Diabete: insulina prodotta tramite stimolazione luminosa | Biologia

Il diabete è una patologia dovuta alla carenza di insulina, molto diffuso nei paesi occidentali perché può svilupparsi in seguito ad una dieta errata. Nei casi più gravi l’unico modo per far sopravvivere i malati di diabete è la somministrazione di insulina, cosa ovviamente molto scomoda e che non elimina completamente il rischio di complicazioni. Ma sembra che il futuro sia luminoso – letteralmente – per i diabetici. 

Diabete e insulina: il meccanismo di regolazione del glucosio

L’insulina, che scarseggia nei malati di diabete, è un ormone che regola la quantità di glucosio nel sangue ed è prodotta dalle cellule beta delle isole di Langerhans all’interno del pancreas. Questa preziosa molecola si lega alla membrana di alcune cellule, favorendo l’ingresso del glucosio nel citosol che poi lo dovranno convertire in energia o in altre sostanze. Inoltre l’insulina funge da disincentivo per il processo che scompone il glicogeno (una sostanza formata da lunghe catene di glucosio) in glucosio semplice, in modo che venga utilizzato quello già presente nel sangue.

Alcuni meccanismi autoimmuni possono causare il diabete, ovvero l’incapacità di regolare la quantità di glucosio nel sangue tramite l’insulina perché le cellule del pancreas vengono distrutte. Questo sono spesso i pazienti più gravi e hanno necessità di introdurre la molecola in modo artificiale. Molto più diffuse e meno gravi sono quelle forme dovuto ad una alimentazione scorretta: se la dieta è ricca di zuccheri, l’organismo produce grandi quantità di insulina e le cellule tendono a diventare via via sempre più resistenti al suo effetto. Nei casi più gravi il diabete è pericoloso perché il glucosio nel sangue deve mantenersi sotto una certa soglia  e quindi va controllato artificialmente con dosi di insulina. Nei casi meno gravi invece il rischio è legato soprattutto all’insorgenza di malattie cardiovascolari.

L’insulina svolge quindi un ruolo centrale nel controllo preciso dei livelli di glucosio circolante, il carburante essenziale utilizzato dalle cellule. Il diabete colpisce oltre 30 milioni di cittadini americani secondo i Centers for Disease Control and Prevention (CDC). Nel diabete di tipo II – la forma più comune della malattia – le cellule del corpo diventano inefficienti nel rispondere all’insulina e, di conseguenza, il glucosio in circolazione può diventare pericolosamente alto (iperglicemia) mentre il pancreas non può produrre abbastanza insulina per compensare. Nel diabete di tipo I, le cellule beta, che sono le uniche cellule del corpo che producono insulina, vengono distrutte dal sistema immunitario con conseguente mancanza totale dell’ormone. I trattamenti attuali includono la somministrazione di farmaci che migliorano la produzione di insulina da parte delle cellule beta del pancreas o l’iniezione diretta di insulina per integrare la fornitura prodotta naturalmente. In entrambi i casi, la regolazione della glicemia diventa un processo manuale, con l’intervento di farmaci o insulina dopo letture periodiche dei livelli di glucosio, portando spesso ad aumenti o diminuzioni dei livelli di glucosio nel sangue che possono avere effetti dannosi a lungo termine. La speranza di migliorare la condizione dei malati viene dalla luce.

Confronto tra diversi tipi di diabete

La stimolazione luminosa attiva le cellule produttrici di insulina

I ricercatori della Tufts University hanno trapiantato cellule beta pancreatiche modificate in topi diabetici, quindi hanno indotto le cellule a produrre da due a tre volte il livello tipico di insulina esponendole alla luce. Le cellule sensibili alla luce sono progettate per compensare la minore produzione di insulina o la ridotta risposta all’insulina riscontrata negli individui affetti da diabete. Lo studio pubblicato su ACS Synthetic Biology mostra che i livelli di glucosio possono essere controllati nei topi affetti da diabete senza intervento farmacologico.

I ricercatori hanno cercato di sviluppare un nuovo modo per amplificare la produzione di insulina pur mantenendo l’importante legame in tempo reale tra il rilascio di insulina e la concentrazione di glucosio nel sangue. Ci sono riusciti sfruttando l’ “optogenetica“, un approccio basato su particolari proteine ​​che cambiano la loro attività con la luce. Le cellule beta del pancreas sono state progettate con un gene che codifica per un enzima fotosensibile dell’adenilato ciclasi (PAC). Il PAC produce la molecola di adenosina monofosfato ciclico (cAMP) quando esposto alla luce blu, che a sua volta aumenta la produzione di insulina stimolata dal glucosio nella cellula beta. La produzione di insulina può aumentare da due a tre volte, ma solo quando la quantità di glucosio nel sangue è elevata. A bassi livelli di glucosio, la produzione di insulina rimane bassa. Ciò evita un inconveniente comune dei trattamenti per il diabete che può compensare eccessivamente l’esposizione all’insulina e lasciare al paziente un livello di zuccheri nel sangue dannoso o pericolosamente basso (ipoglicemia).

Modello atomico 3D dell’insulina

La rivoluzione dell’optogenetica

I ricercatori hanno anche scoperto che il trapianto di cellule beta pancreatiche ingegnerizzate sotto la pelle dei topi diabetici ha portato ad una migliore tolleranza e regolazione del glucosio, riduzione dell’iperglicemia e livelli più alti di insulina plasmatica quando sottoposti all’illuminazione con luce blu. Emmanuel Tzanakakis, professore di ingegneria chimica e biologica presso la School of Engineering dell’Università di Tufts e co-autore dello studio, spiega:

È un’analogia all’indietro, ma in realtà stiamo usando la luce per accendere e spegnere un interruttore biologico. In questo modo, possiamo aiutare in un contesto diabetico a controllare meglio e mantenere livelli adeguati di glucosio senza intervento farmacologico. Le cellule svolgono naturalmente il lavoro di produzione di insulina e i circuiti regolatori al loro interno funzionano allo stesso modo; aumentiamo semplicemente la quantità di cAMP temporaneamente nelle cellule beta per indurle a produrre più insulina solo quando è necessario.

La luce blu fa semplicemente passare l’interruttore dalla modalità normale a quella boost. Tali approcci optogenetici che utilizzano proteine ​​attivabili alla luce per modulare la funzione delle cellule vengono esplorati in molti sistemi biologici e hanno alimentato gli sforzi verso lo sviluppo di un nuovo genere di trattamenti.

Fan Zhang, studente laureato nel laboratorio di Tzanakakis a Tufts e primo autore dello studio commenta:

Ci sono molti vantaggi nell’uso della luce per controllare il trattamento. Ovviamente, la risposta è immediata; e nonostante l’aumento della secrezione di insulina, la quantità di ossigeno consumata dalle cellule non cambia in modo significativo, come dimostra il nostro studio. La carenza di ossigeno è un problema comune negli studi che coinvolgono cellule pancreatiche trapiantate.

Topo durante un esperimento di optogenetica

Il grande risultato di questo studio quindi non è solo l’aver ottenuto una procedura poco invasiva per poter somministrare l’insulina in difetto nei parenti affetti da diabete, ma soprattutto l’essere riusciti ad integrare un sistema di controllo della quantità di insulina prodotta, evitando i pericolosi sbalzi di zucchero nel sangue. Speriamo che in futuro questi risultati rendano possibile la somministrazione di insulina semplicemente puntando un laser blu sulla nostra mano. Dalla sezione scienze è tutto! Continuate a seguirci per tante altre novità!