Un gruppo di ricerca italiano del Centro Romeo ed Enrica Invernizzi dell’Università di Milano, in collaborazione con la Harvard Medical School e il Boston Children Hospital, ha ottenuto la remissione del diabete in un modello sperimentale tramite l'infusione di cellule staminali precedentemente ingegnerizzate per modificare l'espressione genica e correggere la carenza di una proteina di controllo.

Sappiamo che il diabete tipo 1 è una malattia autoimmune, in cui il sistema immunitario, attivato da uno stimolo ambientale (molto probabilmente un virus), riconosce come estranee le cellule endocrine beta del pancreas e organizza un attacco verso di esse. Questi elementi cellulari produttori di insulina vengono aggrediti da globuli bianchi specializzati, normalmente destinati a riconoscere e combattere agenti biologici estranei.

Uno degli elementi cruciali della distruzione delle cellule producenti insulina sono i linfociti T di tipo CD4 che diventano autoreattivi. Obbedendo a segnali biochimici e intercellulari anomali, questi linfociti ricevono da altre cellule la falsa indicazione di considerare come bersaglio le cellule beta e ne avviano la distruzione selettiva, sempre agendo di concerto con altri elementi del sistema immunitario.

Prevenire o curare il diabete tipo 1 riaccendendo interruttori molecolari

Rigenerare cellule perdute o bloccarne la distruzione?
Nel corso di decenni i ricercatori, identificata la natura autoimmune di questo processo, hanno pensato e attuato varie strategie allo scopo di bloccare la risposta immunitaria e proteggere le preziose cellule insulino-secernenti. Sono state tentate terapie immunosoppressive simili a quelle antirigetto messe in campo nei trapianti d'organo, sono stati impiegati farmaci o molecole ipotizzando loro funzioni protettrici. Tecniche cellulari più recenti si sono basate sul trapianto di cellule staminali provenienti dallo stesso soggetto (autologhe), allo scopo di controllare gli elementi malfunzionanti del sistema immunitario. I risultati hanno deluso le comprensibili aspettative, ma probabilmente ciò è da imputare a conoscenze della biologia ancora insufficienti in un campo in cui, da un anno all'altro, le cose cambiano in modo veloce e imprevedibile.

Grandi speranze arrivano dal campo della rigenerazione e riprogrammazione cellulare, in cui sarà con tutta probabilità possibile usare altri tipi di cellule come sorgenti di nuove cellule beta destinate a rimpiazzare quelle perdute (vedi nostro articolo [LINK]). Ma nuove conoscenze, raggiunte con l'uso di moderne tecniche di analisi, fanno ipotizzare di poter agire anche a monte del processo che porta al diabete tipo 1, spronando nuovamente i ricercatori verso metodi verso la possibilità di bloccare gli stessi meccanismi di insorgenza della malattia.

Analisi raffinate e nascita di nuove ipotesi

Al giorno d'oggi è possibile mettere sotto la lente della ricerca processi intimi della cellula visti nella loro interezza. Invece di osservare un solo dettaglio molecolare in base a un'idea precostituita, è realizzabile un’esplorazione “trasversale” di molti eventi della biologia cellulare, in grado di suggerire nuove idee in base alla corposa mole di dati ottenuti. Ad esempio, analizzando a largo raggio l'espressione dei geni e l'insieme dei messaggi inviati dal DNA verso i sistemi di sintesi proteica della cellula, è possibile ascoltare il discorso biochimico complessivo con cui i geni istruiscono la cellula: in altri termini, invece di cercare singole parole e tentare di dedurne il significato, i nuovi metodi di analisi ci consentono di fotografare intere frasi e voci molteplici. E queste, pur appartenendo a una lingua non del tutto delucidata, sono certamente meno criptiche rispetto a parole isolate e senza contesto.

Il trascrittoma è uno di questi fascicoli di istruzioni, ora leggibili, con cui la cellula dirige i suoi processi vitali. Rappresenta l'insieme delle direttive genetiche provenienti dal DNA della cellula, sotto forma di RNA messaggero (RNAm), molecola che porta l'istruzione agli apparati di sintesi proteica per indicare quali e quante proteine sintetizzare in un dato momento.

In precedenza si è tentato di correggere l'errore della risposta immunitaria, responsabile del diabete tipo 1, tramite il trapianto di cellule staminali progenitrici ematopoietiche (HSPCells), provenienti dal midollo osseo, che come sorgente di nuovi tipi cellulari potessero rimpiazzare gli elementi autoreattivi del sistema immunitario. Il tentativo non è andato a buon fine, e solo in un secondo momento si è capito il perché. Le cellule ematopoietiche, infatti, possiedono capacità immunoregolatorie che nei soggetti affetti da diabete tipo 1 appaiono compromesse. Nuovi metodi hanno permesso di identificare un problema a carico delle cellule HSP, responsabile del precedente insuccesso terapeutico: studiando il profilo trascrittomico delle cellule HSP è stato dimostrato in queste un basso livello di PLD-L1 (Programmed Death Ligand 1), una proteina chiave nel controllo del sistema immunitario.

Riparare gli interruttori della tolleranza immunitaria per proteggere il sé
In particolare, questa molecola ha un ruolo specifico nell'inibire cellule T attivate e nello sviluppo della tolleranza immunitaria, un fenomeno per cui l'organismo evita di riconoscere come estranee le sue stesse componenti, attraverso l'eliminazione o il blocco di quelle cellule che potrebbero assumere questo pericoloso ruolo. In modelli sperimentali, come i topi NOD, i quali sviluppano diabete autoimmune del tutto simile al diabete tipo 1 umano, il livello della proteina PLD-L1 nelle cellule staminali HSPC è basso, e manca quindi l'effetto protettivo in grado di bloccare la risposta immunitaria delle cellule T. Lo stesso deficit è stato osservato in cellule umane HSP in vitro, provenienti da pazienti con diabete tipo 1.

Altri tipi di analisi a largo raggio, come gli studi genome-wide e analisi bioinformatiche condotte su grandi set di dati, hanno rilevato l'esistenza di un network di interruttori molecolari, del tipo dei microRNA, in grado di controllare l'espressione della proteina PLD-L1. Queste piccole molecole sono in grado di bloccare la sintesi di una proteina arrestando in vari modi la traduzione dell'RNA messaggero. Rappresentano quindi un importante meccanismo di regolazione dell'espressione genica, in grado di rispondere a stimoli ambientali che possono arrivare anche in forma di farmaco.

Questa capacità di adattamento dell’attività dei geni verso segnali provenienti dall’ambiente costituisce un nuovo e affascinante paradigma, l’epigenetica. Si tratta per certi versi di una vera rivoluzione del pensiero che ci consente di superare il dogma centrale della biologia, un gene-una proteina, mostrando come invece i meccanismi di controllo dell’espressione genica siano bidirezionali e come i segnali ambientali collaborino attivamente al funzionamento della biologia cellulare.

Dopo aver tracciato il profilo trascrittomico ad aver scoperto un pattern di regolatori microRNA che controllano la produzione della proteina PLD-L1, sono state percorse due strade sperimentali per ripristinare la funzionalità deficitaria: con la prima, le cellule HSP sono state ingegnerizzate introducendo, tramite un virus innocuo, il gene PLD-L1; con la seconda, l'effetto di stimolazione della produzione di PLD-L1 è stato ottenuto tramite un cocktail di molecole (interferone beta, interferone gamma e acido polinosinicopolicitidilico). Quest'ultimo approccio presenta l'indubbio vantaggio di aggirare la complessità della terapia genica e negli ultimi tempi sembra prefigurare una soluzione estremamente vantaggiosa.


Fig. 1 - Trascrittoma e ipotesi sulla patogenesi del diabete tipo 1. Nelle cellule staminali progenitrici (HPSC) un pattern di interruttori molecolari controllano l’espressione del gene PLD-L1. Il deficit di questa proteina provoca una perdita di tolleranza da parte del sistema immunitario verso le cellule beta, cui può seguire lo sviluppo del diabete tipo 1.

Aumentando con questi trattamenti il livello di PLD-L1 in queste cellule staminali è stato possibile curare il diabete in modelli murini e inibire la risposta immunitaria in cellule umane coltivate in vitro. Dopo l’infusione di cellule staminali ematopoietiche in topi NOD, le HSP erano in grado di migrare autonomamente nel pancreas e correggere il diabete (in tutti i topi trattati, un terzo dei quali ha mantenuto una normoglicemia a lunga distanza); nei sistemi di cellule umane in vitro è stata bloccata la risposta immunitaria, mostrando quindi un effetto non specie-dipendente, il che fa ben sperare per le prossime sperimentazioni cliniche, in cui si cercherà di riprodurre quanto osservato in vivo negli esperimenti sugli animali.


Fig. 2 - Ripristino della tolleranza immunitaria verso le cellule beta del pancreas. Le cellule staminali progenitrici ematopoietiche (HPSC), deficitarie in PLD-1, molecola importante nel controllo della tolleranza immunitaria, vengono trattate con terapia genica o stimolate con diverse sostanze: l’effetto è quello di correggere l’espressione genica del PLD-1 che torna a valori normali e ripristina la tolleranza verso le cellule beta.

Conclusioni e prospettive

Questo importante lavoro sperimentale, pubblicato in Novembre 2017 su Science Translational Medicine, sta avendo una certa risonanza, come spesso accade quando i risultati ottenuti non sono misurabili con piccole percentuali di significatività di un osservazione ma sembrano invece fondati su effetti qualitativamente più dirompenti.

Il rimodellamento di un sistema immunitario malfunzionante, che ha indotto la comparsa del diabete, è stato qui ottenuto tramite un lavoro condotto su cellule staminali ematopoietiche. La capacità di bloccare la risposta immunitaria e preservare l’integrità morfofunzionale delle cellule beta insulino-secernenti sembra condurre alla possibilità di una terapia efficace adottata precocemente, soprattutto quindi nelle fasi in cui l'attacco autoimmune sia ancora in essere. Restano da verificare i livelli di efficacia e sicurezza in studi clinici condotti su pazienti con diabete di tipo 1, ricerche per cui ci si sta muovendo per ottenere le necessarie autorizzazioni. Dirimente sarà anche il poter capire per quanto tempo dopo l'inizio del processo autoimmune si potrà intervenire e invertirne il corso, così come è stato fatto nei modelli animali.

Negli ultimi anni il diabete tipo 1, come grande sfida che impegna così a fondo e da così tanto tempo gli studiosi, sembra ormai stretto da più fronti di ricerca. La speranza che questa malattia possa trasferirsi in tempi ragionevoli nel campo delle patologie curabili appare certamente fondata.