Biologia sintetica: come funziona la cura del diabete con la caffeina?

Il diabete è un crescente problema di salute pubblica che colpisce centinaia di milioni di persone in tutto il mondo. L’epidemia è principalmente dovuta all’aumento dei tassi di diabete di tipo 2; negli Stati Uniti sono stati diagnosticati circa 23,1 milioni di casi di diabete – la maggior parte di essi è di tipo 2. Il costo annuale stimato di questo carico supera i 245 miliardi di dollari. Ma anche se i trattamenti sono progrediti significativamente negli ultimi anni e possono ridurre significativamente il rischio di complicazioni, il diabete è ancora la settima causa di morte negli Stati Uniti. Questo onere potrebbe essere ridotto se più individui raggiungessero gli obiettivi terapeutici raccomandati dai loro medici. Gli esperti suggeriscono che abbiamo bisogno di migliori “modelli di cura” per affrontare il problema. Allo stato attuale, i pazienti devono monitorare i livelli di glucosio nel sangue dopo ogni pasto e rispondere prontamente a qualsiasi aumento con il trattamento prescritto.

Un giorno, le persone con diabete di tipo 2 potrebbero essere in grado di regolare il loro zucchero nel sangue bevendo tè o caffè, grazie alla biologia sintetica. Scienziati dell’ETH di Zurigo in Svizzera hanno progettato e testato un circuito genetico sintetico che risponde alle concentrazioni di caffeina delle bevande. Raggiunge questo risultato rilasciando un composto di controllo del glucosio usato per trattare il diabete di tipo 2. I ricercatori hanno inserito il circuito in cellule e le hanno impiantate in topi diabetici. Hanno mostrato che il consumo di caffè ha abbassato la glicemia in linea con diverse dosi di caffeina. Una volta che la caffeina è entrata nel flusso sanguigno dei topi, ha attivato il circuito del gene sintetico, provocando il rilascio del composto per ridurre i livelli di glucosio. I ricercatori descrivono la biologia sintetica come una “fusione tra ingegneria e biologia” che, negli ultimi anni, ha consentito agli scienziati di ideare circuiti genici per uso biomedico.

I circuiti dei geni sintetici riprogrammano le cellule per utilizzare i macchinari esistenti in un modo particolare. Un esempio di questo è lo sviluppo di “interruttori molecolari” che possono controllare strettamente le cellule immunitarie, nel tentativo di rendere il trattamento del cancro più sicuro e più preciso. Gli scienziati affrontano una serie di sfide nella progettazione di circuiti genetici sintetici. Tra questi c’è la scelta del trigger giusto in modo che il circuito non venga attivato per errore e assicurando che la risposta sia limitata a ciò che è richiesto e non produca effetti collaterali. Nel documento, gli scienziati descrivono come hanno creato “recettori completamente sintetici che percepiscono la caffeina” a livelli equivalenti a quelli presenti in una tipica tazza di caffè. I recettori sono proteine che si trovano sulla superficie delle cellule e reagiscono solo quando incontrano una molecola specifica, come una chiave unica inserita in una serratura. Questo atto di legame innesca una reazione specifica all’interno della cellula.

Qui, l’innesco è la caffeina e la reazione è la produzione di “peptide sintetico simile al glucagone umano 1”, che è un composto usato nel trattamento del diabete di tipo 2. Gli autori dello studio definiscono il circuito genetico un “regolatore avanzato stimolato dalla caffeina (C-STAR)”. I ricercatori hanno testato la risposta delle cellule C-STAR a varie fonti e dosi di caffeina in laboratorio, comprese bevande presenti in commercio. Hanno anche impiantato le cellule in topi allevati per sviluppare il diabete di tipo 2. In entrambi i test cellulari e nei topi impiantati con cellule C-STAR, la presenza di caffeina ha innescato un cambiamento reversibile e dose-dipendente nell’espressione genica. All’inizio, il team ha appena testato l’effetto del trigger collegandolo a un “gene reporter” che codificava per una proteina che potevano testare. Quindi ha sostituito il gene reporter con un gene che codifica per il GLP-1 umano sintetico.

Una volta attivato, il circuito ha causato la produzione di cellule GLP-1. Topi trattati hanno mostrato un controllo della glicemia “sostanzialmente migliorato” rispetto ai controlli non trattati. Il team suggerisce che uno dei vantaggi dell’uso della caffeina come innesco è che non è tossica, è economica e presente solo in bevande specifiche. Il nuovo studio mostra che è possibile “perfezionare” i trattamenti basati su circuiti genetici sintetici per reagire alle bevande di tutti i giorni “come tè e caffè senza l’aggiunta di ulteriori sostanze chimiche. Inoltre, integrando la terapia con lo stile di vita, i ricercatori suggeriscono che l’approccio potrebbe essere un modo per convincere i pazienti a conformarsi più facilmente ai regimi di trattamento, quindi potrebbe essere un pilastro fondamentale su cui costruire la nuova generazione di medicina personalizzata. I ricercatori hanno riportato l’intero lavoro sulla rivista Nature.

  • a cura del Dr. Gianfrancesco Cormaci, PhD, specialista in Biochimica Clinica.

Pubblicazioni scientifiche

Bojar D et al. Nat Commun. 2018 Jun 19; 9(1):2318.

Reis CEG et al. Br J Nutr. 2018 May; 119(9):1029-38.

Di Girolamo FG et al. Nutrition. 2016 Sep; 32(9):928-36.

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- Laurea in Medicina e Chirurgia nel 1998 (MD Degree in 1998) - Specialista in Biochimica Clinica nel 2002 (Clinical Biochemistry specialty in 2002) - Dottorato in Neurobiologia nel 2006 (Neurobiology PhD in 2006) - Ha soggiornato negli Stati Uniti, Baltimora (MD) come ricercatore alle dipendenze del National Institute on Drug Abuse (NIDA/NIH) e poi alla Johns Hopkins University, dal 2004 al 2008. - Dal 2009 si occupa di Medicina personalizzata. - Detentore di un brevetto sulla preparazione di prodotti gluten-free a partire da regolare farina di frumento immunologicamente neutralizzata (owner of a patent concerning the production of bakery gluten-free products, starting from regular wheat flour). - Responsabile del reparto Ricerca e Sviluppo per la società CoFood s.r.l. (leader of the R&D for the partnership CoFood s.r.l.) - Autore di un libro riguardante la salute e l'alimentazione, con approfondimenti su come questa condizioni tutti i sistemi corporei. - Autore di articoli su informazione medica, salute e benessere sui siti web salutesicilia.com e medicomunicare.it