Microglia: Giovani Eroi contro Vecchi Guerrieri nella Lesione Midollare?

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi affascina da matti: il nostro sistema nervoso centrale e, in particolare, cosa succede quando subisce un trauma grave come una lesione del midollo spinale (SCI – Spinal Cord Injury). È un campo di ricerca tosto, perché, diciamocelo, trovare cure efficaci è ancora un’impresa titanica. Ma c’è un aspetto incredibilmente intrigante: i topolini neonati sembrano cavarsela molto meglio degli adulti dopo una lesione simile. Perché? Una delle piste più calde porta dritta a delle cellule speciali: le microglia.

Chi sono le Microglia e Perché Sono Importanti?

Immaginate le microglia come le sentinelle e i tuttofare del nostro cervello e midollo spinale. Sono cellule immunitarie residenti, sempre all’erta, pronte a intervenire in caso di danno o infezione. Dopo una SCI, si attivano immediatamente. Il problema è che negli adulti, questa attivazione può avere un doppio volto: da un lato aiutano a ripulire i detriti, ma dall’altro possono promuovere un’infiammazione cronica (diventando le cosiddette microglia M1 pro-infiammatorie) che finisce per ostacolare la guarigione e la rigenerazione.

Nei neonati, invece, sembra che la storia sia diversa. Studi precedenti hanno suggerito che le microglia dei piccoli siano più “pro-riparazione”, capaci di orchestrare una guarigione quasi senza cicatrici e persino di migliorare la situazione se trapiantate nel midollo spinale lesionato di un adulto! Forte, no? Ma il “come” e il “perché” di questa differenza restavano avvolti nel mistero. Cosa cambia a livello molecolare, nel loro “manuale di istruzioni” (il trascrittoma, cioè l’insieme dei geni attivi), tra una microglia giovane e una adulta di fronte allo stesso danno? È proprio qui che entra in gioco la ricerca di cui vi parlo oggi.

Spulciando nel “Codice” delle Microglia: Cosa Abbiamo Fatto

Per capirci qualcosa di più, noi ricercatori (metaforicamente parlando, basandoci sullo studio pubblicato) abbiamo indossato i panni dei detective genetici. Abbiamo preso dei dati pubblici, disponibili nella banca dati GEO (Gene Expression Omnibus), relativi all’espressione genica nelle microglia di topolini neonati (di 2 giorni!) e adulti (6-8 settimane) dopo una SCI. Nello specifico, abbiamo confrontato lo stato delle microglia 3 giorni dopo l’infortunio (un momento cruciale per la risposta infiammatoria e riparativa) con quello delle microglia “sane” (controllo).

Usando software bioinformatici potenti (come Seurat, DESeq2), abbiamo identificato i geni che cambiavano la loro attività (i cosiddetti Geni Differenzialmente Espressi o DEGs) in risposta alla lesione, sia nei piccoli che nei grandi. L’obiettivo era trovare le differenze chiave. Per farlo, abbiamo creato quattro “insiemi” di geni particolarmente interessanti:

• Gene set 1: Geni più attivi nei neonati ma meno attivi negli adulti.
• Gene set 2: Geni meno attivi nei neonati ma più attivi negli adulti.
• Gene set 3: Geni più attivi solo nei neonati (nessun cambiamento significativo negli adulti).
• Gene set 4: Geni meno attivi solo nei neonati (nessun cambiamento significativo negli adulti).

Questi insiemi rappresentavano le differenze più nette nel comportamento genetico delle microglia a seconda dell’età.

Cosa Ci Raccontano Questi Geni? Funzioni e Percorsi Biologici

Una volta isolati questi gruppi di geni, la domanda successiva è stata: “Ok, ma cosa fanno?”. Qui entrano in gioco le analisi di arricchimento funzionale (GO – Gene Ontology) e dei percorsi biologici (KEGG – Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes). È come prendere l’elenco dei geni e chiedere al computer: “In quali processi biologici sono coinvolti principalmente questi attori?”.

I risultati sono stati illuminanti!

• Nel Gene set 2 (geni “spenti” nei neonati ma “accesi” negli adulti), abbiamo trovato un forte coinvolgimento in processi legati al metabolismo del DNA, alla replicazione e al ciclo cellulare, inclusa la riparazione del DNA e il percorso di segnalazione di p53 (un famoso “guardiano del genoma”). Questo potrebbe suggerire che le microglia adulte, dopo l’insulto, si concentrino di più su processi legati al controllo del danno al DNA o a un ciclo cellulare forse meno orientato alla rigenerazione pura.
• Il Gene set 3 (geni “accesi” solo nei neonati) era ricchissimo di funzioni legate alla risposta immunitaria e all’infiammazione, ma in modo potenzialmente più “controllato”. Si parlava di attivazione cellulare, migrazione dei leucociti, produzione di citochine (come quelle delle famiglie IL-1 e TNF), ma anche di vie di segnalazione come PI3K-AKT e PPAR (note per i loro ruoli nella sopravvivenza cellulare, nel metabolismo e nella modulazione dell’infiammazione), adesione cellulare ed endocitosi. Sembra quasi che le microglia neonatali attivino una risposta immunitaria più mirata alla riparazione e alla comunicazione cellulare.
• Anche il Gene set 4 (geni “spenti” solo nei neonati) mostrava collegamenti con il metabolismo del DNA, la riparazione dei danni e il ciclo cellulare, ma anche con la morfogenesi cellulare e l’adesione. Forse “spegnere” certi geni aiuta le microglia neonatali a focalizzarsi meglio sui compiti riparativi?

Queste analisi ci hanno dipinto un quadro affascinante: le microglia neonatali e adulte, pur rispondendo allo stesso danno, sembrano attivare “programmi” genetici distinti, con quelle neonatali che potenziano vie legate alla modulazione immunitaria pro-riparativa e alla comunicazione cellulare, mentre quelle adulte potrebbero essere più imbrigliate in risposte legate al controllo del danno al DNA o a un’infiammazione meno risolutiva.

Identificare i “Direttori d’Orchestra”: Hub Genes e Reti Regolatorie

All’interno di questi gruppi di geni, ce ne sono alcuni più “importanti” di altri? Per scoprirlo, abbiamo costruito delle reti di interazione proteina-proteina (PPI). Immaginate una mappa sociale dove ogni gene è una persona e le linee tra loro rappresentano interazioni o collaborazioni. I geni con più connessioni, quelli più centrali nella rete, sono considerati “hub genes”, potenziali registi dei processi biologici.

Usando software specifici (Cytoscape e i suoi plugin), abbiamo identificato 61 hub genes chiave tra tutti e quattro i Gene sets. Questi geni sono diventati i nostri principali sospettati, i potenziali responsabili delle diverse capacità riparative delle microglia.

Ma non ci siamo fermati qui. L’espressione genica è finemente regolata da altri attori: i fattori di trascrizione (TF), che accendono o spengono i geni, e i microRNA (miRNA), piccole molecole che possono “silenziare” i geni dopo che sono stati trascritti. Abbiamo quindi costruito una rete ancora più complessa (TF-hub gene-miRNA) per vedere chi regola i nostri hub genes e come. Questo ci ha permesso di identificare specifici TF (come Myc, noto per regolare crescita e differenziazione cellulare) e miRNA (come miR-124-3p, già noto per promuovere la polarizzazione “buona” M2 delle microglia e il recupero funzionale) che potrebbero giocare ruoli cruciali.

Dalla Teoria alla Pratica: Validazione e Potenziali Farmaci

Tutta questa analisi bioinformatica è affascinante, ma andava confermata nel mondo reale. Abbiamo quindi selezionato 11 degli hub genes più promettenti (tra cui Chek1, RRM2, Lyve1, Mboat1, Clec4a3, Ccnd1, Cdk6, Zeb1, Igf1, Pparg, Cd163), scelti sulla base della letteratura e del loro potenziale ruolo terapeutico, e siamo andati a misurare la loro espressione direttamente nel midollo spinale di topolini neonati e adulti dopo SCI, usando una tecnica chiamata qRT-PCR.

I risultati? Hanno in gran parte confermato quanto visto nei dati digitali! Ad esempio, Chek1 e RRM2 erano effettivamente meno attivi nei neonati e più attivi negli adulti. Clec4a3 era più attivo nei neonati e meno negli adulti. Ccnd1 e Zeb1 erano meno attivi nei neonati e senza variazioni significative negli adulti, proprio come previsto. Particolarmente interessanti sono geni come Igf1 (fattore di crescita insulino-simile 1), noto per le sue proprietà neurotrofiche e per promuovere la polarizzazione microgliale verso fenotipi protettivi, che è risultato più espresso nei neonati. Anche Pparg, coinvolto nella via PPAR che modula l’infiammazione, e Cd163, spesso associato a microglia con funzioni più riparative, mostravano pattern coerenti. Questi risultati rafforzano l’idea che le differenze nel trascrittoma si traducono in differenze biologiche reali.

Infine, abbiamo usato i nostri hub genes per interrogare database di farmaci (Drug Signatures database tramite Enrichr) e vedere se esistessero composti già noti capaci di influenzare questi geni. Sono emersi nomi interessanti come resveratrolo (un polifenolo naturale con effetti antiossidanti e anti-infiammatori), genisteina (un fitoestrogeno dalla soia con proprietà simili) e troglitazone (un farmaco che agisce sulla via PPAR). Questi potrebbero rappresentare punti di partenza per sviluppare nuove strategie terapeutiche mirate a “ringiovanire” la risposta microgliale negli adulti.

Cosa Portiamo a Casa?

Questa ricerca, pur con i suoi limiti (come il focus su un solo momento temporale e la necessità di studi su campioni più ampi), ci offre uno sguardo prezioso sulle differenze molecolari che potrebbero spiegare perché i cuccioli di topo recuperano meglio degli adulti da una lesione midollare. Abbiamo identificato specifici geni e percorsi biologici che si comportano diversamente nelle microglia a seconda dell’età, in particolare quelli legati alla risposta immunitaria, alla riparazione del DNA, al ciclo cellulare e a vie di segnalazione chiave come p53, PI3K-AKT e PPAR.

Gli 11 geni validati (Chek1, RRM2, Lyve1, Mboat1, Clec4a3, Ccnd1, Cdk6, Zeb1, Igf1, Pparg, Cd163) rappresentano bersagli promettenti per future ricerche. Capire come manipolare l’attività di questi geni o delle vie che regolano potrebbe un giorno permetterci di “insegnare” alle microglia adulte a comportarsi più come quelle giovani, promuovendo una riparazione più efficace del midollo spinale lesionato. La strada è ancora lunga, ma ogni passo avanti nella comprensione di questi meccanismi cellulari ci avvicina a possibili soluzioni per una condizione così devastante. E questo, per me, è scienza davvero entusiasmante!

Fonte: Springer