Diabete: I ricercatori progettano cellule produttrici di insulina attivate dalla luce

Le cellule beta pancreatiche “accese” dalla luce sono progettate per migliorare la produzione di insulina in risposta ai livelli di glucosio.

MEDFORD / SOMERVILLE, Massachussets (1 ° novembre 2019) – I ricercatori della Tufts University hanno trapiantato cellule beta pancreatiche ingegnerizzate in topi diabetici, quindi hanno indotto le cellule a produrre da due a tre volte il livello tipico di insulina esponendole alla luce. Le cellule commutabili alla luce sono progettate per compensare la minore produzione di insulina o la ridotta risposta all’insulina riscontrata negli individui diabetici. Lo studio pubblicato su ACS Synthetic Biology mostra che i livelli di glucosio possono essere controllati in un modello murino di diabete senza intervento farmacologico.

L’insulina è un ormone che svolge un ruolo centrale nel controllo preciso dei livelli di glucosio circolante, il carburante essenziale utilizzato dalle cellule. Il diabete colpisce oltre 30 milioni di americani secondo i Centers for Disease Control and Prevention (CDC). Nel diabete di tipo II – la forma più comune della malattia – le cellule del corpo diventano inefficienti nel rispondere all’insulina e, di conseguenza, il glucosio in circolazione può diventare pericolosamente alto (iperglicemia) mentre il pancreas non può produrre abbastanza insulina per compensare. Nel diabete di tipo I, le cellule beta, che sono le uniche cellule del corpo che producono insulina, vengono distrutte dal sistema immunitario con conseguente completa mancanza dell’ormone.

I trattamenti attuali includono la somministrazione di farmaci che migliorano la produzione di insulina da parte delle cellule beta del pancreas o l’iniezione diretta di insulina per integrare la fornitura prodotta naturalmente. In entrambi i casi, la regolazione della glicemia diventa un processo manuale, con l’intervento di farmaci o insulina condotto dopo letture periodiche dei livelli di glucosio, portando spesso a picchi e valli che possono avere effetti dannosi a lungo termine.

I ricercatori hanno cercato di sviluppare un nuovo modo per amplificare la produzione di insulina pur mantenendo l’importante legame in tempo reale tra il rilascio di insulina e la concentrazione di glucosio nel sangue. Ci sono riusciti sfruttando l'”optogenetica”, un approccio basato sulle proteine ??che cambiano la loro attività su richiesta con la luce. Le cellule beta del pancreas sono state progettate con un gene che codifica per un enzima fotoattivabile dell’adenilato ciclasi (PAC). Il PAC produce la molecola di adenosina monofosfato ciclico (cAMP) quando esposto alla luce blu, che a sua volta aumenta la produzione di insulina stimolata dal glucosio nella cellula beta. La produzione di insulina può aumentare da due a tre volte, ma solo quando la quantità di glucosio nel sangue è elevata. A bassi livelli di glucosio, la produzione di insulina rimane bassa.

I ricercatori hanno scoperto che il trapianto di cellule beta pancreatiche ingegnerizzate sotto la pelle di topi diabetici ha portato a una migliore tolleranza e regolazione del glucosio, riduzione dell’iperglicemia e livelli più elevati di insulina plasmatica quando sottoposti all’illuminazione con luce blu.

“È un’analogia all’indietro, ma in realtà stiamo usando la luce per accendere e spegnere un interruttore biologico”, ha dichiarato Emmanuel Tzanakakis, professore di ingegneria chimica e biologica presso la School of Engineering dell’Università di Tufts e corrispondente autore dello studio. “In questo modo, possiamo aiutare in un contesto diabetico a controllare meglio e mantenere livelli adeguati di glucosio senza intervento farmacologico. Le cellule svolgono naturalmente il lavoro di produzione di insulina e i circuiti regolatori al loro interno funzionano allo stesso modo; aumentiamo semplicemente la quantità di cAMP temporaneamente nelle cellule beta per indurle a produrre più insulina solo quando è necessario.”

La luce blu fa semplicemente passare l’interruttore dalla modalità normale a quella boost. Tali approcci optogenetici che utilizzano proteine ??attivabili alla luce per modulare la funzione delle cellule vengono esplorati in molti sistemi biologici e hanno alimentato gli sforzi verso lo sviluppo di un nuovo genere di trattamenti.

“Ci sono molti vantaggi nell’uso della luce per controllare il trattamento”, ha affermato Fan Zhang, specializzando nel laboratorio di Tzanakakis a Tufts e primo autore dello studio. “Ovviamente, la risposta è immediata; e nonostante l’aumento della secrezione di insulina, la quantità di ossigeno consumata dalle cellule non cambia in modo significativo come dimostra il nostro studio. La carenza di ossigeno è un problema comune negli studi che coinvolgono cellule pancreatiche trapiantate.”