A Transcriptomic Biomarker to Classify Chemical-Induced Histone Deacetylase Inhibition in Human HepaRG Cells

Le sostanze chimiche nel nostro ambiente possono talvolta danneggiare il corpo in modi che sono difficili da vedere finché il danno non è già stato compiuto. Per proteggere la salute pubblica, gli scienziati hanno bisogno di metodi migliori per prevedere quali sostanze siano pericolose prima che raggiungano le persone. Per decenni, questo lavoro si è basato pesantemente sul test di sostanze chimiche sugli animali, ma una nuova generazione di metodi sta spostando l'attenzione sulle cellule umane coltivate in laboratorio. Questi "nuovi metodi di approccio" mirano a essere più rapidi, economici e rilevanti per la biologia umana. Una parte fondamentale di questo cambiamento consiste nell'osservare come le sostanze chimiche cambino l'attività dei geni. I geni sono le istruzioni all'interno delle nostre cellule e, quando una sostanza chimica tossica entra nel corpo, spesso confonde queste istruzioni, accendendo alcune e spegnendone altre. Leggendo questi cambiamenti, gli scienziati possono identificare il tipo specifico di danno causato da una sostanza chimica, come ad esempio se danneggia il DNA o interrompe il modo in cui le cellule gestiscono il loro macchinario interno. Uno di questi disturbi riguarda gli inibitori dell'istone deacetilasi, o inibitori dell'HDAC. Queste sono sostanze chimiche che interferiscono con un processo naturale chiamato deacetilazione, che aiuta a mantenere il nostro DNA compatto e organizzato. Quando questo processo viene bloccato, il DNA diventa troppo lasso, causando l'attivazione dei geni nei momenti sbagliati e potenzialmente portando alla morte cellulare o al cancro. Identificare questi specifici disturbatori è cruciale per i test di sicurezza, ma gli strumenti utilizzati per trovarli sono stati storicamente limitati a tipi cellulari che non rappresentano pienamente il modo in cui il fegato umano elabora i farmaci.

I ricercatori di Health Canada e i loro partner internazionali si sono posti l'obiettivo di colmare questa lacuna creando un nuovo strumento di rilevamento specifico per le cellule del fegato umano. Il fegato è la principale centrale di elaborazione chimica del corpo ed è qui che molte sostanze vengono scomposte prima che possano causare danni. Il team ha utilizzato una sofisticata linea cellulare epatica umana chiamata HepaRG, nota per la sua capacità di imitare le naturali funzioni metaboliche del fegato. Hanno esposto queste cellule a un set di ventidue diverse sostanze chimiche: otto noti inibitori dell'HDAC e quattordici sostanze chimiche che non hanno questo effetto. L'obiettivo era insegnare a un sistema informatico a riconoscere l'impronta digitale unica lasciata dagli inibitori dell'HDAC. I ricercatori hanno trattato le cellule con diverse quantità di ciascuna sostanza chimica per tre giorni, una durata sufficiente per catturare la risposta biologica completa senza uccidere immediatamente le cellule. Hanno poi misurato l'attività di ogni gene nelle cellule utilizzando una tecnologia di sequenziamento ad alta velocità chiamata TempO-Seq, che agisce come uno scanner rapido per leggere le istruzioni chimiche all'interno della cellula.

Da questa enorme quantità di dati, gli scienziati hanno identificato un set specifico di centodue geni che cambiavano costantemente la loro attività ogni volta che era presente un inibitore dell'HDAC. Hanno chiamato questa collezione di geni TGx-HDACi-HepaRG. Per testare se questo nuovo strumento funzionasse, lo hanno utilizzato per analizzare nuovamente le cellule, questa volta osservando tutte le diverse concentrazioni delle sostanze chimiche che avevano testato. I risultati sono stati sorprendentemente accurati. La nuova firma genica ha identificato correttamente ogni singolo inibitore dell'HDAC come una minaccia e ha identificato correttamente ogni non-inibitore come sicuro, con un'unica eccezione degna di nota: alla concentrazione più bassa testata, lo strumento non ha classificato correttamente l'inibitore dell'HDAC Panobinostat. Ha funzionato attraverso un ampio intervallo di intensità chimiche, da dosi molto basse a dosi elevate, dimostrando che lo strumento è abbastanza sensibile da catturare questi disturbatori anche prima che causino una morte cellulare evidente. Questo livello di precisione è vitale perché significa che i regolatori potrebbero potenzialmente esaminare migliaia di sostanze chimiche in modo rapido e affidabile senza dover fare affidamento sui test sugli animali.

Lo studio ha rivelato anche qualcosa di importante su come diverse cellule reagiscono allo stesso stress chimico. I ricercatori hanno confrontato il loro nuovo strumento basato sul fegato con una versione più vecchia che era stata sviluppata utilizzando un diverso tipo di cellula umana, che non possiede le stesse capacità metaboliche del fegato. Hanno scoperto che i due strumenti condividevano quasi nessun gene in comune; solo quattro geni erano uguali in entrambi gli elenchi. Questa non è stata una sconfitta, ma una scoperta. Ha dimostrato che, sebbene l'esito biologico finale — la perturbazione dell'ordine interno della cellula — sia lo stesso, il percorso che le cellule intraprendono per arrivarci dipende fortemente dal tipo di cellula coinvolta. Le cellule del fegato hanno usato un set diverso di geni per segnalare il disagio rispetto alle altre cellule. Questo ritrovamento rafforza l'idea che i test di sicurezza debbano essere adattati al tipo specifico di organo o di cellula studiato per essere veramente accurati. Uno strumento progettato per il fegato deve essere costruito utilizzando cellule epatiche per catturare il modo unico in cui quell'organo gestisce le sostanze chimiche.

Oltre a identificare le sostanze chimiche, i ricercatori hanno guardato più a fondo ciò che questi centodue geni stavano effettivamente dicendo alle cellule di fare. L'analisi ha mostrato che gli inibitori dell'HDAC stavano innescando una risposta coordinata che coinvolgeva il controllo del ciclo cellulare, la gestione dello stress e la rimozione delle cellule danneggiate. I geni indicavano percorsi biologici specifici, come quelli che regolano come le cellule si dividono e come rispondono allo stress ossidativo. Ciò conferma che lo strumento non sta solo captando rumore casuale, ma sta catturando i reali e complessi meccanismi biologici che rendono pericolose queste sostanze chimiche. I ricercatori hanno osservato che, sebbene lo strumento abbia funzionato perfettamente sulle sostanze chimiche utilizzate per costruirlo, deve ancora essere testato contro una varietà più ampia di sostanze per dimostrare di funzionare in tutti gli scenari del mondo reale. Tuttavia, il successo di questo studio fornisce una solida base per il futuro. Dimostra che è possibile costruire strumenti altamente accurati, basati sull'uomo, per la sicurezza chimica che rispettino la biologia unica del fegato umano, aprendo la strada a un sistema più moderno ed efficace per proteggere la salute pubblica.