Phenotypic screens identify biologic regulators of nanoparticle uptake in diffuse midline glioma

Per i bambini affetti da un tipo specifico e devastante di tumore cerebrale chiamato glioma midline diffuso, la strada verso il trattamento è bloccata da un formidabile muro biologico. Questi tumori nascono al centro del cervello, in strutture profonde come il ponte o il talamo, rendendoli impossibili da rimuovere con la chirurgia. Sebbene la radioterapia offra un breve sollievo, la malattia quasi sempre ritorna. Gli scienziati sperano da tempo che minuscole particelle ingegnerizzate, chiamate nanoparticelle, possano trasportare farmaci salvavita direttamente a questi tumori, aggirando le difese naturali del corpo. Tuttavia, un mistero fondamentale ha rallentato i progressi: anche quando queste particelle raggiungono il tumore, le cellule cancerose spesso si rifiutano di farle entrare. Le cellule agiscono come guardiani e, senza comprendere gli specifici interruttori biologici che controllano queste porte, i medici non possono forzare l'apertura.

Per risolvere questo problema, i ricercatori dovevano andare oltre il semplice indovinare quali forme chimiche potessero funzionare meglio. Invece, hanno deciso di chiedere alle cellule cancerose stesse cosa controlla il loro assorbimento. Trattando le cellule come una macchina complessa dotata di migliaia di leve nascoste, il team si è posto l'obiettivo di trovare quali leve, se tirate, renderebbero le cellule più propense ad accettare le nanoparticelle. Questo approccio sposta l'attenzione dal progettare migliori particelle al comprendere la biologia del bersaglio, una strategia che potrebbe sbloccare nuovi modi per somministrare medicinali ai tumori più ostinati.

In un nuovo studio, un team di scienziati di istituzioni tra cui il Broad Institute e il Boston Children's Hospital ha affrontato questo problema utilizzando un metodo che tratta il genoma come una vasta biblioteca di interruttori. Hanno lavorato con modelli derivati da pazienti di glioma midline diffuso, coltivando le cellule tumorali in laboratorio per creare un banco di prova vivente. I ricercatori hanno utilizzato uno strumento genetico potente per disattivare sistematicamente, una alla volta, migliaia di geni diversi in queste cellule. Cercavano un esito specifico: quali cellule, dopo aver avuto un gene specifico disabilitato, diventavano improvvisamente molto più brave a ingerire le nanoparticelle? Per testare questo, hanno introdotto nanoparticelle fluorescenti nelle cellule. Queste particelle brillavano sotto un microscopio, permettendo ai ricercatori di smistare le cellule in due gruppi: quelle che avevano assorbito molto del carico luminoso e quelle che ne avevano assorbito pochissimo.

Confrontando la composizione genetica delle cellule ad "alto assorbimento" rispetto a quelle a "basso assorbimento", il team è riuscito a identificare esattamente quali geni fossero responsabili del blocco delle nanoparticelle. Lo screening ha rivelato un sorprendente leader in questo blocco biologico: una proteina chiamata beta-catenina. Nelle cellule in cui il gene per la beta-catenina era stato spento, le nanoparticelle fluivano all'interno. Questa scoperta è stata significativa perché la beta-catenina è ben nota per il suo ruolo nel tenere unite le cellule e nell'inviare segnali di crescita, ma il suo ruolo di guardiano per la somministrazione di farmaci non era mai stato esplorato. I ricercatori hanno confermato questo risultato in due diversi modelli di pazienti e hanno scoperto che la rimozione della beta-catenina rendeva le cellule più ricettive alle nanoparticelle, indipendentemente dal rivestimento superficiale della particella o dal fatto che fosse fatta di grasso o di plastica.

Per capire perché ciò accadeva, gli scienziati hanno guardato più a fondo nei cambiamenti che avvengono all'interno delle cellule quando la beta-catenina viene rimossa. Hanno scoperto che la perdita di questa proteina innesca una reazione a catena che ammorbidisce il guscio esterno della cellula. Utilizzando un dispositivo microfluidico specializzato che misura quanto una singola cellula sia rigida, hanno scoperto che le cellule carenti di beta-catenina erano significativamente meno rigide rispetto alle cellule normali. Questo ammorbidimento era accompagnato da un cambiamento nel modo in cui le cellule "mangiano". Normalmente, queste cellule tumorali si affidano a un processo chiamato macropinocitosi, attraverso il quale inghiottono grandi quantità di fluido e detriti. Quando la beta-catenina veniva rimossa, questo meccanismo di ingestione rallentava e le cellule passavano a un metodo più selettivo chiamato endocitosi mediata da recettori, dove afferrano oggetti specifici dal loro ambiente. Questo cambiamento di comportamento rendeva le cellule più efficienti nel richiamare le nanoparticelle.

Lo studio non si è fermato all'identificazione di una singola proteina. Lo screening genetico ha inoltre evidenziato diverse altre vie che regolano l'interazione delle cellule con le nanoparticelle, in particolare quelle che coinvolgono le reti di segnalazione MAPK e mTOR. Questi sono sistemi di comunicazione all'interno della cellula che sono spesso iperattivi nel cancro. I ricercatori hanno testato se potessero mimare l'effetto dello spegnimento della beta-catenina utilizzando farmaci esistenti che bloccano queste vie di segnalazione. Hanno trattato le cellule tumorali con un farmaco chiamato trametinib, che inibisce la via MAPK. Il risultato è stato lo stesso dell'esperimento genetico: le cellule trattate con il farmaco assorbivano significativamente più nanoparticelle. Ciò suggerisce che i medici potrebbero essere in grado di usare farmaci oncologici esistenti non solo per uccidere le cellule tumorali, ma per "prepararle", rendendole più aperte a ricevere nanoparticelle che trasportano farmaci.

Le scoperte offrono un nuovo modello per trattare questi difficili tumori cerebrali. Piuttosto che modificare incessantemente il design chimico delle nanoparticelle per vedere cosa aderisce, la ricerca suggerisce un approccio basato prima sulla biologia. Comprendendo i regolatori specifici che controllano l'ingresso cellulare, gli scienziati possono identificare modi per alterare temporaneamente lo stato della cella per migliorare la somministrazione. Lo studio dimostra che una combinazione di screening genetico e intervento farmacologico può rivelare vulnerabilità nascoste nelle cellule cancerose. Sebbene il lavoro sia stato condotto in laboratorio, esso punta verso un futuro in cui le strategie di trattamento siano su misura per il panorama biologico specifico del tumore di un paziente, trasformando potenzialmente una barriera in una porta aperta per terapie salvavita.