Ricerche

Registrando misurazioni elettriche e proteiche dettagliate delle singole cellule cerebrali, i ricercatori hanno rivelato nuovi potenziali bersagli farmacologici per la malattia neurodegenerativa.

Secondo i Centri Controllo e Prevenzione Malattie USA, almeno 5,8 milioni di americani hanno attualmente il morbo di Alzheimer (MA), la forma più comune di demenza, per la quale non esiste una cura, in parte perché gli scienziati non hanno ancora capito bene la sua causa. Ma un nuovo studio di Scripps Research di La Jolla / California sta facendo luce sulle guide molecolari che potrebbero contribuire alla progressione del MA.

Nello studio, pubblicato su Advanced Science il 21 maggio 2024, i ricercatori hanno usato una nuova tecnica per studiare cellule cerebrali singole colpite dalla malattia. Misurando l'attività elettrica dei singoli neuroni e i livelli di proteine all'interno di quei neuroni, gli scienziati hanno scoperto nuove molecole legate al MA. La speranza è riuscire a puntare queste molecole con farmaci, per trattare o rallentare la progressione della malattia neurodegenerativa in futuro.

Una stretta collaborazione tra i professori di Scripps Research, come il neurologo clinico Stuart Lipton MD PhD, l'esperto di proteine John Yates III PhD e il bioinformatico Nicholas Schork PhD (che è anche vicedirettore e professore distinto di medicina quantitativa al Translational Genomics Research Institute (TGen), ha permesso agli scienziati di sviluppare questa impresa biotecnologica.

“Sono rimasto sbalordito che potevamo prendere una cellula, misurare la sua attività elettrica nell'ordine di un milionesimo di ampere, e quindi guardare migliaia di proteine all'interno di quella stessa cellula per individuare quelle che guidano l'attività elettrica anormale legata al MA”, afferma l'autore senior Lipton, che è anche professore e condirettore del Neurodegeneration New Medicines Center di Scripps Research. "Ma la bellezza di questo metodo è che ci consente di scoprire nuovi obiettivi per il MA e le demenze correlate".

Precedenti ricerche di Lipton e altri hanno dimostrato che alcuni neuroni diventano iperattivi nel cervello delle persone con MA, inviando segnali elettrici più forti o più frequenti del solito. Le prove suggeriscono che questa sovrattività (nota anche come ipereccitabilità) contribuisce al declino cognitivo associato alla malattia.

Nel nuovo lavoro, Lipton e colleghi hanno sviluppato un sistema in cui gli scienziati possono effettuare misurazioni precise delle singole cellule cerebrali e quindi confrontare le persone colpite da MA con cellule sane. Il gruppo di Lipton, che ha precedentemente sviluppato metodi per misurare con precisione l'attività elettrica dei neuroni, ha collaborato con Yates per usare la spettrometria di massa e identificare i livelli di oltre 2.250 proteine in ciascuna cellula nervosa.

La spettrometria di massa può identificare e quantificare le proteine delle cellule, ma queste analisi sono state tradizionalmente fatte su raccolte di cellule sfuse. I recenti progressi consentono misurazioni a livello di singola cellule. Nel nuovo sistema, noto come single cell (sc)Patch-Clamp/Proteomics, un piccolo tubo di vetro riempito con una soluzione salina viene usato come elettrodo per misurare l'attività elettrica di una cellula e quindi estrarre la cellula per studi di proteine con la spettrometria di massa.

"Questo approccio ci consente di collegare le perturbazioni delle funzioni elettriche agli eventi molecolari nei neuroni, che è un'entusiasmante applicazione di proteomica", afferma Yates.

Gli scienziati hanno analizzato i modelli elettrici e i livelli di proteine di circa 150 neuroni e quindi hanno usato strumenti computazionali - applicati da Schork - per trovare associazioni tra ipereccitabilità e livelli anormali delle proteine. Hanno individuato quasi 50 proteine che erano presenti a livelli più alti o più bassi nelle cellule ipereccitabili di MA rispetto alle cellule sane.

"Alcune di queste proteine erano già note per essere associate al MA, ma molte no", afferma Lipton.

Le proteine erano coinvolte in molte diverse funzioni di neuroni, incluso il controllo degli elettroni nei radicali liberi (modulatori redox), il metabolismo energetico e l'infiammazione. Quindici delle proteine si sono distinte per livelli particolarmente alti o bassi nei neuroni di MA e il gruppo di Lipton sta pianificando studi ulteriori su alcune di queste molecole.

Prevede inoltre di espandere l'uso del scPatch-Clamp/Proteomics per selezionare farmaci, testando se potenziali farmaci di MA riparano sia l'ipereccitabilità dei neuroni che i livelli anormali delle proteine. Sta correlando questi risultati con esperimenti su gruppi più grandi di cellule cerebrali ottenute da pazienti con MA chiamati organoidi cerebrali o 'mini-cervelli'.

"Una cellula non sempre racconta l'intera storia", spiega Lipton. "Parte della disfunzione nel MA ha a che fare con il modo in cui le cellule interagiscono tra loro, quindi se possiamo ripetere questo tipo di studio in un organoide mini-cervello, potremmo fare ulteriori scoperte".

Lipton nota che questo metodo potrebbe essere applicato agli sforzi per scoprire farmaci per altre malattie legate al cervello.

"Questo nuovo approccio di medicina personalizzata - basato sull'espressione proteica e sull'attività elettrica di un singolo neurone di MA - potrebbe rivoluzionare la scoperta di farmaci non solo per questa malattia ma per altre malattie neurologiche, che è rimasta molto indietro rispetto ad altre aree terapeutiche", aggiunge.