Establishment of a human pluripotent stem cell-derived sensory neuron model for diabetic peripheral neuropathy and pharmacological evaluation

Per milioni di persone che vivono con il diabete, una complicazione silenziosa e dolorosa può impossessarsi dei nervi delle mani e dei piedi. Questa condizione, nota come neuropatia periferica diabetica, inizia con una perdita di sensibilità, spesso descritta come un intorpidimento che risale gli arti come un calzino o un guanto. Con il tempo, il danno si approfondisce, causando l'atrofia e la morte delle lunghe e sottili fibre che trasportano i segnali dalla pelle al cervello, partendo dall'esterno verso l'interno. Sebbene i medici possano gestire il dolore, non esiste attualmente alcun trattamento in grado di fermare o invertire questa degenerazione nervosa. La ricerca di una tale cura è stata bloccata da un problema fondamentale: gli scienziati hanno careca di un modo affidabile per studiare le cellule nervose umane in laboratorio. Le cellule all'interno di un topo o di un ratto si comportano diversamente da quelle di una persona, e prelevare tessuto nervoso direttamente dai pazienti umani è spesso impossibile. Senza un modello umano che imiti accuratamente la malattia, testare nuovi farmaci è come cercare di riparare un motore complesso senza aver mai visto il motore stesso.

Un team di ricercatori dell'Ospedale del Distretto di Shunyi di Pechino ha ora costruito proprio quel motore mancante. Hanno creato un modello di laboratorio utilizzando cellule staminali umane che crescono in neuroni sensoriali maturi, il tipo specifico di cellula nervosa danneggiata nella neuropatia diabetica. Esponendo queste cellule umane ai livelli elevati di zucchero e allo stress ossidativo tipici del diabete, gli scienziati sono stati in grado di osservare il danno nervoso in tempo reale. Il loro lavoro conferma che il danno è causato dagli effetti tossici dello zucchero sui sistemi energetici della cellula, e non solo dalla pressione fisica degli alti livelli di fluidi. Cosa più importante, hanno dimostrato che questo modello può prevedere se un farmaco proteggerà i nervi. Quando hanno testato tre farmaci esistenti, le cellule sono sopravvissute e le lunghe e delicate ramificazioni dei nervi sono rimaste intatte, offrendo una nuova strada per la ricerca di trattamenti che possano effettivamente riparare il danno.

Per capire come funziona questo nuovo modello, bisogna innanzitutto guardare alla fonte delle cellule. I ricercatori sono partiti da cellule staminali pluripotenti umane, che sono un tipo speciale di cellula capace di trasformarsi in qualsiasi tessuto del corpo. Utilizzando una sequenza attentamente temporizzata di segnali chimici, hanno guidato queste cellule staminali a diventare neuroni sensoriali. Questo processo è durato trentacinque giorni. Le cellule risultanti non erano un miscuglio di tipi diversi; erano una popolazione pura di neuroni sensoriali, verificata dalla presenza di marcatori specifici che le identificano come tali e dall'assenza di marcatori per i neuroni motori. Questa purezza era essenziale, poiché garantiva che qualsiasi danno osservato successivamente stesse avvenendo specificamente ai nervi sensoriali coinvolti nella malattia, piuttosto che essere confuso con altri tipi cellulari.

Con una fornitura affidabile di neuroni sensoriali umani, il team si è messo all'opera per ricreare le condizioni della neuropatia diabetica in una capsula di Petri. Sapevano che i pazienti affetti da questa condizione soffrono di un alto livello cronico di zucchero nel sangue, che alla fine porta a un accumulo di molecole nocive chiamate specie reattive dell'ossigeno, che danneggiano le centrali elettriche della cellula, i mitocondri. Per simulare ciò, hanno prima esposto le cellule a un'alta concentrazione di glucosio per ventiquattro ore. Successivamente, hanno aggiunto un'ondata di perossido di idrogeno per innescare uno stress ossidativo acuto, simulando i picchi improvvisi di danno che avvengono nel corpo. Un passaggio critico nel loro design è stato quello di escludere una comune confusione negli studi precedenti: volevano sapere se il danno fosse causato dallo zucchero stesso o semplicemente dal fatto che l'alto contenuto di zucchero renda il liquido nella capsula più denso e più pressorio. Per testare questo, hanno aggiunto una sostanza chiamata mannitolo a un gruppo di controllo per creare la stessa pressione fisica senza lo zucchero. Le cellule nel gruppo con lo zucchero hanno subito danni significativi, mentre quelle nel gruppo con la sola pressione sono rimaste sane. Ciò ha dimostrato che l'infortunio era guidato dalla tossicità metabolica del glucosio, non dalla pressione fisica.

Una volta stabilito il modello di lesione, i ricercatori hanno testato se potesse identificare farmaci che potessero proteggere i nervi. Hanno selezionato tre composti noti per il loro potenziale nel ridurre lo stress o migliorare la salute cellulare: N-acetilcisteina, minociclina e metformina. Prima di esporre le cellule allo stress dannoso, hanno dato alle cellule un vantaggio di due ore con uno di questi farmaci. I risultati sono stati chiari. Le cellule non trattate, sopraffatte dallo stress, mostravano un massiccio aumento di molecole dannose e un collasso della funzione mitocondriale. Al contrario, le cellule trattate con i farmaci mantenevano il loro equilibrio interno. Le molecole dannose venivano tenute sotto controllo e i mitocondri, produttori di energia, rimanevano stabili. Tutti e tre i farmaci hanno avuto successo nel prevenire la morte immediata delle cellule, con la N-acetilcisteina che mostrava l'effetto più forte nel ripristinare l'ambiente interno della cellula.

Tuttavia, il vero test per un modello di neuropatia diabetica non è solo se possa mantenere in vita una cellula per alcune ore, ma se possa prevenire la morte lenta e progressiva delle sue lunghe ramificazioni. Nei pazienti, la malattia è caratterizzata da un modello di "morte retrograda" (dying-back) in cui le estremità distali dei nervi si degradano per prime. Per vedere se il loro modello potesse catturare questo fenomeno, i ricercatori hanno lasciato che l'esperimento procedesse per ventuno giorni. Nel gruppo che non aveva ricevuto alcun trattamento farmacologico, la rete di fibre nervose ha iniziato a frammentarsi e a scomparire, perdendo quasi il settanta per cento della sua struttura nell'arco delle tre settimane. Questo rispecchiava il deperimento visto nei pazienti umani. Ma nei gruppi in cui le cellule avevano ricevuto il trattamento farmacologico precoce, le reti nervose rimanevano robuste e connesse. I farmaci non avevano solo mantenuto in vita le cellule; avevano preservato l'intricata architettura dei nervi, prevenendo la degenerazione a lungo termine che definisce la malattia.

Questo studio rappresenta un passo avanti significativo nella lotta contro la neuropatia diabetica, offrendo uno strumento che parla la lingua della biologia umana. I ricercatori hanno dimostrato di poter coltivare neuroni sensoriali umani puri, sottoporli agli specifici stress metabolici del diabete e osservare il danno risultante con alta precisiono. Dimostrando che il danno è metabolico piuttosto che fisico, e mostrando che il modello può rilevare sia il salvataggio cellulare immediato che la protezione strutturale a lungo termine, hanno creato una piattaforma pronta all'uso. Questo sistema permette agli scienziati di sottoporre a screening potenziali terapie con un livello di fiducia precedentemente impossibile, colmando il divario tra gli esperimenti di laboratorio e la complessa realtà della malattia umana. Il lavoro suggerisce che, con gli strumenti giusti, la ricerca di trattamenti che possano arrestare o invertire il danno nervoso non è più solo una speranza, ma una possibilità concreta fondata sulla biologia umana.