Dormi con i pesci

C'è una nuova cavia alla ricerca di farmaci legati al sonno: il pesce zebra. I ricercatori dell'Università di Harvard hanno sviluppato uno strumento di screening che testa gli effetti di migliaia di composti sul comportamento del pesce zebra nel tentativo di scoprire nuovi percorsi che regolano il sonno. La ricerca, pubblicata questa settimana sulla rivista Scienza , può portare a nuovi farmaci per trattare l'insonnia e altri disturbi legati al sonno.

Testa assonnata: Gli scienziati di Harvard stanno usando il pesce zebra come modello per trovare farmaci candidati per l'insonnia e altri disturbi del sonno. Nella foto sopra è la parte della testa di una larva di pesce zebra. Il cervello di zebrafish è etichettato in verde.

Alessandro Schier e i suoi colleghi di Harvard hanno sviluppato un sistema automatizzato per valutare 60.000 comportamenti distinti legati al sonno nel pesce zebra, un pesce tropicale spesso utilizzato nella ricerca scientifica. Dopo aver esaminato 5.600 piccole molecole sulle larve, il team ha scoperto 463 significativi composti che alterano il sonno, molti dei quali sono noti per avere effetti simili negli esseri umani.

Non ci aspettavamo la stessa conservazione degli effetti dei farmaci tra l'uomo e il pesce zebra, afferma Schier, professore di biologia molecolare e cellulare. Questa era una prova di principio che molti dei percorsi trovati negli esseri umani sono conservati nei pesci.

Schier afferma che tali somiglianze comportamentali possono rendere il pesce zebra un modello ideale per studiare come e perché gli esseri umani dormono, misteri in gran parte irrisolti. Non è ancora chiaro quali meccanismi molecolari controllino il sonno e la veglia. Individuare questi percorsi e trovare farmaci per bloccarli o promuoverli è un obiettivo importante per molte aziende farmaceutiche: i farmaci per dormire generano $ 7 miliardi di profitti annuali negli Stati Uniti. Tuttavia, il processo di sviluppo del farmaco è noioso e costoso. Schier ritiene che testare i farmaci candidati nel pesce zebra potrebbe essere un'alternativa semplice ed economica allo screening farmacologico convenzionale.

In genere, per testare un farmaco, i ricercatori prima studiano i suoi effetti in cellule coltivate, cercando di vedere se il farmaco si lega con successo a un recettore o una molecola bersaglio. Quindi fanno avanzare il farmaco agli esperimenti sugli animali, testando gli effetti comportamentali in soggetti vivi. Ma i farmaci che hanno determinati effetti nelle cellule in coltura hanno spesso effetti collaterali inaspettati, o nessun effetto, in un animale vivo.

Il vantaggio del pesce zebra è che puoi tenere un gran numero di animali in uno spazio molto piccolo e allevare molti, molti animali in modo relativamente economico, afferma Schier. A differenza di mosche e vermi, che vengono spesso utilizzati nelle prime fasi della ricerca farmaceutica, i pesci sono vertebrati. Nel pesce zebra si può trovare molto di rilevante per i mammiferi, dice.

Per lo screening dei farmaci, i ricercatori hanno pipettato singole larve di zebrafish in un minuscolo pozzetto di un vassoio da 96 pozzetti. Ogni pozzetto è stato iniettato con un farmaco, con un farmaco testato su 10 diverse larve. Hanno posizionato il vassoio in una camera di registrazione con luci a LED bianche e a infrarossi e una fotocamera collegata al software del computer. Dopo aver allineato il vassoio con una griglia corrispondente sullo schermo del computer, i ricercatori hanno programmato i tempi della luce per simulare il giorno e la notte. La telecamera ha registrato l'attività di ciascun pesce per due giorni e il software di monitoraggio video ha tracciato i movimenti di ciascun pesce al secondo.

Z per il pesce zebra: Le larve di zebrafish (sopra) sono naturalmente trasparenti. Gli scienziati sperano di studiare un giorno gli effetti dei farmaci per dormire sul cervello e sul midollo spinale, che possono essere visti nell'immagine sopra come una lunga struttura bianca che si estende da sinistra a destra.

Utilizzando algoritmi di clustering, Schier e i suoi colleghi hanno raggruppato i pesci in 60.000 profili comportamentali distinti, a seconda di vari vincoli. Quando spegni la luce, con che frequenza sono attive? Quando sono inattivi, per quanto tempo? Questo è ciò che osserviamo nel pesce, dice Schier. Puoi misurare molti parametri diversi e ciò ti consente di profilare diversi farmaci.

Gli antinfiammatori, come le citochine, i farmaci antinfiammatori non steroidei e la ciclosporina, hanno avuto un effetto sorprendente. Normalmente, questi farmaci inducono il sonno se assunti per combattere infezioni come l'influenza. Tuttavia, Schier ha scoperto che, se somministrati a pesci zebra normali e sani, questi composti, o immunomodulatori, rendevano i pesci più attivi durante il giorno.

Nella malattia, gli immunomodulatori sono stati implicati nel sonno, afferma Schier. Proponiamo che forse ci sia qualche funzione di base per questi immunomodulatori durante i normali cicli di sonno e veglia.

Tali risultati potrebbero aiutare i ricercatori a identificare nuovi attori molecolari coinvolti nel sonno e nella veglia. Irina Zhdanova , professore associato di anatomia e neurobiologia presso la Boston University Medical School, studia i meccanismi fisiologici dei ritmi circadiani e del sonno nel pesce zebra. Zhdanova dice che ci sono molti farmaci legati al sonno sul mercato con effetti collaterali sostanziali; questi effetti potrebbero essere evitati con migliori strumenti di screening.

L'enorme quantità di farmaci testati [dal gruppo di Schier] mostra che i test basati sul pesce zebra possono essere utilizzati efficacemente per almeno preselezionare più classi di farmaci esistenti e nuove sostanze candidate, afferma Zhdanova. [Questo è] certamente molto utile.

In futuro, afferma Schier, il pesce zebra potrebbe essere utilizzato anche come modello per testare farmaci per malattie psichiatriche umane come la schizofrenia e l'autismo. L'idea è identificare i geni associati alla malattia umana e cercare di ingegnerizzare lo stesso difetto genetico nel pesce zebra. I ricercatori potrebbero quindi cercare determinati cambiamenti comportamentali come risultato, come la sensibilità di un pesce al tatto o la sua reazione ai segnali visivi.

Si spera che ci sia una connessione tra il gene colpito e il cambiamento nel comportamento, e si cercherà di correggere il cambiamento nel comportamento aggiungendo particolari farmaci, dice Schier. Al momento è un po' fantascienza, ma è possibile.

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