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La ricerca che si colora di possibilità: come un colorante istologico passa da strumento di indagine a uno di cura

La colorazione istologica è una serie di processi tecnici che mediante coloranti istologici permettono di cellule e tessuti al microscopio per ragioni didattiche, professionali, diagnostiche e forensi. Passando dalla fine del XIX secolo, quando erano utilizzati per la colorazione istologica di cellule e batteri, l’avvento della biologia molecolare e delle tecniche definite immuno-isto-chimiche hanno facilitato notevolmente lo studio di organi e tessuti. Un campo dove è diffusissima è l’oncologia, nello specifico per la diagnosi medica dei tumori. I primi esperimenti di colorazione istologica sono stati effettuati utilizzando l’Ematossilina, una sostanza aromatica estratta da un piccolo albero dell’America Centrale. Colora di nero le strutture nucleari e una volta nota la sua natura policiclica, gli scienziati hanno sondato il suo possibile legame con le strutture macromolecolari. E sono state trovate interazioni con substrati noti e sconosciuti. Screening indipendenti hanno dimostrato che è un buon inibitore delle protein-chinasi recettoriali come HER-2, c-Kit, c-Met, c-Fms e FGFR1.

Queste proteine ​​sono spesso sovraespresse nei tumori umani come i linfomi, il cancro del polmone, della mammella e della tiroide. Inibisce la replicazione dell’Herpesvirus 8 e del virus della mononucleosi (EBV) con meccanismo sconosciuto. Inoltre, a causa dell’urgenza di trovare molecole antivirali, sotto la pressione dell’attuale pandemia, uno screening farmacologico ha scoperto che l’ematossilina può anche interferire con la replicazione del coronavirus SARS-CoV2. Oggi ha prevalso la prevalenza dei coloranti sintetici e tutte le analisi su biopsie, colorazione cellulare, studio degli organelli cellulari e quant’altro, accade con i coloranti sintetici. Ma cosa ha spinto la scienza a indagare di più sui coloranti (naturali e sintetici), scoprendo che la quasi totalità di essi ha delle azioni biologiche e molecolari? Genericamente, i coloranti con reazione basica vengono utilizzati per colorare substrati acidi come acidi nucleici e polisaccaridi, mentre quelli con reazione acida colorano strutture a base di proteine.

Proprio per questo gli scienziati si sono incuriositi, poiché gli acidi nucleici e tutti gli altri organelli cellulari sono strutture complesse con molecole accessorie. Il legame dei coloranti con proteine ​​o altre macromolecole può rivelare potenziali effetti farmacologici da sfruttare in ambito medico-clinico. Uno dei primi coloranti che ha svelato questi “effetti accessori” è stato il Blu di Metilene, che viene utilizzato come contrasto venoso negli esami endoscopici per rivelare la presenza di cellule nei fluidi, come metastasi nel tratto linfatico, o per colorare i polipi endometriali poiché colora le cellule precancerose. Esso è anche un antidoto per la metaemoglobinemia, una situazione in cui sostanze tossiche esterne o alcuni tipi di farmaci causano l’ossidazione dell’emoglobina, impedendo ai globuli rossi di trasportare ossigeno. Uno dei suoi meccanismi d’azione è proprio quello di aiutare la rigenerazione del glutatione nei globuli rossi ed evitarne la rottura.

Tuttavia, poiché ha effetti collaterali e può causare la cosiddetta “tossicità serotoninergica”, le indagini con screening molecolare hanno dimostrato che è un inibitore della monoamino ossidasi A (MAO-A), un enzima cerebrale che degrada alcuni mediatori chimici. Per questo sono in corso le indagini sulla possibilità di ottenere derivati ​​con maggiore specificità da utilizzare come potenziali farmaci antidepressivi. Un colorante analogo, il Blu Nilo A, è risultato essere anch’esso un inibitore competitivo di MAO-A, ma anche della protein-chinasi AMP ciclico-dipendente, un enzima onnipresente che media le azioni cellulari per molti ormoni. Date queste proprietà, potrebbe rappresentare un fattore strutturale per condizionare contemporaneamente le azioni biologiche di ormoni o neurotrasmettitori che utilizzano la via AMPc-PKA (es. sottotipi di recettori di dopamina, serotonina, noradrenalina, ecc.) e che utilizzano MAO-A per terminare le loro azioni.

Un colorante che ha fatto molta strada in laboratorio è stato l’acido aurina-tricarbossilico (ATA) che, oltre ad essere un colorante istologico, è stato scoperto essere un inibitore enzimatico multiplo. È stato utilizzato negli studi sulla morte cellulare (apoptosi) poiché blocca l’endonucleasi III, un enzima responsabile della frammentazione terminale del DNA. Blocca anche la DNA metil-transferasi 1 (DNMT-1), il che significa che è anche in grado di influenzare la differenziazione e la specializzazione cellulare. È stato inoltre scoperto che è un inibitore del recettore del fattore di crescita simile all’insulina (IGF1R) e della proteina fosfatasi PTP-1B che disattiva il recettore dell’insulina. Infine, interferisce con le fasi iniziali della sintesi proteica generale e con l’enzima APE-1 coinvolto nella riparazione del DNA; tutti motivi per cui la ricerca di base in oncologia, endocrinologia, neurologia, ecc. lo ha utilizzato per chiarire vari aspetti della trasduzione dei segnali cellulari.

Azione completamente diversa ha il colorante Gallocianina o Fast Violet, che è stato scoperto essere un inibitore della via cellulare Wnt-catenina-DKK1, essenziale per alcune fasi dell’embriogenesi. Negli adulti è attivata in modo anomalo in molti tumori. Il fatto che la gallocianina interferisca con l’interazione dei suoi componenti DKK1 e LRP-6, rappresenta la scoperta di una molecola che interferisce solo con alcune porzioni di questa via generale di trasduzione. Infatti, da almeno vent’anni sono note molecole o farmaci che influenzano la via Wnt-catenina beta. La maggior parte di essi influenza l’interazione tra il recettore Wnt e la beta-catenina a valle, impedendole di traslocare nel nucleo cellulare per condizionare il DNA. Alcuni di loro hanno superato anche gli studi clinici di fase I e II per carcinomi e sarcomi umani. Tuttavia, la Gallocianina ha effetti moderati su questa interazione proteica e i ricercatori hanno sviluppato alcuni suoi derivati ​con una migliore affinità per DKK-1.

Questo è un esempio di quanto spesso la molecola madre non possa subire un riutilizzo come farmaco. Non tutti i coloranti tissutali o cellulari, infatti, possono essere utilizzati tal quali per devolverli a possibili usi farmacologici. È il caso del colorante istologico Arancio Acridina, notoriamente tossico e cancerogeno. Ma dalla sua struttura centrale, i chimici hanno sviluppato derivati che hanno un’attività medicinale senza quella tossica originale. E così è stata prodotta l’amsacrina (AMSA), un farmaco antitumorale che non è attivo sui tumori solidi ma solo contro la leucemia linfoblastica acuta. Oppure la tacrina, un inibitore dell’enzima acetil-colinesterasi (AChE) che ha trovato uso nel ritardare il declino cognitivo nelle forme di demenza senile. Per la sua poca specificità, però, ne sono stati sintetizzati derivati più stabili, con maggiori biodisponibilità e capacità di attraversare la barriera ematoencefalica.

Come si può vedere, la curiosità e l’ingegno del cervello umano possono essere messe al servizio delle necessità medico-scientifiche. Ed è stato già scoperto tantissimo: pensare come le scoperte andrebbero tutte più veloci se ci fossero più cervelli applicati all’uopo.

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

Pubblicazioni scientifiche

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Dott. Gianfrancesco Cormaci

Medico Chirurgo, Specialista; PhD. a CoFood s.r.l.
- Laurea in Medicina e Chirurgia nel 1998 (MD Degree in 1998) - Specialista in Biochimica Clinica nel 2002 (Clinical Biochemistry residency 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. - Guardia medica presso strutture private dal 2010 - Detentore di due brevetti sulla preparazione di prodotti gluten-free a partire da regolare farina di frumento enzimaticamente neutralizzata (owner of patents 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 articoli su informazione medica e salute sul sito www.medicomunicare.it (Medical/health information on website) - Autore di corsi ECM FAD pubblicizzati sul sito www.salutesicilia.it
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