«We will rock you»: i ricercatori dell’ETH di Zurigo stanno sviluppando un interruttore genetico che, suonando determinate canzoni rock e pop, innesca il rilascio di insulina nelle cellule progettate
Il diabete è una condizione in cui il corpo produce troppo poca o nessuna insulina. I diabetici dipendono quindi dall’apporto esterno di questo ormone tramite iniezione o pompa. I ricercatori guidati da Martin Fussenegger del Dipartimento di scienza e ingegneria dei biosistemi dell’ETH di Zurigo e di Basilea vogliono rendere più facile la vita a queste persone e sono alla ricerca di soluzioni per produrre e somministrare l’insulina direttamente nel corpo.
Una di queste soluzioni che gli scienziati stanno perseguendo è racchiudere cellule progettate per la produzione di insulina in capsule che possono essere impiantate nel corpo. Per poter controllare dall’esterno quando e quanta insulina le cellule rilasciano nel sangue, negli ultimi anni i ricercatori hanno studiato e applicato diversi fattori scatenanti: luce, temperatura e campi elettrici.
Fussenegger e i suoi colleghi hanno ora sviluppato un altro, nuovo metodo di stimolazione: usano la musica per innescare le cellule a rilasciare insulina in pochi minuti. Funziona particolarmente bene con “We Will Rock You”, un successo globale della rock band britannica, Queen.
Dotare le cellule per ricevere le onde sonore
Per rendere le cellule produttrici di insulina ricettive alle onde sonore, i ricercatori hanno utilizzato una proteina del batterio E. coli. Tali proteine ??rispondono a stimoli meccanici e sono comuni negli animali e nei batteri. La proteina si trova nella membrana del batterio e regola l’afflusso di ioni calcio all’interno della cellula. I ricercatori hanno incorporato il progetto di questo canale ionico batterico nelle cellule umane produttrici di insulina. Ciò consente a queste cellule di creare da sole il canale ionico e di incorporarlo nella loro membrana.
Come gli scienziati hanno potuto dimostrare, il canale in queste cellule si apre in risposta al suono, consentendo agli ioni di calcio caricati positivamente di fluire nella cellula. Ciò porta ad un’inversione di carica nella membrana cellulare, che a sua volta fa sì che le minuscole vescicole piene di insulina all’interno della cellula si fondano con la membrana cellulare e rilasciano l’insulina all’esterno.
L’esposizione diretta delle cellule a determinate canzoni rock, invece, innesca il rilascio di insulina in pochi minuti (a destra).
CREDITO
Illustrazione: ETH Zurigo
I bassi potenti aumentano la secrezione di insulina
Nelle colture cellulari, i ricercatori hanno innanzitutto determinato quali frequenze e livelli di volume attivavano più fortemente i canali ionici. Hanno scoperto che livelli di volume intorno a 60 decibel (dB) e frequenze basse di 50 hertz erano i più efficaci nell’attivare i canali ionici. Per innescare il massimo rilascio di insulina, il suono o la musica dovevano continuare per un minimo di tre secondi e fare una pausa per un massimo di cinque secondi. Se gli intervalli erano troppo distanti, veniva rilasciata sostanzialmente meno insulina.
Infine, i ricercatori hanno esaminato quali generi musicali provocassero la risposta insulinica più forte ad un volume di 85 dB. La musica rock con bassi potenti come la canzone “We Will Rock You” dei Queen ha avuto il sopravvento, seguita dalla colonna sonora del film d’azione The Avengers . La risposta insulinica alla musica classica e alla musica per chitarra era piuttosto debole in confronto.
“We Will Rock You” ha attivato circa il 70% della risposta insulinica entro 5 minuti e tutta entro 15 minuti. Questo è paragonabile alla risposta insulinica naturale indotta dal glucosio di individui sani, dice Fussenegger.
La sorgente sonora deve trovarsi direttamente sopra l’impianto
Per testare il sistema nel suo complesso, i ricercatori hanno impiantato le cellule produttrici di insulina nei topi e hanno posizionato gli animali in modo che la loro pancia fosse direttamente sull’altoparlante. Questo era l’unico modo in cui i ricercatori potevano osservare una risposta insulinica. Se, tuttavia, gli animali potevano muoversi liberamente in una “discoteca per topi”, la musica non riusciva ad innescare il rilascio di insulina.
“Le nostre cellule progettate rilasciano insulina solo quando la sorgente sonora con il suono giusto viene riprodotta direttamente sulla pelle sopra l’impianto”, spiega Fussenegger. Il rilascio dell’ormone non è stato innescato da rumori ambientali come il rumore degli aerei, dei tosaerba, delle sirene dei vigili del fuoco o delle conversazioni.
Nessun trigger dovuto al rumore ambientale
Per quanto ne sa dai test su colture cellulari e topi, Fussenegger vede pochi rischi che le cellule impiantate negli esseri umani rilascino insulina costantemente e al minimo rumore.
Un altro tampone di sicurezza è che i depositi di insulina necessitano di quattro ore per ricostituirsi completamente dopo essere stati esauriti. Quindi, anche se le cellule fossero esposte al suono a intervalli orari, non sarebbero in grado di rilasciare ogni volta un carico completo di insulina e quindi causare un’ipoglicemia pericolosa per la vita. “Potrebbe, tuttavia, coprire le esigenze tipiche di un paziente diabetico che consuma tre pasti al giorno”, afferma Fussenegger. Spiega che l’insulina rimane a lungo nelle vescicole, anche se una persona non mangia per più di quattro ore. “Non si sta verificando alcun esaurimento o scarico involontario.”
Ma l’applicazione clinica è ancora molto lontana. I ricercatori hanno semplicemente fornito una prova di concetto, dimostrando che le reti genetiche possono essere controllate da stimoli meccanici come le onde sonore. Se questo principio verrà mai messo in pratica dipenderà dall’interesse di un’azienda farmaceutica a farlo. Dopotutto, potrebbe avere ampia applicazione: il sistema funziona non solo con l’insulina, ma con qualsiasi proteina che si presti all’uso terapeutico.
Riferimento
Zhao H, Xue S, Hussherr MD, Buchmann P, Palma Teixeira A, Fussenegger M: Sintonizzazione del rilascio di insulina cellulare mediante la musica per il controllo del diabete in tempo reale, Lancet Diabetes & Endocrinology, 23 agosto 2023, doi:pagina esterna10.1016/PIIS2213-8587(23)00153-5call_made