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Ti garba? La ricerca ingegneristica approfondisce la comprensione dell’interazione glucosio-insulina

L’ingegnere biomedico Edward Phelps introduce nuovi strumenti per studiare le interazioni glucosio-insulina. Credito: Herbert Wertheim College of Engineering

Quando l’insulina viene secreta dalle cellule beta nel pancreas per controllare i livelli di glucosio nel flusso sanguigno, il GABA viene anche rilasciato dalle cellule per calmarle in modo che queste possano prepararsi al successivo impulso della secrezione di insulina. Avere un livello di insulina stabile è la chiave per il funzionamento di un pancreas sano. La compromissione della biosintesi del GABA a cellule beta o il rilascio di GABA dalla cellula potrebbero rendere il tessuto dell’isolotto vulnerabile a disfunzioni o infiammazioni associate al diabete di tipo 1 e di tipo 2.

Edward Phelps, Ph.D., assistente professore presso il Dipartimento di ingegneria biomedica della famiglia J. Crayton Pruitt presso l’Università della Florida UF, e Walker Hagan, Ph.D. uno studente del Phelps Lab e un gruppo di ricerca interdisciplinare hanno sviluppato un metodo per misurare dove e come l’acido gamma amino-butirrico (GABA) viene rilasciato dalle cellule beta del pancreas. Il dottor Phelps e i suoi colleghi hanno pubblicato un articolo sulle loro scoperte in Nature Metabolism, 15 novembre 2019, 11 (1).

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Il GABA appare nelle cellule beta del pancreas a quasi le stesse concentrazioni delle cellule nervose del cervello. Negli ultimi 30 anni, gli scienziati hanno pensato che il GABA fosse rilasciato dalle cellule beta allo stesso modo delle cellule nervose. Nel cervello, GABA è immagazzinato in piccole sacche (vescicole) nella parte finale della cellula nervosa. Quando un impulso nervoso stimola le vescicole nell’assone della cellula a trasmettere l’impulso alla successiva cellula nervosa, anche il GABA viene secreto dalle vescicole. GABA agisce per calmare il nervo in modo che sia pronto per l’impulso successivo. Tuttavia, gli scienziati non sono stati in grado di individuare un trasportatore vescicolare GABA nel 99% delle cellule beta, limitando così la spiegazione tradizionale per il rilascio di GABA dalle cellule beta nel pancreas.

Durante le sue prime ricerche in questo campo, il Dr. Phelps ha osservato che il GABA non è impacchettato in vescicole all’interno delle cellule beta del pancreas; piuttosto, viene distribuito uniformemente in tutta la cellula beta. Scoprendo che GABA non è stato secreto dalle vescicole nella cellula beta, il Dr. Phelps e i suoi colleghi hanno cercato un altro percorso per il rilascio di GABA dalla cellula beta.

“C’è un canale tra l’interno della cellula beta e lo spazio extracellulare, che pensavamo valesse la pena indagare”, ha detto Phelps. “Il canale anionico regolatorio del volume (VRAC) è noto per un altro scopo. Viene utilizzato per aiutare le cellule a mantenere la loro forma mantenendo in equilibrio la pressione osmotica all’interno e all’esterno della cellula. Quando tale equilibrio viene disturbato e la forma delle cellule cambia, organelli  noti come osmoliti vengono espulsi dalla cellula attraverso il canale VRAC per aiutare la cellula a ritrovare la sua forma. Quando abbiamo aperto artificialmente questo canale in cellule beta usando una soluzione salina, si è scoperto che questo canale trasporta anche GABA. “

I ricercatori hanno utilizzato una combinazione di cromatografia liquida ad alta prestazione (HPLC) e saggi di cellule biosensoriali GABA per misurare la dinamica del rilascio di GABA dalle isole umane. In una serie di esperimenti con soluzione salina ipotonica per aprire il canale VRAC, un biosensore è stato posto a valle delle isole pancreatiche contenenti cellule beta . Il biosensore è fluorurato quando è stato rilasciato GABA ed è stato visualizzato tramite microscopia confocale.

La ricerca ingegneristica approfondisce la comprensione dell'interazione glucosio-insulina
Una coppia di cellule beta umane (rosso) e ?-tubulina (blu). Credito: Herbert Wertheim College of Engineering

Dalla loro ricerca, il Dr. Phelps e i suoi colleghi sono stati in grado di dimostrare che, nell’isolotto pancreatico umano (cellula beta):

(1) GABA viene rilasciato indipendentemente dalla concentrazione di glucosio e negli impulsi che si verificano con una frequenza nello stesso intervallo di quelli della secrezione di insulina pulsatile in vivo;

(2) GABA è un fattore diffusibile che agisce sui recettori GABA la cui attivazione regola l’attività delle cellule beta (segnalazione autocrina); e

(3) La produzione e il rilascio di GABA possono regolare gli intervalli di secrezione di insulina.

Questi risultati rappresentano una modalità in precedenza non descritta di segnalazione autocrina nell’isolotto che può estendersi anche a molti altri tipi di cellule e tessuti noti per utilizzare la segnalazione GABA. “Mentre altri ricercatori si basano su ciò che abbiamo fatto e mostrano risultati riproducibili, apriremo aree completamente nuove di ricerca biomedica che gli scienziati possono studiare, compresi possibili nuovi trattamenti per il diabete e la potenziale difesa contro l’attività autoimmune”, ha concluso Phelps.

“La pubblicazione di questi risultati in una delle riviste più prestigiose del settore, Nature Metabolism , è un risultato importante che illustra la rilevanza e il rispetto dei pari per la ricerca condotta dal Dr. Phelps e dai suoi colleghi. Attraverso collaborazioni interdisciplinari come questo, la facoltà di ingegneria biomedica dell’Università della Florida sta spingendo i confini dei progressi scientifici e tecnologici alla base delle innovazioni mediche che ci riguardano tutti “, ha commentato Christine Schmidt, Ph.D., professore, presidente della Fondazione famiglia J. Crayton Pruitt e presidente di dipartimento di ingegneria biomedica.

Una interessante ricerca, di questa come di altre importanti evoluzioni dei nostri ricercatori impegnati h24 nel trovare una cura per il diabete, avremo modo di sentirne parlare ampiamente sabato 30 nvembre  2019 a DRItti a Voi con il professor Lorenzo Piemonti presso l’Ospedale San Raffaele di Milano.

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