Il progresso della medicina olistica e integrativa è un legame significativo che è stato identificato tra le alterazioni metaboliche nelle cellule immunitarie e la loro capacità di modulare il fenotipo delle cellule immunitarie nelle malattie infettive. L'immunometabolismo offre nuove prospettive per chiarire la patogenesi delle malattie infettive prevalenti nell'uomo. Inoltre, fornisce tecniche promettenti per lo sviluppo di vaccini e farmaci identificando nuovi bersagli per l'intervento1. La riprogrammazione metabolica delle cellule immunitarie è identificata in varie malattie infettive, tra cui la leishmaniosi. Leishmania spp. è responsabile della leishmaniosi, di cui la Leishmania major (L. major) causa la leishmaniosi cutanea (CL). I parassiti L. major provocano un impatto significativo sul metabolismo delle cellule ospiti, in particolare nei macrofagi, per la proliferazione e la sopravvivenza come parassiti intracellulari2. I macrofagi possono tipicamente polarizzarsi in sottogruppi classicamente attivati (M1) o attivati in modo alternativo (M2) in cui le cellule M1 possiedono un'elevata secrezione di citochine pro-infiammatorie e la produzione di ossido nitrico (NO) attraverso il metabolismo delle specie azotate. Le cellule M2 mostrano livelli elevati di citochine antinfiammatorie e mostrano un'elevata attività dell'arginasi attraverso il metabolismo dell'azoto3. Pertanto, entrambi i fenotipi differiscono non solo per la loro risposta immunitaria, ma anche per le loro vie metaboliche.
La biologia dei sistemi della leishmaniosi mira a identificare bersagli molecolari per la progettazione di nuove terapie attraverso la progettazione e lo sviluppo di farmaci. La ricostruzione delle reti di segnalazione e delle vie metaboliche aiuta a comprendere la leishmaniosi come modello olistico e trae informazioni per l'identificazione della componente principale che guida lo stato patologico. La modellazione matematica è uno degli approcci analitici applicati più favoriti per comprendere le complessità della leishmaniosi4. Le reti immunometaboliche e i modelli matematici hanno permesso l'identificazione della succinato deidrogenasi (SDHA) come componente chiave del fenotipo M1, che è espresso per eliminare il parassita5. La biologia sintetica ha applicazioni nella diagnostica, nello sviluppo di vaccini e nella terapia nella leishmaniosi. Il metabolismo mirato alla modulazione della risposta immunitaria può essere ottenuto attraverso strumenti di biologia sintetica. Per la modulazione dell'inositolo fosforil ceramide sintasi che regola il metabolismo degli sfingolipidi e altera la segnalazione immunitaria dell'ospite, è stato utilizzato un circuito genetico che possedeva un comportamento bistabile per regolare sinteticamente la robustezza intrinseca del modello di infezione da L. major 6,7. Pertanto, i sistemi e la biologia sintetica possono fornire una piattaforma di ingegneria genetica basata su modelli per lo sviluppo della medicina di precisione nel sistema modello Leishmania.
Il fenotipo M1 è caratterizzato dall'espressione di reti di segnalazione immuno-metabolica in cui la produzione di citochine infiammatorie e vie metaboliche migliora sinergicamente l'eliminazione del parassita. La polarizzazione M1 indica la produzione di citochine pro-infiammatorie come l'interleuchina-12 (IL-12), l'interferone-gamma (IFN-γ) e il fattore di necrosi tumorale alfa (TNF-α). Le vie metaboliche che sono altamente arricchite nel fenotipo M1 includono la glicolisi, la via del pentoso fosfato e il ciclo troncato dell'acido tricarbossilico (ciclo TCA)5. Il ciclo troncato del TCA dirige il meccanismo di eliminazione dei parassiti attraverso l'aumento dei livelli di succinato e citrato, che guidano la produzione di NO3. L'accumulo di succinato da parte di SDHA porta all'attivazione del fattore di trascrizione ipossia-inducibile fattore 1-alfa (HIF-1α), che induce la produzione di IL-1β8. Nel fenotipo M2, si osserva l'ossidazione degli acidi grassi, l'aumento dell'utilizzo della glutammina e l'aumento della fosforilazione ossidativa del glucosio insieme alla produzione di citochine antinfiammatorie come l'interleuchina-10 (IL-10), il fattore di crescita trasformante beta (TGF-β), l'interleuchina-4 (IL-4) e l'interleuchina-13 (IL-13)3. M2 presenta mitocondri allungati come caratteristica distintiva, che porta a una maggiore efficienza nella generazione di energia. Utilizzano acidi grassi, glucosio e glutammina come substrati per alimentare il ciclo del TCA, generando così ATP attraverso la fosforilazione ossidativa a un tasso più elevato per promuovere la crescita e la proliferazione dei parassiti9. L'enzima SDHA, responsabile dell'accumulo di succinato attraverso il TCA troncato, non solo può promuovere la produzione di NO, ma anche avviare un consumo di ossigeno succinato-dipendente attraverso il trasporto di elettroni10. Nei macrofagi infetti da Leishmania, l'SDHA viene sottoregolata di 2,17 volte, indicando che anche la respirazione aerobica potrebbe essere sottoregolata11. Al fine di aumentare il consumo di succinato per indurre la produzione di NO mediata da citochine pro-infiammatorie e promuovere l'eliminazione del parassita, l'espressione di SDHA è essenziale.
Il circuito sintetico offre terapie mirate di precisione che possono alterare il sistema malato per ottenere un'oscillazione bistabile che può ripristinare un fenotipo sano a livello spaziotemporale. L'erogazione e l'espressione del circuito sintetico rendono il sistema dinamico e robusto. Un fattore fondamentale che contribuisce al progresso della biologia sintetica risiede nella capacità di assemblare parti ed elementi genetici in modo modulare per consentire la generazione di architetture complesse e funzionalità su misura12. I vincoli associati alle tecniche di espressione tradizionali hanno stimolato l'emergere di circuiti sintetici plasmidici inducibili basati su operoni tetraciclina, consentendo così una rapida valutazione del plasmide e una facile somministrazione in vari tipi di cellule13. La proteina repressore tetraciclina-responsiva (TetR), quando esiste come dimero, mostra una forte affinità di legame con l'operone tet (TetO), sopprimendo efficacemente la trascrizione. Tuttavia, in seguito all'interazione del suo ligando, la doxiciclina (dox), il TetR subisce un'alterazione strutturale, con conseguente dissociazione dal TetO, consentendo di conseguenza alla trascrizione di procedere senza ostacoli. Questo circuito può esibire il controllo della traduzione proteica14. Pertanto, attraverso la metodologia definita, il circuito sintetico plasmidico inducibile basato sull'operone tetraciclina progettato è stato in grado di esprimere SDHA nel vettore pEGFP-N1. La valutazione dell'efficienza di trasformazione del circuito e della sua resa ha fornito informazioni sulla competenza di erogazione. Attraverso la digestione di restrizione del vettore, è stata confermata la determinazione dell'efficienza di clonazione. Inoltre, è stata osservata una linea cellulare di macrofagi di topo RAW264.7 trasfettata derivata da macrofagi peritoneali di topi Balb/c per l'espressione della proteina fluorescente verde (GFP) dose-dipendente della doxiciclina nelle cellule trasfettate. Inoltre, l'effetto di eliminazione del parassita nelle cellule trasfettate è stato corroborato con un'espressione del circuito sintetico. Inoltre, è stata osservata l'induzione e l'espressione di citochine pro-infiammatorie, che è stata diretta attraverso un aumento del punto temporale dell'infezione nelle cellule trasfettate e indotte del circuito sintetico, che era direttamente associato al funzionamento del circuito sintetico.