MYD88-silencing hUCMSC-derived extracellular vesicles alleviate sepsis- associated encephalopathy by modulating neurovascular and microglial inflammation

Quando il corpo combatte un'infezione grave, il sistema immunitario lancia una massiccia difesa per eliminare la minaccia. A volte, tuttavia, questa difesa non si interrompe quando l'infezione è scomparsa. Invece, persiste, voltandosi contro il cervello e causando una condizione nota come encefalopatia associata alla sepsi. Questa non è un'infezione diretta del cervello, ma una disfunzione diffusa in cui il cervello si infiamma, portando a confusione, perdita di memoria e declino cognitivo a lungo termine. Il problema è che gli attuali trattamenti medici si concentrano sull'arresto dell'infezione iniziale e sul supporto degli organi del paziente, ma non offrono alcun modo per impedire al cervello di continuare a soffrire una volta che il paziente è sopravvissuto. Per molti sopravvissuti, la nebbia della "nebbia mentale" e la perdita di lucidità mentale possono durare anni, senza una strategia stabilita per riparare il danno.

Un team di ricercatori ha ora identificato un interruttore molecolare specifico che mantiene questa infiammazione cerebrale attiva molto tempo dopo che l'infezione è stata eradicata, e ha sviluppato un modo per spegnere quell'interruttore. Lo studio si concentra su una proteina chiamata MYD88, che funge da messaggero centrale per il sistema immunitario. Nei cervelli sani, questa proteina aiuta a coordinare una rapida risposta al pericolo. Ma nei topi che sono sopravvissuti a una grave infezione, i ricercatori hanno scoperto che la MYD88 rimane bloccata nella posizione "on" all'interno delle cellule immunitarie cerebrali e delle cellule che rivestono i vasi sanguigni. Questo segnale persistente ha guidato un ciclo di infiammazione e stress ossidativo che ha danneggiato le delicate connessioni tra i neuroni e ha compromesso la barriera che protegge il cervello dal flusso sanguigno. Per risolvere questo problema, gli scienziati hanno ingegnerizzato minuscole bolle naturali chiamate vescicole extracellulari, raccolte da cellule staminali del cordone ombelicale umano. Hanno caricato queste bolle con uno strumento molecolare progettato per silenziare il gene MYD88. Quando iniettate nella circolazione sanguigna dei topi infetti, queste bolle ingegnerizzate sono viaggiate fino al cervello, sono entrate nelle cellule immunitarie e hanno con successo spento il segnale MYD88 iperattivo. Il risultato è stato un ripristino della barriera emato-encefalica, una riduzione dell'infiammazione cerebrale e un eccezionale recupero della memoria e del comportamento, suggerendo una nuova via per trattare gli effetti persistenti della sepsi.

Il percorso verso questa scoperta è iniziato mappando la cronologia del recupero cerebrale dopo un'infezione grave. I ricercatori hanno utilizzato un modello standard di sepsi nei topi, in cui una piccola perforazione nell'intestino innesca un'infezione sistemica. Hanno aspettato che i topi sopravvivessero alla fase acuta e poi hanno esaminato i loro cervelli a vari intervalli: un mese, tre mesi e sei mesi dopo. Hanno scoperto che, mentre la maggior parte dei segni dell'infezione svaniva, i livelli della proteina MYD88 rimanevano pericolosamente alti nelle cellule immunitarie cerebrali e nelle cellule dei vasi sanguigni per almeno un mese. Questa elevazione non era un picco fugace, ma uno stato sostenuto che coincideva con il periodo in cui i topi iniziavano a mostrare segni di problemi cognitivi. Osservando attentamente il tessuto cerebrale, il team ha visto che questa proteina iperattiva era presente nelle cellule che formano i vasi sanguigni del cervello e nella microglia, le cellule immunitarie residenti nel cervello. Ciò suggeriva che il problema non fosse solo in una parte del cervello, ma proprio nell'infrastruttura che mantiene il cervello sicuro e funzionante.

Per affrontare questo segnale persistente, i ricercatori si sono rivolti a un sistema di consegna che il corpo utilizza già per comunicare tra le cellule. Hanno raccolto vescicole extracellulari, che sono piccoli pacchetti delimitati da membrana rilasciati naturalmente dalle cellule staminali del cordone ombelicale umano. Queste vescicole sono abbastanza piccole da viaggiare attraverso il flusso sanguigno e possono trasportare carichi come proteine e materiale genetico da una cellula all'altra. Il team ha ingegnerizzato queste vescicole per trasportare un set specifico di istruzioni progettate per silenziare il gene MYD8なし. Hanno utilizzato un processo chiamato elettroporazione, che utilizza un breve impulso elettrico per spingere le istruzioni genetiche all'interno delle vescicole senza danneggiarle. Prima di testarlo in animali vivi, hanno confermato che le vescicole potevano proteggere il loro carico dalla distruzione da parte degli enzimi nel sangue e che potevano entrare con successo nelle cellule cerebrali per ridurre il segnale MYD88. Hanno anche verificato che queste vescicole ingegnerizzate potessero attraversare la barriera emato-encefalica, un muro strettamente controllato che di solito tiene fuori dal cervello le molecole grandi, e che venissero assorbite dalla microglia una volta all'interno.

Con il sistema di consegna pronto, i ricercatori sono passati alla fase di trattamento. Hanno aspettato tre giorni dopo che i topi avessero sopravvissuto all'infezione, un momento in cui la crisi acuta era passata ma il danno cerebrale era già in corso. Hanno poi iniettato le vescicole ingegnerizzate nelle vene della coda dei topi una volta al giorno per sei giorni. Questa tempistica era cruciale perché testava se il trattamento potesse invertire un danno già iniziato, piuttosto che limitarsi a prevenirlo. I risultati sono stati sorprendenti. I topi che hanno ricevuto le vescicole per il silenziamento di MYD88 hanno mostrato una significativa riduzione della perdita della loro barriera emato-encefalica, un segno che il muro protettivo era stato riparato. Al contrario, i topi che hanno ricevuto vescicole non modificate o nessun trattamento hanno continuato a mostrare segni di una barriera permeabile. Il trattamento ha anche ridotto i livelli di MYD88 nei vasi sanguigni e nelle cellule immunitarie del cervello, spegnendo efficacemente il segnale infiammatorio che aveva guidato il danno.

I benefici di questo trattamento si sono estesi profondamente nella struttura del cervello. Quando i ricercatori hanno esaminato l'ippocampo, la regione responsabile della memoria, sotto un potente microscopio, hanno visto che i topi non trattati avevano mitocondri — le centrali energetiche della cellula — gonfi e danneggiati. Anche le connessioni tra i neuroni, note come sinapsi, erano sottili e disorganizzate. Nei topi trattati con le vescicole ingegnerizzate, queste strutture apparivano molto più sane. I mitocondri hanno riacquistato la loro forma normale e le connessioni sinaptiche erano più spesse e robuste, simili a quelle dei topi sani e non infetti. Questo recupero strutturale è stato accompagnato da un cambiamento nell'ambiente chimico del cervello. Il trattamento ha ridotto la produzione di molecole infiammatorie dannose e ha ripristinato i livelli di antiossidanti naturali che proteggono le cellule dallo stress. Ha inoltre incoraggiato le cellule immunitarie del cervello a passare da uno stato di attacco costante a uno di riparazione, segnato da un aumento di una proteina chiamata TREM2, che aiuta le cellule a pulire i detriti e guarire i tessuti.

Infine, i ricercatori si sono chiesti se questi cambiamenti biologici si traducessero in miglioramenti reali nel modo in cui i topi pensavano e si comportavano. Hanno sottoposto i topi a una serie di test progettati per misurare l'ansia, la memoria spaziale e la capacità di riconoscere nuovi oggetti. I topi non trattati, nonostante fossero sopravvissuti all'infezione, si comportavano come se fossero ansiosi, evitando il centro degli spazi aperti, e faticavano a ricordare dove fossero stati o a riconoscere nuovi oggetti. I topi trattati con le vescicole ingegnerizzate, tuttavia, si comportavano in modo molto simile ai topi sani. Esploravano l'ambiente con fiducia, ricordavano la posizione di una scatola di fuga nascosta in un labirinto e mostravano una chiara preferenza per gli oggetti nuovi rispetto a quelli familiari. Il trattamento non ha solo ridotto l'infiammazione; ha ripristinato la capacità dei topi di apprendere e ricordare, invertendo i deficit cognitivi che tipicamente seguono un'infezione grave.

Questo studio suggerisce che la chiave per trattare il danno cerebrale a lungo termine causato dalla sepsi possa risiedere nel silenziare un segnale molecolare specifico che mantiene il sistema immunitario bloccato in un eccesso di attività. Utilizzando vescicole ingegnerizzate per consegnare uno strumento genetico mirato, i ricercatori sono stati in grado di fermare l'infiammazione, riparare la barriera emato-encefalica e ripristinare la struttura e la funzione del cervello. Sebbene questo lavoro sia stato condotto su topi, esso indica una potenziale nuova strategia per la medicina umana: una terapia cell-free che può essere somministrata dopo che l'infezione iniziale è sotto controllo per prevenire che il cervello subisca conseguenze a lungo termine. L'approccio offre un modo per colpire una specifica proteina intracellulare che è stata difficile da raggiungere con i farmaci tradizionali, aprendo la porta a trattamenti che potrebbero aiutare i sopravvissuti alla sepsi a recuperare la loro lucidità mentale e la qualità della vita.