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Recensione di pubblicazione da progetto FFC

7 Aprile 2020

Una cura per tutti: piccole molecole sostitutive di CFTR non funzionante

F. Malvezzi

Grazie al Servizio FFC Colture Primarie è stato possibile studiare su cellule da pazienti FC l’azione di piccole molecole potenziali sostituti di CFTR per qualunque tipo di mutazione.

Il liquido superficiale delle vie aeree è importante per il mantenimento dei meccanismi di difesa che proteggono l’epitelio bronchiale dai possibili patogeni inalati e da altri agenti nocivi. Il suo volume e i suoi componenti chimici sono mantenuti a livelli fisiologici grazie a una serie di meccanismi innati, tra cui l’appropriata secrezione di ioni cloro e bicarbonato, principalmente attraverso la proteina transmembrana CFTR e all’assorbimento dello ione sodio realizzato dalla proteina transmembrana ENaC. In fibrosi cistica (FC) la mancanza di CFTR funzionante porta a un difetto di secrezione di cloruro e bicarbonato, entrambi ioni a carica elettrica negativa. Questo comporta il disturbo dell’omeostasi (equilibrio) degli scambi elettrolitici fra l’interno e l’esterno della cellula epiteliale, con conseguente alterazione del liquido superficiale delle vie aree che risulta più acido, denso e di composizione modificata. Tutto questo a sua volta contribuisce in modo determinante alla genesi dei sintomi caratteristici della fibrosi cistica.

Gli ionofori sono delle piccole molecole in grado di facilitare il trasporto di ioni attraverso la membrana cellulare e possono essere utilizzati come strumento sintetico per manipolare l’omeostasi degli scambi elettrolitici. Si tratta pertanto di un approccio che potrebbe tornare utile in fibrosi cistica, se si fosse in grado di sostituire all’azione della CFTR difettosa un opportuno ionoforo. Più precisamente, si tratta di trovare degli ionofori in grado di far passare molecole ioniche a carica elettrica negativa (anioni), quali sono cloro e bicarbonato, quindi degli anionofori. I farmaci attualmente approvati per il trattamento di base della fibrosi cistica dipendono fortemente dal tipo di mutazione della proteina CFTR: offrire un diverso approccio per il trasporto ionico di CFTR attraverso gli anionofori potrebbe costituire una strada correttiva indipendente dalla mutazione di CFTR che causa la malattia. Segnaliamo che un approccio del genere è già stato esplorato con risultati interessanti attraverso la molecola amfotericina B (1), che fungerebbe da canale non selettivo per ioni sia positivi che negativi.

In un lavoro appena pubblicato (2), si mostrano i risultati ottenuti testando due anionofori artificiali, denominati MM3 e MM34, brevettati dagli autori del lavoro, nel ripristinare le caratteristiche del liquido superficiale delle vie aeree in fibrosi cistica. Per fare questo, i ricercatori della rete FFC hanno eseguito esperimenti su cellule FC e non FC dell’epitelio bronchiale umano, ottenute grazie al Servizio FFC Colture primarie. Il Servizio Colture Primarie, che vede come responsabile Emanuela Caci dell’Istituto G. Gaslini di Genova, è in funzione da oltre 7 anni e mette a disposizione dei ricercatori della Rete di Ricerca FFC una raccolta di colture cellulari primarie ottenute da epitelio bronchiale di pazienti FC e non FC, utilizzando i polmoni espiantati di persone sottoposte a trapianto polmonare. Tali cellule consentono di rendere più efficienti gli studi mirati a cure innovative. Le cellule bronchiali primarie esprimono, come nel soggetto vivente, le caratteristiche funzionali normali o rese anomale dalla malattia. I polmoni espiantati sono forniti dalla preziosa collaborazione dei Centri di Trapianto di Padova (Prof. F. Rea) e di Milano (Prof. L. Santambrogio).

In questo lavoro (2) i ricercatori hanno puntato a dimostrare che gli anionofori sintetici sono in grado di correggere la viscosità del muco, il pH e il trasporto dei fluidi superficiali bronchiali a livello paragonabile a quello degli epiteli non FC, facendo di questi anionofori dei validi punti di partenza per lo sviluppo di farmaci. Come prima cosa, i ricercatori hanno eseguito esperimenti in modelli di membrana fosfolipidica e in semplici modelli cellulari (FRT, Fisher Rat Thyroid), per valutare efficienza dosaggio e tossicità dei due anionofori sintetici MM3 e MM34. Hanno così concluso che si tratta di molecole non tossiche e che funzionano a concentrazioni molto basse (frazioni del micro-molare). Successivamente sono passati agli esperimenti sulle cellule bronchiali, provenienti da 2 pazienti FC omozigoti F508del e da 2 pazienti non FC. Dalle cellule dei bronchi è stato ottenuto epitelio bronchiale differenziato ciliato ed è stato possibile confrontare le caratteristiche del muco FC e non FC. Complessivamente il trattamento con anionofori mostrava di indurre in FC aumentata idratazione delle vie aeree, ripristino del pH fisiologico e della viscosità del muco, ottenendo proprietà dei liquidi simili a quelle degli epiteli non FC.

Le cellule utilizzate sono da pazienti omozigoti F508del perché, essendo questa la mutazione più frequente, è più facile ottenere campioni per la ricerca, specialmente di cellule bronchiali da organo espiantato. Tuttavia le ricerche svolte con l’approccio degli anionofori sono valide per qualsiasi mutazione e ulteriori approfondimenti per queste mutazioni sono auspicabili.

Ricerca svolta grazie al supporto del Servizio Colture Primarie finanziato da FFC con il contributo delle Delegazione FFC di Verona, di Imola-Romagna e di Roma.

In Cystic Fibrosis (CF), the resulting defective chloride and bicarbonate secretion and imbalance of the transepithelial homeostasis lead to abnormal airway surface liquid composition and properties. The reduced volume impairs ciliary beating with the consequent accumulation of sticky mucus. This situation prevents the normal mucociliary clearance, favouring the survival and proliferation of bacteria and contributing to the genesis of CF lung disease. In this paper (2), FFC researchers have explored the potential of small molecules capable of facilitating the transmembrane transport of chloride and bicarbonate in order to replace the defective transport activity elicited by CFTR in CF airway epithelia. Primary human bronchial epithelial cells obtained from CF and non-CF patients were differentiated into a mucociliated epithelia in order to assess the effects of two compounds on some key properties of the airway surface liquid. The treatment of these functional models with non-toxic doses of the synthetic anionophores improved the periciliary fluid composition, thus representing promising drug candidates for CF therapy. This research was possible thanks to the FFC facility Colture Primarie, that provided primary bronchial epithelial cells from F508del-CF and non-CF subjects.

1) Una molecola ad azione antifungina per il riposizionamento in fibrosi cistica, 28/03/2019
2) Gianotti A, Capurro V, Delpiano L, Mielczarek M, García-Valverde M, Carreira-Barral I, Ludovico A, Fiore M, Baroni D, Moran O, Quesada R, Caci E. Small Molecule Anion Carriers Correct Abnormal Airway Surface Liquid Properties in Cystic Fibrosis Airway Epithelia. Int J Mol Sci. 2020 Feb 21;21(4). pii: E1488. doi: 10.3390/ijms21041488.