Oltre 112, 5 milioni di donazioni di sangue vengono raccolte ogni anno in tutto il mondo, ma la maggior parte di questi contributi sono inutilizzabili per alcuni dei pazienti più bisognosi.
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Le trasfusioni di sangue devono abbinare il gruppo sanguigno di un donatore a quello del ricevente; in caso contrario, il sistema immunitario del ricevente potrebbe attaccare il sangue estraneo, causando gravi malattie. Oggi, gli scienziati del 256 ° Meeting Nazionale ed Esposizione dell'American Chemical Society riportano promettenti nuovi passi verso l'hacking di questo sistema, utilizzando enzimi batterici derivati dal microbioma intestinale per convertire i tipi di sangue restrittivi in sangue più universale.
Esistono quattro tipi principali di sangue: sangue AB, A, B e O, caratterizzato dagli zuccheri che i globuli rossi portano sulla loro superficie, chiamati antigeni.
AB è l'accaparratore egoista del gruppo, che trasporta sia l'antigene A che l'antigene B. Con tutto il suo sanguinamento, il sangue AB può essere trasfuso solo in altri con il gruppo sanguigno AB, ma le persone che hanno sangue AB sono riceventi universali. I gruppi sanguigni A e B trasportano solo uno dei due antigeni, rispettivamente, e le persone con questi gruppi sanguigni possono ricevere solo sangue che non contiene l'altro zucchero.
O sangue, d'altra parte, è il nudo martire a cui mancano gli zuccheri che decorano i suoi fratelli. Il suo stato relativamente sterile lo rende una presenza amichevole in quasi tutti gli ambienti immunitari, e il sangue di tipo O - il donatore universale del gruppo - è costantemente richiesto.
Per soddisfare l'esigenza sproporzionata di sangue universale, le banche e i centri di donazione sono costantemente alla ricerca di questi donatori desiderabili. Ma anche se circa il 40 percento della popolazione è di tipo O, le scorte sembrano sempre carenti, in parte perché il sangue immagazzinato ha una durata di conservazione relativamente breve. Negli ultimi anni, gli scienziati hanno iniziato a sperimentare la generazione di tipo O in laboratorio, sia sintetizzando i globuli rossi da zero, sia eliminando gli zuccheri offensivi dal sangue AB, A e B.
L'anno scorso, un gruppo di ricercatori guidati da Jan Frayne ha fatto passi da gigante con la precedente strategia, infettando una linea di precursori dei globuli rossi con geni cancerosi per provocarli a reintegrarsi all'infinito . Tuttavia, questa tecnica è ben lungi dall'entrare nella clinica: le cellule sintetiche devono ancora essere completamente controllate per motivi di sicurezza e il costo del riempimento di una sola sacca di sangue con questi analoghi rimane astronomico.
D'altra parte, la conversione dei gruppi sanguigni è stata un lavoro in corso per decenni. Questa strategia è particolarmente interessante perché potrebbe sia creare più sangue universale, sia allo stesso tempo impedire che le donazioni più difficili da usare vadano sprecate.
Nel 1982, un gruppo di ricercatori ha intrapreso i primi promettenti passi nella conversione artificiale dei gruppi sanguigni. Usando un enzima isolato da chicchi di caffè verde non torrefatto, hanno rimosso gli antigeni B dai globuli rossi, creando in modo efficace sangue di tipo O che potrebbe essere trasfuso in pazienti umani. Ma l'enzima del caffè aveva i suoi svantaggi. Per uno, era pignolo, richiedeva un insieme molto specifico di condizioni per funzionare, il che significava mettere il sangue attraverso la suoneria prima che potesse essere usato. Anche quando il setup sperimentale era proprio così, l'enzima era lento e inefficiente, e i ricercatori hanno dovuto usarlo per vederne l'effetto.
Tuttavia, la scoperta dell'enzima del caffè segnalò al resto del mondo che era possibile la conversione del sangue e, cosa ancora più importante, gli strumenti necessari probabilmente già esistevano in natura.
All'inizio degli anni 2000, un apprezzamento per l'immensa diversità di enzimi nel regno batterico aveva cominciato a emergere e i ricercatori hanno iniziato a rivolgersi ai microbi per le loro esigenze di affettare lo zucchero. Nel 2007, i ricercatori hanno riportato la scoperta di due enzimi batterici che, in combinazione, erano in grado di eliminare gli zuccheri A e B dalle cellule del sangue. L'enzima che ha liberato gli antigeni B dal sangue era mille volte più efficiente dell'enzima del caffè di 35 anni prima. Ma l'enzima che ha preso di mira l'antigene ha prodotto risultati leggermente più seri, che richiedono una dose troppo elevata di enzima per essere pratica.
Diverse squadre di ricercatori da allora hanno tentato di sfruttare il potere dei microbi per "non addolcire" il sangue. Ma qualche anno fa, Peter Rahfeld e Stephen Withers, biochimici dell'Università della British Columbia, decisero di rivolgersi a una risorsa ancora non sfruttata: il microbiota intestinale, la comunità brulicante di microbi laboriosi che vivono nell'intestino umano.
A quanto pare, "i microbi intestinali sono professionisti nella scomposizione degli zuccheri", secondo Katharine Ng, che studia il microbioma intestinale alla Stanford University, ma non ha partecipato a questo lavoro. Le proteine allacciate allo zucchero rivestono la parete dell'intestino e alcuni di questi zuccheri elaborati assomigliano agli stessi antigeni A e B trovati sulle cellule del sangue. Inoltre, molti microbi intestinali raccolgono questi zuccheri strappandoli dal rivestimento intestinale.
"Ero eccitato quando l'ho scoperto— [significava che potremmo essere] in grado di usare i microbi per trovare nuovi [strumenti]", afferma Rahfeld. “Sono già tutti nelle nostre viscere, in attesa di essere raggiunti. C'è così tanto potenziale. "
Finora, la maggior parte della caccia a nuove macchine per la conversione del sangue ha coinvolto scrupolosamente test uno per uno degli enzimi batterici conosciuti. Ora molti membri del microbiota intestinale possono essere coltivati in ambienti di laboratorio, ma non tutti. Per catturare il pieno potenziale degli enzimi batterici nell'intestino, Rahfeld e Withers hanno scelto una tecnica chiamata metagenomica.
Con la metagenomica, gli scienziati possono raggruppare una comunità di microbi, come quelli di un campione fecale, e semplicemente studiare il DNA in massa . Anche se i batteri non sopravvivono bene al di fuori del corpo umano, il loro DNA è molto più duro e può ancora dare ai ricercatori la sensazione di quali enzimi è in grado di sfornare ogni microbo. "[Metagenomica] un modo per ottenere un'istantanea di tutto il DNA [nell'intestino umano] in un determinato momento", spiega Rahfeld.
Dopo aver isolato i genomi batterici dalle feci umane, Rahfeld e i suoi colleghi hanno suddiviso il DNA in piccoli pezzi e li hanno inseriti in E. coli, un comune ceppo di batteri che può essere facilmente manipolato per esprimere geni estranei, come quelli che codificano per gli enzimi. I ricercatori hanno testato circa 20.000 diversi frammenti di materiale genetico contro semplici proxy di zucchero che imitavano gli antigeni A e B; i candidati che hanno superato questo primo turno di screening sono stati quindi esposti ad analoghi più complicati che assomigliavano meglio al sangue umano.
Alla fine, il team è stato lasciato con 11 possibili enzimi che erano attivi contro un antigene A e uno contro l'antigene B - incluso un enzima straordinariamente promettente che era 30 volte più efficace contro un antigene A rispetto a quello scoperto nel 2007. Incoraggiante, il nuovo enzima era un lavoratore a bassa manutenzione, in grado di esibirsi a varie temperature e concentrazioni di sale, il che significa che le cellule del sangue potevano essere convertite senza compromettere gli additivi.
Quando i ricercatori hanno successivamente testato il loro nuovo potente enzima contro il vero sangue umano di tipo A, i risultati erano gli stessi e per pulire il sangue dagli zuccheri offensivi era necessaria solo una piccola quantità di proteine. Inoltre, i ricercatori erano entusiasti di scoprire che potevano combinare il loro nuovo enzima, attivo contro il sangue di tipo A, con enzimi precedentemente scoperti che strappano via gli antigeni B. Consolidando decenni di lavoro, il team disponeva ora degli strumenti per convertire in modo efficiente il sangue AB, A e B in O universalmente accettato.
"Ha funzionato magnificamente", afferma Jay Kizhakkedathu, professore di chimica presso il Center for Blood Research dell'Università della British Columbia, che sta collaborando con Rahfeld e Withers ai loro studi.
I ricercatori stanno ora testando i loro enzimi su una scala più ampia. In futuro, Withers prevede di utilizzare gli strumenti genetici per armeggiare con il loro nuovo enzima per aumentare ulteriormente il suo potere di taglio. Alla fine, il team spera che tale tecnologia di conversione del sangue possa essere un pilastro negli ospedali, dove la necessità di sangue di tipo O è sempre terribile.
Anche con risultati così promettenti, gli enzimi che convertono il sangue scoperti finora sono probabilmente solo la punta dell'iceberg, afferma Zuri Sullivan, un immunologo dell'Università di Yale che non ha partecipato alla ricerca. Data l'immensa diversità riscontrata nei microbiomi intestinali di diversi individui, lo screening di più donatori e altre comunità batteriche potrebbe produrre risultati ancora più entusiasmanti.
"La premessa qui è davvero potente", afferma Sullivan. "C'è una risorsa genetica non sfruttata nei [geni] codificati dal microbioma intestinale."
Naturalmente, la sicurezza rimane di primaria importanza in futuro. La modifica delle cellule umane, anche con enzimi naturali, è un affare complicato. Finora, riferiscono Rahfeld e Withers, è stato abbastanza banale lavare via gli enzimi dopo il trattamento, ma i ricercatori dovranno essere sicuri che tutte le tracce del loro enzima vengano rimosse prima che il sangue possa essere trasfuso in un paziente malato.
Questo in parte perché gli antigeni dello zucchero compaiono su innumerevoli cellule in tutto il corpo, spiega Jemila Caplan Kester, un microbiologo del Massachusetts Institute of Technology. Sebbene l'enzima in questo studio sembri essere abbastanza preciso nel colpire gli antigeni sulle cellule del sangue, c'è sempre una piccola possibilità che possa fare un danno se una piccola quantità dovesse scivolare attraverso le fessure. Inoltre, anche il sistema immunitario del ricevente potrebbe reagire a questi enzimi batterici, interpretandoli come segnali di un attacco infettivo. Tuttavia, Kizhakkedathu ritiene che uno scenario del genere sia probabilmente improbabile, dal momento che i nostri corpi sono presumibilmente già esposti a questi enzimi nell'intestino.
"Anche con tutte queste considerazioni, ci sono più problemi che forse [non possiamo anticipare] - li vedremo quando testeremo effettivamente [il sangue in un corpo reale]", afferma Kester. "Il corpo umano spesso trova il modo di far funzionare [i nostri esperimenti]".
Inoltre, la scienza della tipizzazione del sangue va ben oltre i soli antigeni A e B. Un altro disadattamento comune si verifica quando si considera l'antigene Rh. La presenza o l'assenza di Rh è ciò che rende il gruppo sanguigno di qualcuno "positivo" o "negativo", rispettivamente - e solo il sangue negativo può andare in ricevitori sia positivi che negativi.
Ciò significa che, nonostante il potere del sistema di Rahfeld e Withers, non può generare sangue veramente universale ogni volta. E poiché l'antigene Rh è in realtà una proteina, non uno zucchero, sarà necessario esplorare un insieme completamente diverso di enzimi per creare il gruppo sanguigno universale più ampiamente accettato: O negativo.
Tuttavia, la tecnica del team ha un potenziale immenso e non solo per la clinica. Secondo Ng, una migliore comprensione di questi enzimi batterici potrebbe anche far luce sulla complessa relazione tra uomo e microbi che vivono all'interno dei nostri corpi. In verità, gli scienziati ancora non comprendono appieno lo scopo dietro la presenza di questi antigeni sulle cellule del sangue, tanto meno sul rivestimento del nostro intestino. Ma i batteri hanno familiarizzato con questa conoscenza per millenni e si sono evoluti per trarne vantaggio, dice Ng, e imparare di più su questi microbi potrebbe rispondere alle domande che gli umani non hanno ancora pensato di porre.
Nel frattempo, Withers è semplicemente felice di vedere progressi in qualsiasi direzione. "È sempre sorprendente quando le cose funzionano bene", riflette con una risata. "Ti dà la speranza di aver fatto un vero salto in avanti."
