Ricerche

Ricercatori della Charité-Universitätsmedizin Berlin e del Max Delbrück hanno dettagliato il meccanismo preciso attraverso cui la molecola di segnalazione infiammatoria IL-12 contribuisce all'Alzheimer.

L'interleuchina-12 aggiunta alla coltura cellulare porta a una riduzione significativa delle fibre nervose (rosa) e degli oligodendrociti e quindi a una perdita di mielina (bianco). Fonte: ©Ag Heppner, Charité

Le microglia, le cellule immunitarie del cervello, di solito sono dei guardiani attenti. Eliminano intrusi come microbi e detriti cellulari, comprese le placche tipiche del morbo di Alzheimer (MA). Tuttavia, mentre il nostro cervello invecchia, anche le microglia cambiano. Mentre alcune continuano a funzionare in modo efficace, altre perdono gradualmente il loro ruolo protettivo e iniziano a secernere piccole quantità di messaggeri infiammatori.

Uno di questi messaggeri è l'interleuchina-12 (IL-12). Attraverso analisi meticolose, dei team di ricerca guidati dal professor Frank Heppner, direttore del Dipartimento di Neuropatologia della Charité-Universitätsmedizin Berlin e il professor Nikolaus Rajewsky, direttore del Berlin Institute for Medical Systems Biology al Max Delbrück Center (MDC-BIMSB), insieme ad altri partner, hanno identificato il modo in cui l'IL-1 scatena e accelera la demenza di MA. Il loro studio, pubblicato su Nature Aging, potrebbe aprire la strada a nuove terapie combinate.

"Per decenni, la ricerca di MA si è concentrata quasi esclusivamente sui depositi di amiloide-beta e tau, mentre l'infiammazione è stata considerata un effetto collaterale", afferma Heppner. "Solo di recente abbiamo iniziato a riconoscere che i processi infiammatori possono essere un motore primario della progressione della malattia".

Nel 2012, il laboratorio di Heppner ha riferito su Nature Medicine che il blocco di IL-12 e IL-23 ha ridotto significativamente i cambiamenti cerebrali relativi al MA nei topi. "Ma non siamo riusciti a svelare il meccanismo sottostante con tecniche standard", spiega Heppner, ipotizzando che le analisi a singola cellula potrebbero fornire indizi più decisivi, quindi ha chiesto a Rajewsky di collaborare.

Cellule cerebrali appiccicose e aggrovigliate

Per tutta la vita, le cellule si riferiscono alle loro istruzioni genetiche per rispondere agli stimoli esterni. I ricercatori usano analisi a cellula singola per osservare questo processo, ricostruendo quali geni sono letti e tradotti in proteine ​​in migliaia di singole cellule contemporaneamente. Queste analisi generano enormi set di dati, che ora possono essere analizzati con l'aiuto dell'intelligenza artificiale e dell'apprendimento automatico.

Tuttavia, una grande sfida nell'uso della tecnologia di sequenziamento a singola cellula è isolare le singole cellule da un campione di tessuto senza danneggiarle o causare cambiamenti non intenzionali. "Nel cervello di topi invecchiati - in particolare quelli con placche di MA - le cellule sono così bloccate insieme e aggrovigliate che separarle in modo pulito è quasi impossibile", spiega Rajewsky.

Il suo team ha trascorso diversi anni a perfezionare una soluzione alternativa. Invece di isolare intere cellule, estraggono i nuclei cellulari dal tessuto cerebrale e analizzano l'RNA presente in ogni cellula. Facendo riferimenti incrociati con dati pubblici disponibili, come l'Allen Brain Atlas, possono garantire che il loro metodo fornisca un'istantanea rappresentativa di tutte le popolazioni cellulari.

Per il presente studio, hanno sequenziato l'RNA da oltre 80.000 nuclei cellulari e hanno sviluppato flussi di lavoro specializzati per elaborare i dati. Hanno anche ricostruito la comunicazione tra le cellule. "I nostri team si sono ripetutamente seduti insieme per cercare di interpretare questi dati altamente complessi", afferma Rajewsky. "Questa scrupolosa ottimizzazione precoce è stata cruciale; senza di essa, non saremmo stati in grado di rilevare queste connessioni".

Come IL-12 danneggia il cervello con MA

L'IL-12, finora noto principalmente per il suo ruolo nelle malattie autoimmuni come la malattia di Crohn e l'artrite reumatoide, sembra avere un ruolo fondamentale nella progressione del MA. Danneggia due tipi di cellule cerebrali chiave: oligodendrociti maturi, che normalmente producono mielina, lo strato isolante grasso attorno alle fibre nervose, essenziale per la trasmissione rapida del segnale, e gli interneuroni, che sono particolarmente importanti per la cognizione e la memoria.

Legandosi agli interneuroni, l'IL-12 li fa morire. Inizia un cerchio vizioso: man mano che più microglia producono IL-12, più cellule cerebrali subiscono danni. Nel frattempo, le microglia funzionali rimanenti sono sovraccaricate dal compito di eliminare i detriti cellulari aggiuntivi e non riescono a rimuovere le placche di MA. Per verificare questo meccanismo, i ricercatori lo hanno testato nei topi e nei tessuti umani.

Quando il team di Heppner ha bloccato l'IL-12 nelle colture cellulari e nei topi modello, potevano arginare i cambiamenti legati alla malattia. Le microfotografie elettroniche del tessuto cerebrale di topo prese al Max Planck Institute di Göttingen hanno mostrato anche che la struttura della mielina e la densità della fibra nervosa cambiavano a seconda che fosse presente o assente il percorso di segnalazione IL-12.

Le analisi con spettrometria di massa (lipidomica) all'Università di Zurigo hanno confermato la composizione alterata dello strato isolante ricco di grassi. Lo studio del tessuto autoptico dei pazienti di MA ha fornito un'ulteriore conferma dei risultati: più avanzata era la malattia, più IL-12 era presente nel tessuto. Anche le colture cellulari con oligodendrociti umani erano estremamente sensibili all'IL-12.

Potenziale terapia combinata

"Ora abbiamo un quadro altamente dettagliato di questo meccanismo, con tecnologie a cellula singola che fungono da catalizzatore cruciale. L'unica domanda rimanente è su quale tipo di cellula l'IL-12 impatta per primo: oligodendrociti, interneuroni o entrambi simultaneamente", afferma Heppner, che è anche leader del gruppo in neuroimmunologia al Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE).

Lo studio ha implicazioni immediate in quanto vi sono già farmaci sul mercato che bloccano l'IL-12. I ricercatori sperano che i medici si basino sui loro risultati e facciano partire studi clinici.

"Se questi farmaci si rivelassero efficaci, sarebbero una nuova freccia nella faretra. Il MA non ha solo una causa. Un asse della malattia è controllato anche dal sistema immunitario, almeno in alcuni pazienti. Il rallentamento della neurodegenerazione richiederà una terapia combinata", sottolinea Heppner. "Tale approccio potrebbe iniziare presto nel processo della malattia, poiché l'IL-12 può essere misurato nel sangue o nel liquido cerebrospinale".

Nel frattempo, i team della Charité e del Max Delbrück Center stanno esplorando una nuova ipotesi: la microplastica nel cervello potrebbe guidare le microglia a produrre IL-12?

"Le microglia possono avere difficoltà a elaborare la microplastica, innescando reazioni infiammatorie", suggerisce Rajewsky. "Ciò potrebbe rivelare un legame tra fattori ambientali e malattie molto diffuse".

Entrambe le squadre considerano avvincente e importante questa direzione di ricerca, per dimostrare l'ipotesi.