La malattia polmonare in fibrosi cistica origina dalla predisposizione delle vie aeree per l’infezione batterica. Compromesso ne risulta il cosiddetto trasporto muco-ciliare, ossia la rimozione del muco bronchiale per mezzo del battito delle cilia vibratili dell’epitelio respiratorio, che dovrebbe prima intrappolare nel muco e poi spingere fuori dai polmoni i batteri, così come altre particelle estranee. Uno studio pilota recentemente pubblicato (1), mostra come una tecnica chiamata multi-DDM, ossia multiscale differential dynamic microscopy, possa essere usata per caratterizzare i battiti ciliari collettivi, in modo automatico e non soggettivo. Nello studio, la tecnica è stata usata per valutare l’efficacia dei modulatori della proteina CFTR in cellule epiteliali delle vie aeree umane, con mutazione F508del (omozigote e eterozigote).
Partiamo dall’inizio. Le cilia dell’epitelio delle vie aeree devono battere in modo coordinato al fine di espellere lo strato di muco che lo riveste in modo efficiente: in generale, battiti di cilia non adeguatamente coordinati o anomali sono segnale di qualche alterazione o disfunzione respiratoria. Gli approcci correnti per analizzare in modo sistematico i battiti di cilia collettivi sfortunatamente sono limitati, così come lo è la nostra comprensione delle proprietà fisiche necessarie per ottenere un trasporto di muco efficiente fuori dalle vie aeree – fenomeno indicato con la sigla MCC (Mucociliary Clearance). La multi-DDM è una nuova tecnica, che già si è rivelata in grado di effettuare un’analisi quantitativa del battito delle cilia e della sua frequenza. Essa infatti, consente di caratterizzare i moti collettivi delle cilia in cellule umane dell’epitelio delle vie aeree, in maniera completamente automatica. Nello studio appena pubblicato (1), gli autori valutano se questa possibilità di misurare il moto coordinato spaziale delle cilia possa essere utile nella diagnostica medica delle malattie respiratorie, in quanto i dati raccolti con multi-DDM possono quantificare in modo diretto la perdita della coordinazione dei battiti ciliari, nel tempo e nello spazio. Per dimostrare questa possibilità, i ricercatori hanno eseguito uno studio pilota su campioni cellulari provenienti dall’apparato respiratorio di pazienti con fibrosi cistica (FC), valutando anche se la tecnica possa predire la risposta ai modulatori della proteina mutata CFTR.
Sono stati inizialmente raccolti dati di multi-DDM da tre campioni diversi di cellule bronchiali FC, provenienti da tre pazienti diversi; i dati hanno fornito la frequenza dei battiti delle cilia, evidenziando una differenza se il muco era presente o meno. La frequenza dei fenomeni periodici viene misurata in Hertz (Hz): un fenomeno ha frequenza 1 Hertz se un suo periodo (tempo di ripetizione) dura 1 secondo. Gli autori del lavoro (1) hanno visto che la frequenza dei battiti ciliari risulta, grosso modo, tra i 2 e i 5 Hz in presenza di muco e tra gli 8 e i 10 Hz una volta rimosso il muco. Stabilito quindi che la tecnica è in grado di prevedere in modo consistente la presenza o l’assenza del muco, si è passati ad analizzare il comportamento del campione trattato con i modulatori di CFTR. Sono stati utilizzati alcuni modulatori ancora in sperimentazione e i modulatori commerciali VX-809 nonchè VX-809+VX-770 (la combinazione di lumacaftor + ivacaftor presente in Orkambi), applicandoli alle cellule epiteliali delle vie aeree di origine nasale provenienti dai tre individui FC. Si è osservato che, mentre gli esperimenti eseguiti sui campioni di controllo – ossia le cellule bronchiali FC – hanno mostrato una diminuzione della frequenza del battito delle cilia dopo 48 ore, indicando un accumulo di muco in questo intervallo, gli esperimenti eseguiti sulle cellule FC in presenza dei modulatori non hanno in generale mostrato una diminuzione altrettanto evidente della frequenza del battito ciliare sulle 48 ore. E infatti, se il farmaco ha effetto, quello che ci si aspetta è proprio che le cilia siano meno impedite nel loro movimento e capaci quindi di battere più liberamente, a frequenza maggiore.
Gli autori, nell’analizzare il comportamento delle cellule provenienti da diversi pazienti, hanno altresì notato un diverso comportamento tra paziente e paziente, indicando che i farmaci non hanno lo stesso effetto su tutti i pazienti. Questo è interessante nell’ottica di una fenotipizzazione quantitativa diretta – ossia, in termini più semplici, ai fini dell’applicazione della medicina personalizzata – attraverso la funzione delle cilia. Il saggio messo a punto (1) potrebbe rivelarsi utile per identificare quantitativamente i farmaci più efficaci nel recuperare il battito ciliare di ogni singolo soggetto affetto da FC, fornendo informazioni sulla risposta ai trattamenti e aprendosi ad applicazioni nel contesto più ampio di altre malattie respiratorie e per lo screening dell’efficacia dei nuovi farmaci.
1) M. Chioccioli, L. Feriani, J. Kotar, P. E. Bratcher& P. Cicuta. Phenotypingciliarydynamics and coordination in response to CFTR-modulators in CysticFibrosisrespiratoryepithelialcells. Nature Communications, 2019, 10, Article number: 1763
