Naloxone as mitochondrial phenotype rescuer in a 3D bioprinted LCHADD/VLCADD model

Per milioni di persone, la capacità del corpo di trasformare i grassi in energia è un processo fluido e automatico. Ma per un piccolo gruppo di individui nati con malattie metaboliche rare, questa essenziale conversione del carburante è interrotta. Quando questi pazienti digiunano, si ammalano o affrontano elevati fabbisogni energetici, i loro corpi non riescono a elaborare i grassi a catena lunga, portando a un pericoloso accumulo di sottoprodotti tossici e a un improvviso calo di energia. Questa condizione, nota come disturbo dell'ossidazione degli acidi grassi a catena lunga, colpisce duramente il cuore e i muscoli, causando spesso crisi potenzialmente letali. Sebbene i medici gestiscano attualmente la condizione con diete rigide e integratori specifici, questi trattamenti sono in gran parte di supporto; aiutano il corpo a lavorare intorno all'ostacolo, ma non riparano il danno cellulare sottostante. Per decenni, i ricercatori hanno faticato a trovare un modo per testare nuove terapie perché la malattia è così rara che non sono disponibili grandi gruppi di pazienti per i trial clinici, e i modelli animali esistenti non imitano appieno l'esperienza umana.

Un team di scienziati della Università Medica di Innsbruck ha ora costruito un nuovo tipo di terreno di prova per colmare questa lacuna. Invece di affidarsi ad animali o semplici piastre di cellule, hanno creato un modello tridimensionale di tessuto umano vivo che imita il complesso ambiente interno del corpo. Utilizzando una tecnica chiamata bioprinting 3D, hanno assemblato minuscole strutture tissutali vascolarizzate contenenti cellule sane e cellule prelevate direttamente dai pazienti affetti da questo disturbo. Questa piattaforma ha permesso loro di osservare come la malattia danneggi il sistema di supporto del corpo e di testare se un comune, esistente farmaco potesse invertire il danno. Il loro lavoro suggerisce che un farmaco già utilizzato per trattare gli overdose da oppioidi potrebbe offrire un nuovo modo per proteggere i pazienti durante le crisi metaboliche, riparando proprio il macchinario che genera energia.

I ricercatori hanno iniziato esaminando le cellule stesse. Hanno preso campioni di pelle da pazienti con due tipi specifici del disturbo, LCHADD e VLCADD, e li hanno coltivati in laboratorio. Al microscopio, queste cellule dei pazienti apparivano diverse da quelle sane. I loro mitocondri — le piccole centrali elettriche all'interno di ogni cellula che trasformano il cibo in energia — erano frammentati in piccoli pezzi sparsi invece di formare le reti lunghe e connesse tipiche delle cellule sane. Questa frammentazione era accompagnata da un aumento delle specie reattive dell'ossigeno, molecole instabili che agiscono come ruggine interna, danneggiando la cellula dall'interno verso l'esterno. Gli scienziati sapevano che questo stress ossidativo era probabilmente la causa dei mitocondri rotti, quindi hanno testato se fermare la produzione di questa "ruggine" potesse riparare le cellule.

Hanno trattato le cellule dei pazienti con naloxone, un farmaco noto soprattutto per invertire gli overdose da oppioidi, ma che ha anche la capacità di bloccare un enzima specifico che produce molecole di ossigeno dannose. I risultati sono stati sorprendenti. Entro tre giorni, i mitocondri frammentati nelle cellule dei pazienti hanno iniziato a riconnettersi, formando nuovamente reti lunghe e sane. I livelli di molecole di ossigeno dannose sono scesi ai livelli normali e le cellule hanno smesso di consumare glucosio al ritmo frenetico e inefficiente che stavano usando per compensare i loro sistemi energetici guasti. Fondamentalmente, quando i ricercatori hanno somministrato lo stesso trattamento alle cellule sane, non è cambiato nulla. Il farmaco non ha alterato le cellule che funzionavano già correttamente, suggerendo che colpisca specificamente lo stato patologico senza disturbare la biologia normale.

Per capire come ciò sia accaduto, il team ha esaminato le proteine che controllano la forma dei mitocondri. Hanno scoperto che il farmaco ha ripristinato l'equilibrio tra due proteine chiave: una che aiuta i mitocondri a fondersi insieme e un'altra che aiuta a dividerli. Nelle cellule dei pazienti non trattate, questo equilibrio era andato perduto, lasciando le centrali elettriche bloccate in uno stato di malfunzionamento. Il farmaco ha aiutato le cellule a recuperare la capacità di rimodellare le loro strutture interne, permettendo loro di eliminare le parti danneggiate e ricostruire reti funzionali. Questa riparazione si è estesa oltre le sole centrali elettriche. I ricercatori hanno analizzato le istruzioni genetiche all'interno delle cellule e hanno scoperto che la malattia aveva attivato un "programma di stress" che faceva comportare alle cellule come tessuto cicatriziale, producendo fibre spesse e rigide e alterandone la forma. Il farmaco ha spento questo programma di stress, riportando le cellule a uno stato più rilassato e sano.

Il test più significativo, tuttavia, ha avuto luogo nei modelli bioprintati in 3D. Gli scienziati hanno stampato minuscoli anelli di tessuto contenenti una miscela di cellule del paziente, cellule dei vasi sanguigni e cellule staminali. Nei modelli costruiti con cellule dei pazienti non trattate, i vasi sanguigni non si sono formati correttamente. Le reti erano scarse, corte e disconnesse, incapaci di creare la complessa ragnatela necessaria per fornire ossigeno e nutrienti. Questo fallimento avveniva perché le cellule stressate dei pazienti producevano un ambiente rigido e fibrotico che bloccava la crescita dei vasi sanguigni. Quando i ricercatori hanno aggiunto il farmaco a questi modelli, l'esito è cambiato drasticamente. I vasi sanguigni sono cresciuti più lunghi, si sono ramificati più frequentemente e hanno formato reti dense e sane che somigliavano molto a quelle dei modelli costruiti con cellule sane. Il farmaco ha essenzialmente liberato il percorso, permettendo al tessuto di costruire il proprio sistema di supporto vitale.

Questo studio suggerisce che il danno causato da questi rari disturbi metabolici non è limitato a un singolo enzima guasto, ma si diffonde alla struttura stessa e al comportamento delle cellule. Bloccando la produzione di molecole di ossigeno dannose, la naloxone sembra interrompere questa cascata di danni, permettendo alle cellule di riparare i propri sistemi energetici e sostenere la crescita di vasi sanguigni sani. Sebbene questa ricerca sia stata condotta in un ambiente di laboratorio e non dimostri ancora che il farmaco funzionerà come trattamento negli esseri umani, offre un nuovo modo potente per testare le terapie. I modelli di tessuto bioprintati in 3D forniscono una piattaforma umana realistica per lo screening di farmaci che possono riparare le radici cellulari profonde della malattia, andando oltre la semplice gestione dietetica per potenzialmente salvare la capacità del corpo di generare energia quando ne ha più bisogno.