Come il Botox entra nelle nostre cellule

Volodymyr Korkhov (link) e Richard Kammerer del Centro per le Scienze della Vita presso il PSI hanno fatto un passo importante per capire come la tossina botulinica, comunemente chiamata Botox, penetra nelle nostre cellule nervose. © Paul Scherrer Institut PSI/Mahir Dzambegovic / Volodymyr M. Korkhov (a sinistra) e Richard Kammerer del Centro per le Scienze della Vita presso il PSI hanno compiuto progressi significativi per comprendere come la tossina botulinica, comunemente chiamata Botox, entri nelle nostre cellule nervose. © Paul Scherrer Institute PSI/Mahir Dzambegovic

Ricercatori del Centro per le Scienze della Vita presso l'Istituto Paul Scherrer PSI hanno chiarito per la prima volta quei cambiamenti strutturali della Neurotossina Botulinica, comunemente nota come Botox, che si sospetta siano decisivi nell'infiltrarsi nella cellula nervosa. Ciò potrebbe consentire di utilizzare in futuro l'effetto paralizzante di questo potente veleno nervino in modo più mirato e completo, ad esempio nella terapia del dolore. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista specializzata Nature Communications.

La Neurotossina Botulinica A1, più comunemente conosciuta con il nome di marca Botox, non è solo un popolare ausilio cosmetico, ma anche un potente veleno nervino batterico, che – dosato con attenzione – viene impiegato come medicinale. Blocca la trasmissione dei segnali nervosi ai muscoli: ciò può rilassare i muscoli sotto la pelle, utilizzato in cosmetica per levigare i lineamenti del viso. Può anche alleviare sofferenze causate da muscoli contratti o segnali nervosi errati, come spastiche, incontinenza urinaria o malformazioni oculari. Tuttavia, un dosaggio troppo elevato può essere fatale, portando a paralisi dei muscoli respiratori. Questo avviene di solito a seguito di un'intossicazione alimentare batterica e viene chiamato «botulismo».

Per utilizzare al meglio la Neurotossina Botulinica come medicinale, controllarne con precisione l'effetto e ampliare le possibilità di impiego, i ricercatori desiderano comprendere meglio come il veleno penetri nella cellula nervosa per esercitare la sua azione. Tuttavia, fino ad ora, si sapeva poco a riguardo. «Questo principalmente perché finora non abbiamo dati strutturali su come appare il veleno nella sua lunghezza completa quando si lega al recettore della cellula nervosa», spiega Richard Kammerer del Centro PSI per le Scienze della Vita. Finora, erano disponibili solo studi sulla struttura di singoli domini del veleno – ovvero parti specifiche della sua complessa struttura molecolare – e sulla struttura di tali domini in associazione con il recettore o uno dei suoi domini.

Osservazioni a -160 gradi

Per cambiare questa situazione, Kammerer e il suo team si sono uniti al gruppo di ricerca di Volodymyr Korkhov. Questo lavora nello stesso laboratorio del PSI ed è specializzato nella determinazione strutturale di proteine, in particolare proteine di membrana. Nello studio congiunto, i ricercatori hanno esaminato con un microscopio elettronico cryo le campioni della neurotossina da sola e in complesso con il recettore. Con la microscopia elettronica cryo, i campioni vengono congelati bruscamente a -160 gradi senza formare cristalli di ghiaccio. «In questo modo, il campione mantiene permanentemente la sua struttura e possiamo studiarla con calma», spiega Basavraj Khanppnavar, primo autore dello studio. «Questo ci permette di ottenere approfondimenti molto precisi sull'architettura molecolare», aggiunge la collega e coautrice Oneda Leka.

In questo modo, i ricercatori hanno determinato sia la struttura dell'intera tossina da sola, sia la struttura del complesso molecolare con il recettore. Hanno condotto queste analisi a pH bassi e neutri, come quelli presenti nel cosiddetto vescicolo sinaptico. Dopo il legame della tossina al recettore, questa struttura a forma di bolla assorbe la tossina e la trasporta all’interno della cellula.

La forma compatta può interagire meglio

Come si è scoperto, il calo del pH del «vescicolo in maturazione» è decisivo per il trasporto della tossina dal vescicolo attraverso la sua membrana nel citosol – la parte della cellula dove avvengono la maggior parte delle reazioni biochimiche e dove anche la tossina esercita la sua azione. «A pH basso, intorno a 5,5, la tossina si piega dalla sua forma normalmente lunga e aperta in una forma sferica compatta», riferisce Volodymyr Korkhov. In questo modo, i domini chiave della proteina si avvicinano alla membrana del vescicolo. «A pH neutro, circa 7, invece, rimangono nella forma lunga, troppo lontani dalla membrana per interagire», e quindi la cosiddetta traslocazione della tossina dal interno del vescicolo al citosol della cellula non può avvenire.

Tra i gruppi di ricerca che lavorano sullo stesso tema, il team del PSI è il primo al mondo a fornire dati strutturali della tossina nella sua lunghezza completa e in complesso con il recettore prima della traslocazione. «Con questo, abbiamo ora una comprensione molto più realistica dei meccanismi chiave della traslocazione», afferma Kammerer. Tuttavia, sono necessari ulteriori studi per decifrare completamente questi processi. «Ma con lo studio pubblicato ora, abbiamo già fatto un passo importante, che potrebbe aiutare a rendere l’uso della Neurotossina Botulinica ancora più efficace, ad esempio nel trattamento del dolore.»