salute mentre altre persone spesso contraggono virus e batteri? Nonostante dorma ogni notte vicino al partner malato, come può il coniuge di una persona malata evitare di contrarre la malattia? Durante l’epidemia di COVID-19, molte persone si sono poste domande come queste. Una fonte inattesa, i girini, sta aiutando gli scienziati ad avvicinarsi alle risposte a queste domande.
I ricercatori del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering dell’Università di Harvard hanno identificato farmaci che possono mantenere in vita i girini della rana Xenopus laevis anche in presenza di batteri letali e hanno scoperto meccanismi genetici e biologici che migliorano la tolleranza alle malattie, la capacità di cellule e tessuti di resistere ai danni in presenza di agenti patogeni invasori. Poiché molti degli stessi processi esistono anche nei mammiferi, è possibile che un giorno le tecniche di costruzione della tolleranza ai patogeni possano essere utilizzate per trattare le infezioni nell’uomo e in altri animali.
“L’approccio standard al trattamento delle infezioni negli ultimi 75 anni è stato quello di concentrarsi sull’uccisione dell’agente patogeno, ma l’uso eccessivo di antibiotici nel bestiame e negli esseri umani ha portato all’emergere di batteri resistenti agli antibiotici che stiamo faticando sempre di più uccidere. La nostra ricerca ha dimostrato che concentrarsi sulla modifica della risposta di un ospite a un agente patogeno piuttosto che sull’uccidere l’agente patogeno stesso potrebbe essere un modo efficace per prevenire la morte e la malattia senza esacerbare il problema della resistenza agli antibiotici“, ha affermato il primo autore Megan Sperry, Ph.D., Postdoctoral Fellow presso il Wyss Institute che è co-tutorato dai membri della facoltà Wyss Michael Levin, Ph.D. e Donald Ingber, MD, Ph.D.
Mappatura della rete di tolleranza del girino
È stato ampiamente stabilito nella ricerca degli ultimi decenni che alcuni ospiti possono tollerare infezioni infettive che dovrebbero farli ammalare. È noto che le scimmie africane e asiatiche sono meno sensibili a diversi agenti patogeni rispetto agli esseri umani e ai nostri parenti prossimi alle scimmie, e i topi, ad esempio, possono trasportare batteri Pneumococco che causano la polmonite nei loro passaggi nasali senza mostrare alcun sintomo di malattia.
Secondo la ricerca biologica sulla tolleranza alle malattie, l’attivazione delle risposte allo stress, spesso provocate da bassi livelli di ossigeno (ipossia), è collegata alla tolleranza alle malattie. Queste reazioni cellulari influenzano la mobilità degli ioni metallici, che sono essenziali per la sopravvivenza batterica, e riprogrammano le cellule T, riducendo la quantità di infiammazione che causano.
Sperry e il suo team volevano vedere se potevano usare una combinazione di metodi computazionali ed esperimenti di laboratorio per scoprire i geni e i percorsi molecolari che controllano la tolleranza nelle rane Xenopus, e quindi trovare farmaci esistenti in grado di attivare quei percorsi e indurre uno stato di tolleranza contro gli agenti patogeni, come parte della ricerca in corso del Wyss Institute per identificare farmaci che potrebbero replicare questi processi biologici e indurre tolleranza negli esseri umani.
Hanno scelto di utilizzare embrioni di rana Xenopus per i loro studi perché questi embrioni sono facili da coltivare e analizzare in gran numero e sono noti per mostrare una tolleranza naturale a carichi elevati di alcuni tipi di batteri.
I ricercatori hanno esposto gli embrioni a sei diverse specie di batteri patogeni e quindi hanno analizzato i modelli di espressione genica degli animali dopo l’infezione. Embrioni che hanno incontrato la specie più aggressiva Aeromonas hydrophila e Pseudomonas aeruginosa hanno mostrato cambiamenti visibili nel loro sviluppo fisico 52 ore dopo l’infezione e modifiche diffuse ai loro modelli di espressione genica un giorno dopo l’infezione, riflettendo le risposte fisiologiche degli animali ai patogeni.
Le altre quattro specie non hanno causato alcun cambiamento visibile negli embrioni, il che in un primo momento ha suggerito che gli animali non stavano reagendo ai patogeni. Ma l’analisi genetica ha raccontato una storia diversa.
Mentre due delle specie, S. aureus e S. pneumoniae, hanno causato pochissimi cambiamenti genetici nei profili di espressione genica degli embrioni, le specie Acinetobacter baumanii e Klebsiella pneumoniae hanno causato cambiamenti significativi in un insieme di 20 geni che erano rimasti invariati durante l’infezione con i batteri più aggressivi. Questi cambiamenti genetici sembravano essere correlati con un impatto positivo sulla salute delle rane in via di sviluppo, il che implica che potrebbero essere coinvolti nella risposta di tolleranza degli animali.
I ricercatori hanno utilizzato un approccio computazionale per mappare i geni di Xenopus che hanno subito un cambiamento significativo nei geni corrispondenti negli esseri umani e hanno analizzato come quei geni interagiscono tra loro organizzandosi in “reti genetiche”. Hanno scoperto che gli embrioni che tolleravano A. baumanii e K. pneumoniae presentavano cambiamenti significativi nelle loro reti genetiche che erano distinti dai cambiamenti osservati negli embrioni che hanno ceduto all’infezione da A. hydrophila e P. aeruginosa.
Un particolare gene, HNF4A, era altamente sovraregolato negli embrioni tolleranti ed era collegato a diversi geni coinvolti nel trasporto di ioni metallici e nell’aumento della disponibilità di ossigeno, entrambi processi che in precedenza erano stati collegati alla tolleranza alle malattie.
L’HNF4A aiuta anche a mantenere il ritmo circadiano e gli scienziati hanno scoperto che capovolgere il ciclo della luce degli embrioni aumentava la tolleranza contro l’infezione da A. hydrophila, aumentando l’interessante possibilità che la modulazione dei ritmi circadiani potesse influire sulla risposta di un organismo all’infezione.
“È stato davvero emozionante vedere che la tolleranza ai patogeni sembra essere modulata da molteplici processi biologici coordinati – ipossia, trasporto di ioni metallici e ritmo circadiano – perché potrebbe essere possibile sviluppare un’intera classe di farmaci che mirano simultaneamente a più percorsi per aiutare a creare organismi più resistenti ai danni causati dalle infezioni evitando effetti collaterali indesiderati“, ha affermato il coautore Richard Novak, Ph.D., ex Lead Staff Engineer presso il Wyss Institute che ora è co-fondatore e CEO di Unravel Biosciences.
Armati di questi risultati promettenti, Sperry, Novak e il loro team hanno deciso di provare ad individuare farmaci in grado di indurre un effetto simile. In primo luogo, hanno confrontato la firma dell’espressione genica che avevano identificato negli embrioni tolleranti di Xenopus con i dati esistenti di topi e primati che erano stati infettati da batteri contro i quali erano tolleranti. Hanno scoperto che le reti genetiche negli embrioni di Xenopus tolleranti condividevano sovrapposizioni chiave con quelle trovate nei topi e nei primati tolleranti e che dodici geni erano comuni a tutte le specie. Tra questi geni ce n’erano molti coinvolti in un processo chiamato segnalazione del fattore nucleare kappa B (NF-𝜅B), che regola le risposte infiammatorie alle infezioni, così come il trasporto di ioni metallici e le risposte all’ipossia cellulare.
Fiduciosi che i geni di tolleranza allo Xenopus fossero un buon proxy per gli aspetti della tolleranza nei mammiferi, hanno quindi esaminato più di 30 farmaci noti per avere un impatto sul trasporto di ioni metallici o sull’ipossia somministrandoli a embrioni di Xenopus che sono stati infettati da A. hydrophila. Tre farmaci hanno sostanzialmente aumentato la sopravvivenza degli embrioni nonostante la presenza di un agente patogeno che avrebbe dovuto ucciderli: la deferoxamina, un farmaco approvato dalla FDA che si lega agli ioni ferro e alluminio; L-mimosina, che si lega al ferro e allo zinco; e idralazina, che si lega agli ioni metallici e dilata anche i vasi sanguigni.
Poiché è noto che il trasporto di ioni metallici e le vie dell’ipossia sono interconnesse, i ricercatori hanno avuto la sensazione che questi farmaci per la rimozione dei metalli stessero stabilizzando una proteina biologica chiamata HIF-1𝛼. HIF-1𝛼 regola le risposte delle cellule all’ipossia e può essere coinvolto nella riduzione del danno tissutale e nell’aumento della tolleranza alle malattie. Quindi, gli scienziati hanno somministrato un farmaco chiamato 1,4-DPCA, che è noto per migliorare l’attività di HIF-1𝛼 attraverso un meccanismo separato ma correlato. Questo farmaco ha aumentato la sopravvivenza dell’embrione di Xenopus a oltre l’80% in presenza di batteri mortali. Quando i ricercatori hanno aggiunto un inibitore di HIF-1𝛼 insieme a 1,4-DPCA, gli embrioni hanno ceduto all’infezione, confermando che HIF-1𝛼 è davvero un attore chiave nella tolleranza alle infezioni.
Fondamentalmente, i geni Xenopus che hanno subito i maggiori cambiamenti nei loro livelli di espressione a causa del trattamento con 1,4-DPCA erano presenti anche nella firma di 20 geni della tolleranza ai patogeni che i ricercatori avevano identificato in precedenza, suggerendo che il farmaco imita gli aspetti naturali tolleranza compresi i geni modulatori coinvolti nel legame degli ioni metallici.
“Da quando la teoria dei germi della malattia ha cominciato ad essere accettata dalla scienza nel 19° secolo, il trattamento si è concentrato sui patogeni stessi. Ma questi esperimenti mostrano che la modulazione delle risposte fisiologiche di un ospite a un agente patogeno merita la stessa quantità di attenzione e potrebbe offrire un approccio alternativo assolutamente necessario al trattamento delle malattie“, ha affermato il coautore e membro della Wyss Associate Faculty Michael Levin, Ph.D., che è anche presidente di Vannevar Bush e direttore dell’Allen Discovery Center presso la Tufts University.
Tuttavia, i ricercatori avvertono che i farmaci che inducono tolleranza non sono un proiettile d’argento contro le infezioni. Aumentare la tolleranza degli esseri umani alle infezioni potrebbe significare che non eliminano mai completamente un agente patogeno dannoso dai loro corpi, il che potrebbe avere effetti sulla salute a lungo termine. Inoltre, queste persone con infezioni persistenti e di basso grado potrebbero diffondere l’agente patogeno ad altri che sono più sensibili. Pertanto, i farmaci che aumentano la tolleranza sarebbero probabilmente utilizzati al meglio in combinazione con altre misure come i vaccini.
“Questo è un meraviglioso esempio di capovolgimento di paradigmi scientifici o medici: piuttosto che cercare un altro antibiotico altamente mirato a cui i patogeni svilupperanno resistenza in futuro, abbiamo scelto di scoprire modi per stimolare l’ospite a essere tollerante a un’ampia gamma di infezioni. Sebbene questo lavoro sia lontano dalla clinica, dimostra il valore di pensare fuori dagli schemi e apre nuovi approcci allo sviluppo terapeutico“, ha affermato l’autore senior e direttore fondatore di Wyss Donald Ingber, che è anche il Judah Folkman Professor of Vascular Biology presso l’Harvard Medical School (HMS) e Boston Children’s Hospital e Professore di Bioingegneria presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.
Il team sta continuando a studiare le risposte allo stress simili a quelle riscontrate nella tolleranza ai patogeni nello Xenopus, ora in gran parte nel contesto del progetto Biostasis del Wyss Institute.
Riferimento: “Enhancers of Host Immune Tolerance to Bacterial Infection Discovered Using Linked Computational and Experimental Approaches” di Megan M. Sperry, Richard Novak, Vishal Keshari, Alexandre LM Dinis, Mark J. Cartwright, Diogo M. Camacho, Jean-François Paré, Michael Super, Michael Levin e Donald E. Ingber, 15 giugno 2022, Advanced Science.
DOI: 10.1002/avv.202200222
