Friedreich Ataxia iPSC-derived microglia display an interferon-responsive, antigen-presenting, and inflammasome-associated state with lysosomal biology and extracellular matrix abnormalities

L'atassia di Friedreich è una devastante condizione genetica che sottrae lentamente alle persone la capacità di muoversi e coordinare il proprio corpo. Deriva da un difetto in un singolo gene che impedisce al corpo di produrre abbastanza una proteina chiamata frataxina. Questa proteina è essenziale affinché le piccole centrali elettriche all'interno delle nostre cellule, note come mitocondri, possano funzionare correttamente. Senza di essa, queste centrali elettriche faticano, portando a una cascata di fallimenti cellulari che finiscono per distruggere specifici neuroni responsabili dell'equilibrio e del movimento. Per decenni, l'attenzione medica è stata quasi interamente rivolta a questi neuroni morenti, considerandoli le vittime primarie della malattia. Tuttavia, il sistema nervoso è una comunità complessa, e le cellule che sostengono e proteggono i neuroni sono altrettanto vitali. Tra questi sostenitori ci sono la microglia, le cellule immunitarie residenti nel cervello. Il loro compito è mantenere l'ordine, eliminare i detriti e rispondere alle lesioni. Indizi recenti suggeriscono che nella atassia di Friedreich, questi guardiani potrebbero non limitarsi a reagire al danno, ma potrebbero effettivamente far parte del problema, voltandosi contro le stesse cellule che dovrebbero proteggere.

Un team di ricercatori dell'Università McGill si è posto l'obiettivo di capire esattamente come ciò accada. Volevano sapere se la mancanza di sola frataxina fosse sufficiente a cambiare il comportamento della microglia, ancora prima che i neuroni iniziassero a morire. Per trovare la risposta, si sono rivolti a uno strumento potente che permette agli scienziati di studiare le cellule umane in una piastra: le cellule staminali pluripotenti indotte. Queste sono cellule che possono essere indotte a diventare qualsiasi tipo di tessuto del corpo. I ricercatori hanno preso cellule della pelle di pazienti con atassia di Friedreich e le hanno riprogrammate in cellule staminali. Successivamente, hanno guidato queste cellule staminali a diventare microglia. Fondamentalmente, hanno anche creato un gruppo di controllo modificando i geni di queste stesse cellule per rimuovere la mutazione causativa della malattia, creando un perfetto compagno genetico privo del difetto. Ciò ha permesso loro di confrontare i due gruppi fianco a fianco, assicurando che qualsiasi differenza trovata fosse dovuta esclusivamente alla mancanza della proteina frataxina e non ad altre variabili.

I ricercatori hanno fatto crescere queste microglia in condizioni calme e tranquille, senza introdurre alcuna infezione esterna o lesione che normalmente scatenerebbe una risposta immunitaria. Volevano vedere cosa stavano facendo le cellule da sole. Quando hanno analizzato le istruzioni genetiche all'interno delle cellule, hanno trovato una differenza sorprendente. La microglia dei pazienti era già in uno stato di massima allerta, nonostante si trovasse in un ambiente pacifico. La loro attività genetica mostrava una chiara firma di un sistema immunitario che era stato attivato. Nello specifico, queste cellule si comportavano come se stessero combattendo un'infezione, producendo un'ondata di segnali noti come interferoni, che vengono tipicamente utilizzati per avvertire il corpo di minacce virali. Mostravano anche proteine sulla loro superficie che agiscono come bandiere, un processo solitamente riservato alla presentazione di invasori stranieri al sistema immunitario. Ciò suggeriva che le cellule non stavano solo reagendo al mondo esterno, ma erano internamente pronte al combattimento.

Scavando più a fondo, il team ha scoperto che questo allarme interno era guidato da un set specifico di macchine molecolari chiamate inflamasomi. Questi sono complessi strutturali all'interno delle cellule che fungono da sensori di pericolo. Quando rilevano problemi, si assemblano in una grande macchina multi-parte che innesca il rilascio di potenti sostanze chimiche infiammatorie. I ricercatori hanno scoperto che la microglia dei pazienti presentava livelli significativamente più alti di due tipi specifici di queste macchine, noti come NLRP2 e NLRP3. Inoltre, hanno osservato che i componenti di queste macchine si stavano attivamente unendo, formando grandi cluster necessari affinché possano funzionare. Questo assemblaggio era accompagnato da un aumento delle forme attive di un enzima chiave che taglia e rilascia segnali infiammatori. In breve, le cellule avevano costruito le proprie armi ed erano pronte a sparare, tutto senza alcuna provocazione esterna.

Lo studio ha anche rivelato che la macchina interna di queste cellule stava lottando. La microglia mostrava segni di difficoltà con i propri lisosomi, che sono i centri di riciclaggio della cellula responsabili della scomposizione di rifiuti e parti danneggiate. I ricercatori hanno scoperto che le proteine che compongono questi centri di riciclaggio erano ridotte, suggerendo che le cellule avessero difficoltà a pulire il proprio disordine interno. Questa incapacità di eliminare i rifiuti cellulari è probabilmente un fattore importante nel mantenere il sistema immunitario in uno stato di costante allarme. Inoltre, le cellule secernano una miscela diversa di proteine nel loro ambiente rispetto alle cellule sane. Rilasciano alti livelli di sostanze chimiche infiammatorie che possono danneggiare i tessuti circostanti, producendo meno proteine che aiutano le cellule ad aderire al proprio ambiente e tra di loro. Questa combinazione di disfunzione interna e aggressività esterna dipinge il quadro di una cellula che è allo stesso tempo confusa e pericolosa.

Uno dei risultati più intriganti è stato il comportamento di un gene specifico chiamato MEG3. Questo gene, che produce un tipo di RNA che non codifica per una proteina ma aiuta invece a regolare altri geni, era stato portato a livelli elevatissimi nella microglia dei pazienti. I ricercatori hanno notato che questo stesso gene era stato trovato iperattivo nelle cellule muscolari cardiache di pazienti con la stessa malattia, e che ridurlo in quelle cellule cardiache aveva aiutato la loro sopravvivenza. Ciò suggerisce che MEG3 potrebbe essere un filo conduttore che collega i diversi modi in cui la malattia colpisce il corpo, agendo come un meccanismo condiviso che guida il danno in molteplici tipi di cellule.

Le implicazioni di queste scoperte sono significative per il modo in cui pensiamo di trattare l'atassia di Friedreich. Lo studio dimostra che le cellule immunitarie nel cervello non sono meri spettatori passivi in attesa che i neuroni muoiano; sono partecipanti attivi nel processo della malattia, guidati dai propri difetti genetici interni. La mancanza di frataxina è sufficiente a trasformare queste cellule protettive in agenti di infiammazione. Ciò suggerisce che possa esserci una finestra di opportunità nelle fasi precoci della malattia, forse anche prima che i neuroni mostrino segni di cedimento, dove colpire la microglia iperattiva potrebbe rallentare o fermare la progressione della condizione. Comprendendo gli interruttori molecolari specifici che vengono attivati in queste cellule, come le macchine degli inflasomi o il gene MEG3, gli scienziati potrebbero essere in grado di progettare nuove terapie che calmino il sistema immunitario e proteggano il sistema nervoso dall'interno. Il lavoro fornisce una mappa chiara dei cambiamenti cellulari che si verificano quando la frataxina viene a mancare, offrendo nuovi bersagli per trattamenti futuri che potrebbero un giorno cambiare il corso di questa implacabile malattia.