La fibrosi cistica è la prima malattia genetica umana a beneficiare della generazione di diversi modelli animali. Ad oggi sono stati generati quattro modelli animali (topi, maiali, furetti e ratti), anche se il topo FC rimane il modello animale più usato per scopi sperimentali. Da più di 20 anni, i ricercatori si interrogano sul motivo per cui i topi con la mutazione nel gene Cftr non mostrano un fenotipo identico a quello osservato nei pazienti FC. Infatti, le vie aeree dei topi FC non sviluppano infezioni spontanee tipiche dei pazienti con FC e riescono a eliminare i batteri, anche quando somministrati artificialmente per fini sperimentali.
Cosa rende i topi diversi dall’uomo? Rispetto agli esseri umani, i topi hanno poche ghiandole sottomucose e tipi cellulari diversi nelle vie aeree, esprimono altri canali anionici e sono quindi strutturalmente e funzionalmente diversi, caratteristiche che correlano con l’assenza di infezioni e infiammazione. Diversamente dai topi, i maiali FC, generati più recentemente, sviluppano una patologia respiratoria più simile ai pazienti FC. Tutti questi modelli, inclusi anche quelli che non mimano perfettamente l’uomo, ci offrono una straordinaria opportunità di confronto con la possibilità di chiarire il legame tra la mutazione nel gene e lo sviluppo della patologia. E’ dal confronto tra topi, maiali e uomo che prende il via la scoperta di un nuovo meccanismo patogenetico descritto recentemente (1).
L’articolo parte da una scoperta di qualche anno fa da parte dello stesso gruppo (2), in cui si dimostrava che in assenza di CFTR funzionale il liquido delle vie aeree diventa acido per un difetto di secrezione di bicarbonato. Questo meccanismo contribuisce a diminuire le difese dell’ospite contro le infezioni, in quanto molti peptidi antimicrobici (antibiotici naturali prodotti dall’organismo) non funzionano in ambiente acido, oltre a modificare la viscosità del muco e a impedire il trasporto mucociliare. Infatti, il CFTR è un canale anionico, cioè fa passare attraverso la membrana apicale delle cellule epiteliali ioni (elettroliti) con carica elettrica negativa: non solo il cloro (Cl-), ma anche il bicarbonato (HCO3-). Questi anioni lavorano assieme alla secrezione di ioni idrogeno (H+) per regolare il pH del liquido di superficie epiteliale (ASL). Il difetto di secrezione di HCO3- rende basso il pH dell’ASL in FC e questa relativa acidità compromette le funzioni fisiologiche.
Gli autori di questa pubblicazione confrontano il pH del liquido periciliare negli esseri umani, maiali e topi e lo correlano con i meccanismi di difesa dell’ospite. Scoprono, per la prima volta, che diversamente dall’uomo e dal maiale, nei topi la mutazione nel CFTR non riduce il pH periciliare (cioè non ne riduce l’acidità). Questi risultati suggeriscono che in assenza di CFTR i suini e gli esseri umani hanno un meccanismo che acidifica il liquido delle vie aeree e che questo meccanismo è assente nei topi. L’acidificazione delle vie aeree altera i fattori associati alla difesa delle vie respiratorie e questo meccanismo rende l’uomo e i maiali FC incapaci di controllare l’infezione. Ciò non avviene nel topo FC.
In prima battuta gli autori ipotizzano che l’attivazione di canali del Cl- alternativi attivati dal calcio (Ca2+) possano compensare la perdita di CFTR e il difetto di secrezione di HCO3-, prevenendo l’acidificazione del liquido di superficie delle vie aeree (chiamato ASL = Airway Surface Liquid). Infatti questi canali alternativi sono stati descritti come abbondanti nei topi ma meno nell’uomo e nei maiali. L’indagine di uno di questi canali, il TMEM16A, nelle tre diverse specie e anche su stimolazione farmacologica, non sembra però giustificare la diversa acidificazione. Si apre così un’altra ipotesi che si focalizza su canali responsabili della secrezione di ioni idrogeno. Trovano che il responsabile dell’acidificazione è una pompa protonica chiamata ATP12A, presente negli epiteli umani e suini, ma non presente negli epiteli respiratori dei topi. Studi funzionali che ripristinano la funzione di ATP12A nelle vie aeree dei topi FC, riducono il pH (cioè aumentano l’acidità) e creano quindi anomalie nella difesa dell’ospite. Quindi, topi FC con una funzione ATP12A ripristinata hanno più batteri nel polmone e sviluppano infiammazione mimando la patologia umana FC.
Riassumendo, gli autori propongono che il canale CFTR medi la secrezione di bicarbonato (HCO3-) e ATP12A medi la secrezione di idrogeno (H+). Il bilancio tra questi due meccanismi influenza l’acidificazione dell’ASL e di conseguenza le difese dell’ospite in modo diverso nelle diverse specie. In aggiunta al fatto di aver identificato un nuovo meccanismo patogenetico rilevante per la FC, i risultati di questo articolo suggeriscono che ATP12A potrebbe essere un buon bersaglio terapeutico in quanto la sua inibizione potrebbe aumentare il pH nelle vie aeree e migliorare le difese dell’ospite. Quindi potrebbe avere un valore terapeutico in FC indipendentemente dal genotipo CFTR.
Questa scoperta apre però un altro dibattito relativo all’utilizzo di agonisti beta-adrenergici, spesso prescritti per il rilassamento della muscolatura ai pazienti FC (effetto broncodilatatore). Questi farmaci elevano i livelli di cAMP, una sostanza che stimola il canale CFTR, quando c’è e funziona, ma stimola anche ATP12A e quindi riduce il pH (acidificazione) nel liquido peribronchiale. Quindi, anche se l’utilizzo di agonisti beta-adrenergici può fornire benefici, potrebbe nello stesso tempo indebolire le difese dell’ospite per eccesso di acidificazione del liquido di superficie nei bronchi.
1. Shah VS, Meyerholz DK, Tang XX, Reznikov L, Abou Alaiwa M, Ernst SE, Karp PH, Wohlford-Lenane CL, Heilmann KP, Leidinger MR, Allen PD, Zabner J, McCray PB Jr, Ostedgaard LS, Stoltz DA, Randak CO, Welsh MJ. Airway acidification initiates host defense abnormalities in cystic fibrosis mice. Science. 2016 Jan 29;351(6272):503-7. doi: 10.1126/science.aad5589.
2. Pezzulo AA, Tang XX, Hoegger MJ, Alaiwa MH, Ramachandran S, Moninger TO, Karp PH, Wohlford-Lenane CL, Haagsman HP, van Eijk M, Bánfi B, Horswill AR, Stoltz DA, McCray PB Jr, Welsh MJ, Zabner J Reduced airway surface pH impairs bacterial killing in the porcine cystic fibrosis lung. Nature. 2012 Jul 4;487(7405):109-13.
