Creando “organoidi” cerebrali personalizzati in laboratorio, gli scienziati di Scripps Research hanno dimostrato come i microRNA influenzino lo sviluppo del cervello e dimostrano come un farmaco possa invertire i segni cellulari critici dell’autismo.
Utilizzando cellule staminali generate da pazienti con una forma rara e grave di disturbo dello spettro autistico e disabilità intellettiva, gli scienziati di Scripps Research hanno sviluppato “mini-cervelli” (o organoidi) personalizzati per studiare il disturbo in nuovi dettagli.
Gli organoidi coltivati in laboratorio hanno permesso al team di acquisire una nuova comprensione di come una mutazione genetica porta al disturbo dello spettro autistico.
Ha anche dimostrato che un farmaco sperimentale, chiamato nitrosinapsina, ha invertito alcune delle disfunzioni cerebrali associate all’autismo in questi modelli.
“Il nostro lavoro mostra come questa mutazione genetica che è stata associata all’autismo, interrompa l’equilibrio tipico delle cellule cerebrali durante lo sviluppo”, afferma Stuart A. Lipton, Step Family Foundation Endowed Professor e co-direttore del Neurodegeneration New Medicines Center presso Scripps Research, neurologo clinico e autore senior della nuova ricerca pubblicata online su Molecular Psychiatry il 30 settembre. 2024.
” Ma abbiamo anche stabilito che potrebbero esserci modi per affrontare questo squilibrio più avanti nella vita”.
Imparare dai pazienti
Il disturbo dello spettro autistico (ASD) è un disturbo neurologico e dello sviluppo che colpisce le interazioni sociali, gli interessi e i comportamenti ripetitivi e la comunicazione.
Le cause dell’ASD sono solo parzialmente note; Un certo numero di varianti genetiche sono state associate al disturbo, ma ognuna spiega solo una piccola percentuale di casi.
Per molti anni, gli studi sull’ASD hanno ruotato attorno alla modellazione del disturbo nei topi o allo studio di cellule cerebrali umane isolate. Nessuno dei due è un imitatore perfetto per la complessità di un cervello umano interconnesso.
Lipton e i suoi colleghi si sono concentrati sulla sindrome da aploinsufficienza MEF2C (MHS), una forma rara e grave di ASD e disabilità intellettiva causata da una variazione genetica nel gene MEF2C.
Hanno usato cellule della pelle isolate da pazienti con MHS e hanno usato moderne tecniche di biologia delle cellule staminali per trasformare quelle cellule in cellule staminali umane, e poi le hanno fatte crescere in piccoli organoidi “mini-cervello” di dimensioni millimetriche in cui i ricercatori hanno potuto studiare come i vari tipi di cellule cerebrali interagiscono tra loro.
“Potremmo riprodurre aspetti essenziali del cervello dei pazienti per studiare la loro attività elettrica e altre proprietà”, afferma Lipton. “In realtà abbiamo portato i bambini in laboratorio per vedere i loro mini-cervelli e questo è stato piuttosto emozionante sia per i bambini che per le famiglie”.
Nel cervello umano sano e negli organoidi cerebrali, le cellule staminali neurali si sviluppano in cellule nervose (o neuroni), che inviano e ricevono messaggi in tutto il cervello, nonché in vari tipi di cellule gliali, che sono cellule di supporto che hanno recentemente dimostrato di essere importanti nella segnalazione e nella funzione immunitaria.
I cervelli sani contengono un equilibrio di neuroni eccitatori che promuovono la segnalazione elettrica e neuroni inibitori che bloccano questa segnalazione. L’autismo provoca uno squilibrio eccitatorio/inibitorio, che spesso si traduce in un’eccessiva eccitazione.
Negli organoidi sviluppati dalle cellule di bambini con MHS, le cellule staminali neurali si sono sviluppate più spesso in cellule gliali, causando un numero sproporzionato di cellule gliali rispetto ai neuroni, ha scoperto il gruppo di Lipton. In particolare, gli organoidi MHS avevano meno neuroni inibitori del solito. Ciò ha portato a un’eccessiva segnalazione elettrica nei mini-cervelli, proprio come molti veri cervelli umani con ASD.
Un ruolo per i microRNA
Quando il gruppo di Lipton ha sondato esattamente come le mutazioni MEF2C potrebbero portare a questo squilibrio tra i tipi di cellule, hanno trovato quasi 200 geni che erano direttamente controllati dal gene MEF2C. T
re di questi geni si sono distinti: piuttosto che codificare per il DNA che ha portato al (m)RNA messaggero e quindi all’espressione proteica, hanno codificato geni per molecole di microRNA.
I microRNA (miRNA) sono piccole molecole di RNA che, invece di produrre proteine stesse, si legano al DNA per controllare l’espressione genica. Questo mese, due scienziati hanno vinto il Premio Nobel 2024 per la Fisiologia o la Medicina per il loro lavoro che descrive la scoperta delle molecole di miRNA e il modo in cui possono influenzare lo sviluppo e il comportamento cellulare.
“Nel nostro studio, alcuni miRNA specifici sembrano essere importanti per dire alle cellule cerebrali in via di sviluppo se devono diventare cellule gliali, neuroni eccitatori o neuroni inibitori”, afferma Lipton.
“Le mutazioni in MEFC2 alterano l’espressione di questi miRNA che, a loro volta, impediscono al cervello in via di sviluppo di produrre cellule nervose adeguate e connessioni o sinapsi corrette tra le cellule nervose”.
Le cellule cerebrali in via di sviluppo precoce di pazienti con MHS, ha scoperto il gruppo di Lipton, hanno livelli più bassi di tre miRNA specifici.
Quando i ricercatori hanno aggiunto copie extra di queste molecole di miRNA agli organoidi cerebrali derivati dal paziente, i mini-cervelli si sono sviluppati più normalmente, con un equilibrio standard di neuroni e cellule gliali.
Un potenziale trattamento
Poiché l’ASD non viene generalmente diagnosticato durante lo sviluppo del cervello fetale, i trattamenti che mirano ad alterare lo sviluppo iniziale, come la correzione di un gene mutato o l’aggiunta di molecole di miRNA per fermare lo squilibrio dei tipi di cellule, non sono attualmente fattibili.
Tuttavia, Lipton stava già sviluppando un altro farmaco che potrebbe aiutare a promuovere l’equilibrio tra neuroni eccitatori e inibitori, anche dopo lo sviluppo.
Il gruppo di Lipton ha recentemente testato un farmaco di questo tipo, che lui e colleghi hanno inventato e brevettato con il nome di NitroSynapsin (alias EM-036), per la sua capacità di ripristinare le connessioni cerebrali in “mini-cervelli” costituiti da cellule colpite dal morbo di Alzheimer.
Nel nuovo documento, hanno testato se il farmaco potrebbe anche aiutare a trattare la forma MHS di autismo.
Utilizzando gli organoidi cerebrali derivati da pazienti, Lipton e i suoi colleghi hanno dimostrato che negli organoidi cerebrali completamente sviluppati che presentavano uno squilibrio tra i tipi di cellule, la nitrosinapsina potrebbe correggere parzialmente lo squilibrio, prevenendo l’ipereccitabilità dei neuroni e ripristinando l’equilibrio eccitatorio/inibitorio nel mini-cervello.
Questo proteggeva anche le connessioni delle cellule nervose o le sinapsi.
Sono necessari ulteriori studi per dimostrare se il farmaco migliora i sintomi dei pazienti con MHS o influenza altri tipi di disturbo dello spettro autistico che non sono causati da mutazioni nel gene MEF2C.
Lipton dice che ipotizza che questo potrebbe essere il caso, dal momento che MEF2C è noto per influenzare molti altri geni associati all’autismo.
“Stiamo continuando a testare questo farmaco in modelli animali con l’obiettivo di farlo entrare nelle persone nel prossimo futuro”, afferma Lipton. “Questo è un passo entusiasmante in quella direzione”.
Immagine: Scripps Research