Per la prima volta, gli scienziati hanno scrutato in profondità all’interno di una cellula pancreatica e hanno osservato che confezionava insulina e rispondeva a un trattamento farmacologico, uno sguardo intimo ai meccanismi responsabili della prevenzione del diabete.
Un team di scienziati, guidato da ricercatori del Bridge Institute presso l’USC Michelson Center for Convergent Bioscience, ha sviluppato tecniche di imaging avanzate per ottenere l’aspetto più dettagliato e multidimensionale mai realizzato all’interno delle cellule beta pancreatiche , le fabbriche di insulina del corpo. Hanno assistito a una coreografia di reazioni, alcune previste e altre sorprendenti, mentre la cellula rispondeva ai cambiamenti.
Il loro lavoro segna un nuovo modo di comprendere una malattia che rivendica circa 85.000 vite americane all’anno. Quando applicate alle cellule , queste scoperte di imaging sono più o meno simili a testimoniare le galassie quando gli astronomi hanno acquisito telescopi avanzati o germi quando i biologi hanno ottenuto i microscopi. Altre tecniche, spesso basate su misurazioni indirette, raccontano parte della storia della cellula, ma le nuove osservazioni dirette e dettagliate forniscono un quadro più completo.
“Possiamo capire le cose molto meglio quando abbiamo sia dati biochimici che immagini in modo da poter vedere esattamente cosa sta succedendo all’interno della cellula beta pancreatica. Questo ci fornisce una visione completamente nuova e hai sempre bisogno di nuove prospettive per esaminare un problema da trovare nuove soluzioni “, ha affermato Kate White, autrice principale della ricerca, assistente professore dell’USC di biologia molecolare e computazionale e direttore del Pancreatic Beta Cell Consortium presso il Bridge Institute.
I contributori allo sviluppo dei nuovi metodi di imaging includono ricercatori di USC, Caltech, UCLA, University of California, San Francisco (UCSF), Lawrence Berkeley National Laboratory in California e iHuman Institute presso ShanghaiTech University in Cina. Questo gruppo sta lavorando con lo sforzo del consorzio per mappare la cellula pancreatica e tutte le sue funzioni e componenti, fino all’atomo, e rappresenta uno dei primi sforzi multidisciplinari su larga scala guidati dagli scienziati e ingegneri del Bridge Institute, molti dei quali sono ospitati presso l’USC Michelson Center for Convergent Bioscience.
I risultati appaiono in un paio di studi pubblicati oggi su Science Advances.
I ricercatori sottolineano che i risultati non sono una cura per il diabete: la scienza ha ancora molta strada da fare per raggiungere questo obiettivo. E la ricerca è stata condotta utilizzando un sistema di modelli di linee cellulari di roditori. Detto questo, gli studi forniscono nuovi modi per studiare la cellula per capire come funzionano i farmaci, guadagni che possono far avanzare nuovi trattamenti, possibilmente comprese le cellule staminali per produrre interi pancreas.
Per il Bridge Institute, che ha fatto del progetto sulle cellule beta pancreatiche il suo obiettivo di ricerca, gli studi sono una pietra miliare. Il progetto si avvale del crowdsourcing scientifico per raccogliere dati e idee da scienziati di tutto il mondo che stanno lavorando insieme per curare il diabete. La missione del Bridge Institute coinvolge una serie di esperti in biologia, chimica, biologia computazionale, ingegneria, medicina, matematica e imaging. Il consorzio coinvolge anche artisti e registi USC che possono trasmettere interpretazioni visive della ricerca.
I due studi adottano approcci complementari per immaginare la cellula beta pancreatica in modi nuovi, ciascuno utilizzando cellule di ratti.
Un documento utilizza la tomografia a raggi X morbida (SXT), che utilizza raggi X penetranti per ottenere immagini di cellule intere, simili alle scansioni TC o agli ultrasuoni. Sebbene la tecnologia sia comunemente utilizzata negli esami medici, nell’archeologia, nell’oceanografia e in altre scienze, è stata applicata solo di recente alla mappatura delle cellule. Gli autori principali e corrispondenti di quel documento sono, rispettivamente, White e Ray Stevens, il Provost Professor of Biological Sciences and Chemistry presso l’USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences e il co-direttore del Bridge Institute, nonché UCSF i professori Andrej Sali e Carolyn Larabell.
Il secondo articolo utilizza la tomografia crioelettronica (CET). È una tecnologia meglio equipaggiata per esaminare i componenti più piccoli all’interno della cellula come gli organelli e le proteine. Xianjun Zhang, uno studioso post-dottorato presso il Bridge Institute, è l’autore principale di quel documento; Stevens e Grant Jensen di Caltech sono autori corrispondenti.
Combinando i metodi, gli scienziati hanno avuto una visione ad alta risoluzione dell’intera cellula e delle sue parti dopo averla esposta al glucosio e a un farmaco per il diabete. La tecnologia SXT ha fornito una visione dell’intera cellula, della sua membrana esterna, del nucleo, delle vescicole di insulina, delle goccioline di lipidi e dei mitocondri. Le immagini CET si concentrano su piccole parti interne lungo il percorso di secrezione dell’insulina: microtubuli, mitocondri e reticolo endoplasmatico, che muovono oggetti intorno alla cellula come piccoli camion e aiutano a creare vescicole di insulina.
Successivamente, i ricercatori hanno stimolato la cellula con diverse sostanze, tra cui basse dosi di zucchero, alte dosi di zucchero e un comune farmaco per il diabete di tipo 2, l’exendin-4. Quindi, hanno visto cosa è successo dopo 5 minuti e 30 minuti. Hanno usato una soluzione salina di cloruro di potassio come controllo.
Come previsto, la cellula beta pancreatica ha risposto al glucosio producendo vescicole, che sono essenzialmente piccoli pacchetti di insulina. Nei primi 5 minuti apparvero solo poche vescicole, ciascuna densamente riempita con l’ormone. Dopo 30 minuti, la cellula ha prodotto di più in risposta al glucosio e li ha inviati alla membrana superficiale. La sequenza non è nuova, è una funzione comune della cella, ma non è mai stata osservata in dettaglio in una sequenza temporale prima.
Quando la cellula è stata esposta a exendin-4, ha subito un cambiamento radicale. Dopo che l’exendin-4 ha raggiunto la cellula beta pancreatica, l’intera cellula ha rapidamente accelerato la produzione di insulina.
“Ha sovralimentato la cella per renderla più efficiente e si poteva vedere come funzionava”, ha detto White. “Era quasi come guardare il traffico aggrovigliato sulle autostrade di Los Angeles improvvisamente sciogliersi e muoversi con rapida efficienza.”
Nello specifico, i mitocondri sono aumentati di volume e intorno ad esso sono apparsi molti pacchetti di vescicole, aiutati dal reticolo endoplasmatico, sebbene gli scienziati non siano sicuri del meccanismo. Quando i pacchetti si moltiplicarono rapidamente, si riempirono di insulina e iniziarono a spostarsi verso la superficie cellulare per essere rilasciati nel flusso sanguigno. Lungo il percorso accadde qualcosa di straordinario: i pacchetti diventavano sempre più numerosi e più grandi, accumulando insulina matura come palloncini che si alzavano e si gonfiavano. Fluttuavano verso l’alto fino alla membrana cellulare, dove si espandevano sempre più all’interno della cellula.
Le osservazioni mostrano esattamente come la cellula ha risposto a un farmaco per il diabete. La nuova tecnologia di imaging offre anche la possibilità di sviluppare farmaci ancora migliori per mirare con precisione alla malattia e ridurre gli effetti collaterali.
C’erano anche alcune sorprese. Con l’imaging CET, gli scienziati hanno visto che, durante la produzione di insulina, alcuni mitocondri, spesso chiamati la centrale elettrica della cellula, si comportano in modo diverso a seconda del loro contenuto di metallo o calcio, nonché del quartiere della cellula in cui vivono.
Le tecnologie di imaging utilizzate in questi due studi hanno applicazioni più ampie. Approcci simili possono essere utilizzati per studiare altri tipi di cellule che secernono ormoni, così come i cambiamenti che si verificano durante la differenziazione delle cellule staminali.
“La prossima generazione di comprensione della struttura della vita è quella di convergere e integrare i dati che abbiamo tra i livelli molecolari e cellulari”, ha detto Stevens. “Questi due documenti sono importanti passi avanti nella nostra ricerca per collegare tali dati a scale diverse per comprendere meglio la malattia e sviluppare terapie, in questo caso specifico per le cellule beta pancreatiche e il diabete”.
Più di 34 milioni di adulti statunitensi hanno il diabete e 1 su 5 non lo sa. La malattia è la settima causa di morte nel paese e la principale causa di insufficienza renale, amputazioni degli arti inferiori e cecità negli adulti. Il numero di adulti con diagnosi di diabete è più che raddoppiato negli ultimi 20 anni, secondo i Centri statunitensi per il controllo e la prevenzione delle malattie.