Fenilchetonuria: allo studio batteri E. coli Nissle ingegnerizzati

26 settembre 2018 / di Silvia Radrezza

Synlogic Inc., Cambridge, Massachusetts (studio originale)

Stato dell’arte
La fenilchetonuria è una condizione clinica difficile da trattare e dai risvolti critici per lo sviluppo neuro-cognitivo. Sebbene il microbioma intestinale abbia dimostrato di poter offrire opportunità per terapie alternative, non esiste ancora alcun trasferimento al contesto clinico.
Cosa aggiunge questa ricerca
Sviluppando un batterio ingegnerizzato in grado di sopperire alla carenza della via metabolica della fenilalanina, i ricercatori hanno posto le basi per un passo avanti nella messa a punto di strategie alternative efficaci e realmente applicabili al contesto clinico.
Conclusioni
Il batterio ingegnerizzato E. coli Nissle SYNB1618 presenta le potenzialità giuste per essere efficacemente impiegato nel trattamento della fenilchetonuria anche nell’uomo.

Il batterio ingegnerizzato E. coli Nissle SYNB1618, andando a ridurre significativamente la percentuale di fenilalanina ematica sia nei modelli malati di topo che in quelli sani di scimmia, presenta le giuste potenzialità per essere efficacemente impiegato nel trattamento della fenilchetonuria anche nell’uomo.

È quanto afferma lo studio coordinato da Vincent M. Isabella e di recente pubblicato su Nature Biotechnology.

La fenilchetonuria è una condizione clinica che si origina dall’incapacità, totale o parziale, di metabolizzare l’amminoacido fenilalanina (Phe) introdotto prevalentemente attraverso l’assunzione di cibi proteici.  La sua insorgenza è generalmente molto precoce e comporta, se non riconosciuta e trattata tempestivamente, gravi deficit neuro-cognitivi e dello stato emozionale. La terapia standard prevede una dieta basata su un bassissimo introito di proteine abbinata a un supplemento di amminoacidi per ovviare carenze nutrizionali.

Grazie ai progressi della ricerca stanno prendendo piede però altre tipologie di intervento, alcune più efficaci e sicure di altre. Tra le più promettenti troviamo ad esempio la somministrazione di un attivatore di PAH (fenilalanina idrossilasi), uno degli enzimi maggiormente responsabile del metabolismo della Phe.

Anche il microbiota intestinale, in particolar modo E. coli o Lactobacillus reuteri esprimenti il gene di codifica per PAH, hanno dimostrato una certa capacità di ridurre i livelli di Phe. Ad oggi però, questi batteri ingegnerizzati, seppur promettenti, non hanno trovato un proseguo nel contesto clinico in quanto carenti delle caratteristiche necessarie per essere usati nell’uomo ossia la stabilità genetica, caratteristiche farmacocinetiche e farmacodinamiche chiare, resistenza durante il processo di manifattura del prodotto.

Considerando quindi le buone opzioni offerte dal microbiota già dimostrate in letteratura, i ricercatori americani hanno voluto proporre una versione alternativa di batterio ingegnerizzato ponendosi come obiettivo quello della sua trasferibilità sull’uomo.

Attraverso opportune tecniche di ingegneria genetica e test di performance si è andando a modificare il batterio E. coli Nissle SYNB1618 in modo da renderlo in grado di esprimere enzimi essenziali nella degradazione della Phe ovvero:

  • PAL (Phe-ammonia liasi) per la conversione in trans-cinnamato o TCA
  • LAAD (L-amminoacido deaminasi) per la conversione in fenilpiruvato (PP)

A questi è stato poi aggiunto il gene PheP (phenylalanine-specific permease) per il trasporto dell’amminoacido all’interno del batterio andandone a potenziare quindi gli effetti.

Effetti di E. coli Nissle SYNB1618 ingegnerizzato in modelli murini di fenilchetonuria

Per testare le proprietà del batterio ingegnerizzato ottenuto, sono stati condotte valutazioni sia su modelli murini sani (C57BL/6) sia su modelli affetti da fenilchetonuria (Pah enu2/enu2).

  • Somministrando 13C-Phe, i modelli con fenilchetonuria ne hanno mostrato elevato accumulo a livello ematico e nel tratto gastrointestinale per almeno 2 ore confermando come la Phe raggiunga l’intestino attraverso la circolazione enteroepatica
  • I modelli sani hanno presentato un rialzo dei livelli di Phe ematici nella prima mezz’ora, parametri rientrati nel range di normalità in 2 ore. È stato tuttavia possibile trovare traccia dell’amminoacido nel tratto gastrointestinale anche a 2 ore dalla somministrazione dimostrando un ruolo del circolo enteroepatico anche in condizioni fisiologiche
  • Per entrambi i modelli il tratto duodenale ha presentato i maggiori livelli di accumulo di Phe

Per monitorare l’attività di SYNB1618 in vivo, i ricercatori si sono concentrati sui metaboliti PP e TCA derivanti dall’azione degradante auspicata per il batterio. A questi si è poi aggiunto l’acido ippurico (HA), prodotto di trasformazione del TCA prima della sua escrezione urinaria.

  • Andando a somministrare TCA in modelli Pah enu2/enu2 circa il 98% è stato eliminato sotto forma di HA confermando quindi la validità di questo biomarcatore surrogato nella valutazione del metabolismo di Phe
  • La somministrazione orale di SYNB1618 in Pah enu2/enu2 ha mostrato effetti dose dipendenti nel miglioramento dei livelli di HA riscontrati nelle urine
  • In seguito all’iniezione di Phe in modelli Pah enu2/enu2 , la somministrazione orale di SYNB1618 a abbinata a una dieta povera di proteine ha dimostrato benefici nelle concentrazioni di Phe ematiche
  • La co-espressione PAL e pPhe ha comportato una degradazione di Phe tre volte maggiore rispetto alla sola presenza di PAL

Effetti di E. coli Nissle SYNB1618 ingegnerizzato in modelli di scimmia sani

Per avere un quadro più chiaro di come potrà andarsi a comportare SYNB1618 nell’uomo, lo studio è proseguito su modelli sani di primati non umani (macaco cinomolgo).

Di seguito i risultati principali:

  • I dati sull’escrezione urinaria di TCA come HA sono risultati in linea con quelli precedenti ottenuti su modelli murini
  • Dopo la somministrazione di 5 gr di cibo proteico, gli animali trattati anche con SYNB1618 hanno presentato un maggior incremento di HA urinario rispetto al baseline
  • Un miglioramento significativo dei livelli di HA è stato osservato in particolare nelle scimmie trattate con SYNB1618 ma senza la somministrazione del bolo proteico suggerendo come il tratto intestinale possa essere una riserva di Phe anche in condizioni fisiologiche, al pari di quanto osservato nei topi
  • Come in precedenza, SYNB1618 ha presentato effetti dose dipendente
  • L’analisi qPCR non ha registrato SYNB1618 in nessuno dei campioni fecali entro 7 giorni dalla sua somministrazione

Nel complesso dunque questi dati suggeriscono come SYNB1618 sia un candidato ideale nella terapia della fenilchetonuria anche nell’uomo. A tal proposito, è attualmente in corso uno studio clinico volto proprio a testarne l’efficacia attraverso, ancora una volta, l’analisi dei biomarcatori TCA e HA.

Il microbioma sembrerebbe dunque offrire possibilità terapeutiche interessanti che porteranno allo sviluppo di nuovi farmaci anche per la cura di alterazioni metaboliche come la fenilchetonuria.

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