Un team di ricercatori dell'Università di Toronto Engineering e dell'Università del Michigan ha ridisegnato e potenziato un enzima naturale che si mostra promettente nel promuovere la ricrescita del tessuto nervoso a seguito di lesioni.

La loro nuova versione è più stabile della proteina che si trova in natura, e potrebbe portare a nuovi trattamenti per invertire i danni ai nervi causati da lesioni traumatiche o ictus.

"L'ictus è la principale causa di disabilità in Canada e la terza causa di morte, ", afferma Molly Shoichet, professoressa di ingegneria dell'Università di Toronto, autore senior di un nuovo studio pubblicato sulla rivista Progressi scientifici .

"Una delle maggiori sfide per la guarigione dopo questo tipo di lesione nervosa è la formazione di una cicatrice gliale".

Una cicatrice gliale è formata da cellule e sostanze biochimiche che si intrecciano strettamente attorno al nervo danneggiato. A breve termine, questo ambiente protettivo protegge le cellule nervose da ulteriori lesioni, ma a lungo termine può inibire la riparazione dei nervi.

Circa due decenni fa, gli scienziati hanno scoperto che un enzima naturale noto come condroitinasi ABC, prodotto da un batterio chiamato Proteus vulgaris, può degradare selettivamente alcune delle biomolecole che compongono la cicatrice gliale.

Modificando l'ambiente intorno al nervo danneggiato, condroitinasi ABC ha dimostrato di promuovere la ricrescita delle cellule nervose. Nei modelli animali, può anche portare a recuperare alcune funzioni perdute.

Ma i progressi sono stati limitati dal fatto che la condroitinasi ABC non è molto stabile nei luoghi in cui i ricercatori vogliono utilizzarla.

"È abbastanza stabile per l'ambiente in cui vivono i batteri, ma dentro il corpo è molto fragile, " dice Shoichet. " Aggrega, o si ammucchiano insieme, che gli fa perdere attività. Questo accade più velocemente a temperatura corporea che a temperatura ambiente. È anche difficile fornire condroitinasi ABC perché è suscettibile alla degradazione chimica e alle forze di taglio tipicamente utilizzate nelle formulazioni".

Squadre varie, compreso quello di Shoichet, hanno sperimentato tecniche per superare questa instabilità. Alcuni hanno provato ad avvolgere l'enzima in polimeri biocompatibili o ad attaccarlo a nanoparticelle per impedirne l'aggregazione. Altri hanno provato a infonderlo lentamente e gradualmente nel tessuto danneggiato, al fine di garantire una concentrazione costante nel sito della lesione.

Ma tutti questi approcci sono semplici cerotti, non affrontano il problema fondamentale dell'instabilità.

Nel loro ultimo documento, Shoichet e i suoi collaboratori hanno provato un nuovo approccio:hanno alterato la struttura biochimica dell'enzima per creare una versione più stabile.

"Come ogni proteina, la condroitinasi ABC è costituita da elementi costitutivi chiamati amminoacidi, " dice Shoichet. "Abbiamo usato la chimica computazionale per prevedere l'effetto dello scambio di alcuni elementi costitutivi con altri, con l'obiettivo di aumentare la stabilità complessiva mantenendo o migliorando l'attività dell'enzima."

"L'idea era probabilmente un po' folle, perché proprio come in natura, una singola brutta mutazione può distruggere la struttura, "dice Matteo O'Meara, un professore di medicina computazionale e bioinformatica presso l'Università del Michigan, e co-autore del nuovo articolo.

"Ce ne sono più di 1, 000 anelli della catena che forma questo enzima, e per ogni collegamento hai 20 aminoacidi tra cui scegliere, " dice. "Ci sono troppe scelte per simularle tutte."

Per restringere lo spazio di ricerca, il team ha applicato algoritmi informatici che imitavano i tipi di sostituzioni di amminoacidi presenti negli organismi reali. Questo approccio, noto come disegno di consenso, produce forme mutanti dell'enzima che non esistono in natura, ma sono plausibilmente come quelli che lo fanno.

Alla fine, il team ha ottenuto tre nuove forme candidate dell'enzima che sono state poi prodotte e testate in laboratorio. Tutti e tre erano più stabili del tipo selvatico, ma solo uno, che aveva 37 sostituzioni di amminoacidi su più di 1, 000 maglie della catena, era sia più stabile che più attivo.

"La condroitinasi ABC di tipo selvatico perde la maggior parte della sua attività entro 24 ore, considerando che il nostro enzima riprogettato è attivo per sette giorni, "dice Marian Hettiaratchi, l'altro co-autore dell'articolo. Un ex borsista post-dottorato nel laboratorio di Shoichet, Hettiaratchi è ora professore di bioingegneria presso il Phil and Penny Knight Campus for Accelerating Scientific Impact dell'Università dell'Oregon.

"Questa è un'enorme differenza. Il nostro enzima migliorato dovrebbe degradare la cicatrice gliale in modo ancora più efficace rispetto alla versione comunemente usata da altri gruppi di ricerca, "dice Hettiaratchi.

Il prossimo passo sarà quello di distribuire l'enzima negli stessi tipi di esperimenti in cui è stato precedentemente utilizzato il tipo selvatico.

"Quando abbiamo iniziato questo progetto, ci è stato consigliato di non provare perché sarebbe come cercare un ago in un pagliaio, " dice Shoichet. " Avendo trovato quell'ago, stiamo studiando questa forma dell'enzima nei nostri modelli di ictus e lesioni del midollo spinale per comprendere meglio il suo potenziale terapeutico, da solo o in combinazione con altre strategie".

Shoichet indica la natura multidisciplinare del progetto come chiave del suo successo.

"Siamo stati in grado di sfruttare le competenze complementari degli autori per portare a compimento questo progetto, e siamo rimasti scioccati e felicissimi di avere così tanto successo, " dice. "È andata ben oltre le nostre aspettative".