Il riferimento del titolo al libro di J. Verne, Viaggio al Centro della Terra, per commentare i risultati di un recentissimo articolo pubblicato su Nature Medicine (1) non è casuale. I ricercatori che lo firmano fanno capo a tre diverse istituzioni scientifiche: l’Università di California Los Angeles (UCLA), il Cedars-Sinai Medical Center di Los Angeles e il Laboratorio della Cystic Fibrosis Research Foundation di Lexington.
Con tecniche molto sofisticate, nei tre differenti centri di ricerca, sono state isolate cellule della mucosa delle vie aeree superiori da polmoni normali e polmoni derivanti da pazienti con fibrosi cistica (FC) sottoposti al trapianto polmonare. Da singole cellule separate dal resto della popolazione cellulare, gli autori hanno estratto e analizzato l’RNA messaggero mediante una tecnica che si chiama sequenziamento di RNA su singola cellula (scRNA seq). Il scRNA seq è una tecnica d’avanguardia che fornisce un quadro molto approfondito dei diversi tipi di cellule all’interno di un tessuto e può rivelare popolazioni anche molto rare o complesse.
Le cellule che popolano la mucosa bronchiale
Studiando gli RNA messaggeri presenti nelle singole cellule gli autori hanno evidenziato chiaramente cinque diverse popolazioni cellulari, peraltro già note e recentemente caratterizzate nella mucosa respiratoria del topo (2, 3).
Si tratta di cellule secretorie, cellule basali, cellule ciliate, ionociti (ne abbiamo parlato qui), cellule neuroendocrine e cellule chiamate FOXN4+. Questa classificazione è molto semplificata perché in realtà sono stati caratterizzati cinque diversi tipi di cellule secretorie, cinque di cellule basali e tre di cellule ciliate.
Dalle analisi dei ricercatori emerge che i diversi sottotipi di cellule secretorie contengono mRNA coinvolti nella produzione delle mucine che compongono il muco e di proteine a funzione antibatterica (lisozima, lattoferrina). Gli mRNA dei tre sottotipi di cellule ciliate sono implicati nella formazione delle ciglia, gli organelli che oscillando spingono le secrezioni mucose verso la laringe. I cinque sottotipi di cellule basali presentano mRNA coinvolti nella proliferazione cellulare. Ciò ha permesso di identificare tali cellule come staminali, cioè cellule che consentono il rinnovamento della superficie mucosa.
L’importanza dello studio nel campo della fibrosi cistica
Il lavoro degli scienziati è importante innanzitutto perché approfondisce le conoscenze sulle diverse cellule che compongono la mucosa delle vie aeree identificando gli mRNA specifici che caratterizzano le diverse sottopopolazioni cellulari.
Inoltre, fa emergere alcune nozioni rilevanti nel contesto della fibrosi cistica.
La prima è che, contrariamente a quanto ritenuto, nell’uomo il 90-95% della CFTR è espressa in cellule secretorie e basali. Gli ionociti, così chiamati per la loro elevata capacità di secernere cloro, sebbene esprimano alti livelli di CFTR rappresentano meno del 10% della popolazione cellulare totale.
Piace pensare che i biologi molecolari che si occupano di terapia genica dopo aver letto questo articolo abbiano pensato: finalmente si torna al lavoro! È indubbio infatti che uno dei fattori che hanno alimentato perplessità sull’impiego della terapia genica nella cura della fibrosi cistica è stato la convinzione che veicolare un gene normale codificante per CFTR nella cellula “giusta” potesse rappresentare un ostacolo insuperabile. Il lavoro di Nature Medicine sembrerebbe smentire questa convinzione: le cellule giuste si possono individuare, bisogna ora trovare il giusto vettore e la via di veicolazione più vantaggiosa.
Va sottolineato che la terapia genica costituisce potenzialmente l’arma più potente per “una cura per tutti”. Infatti, un gene normale sarebbe in grado di correggere tutti i difetti della CFTR mutata mentre gli attuali farmaci modulatori come Kaftrio e Kalydeco servono, rispettivamente, solo a migliorare la funzione di CFTR con mutazione F508del o mutazioni che alterano la conduttanza al cloro.
Le funzioni delle cellule della mucosa bronchiale
La seconda nozione che emerge da questi studi è che la prolungata espressione di CFTR mutata e con alterazioni di funzione induce, nelle cellule delle vie aeree, profonde modificazioni che vanno al di là di un alterato trasporto di cloro/bicarbonato e acqua. Nelle cellule isolate da polmoni di pazienti FC, infatti, si osservano alterazioni nei meccanismi di regolazione di particolari funzioni cellulari. Per esempio, nelle cellule FC secretorie c’è un’aumentata produzione di molecole proinfiammatorie, microbicide e responsabili della formazione delle ciglia. Una maggiore quantità di ciglia si osserva anche nelle cellule ciliate e basali quasi a indicare un tentativo di adattamento al ristagno di muco denso.
Le cellule FC secretorie, rispetto a quelle non FC, sembrano essere maggiormente caratterizzate da un’attivazione di processi tipici della risposta agli stress e presentano una ridotta espressione di geni implicati nella riparazione dei danni tessutali. Questo risultato, assieme all’osservazione che cellule basali FC hanno una ridotta espressione di geni coinvolti nella proliferazione cellulare, suggerisce che le cellule delle mucose FC hanno una ridotta capacità di riparare i danni e di venir rinnovate da cellule staminali basali.
Conclusioni
È presto per dire se il complesso di queste informazioni porterà allo sviluppo di nuove terapie. Esse comunque incoraggiano lo sviluppo di studi di terapia genica e indicano che, oltre ad avere difetti di secrezione di cloro/bicarbonato e acqua, le cellule FC possiedono marcati difetti nelle loro capacità di riparare danni e rinnovarsi. Favorire questi processi potrebbe incidere favorevolmente anche sull’effetto dei nuovi farmaci che agiscono sulla CFTR mutata.
1) Carraro, G. et al. (2021) Nature Medicine, Vol. 27: 806–814
2) Montoro, D.T. et al. (2018) Nature Vol. 560:319-324
3) Plasschaert, L.W. (2018) Nature Vol. 560:319-324
