Il modello di topo appena nato fornisce indizi sulla causa di una devastante malattia intestinale nei prematuri anemici

I medici sospettano da tempo che le trasfusioni di globuli rossi somministrate a neonati prematuri con anemia possano metterli a rischio di sviluppare enterocolite necrotizzante, o NEC, una malattia infiammatoria dell'intestino potenzialmente letale. Però, prove solide per la connessione sono state difficili da ottenere in parte a causa della mancanza di un modello animale pratico in grado di rappresentare accuratamente ciò che accade fisicamente quando un bambino ottiene NEC.

Un topo da laboratorio nutre i suoi cuccioli appena nati che sono delle dimensioni di un quarto e pesano meno di un grammo. Un team di ricerca guidato dalla Johns Hopkins Medicine ha superato i problemi precedenti lavorando con i topi neonati per sviluppare un modello per lo studio di una devastante malattia gastrointestinale che colpisce i bambini prematuri con anemia. Credito:The Jackson Laboratory

Ora, i ricercatori della Johns Hopkins Medicine riferiscono di aver sviluppato quel modello - ritenuto il primo del suo genere - utilizzando topi neonati, o cuccioli, che vengono prima resi anemici e poi sottoposti a trasfusioni di sangue da neonati di un diverso ceppo di topi. Il nuovo metodo, dicono i ricercatori, imita ciò che accade quando le trasfusioni di sangue vengono somministrate a bambini umani da un donatore non correlato.

Una descrizione del modello di topo, insieme a scoperte significative e potenziali benefici dai suoi primi usi, è pubblicato in un nuovo articolo sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Avevamo bisogno di un modello di topo vivo funzionante per sapere se una trasfusione di sangue da sola porta a NEC o si verifica solo se la trasfusione viene somministrata quando è presente l'anemia".

Akhil Maheshwari, M.D., Professore di pediatria presso la Johns Hopkins University School of Medicine, direttore di neonatologia presso il Johns Hopkins Children's Center, e autore senior del documento di ricerca

Visto in circa il 10% al 12% dei bambini di peso inferiore a 3,5 libbre alla nascita, Il NEC è un'emergenza gastrointestinale in rapida progressione in cui i batteri invadono la parete del colon, causando infiammazione che alla fine può distruggere il tessuto sano nel sito. Se vengono necrotizzate (uccise) un numero sufficiente di cellule da provocare un foro nella parete intestinale, il materiale fecale può entrare nel flusso sanguigno e causare una sepsi pericolosa per la vita.

Dal 2004, Maheshwari dice, studi di ricerca hanno ripetutamente dimostrato che i bambini nati prematuramente che sono gravemente anemici - quelli con una proporzione di globuli rossi sul volume totale del sangue tra il 20% e il 24% alla nascita - possono sviluppare NEC entro 48 ore dopo aver ricevuto una trasfusione di globuli rossi. A confronto, l'American Academy of Pediatrics afferma che i bambini nati a termine normalmente hanno volumi di globuli rossi tra il 42% e il 65%, scendendo tra il 31% e il 41% all'età di 1 anno.

Alla ricerca di un modello di topo utile e pratico, Maheshwari ei suoi colleghi hanno dovuto superare un problema di dimensioni.

"I cuccioli di topo appena nati hanno le dimensioni di un quarto e pesano meno di un grammo, quindi è estremamente difficile rimuovere abbastanza sangue da loro per essere analizzato dai laboratori, "dice Maheshwari.

Per superare quell'ostacolo, una società privata di apparecchiature diagnostiche mediche ha donato l'uso del suo sistema avanzato di analisi del sangue che richiede solo un campione di 5 microlitri (5 milionesimi di litro) invece dei 50 microlitri - il 60% dell'apporto di sangue totale di un cucciolo di topo - che la maggior parte dei laboratori di test richiede .

Prossimo, i ricercatori hanno progettato una procedura per indurre una grave anemia nei cuccioli rimuovendo circa la metà del loro volume di sangue a giorni alterni per 10 giorni dopo la nascita. Ciò ha ridotto la conta dei globuli rossi a livelli che si avvicinano a quelli dei neonati gravemente anemici.

Sette giorni dopo la nascita, i ricercatori hanno introdotto batteri che erano stati isolati e coltivati ​​da un neonato prematuro con NEC. Finalmente, le trasfusioni di globuli rossi sono state somministrate l'undicesimo giorno dopo la nascita.

Nelle prossime 48 ore, i ricercatori hanno cercato lo sviluppo di sintomi simili a NEC nel loro gruppo sperimentale e in altri tre gruppi di cuccioli di topo:(1) un gruppo di controllo senza alcun intervento, (2) un gruppo senza anemia che ha ricevuto trasfusioni e (3) un gruppo con anemia ma non trasfuso.

Solo i cuccioli gravemente anemici che hanno ricevuto trasfusioni di sangue hanno mostrato danni intestinali che assomigliavano a NEC umano con necrosi, infiammazione e separazione dei tessuti che sostengono il rivestimento del colon. Il passo successivo è stato vedere se potevamo trovare un meccanismo per spiegare il motivo per cui ciò si è verificato".

Akhil Maheshwari, M.D

Esaminando il sangue dei cuccioli con condizioni simili a NEC dopo che sono stati trasfusi, i ricercatori hanno scoperto che conteneva tre componenti non visti nel sangue degli altri topi di prova:(1) un gran numero di macrofagi, le cellule immunitarie che inghiottono e digeriscono i detriti cellulari, batteri e virus, (2) emoglobina a circolazione libera, le molecole a base di ferro che normalmente trasportano l'ossigeno in tutto il corpo quando sono attaccate ai globuli rossi, e (3) livelli elevati di proteine ​​che inducono l'infiammazione, indicando che i macrofagi erano stati attivati ​​anche senza una minaccia biologica per l'intestino.

I ricercatori hanno anche osservato che i livelli di aptoglobina, una proteina che rimuove l'emoglobina libera dal sangue, erano estremamente bassi.

"Questi risultati suggeriscono che l'anemia riduce la quantità di aptoglobina nel neonato, impedendo che l'emoglobina libera che arriva attraverso la trasfusione venga rimossa correttamente come farebbe normalmente, "dice Maheshwari.

Ciò che apparentemente accade, lui dice, è che l'emoglobina libera si lega a un recettore proteico sulla parete intestinale che è lo stesso sito in cui si legano i veleni batterici. Di conseguenza, il sistema immunitario crede erroneamente che l'intestino venga attaccato e attiva i macrofagi.

Una volta che quelle cellule immunitarie entrano in funzione, Maheshwari spiega, innescano il rilascio delle proteine ​​infiammatorie osservate nel sangue dell'anemico, topi trasfusi. "Quell'evento avvia un doppio smacco sulla parete intestinale, " lui dice. "Primo, le proteine ​​dei macrofagi infiammano e indeboliscono i tessuti, rendendoli vulnerabili, poi, i batteri entrano e producono endotossine che uccidono le singole cellule”.

Con prove di un probabile meccanismo per spiegare la connessione tra anemia e trasfusione nello sviluppo di NEC, i ricercatori hanno poi cercato di confermarlo vedendo se potevano bloccare due delle sue fasi, e forse, avanzare la ricerca di potenziali terapie.

In una prova, abbiamo somministrato aptoglobina ai nostri topi anemici modello prima di trasfonderli e bloccare l'attivazione dei macrofagi, quindi non hanno sviluppato sintomi simili a NEC".

Akhil Maheshwari, M.D

In un'altra prova, nanoparticelle che Samuel Wickline, M.D., e i suoi colleghi della University of South Florida hanno sviluppato sono stati utilizzati per fornire un'interruzione genetica - una molecola di RNA nota come un piccolo RNA interferente, o siRNA - che blocca il segnale chimico che dice ai macrofagi di iniziare a produrre proteine ​​infiammatorie. Le nanoparticelle sono state etichettate con un colorante fluorescente per tracciare il loro movimento e includevano un composto non tossico derivato dal veleno delle api.

Maheshwari afferma che i macrofagi nel sangue dei cuccioli di topo anemici hanno inghiottito le nanoparticelle e le hanno racchiuse all'interno di vacuoli. Il derivato del veleno d'api, lui spiega, ha rotto i vacuoli in modo che il siRNA potesse essere rilasciato all'interno dei macrofagi.

Il blocco del segnale genetico ha funzionato bene, Wickline dice, proteggere i cuccioli di topo anemici dall'infiammazione intestinale dopo trasfusioni di globuli rossi.

“Poiché abbiamo dimostrato che le nanoparticelle inibitorie con siRNA erano in grado di controllare un regolatore principale dell'infiammazione nel NEC, forse un giorno questa tecnologia potrà essere applicata non solo per curare o prevenire la NEC, ma altre malattie in cui l'infiammazione gioca un ruolo chiave come l'artrite e l'aterosclerosi, " lui dice.

Maheshwari afferma di sperare che il nuovo modello murino e i risultati dell'attuale studio possano essere utilizzati per sviluppare biomarcatori del sangue che potrebbero indicare quali neonati umani sono più a rischio di sviluppare NEC.

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