Ricerche

Una proteina associata al danno neuronale dei pazienti di Alzheimer fornisce una struttura migliore per la crescita di cellule del sistema nervoso centrale, in laboratorio.

La scoperta potrebbe avere implicazioni cliniche per la produzione di impianti neurali e offre nuove prospettive sul complesso legame tra l'apolipoproteina apoE4 e l'Alzheimer. I risultati sono pubblicati sulla rivista Biomaterials.

Una struttura più affidabile per colture di cellule neuronali. Le cellule del sistema nervoso centrale del topo coltivate nella proteina apoE4 (destra) crescono meglio, con più assoni e dendriti, rispetto alle cellule coltivate in laminina (sinistra). Per ironia, l'apoE4 è associato ai deficit neurali dell'Alzheimer. (Credit: Palmore lab/Brown University)

Una proteina associata al danno ai neuroni nelle persone con Alzheimer è sorprendentemente utile per promuovere la crescita dei neuroni in laboratorio, secondo un nuovo studio condotto da ricercatori di ingegneria della Brown University. La scoperta, in corso di stampa sulla rivista Biomaterials, suggerisce un metodo migliore di accrescere neuroni al di fuori del corpo, che potrebbero in seguito essere impiantati per il trattamento di persone affette da malattie neurodegenerative.

La ricerca ha confrontato gli effetti di due proteine che possono essere usate come struttura artificiale per neuroni (cellule nervose) in crescita dal sistema nervoso centrale. Lo studio ha trovato che i neuroni del sistema nervoso centrale di ratto coltivati nell'apolipoproteina E-4 (apoE4) crescono meglio dei neuroni coltivati in laminina, considerata in precedenza lo standard ottimale per la crescita di neuroni dei mammiferi in laboratorio.

"La maggior parte degli scienziati ritenevano che la laminina fosse la migliore proteina per coltivare il SNC (sistema nervoso centrale)", dice Kwang-Min Kim, studente laureato in ingegneria biomedica alla Brown University e autore principale dello studio, "ma abbiamo dimostrato che l'apoE4 ha prestazioni sostanzialmente migliori per i neuroni del SNC dei mammiferi". Kim ha eseguito le ricerche sotto la direzione di Tayhas Palmore, professore di ingegneria e scienza medica e consulente Ph.D. di Kim. Era coinvolta nel progetto anche Janice Vicenty, studentessa dell'Università di Puerto Rico, che lavorava nel laboratorio di Palmore come borsista di ricerca estiva nell'ambito della Leadership Alliance.

I risultati sono sorprendenti in parte a causa dell'associazione dell'apoE4 con l'Alzheimer. Le apolipoproteine sono responsabili della distribuzione e del deposito di colesterolo e di altri lipidi nel cervello, ed esistono in tre varietà: apoE2, apoE3 e apoE4. Le persone con il gene che produce apoE4 hanno un rischio più alto di formazione di placche amiloidi e grovigli neurofibrillari, le caratteristiche dell'Alzheimer. Ma non si sa esattamente come la proteina stessa contribuisca all'Alzheimer. Questo studio suggerisce che all'esterno del corpo, dove la proteina può essere separata dal colesterolo che trasporta normalmente, l'apoE4 è realmente utile per promuovere la crescita neuronale.

Far crescere nuovi neuroni

Nel corpo i neuroni crescono nella cosiddetta matrice extracellulare (ECM), una struttura ricca di proteine che fornisce alle cellule i nutrienti e la struttura molecolare in cui crescere. Per allevare neuroni in laboratorio, gli scienziati cercano di imitare l'ECM del corpo. La laminina è una proteina comune nell'ECM del corpo, e gli studi hanno dimostrato che la laminina aiuta la crescita dei neuroni del sistema nervoso periferico (cellule nervose che crescono fuori dal cervello e dal midollo spinale).

Si presumeva generalmente, dice Kim, che, poiché andava bene per la crescita di cellule nervose periferiche, la laminina avrebbe funzionato anche per la crescita di cellule nervose centrali. Ciò si è rivelato sbagliato. Kim ha avuto l'ispirazione di testare gli effetti dell'apoE4 da un precedente studio che ha scoperto che una miscela di apoE4 e laminina promuove la crescita delle cellule del SNC meglio della laminina da sola. "Il lavoro precedente non aveva testato gli effetti dell'apoE4 da solo", dice Kim. "Così abbiamo iniziato a lavorare ad un confronto fianco-a-fianco dell'apoE4 con la laminina".

Kim e i suoi colleghi hanno coltivato cellule ippocampali di ratto (un modello dei neuroni del sistema nervoso centrale di mammifero) con quattro diversi trattamenti: laminina, misto laminina e apoE4, apoE4 da solo, e vetro nudo. Essi hanno scoperto che le cellule coltivate nell'apoE4 da solo sono cresciute sostanzialmente meglio di qualsiasi altro trattamento. Le cellule in apoE4 avevano più probabilità di aderire alla struttura proteica, necessario per la corretta crescita. Mostrano anche una crescita più robusta degli assoni e dei dendriti, le appendici filiformi che permettono ai neuroni di inviare e ricevere segnali nervosi.

La laminina non sembra avere molti benefici per coltivare cellule del SNC, secondo lo studio. Le cellule in coltura solo sulla laminina non sono cresciute in alcun modo meglio delle cellule coltivate su vetro nudo. Questa è stata un'altra grande sorpresa, dice Kim, perché la laminina è usata così tanto in tutti i tipi di colture di neuroni.

La seconda parte della ricerca ha analizzato i percorsi chimici attraverso i quali le proteine possono migliorare la crescita dei neuroni. Il lavoro precedente aveva trovato due recettori dei neuroni, gli ingressi attraverso i quali i neuroni interagiscono con il mondo esterno, e che hanno un ruolo nel modo in cui le proteine esterne attivano la crescita delle cellule. Tuttavia, quando Kim ha bloccato questi due recettori, noti come integrina e HSPG, ha scoperto che l'apoE4 aumentava ancora di più la crescita dei neuroni. Questo risultato suggerisce che i neuroni utilizzano un percorso ancora sconosciuto per interagire con l'apoE4. "Questa scoperta individua un nuovo obiettivo per i ricercatori che sono interessati a identificare i recettori importanti per stimolare la crescita neurale", dice Palmore.

Applicazione alle protesi neurali

A differenza di altre cellule del corpo, le cellule nervose tendono a non rigenerarsi dopo essere state danneggiate da malattie o traumi. Quindi, i ricercatori sperano di poter finalmente impiantare cellule coltivate in laboratorio nel corpo per il trattamento di traumi o malattie neurodegenerative come l'Alzheimer. "Si stanno cercando tutte queste proteine diverse per vedere se possiamo produrre un materiale - una struttura - che sia percepita dal neurone come il proprio ambiente naturale", ha detto Palmore. "La scoperta che l'apoE4 è una proteina migliore da aggiungere alle strutture neurali è un buon passo avanti perché finora si è usata in gran parte la laminina per i modelli del sistema nervoso centrale, cosa che risulta essere non ottimale".

La ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation (HRD-0548311) e dal National Institutes of Health.

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Fonte: Materiale della Brown University.

Riferimento: Kwang-Min Kim, Janice Vicenty Vazquez, G. Tayhas R. Palmore. The potential of apolipoprotein E4 to act as a substrate for primary cultures of hippocampal neurons. Biomaterials, 2013; DOI: 10.1016/j.biomaterials.2013.01.012.

Pubblicato in Science Daily il 29 Gennaio 2013 - Traduzione di Franco Pellizzari.

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