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Un caso da CSI. Nelle mummie di bambini Inca le prove di un sacrificio rituale

Un caso da CSI. Le mummie Inca erano vittime sacrificali 

CSI e Cold Case hanno insegnato al grande pubblico come le moderne tecniche molecolari applicate alla medicina forense permettano di ottenere informazioni non solo da "fresche" scene del crimine ma anche risalenti ad un passato più o meno lontano. Il caso oggi presentato è esemplare per la qualità delle informazioni ricavate.

Questi gli elementi salienti:
  • L'analisi in oggetto si riferisce a tre cadaveri mummificati e congelati, estremamente ben conservati, risalenti a poco di più di 500 anni fa.
  • Di particolare interesse il fatto che i corpi sono di bambini. Di questi, il più "vecchio", anagraficamente, appartiene ad una tredicenne soprannominata dagli archeologi "la fanciulla"; gli altri due corpi appartengono a bambini di età intorno ai 4 anni.
  • I capelli delle vittime, in particolare la ragazza, contengono tracce rilevanti di cocaina ed alcol. Questo sembra indicare una assunzione di queste sostanze, costante e crescente nei mesi precedenti la morte.
  • Probabile causa della morte, assideramento "intenzionale". Dopo la morte i corpi sono stati sepolti in cavità rocciose e la ragazza posta in posizione seduta.
  • La TAC mostra la presenza di un largo bolo di foglie di coca nella bocca della Fanciulla ad indicare la masticazione in atto al momento della morte.
(©wikipedia)
Le mummie congelate furono trovate nel 1999 a circa 6700 metri di quota, quasi alla sommità del vulcano Llullaillaco in Argentina.
Fin dall'inizio si ipotizzò che i corpi fossero quelli di vittime di un sacrificio rituale conosciuto come Capacocha (vedi qui). A distanza di più di 15 anni dalla scoperta le analisi di spettrometria di massa condotte dall'archeologo Timothy Taylor della università di Bradford (UK), pubblicate su Proceedings of the National Academy of Sciences, ci danno informazioni sugli ultimi mesi di vita delle vittime.

In breve, dalla analisi dei metaboliti di coca e alcol - entrambi importanti nella cultura e nei rituali andini - i ricercatori hanno scoperto che tutti e tre i bambini hanno assunto queste sostanze psicotrope a partire almeno dall'anno precedente la morte. L'importanza dello studio è che per la prima volta è stato possibile monitorare il consumo di queste sostanze nei mesi precedenti la morte seguendo le linee di crescita dei capelli.
Un primo piano della Fanciulla (®Natacha Pisarenko)
Un dato di particolare interesse è che i livelli di tali metaboliti rilevati nella ragazza sono molto maggiori di quelle trovate nei bambini più piccoli. La cinetica di accumulo mostra che i metaboliti, già sopra la norma, aumentano nettamente negli ultimi 40 giorni di vita; livelli mai trovati in alcun reperto archeologico. Secondo l'esperto di medicina forense Andrew Wilson, il fine era quello di tenere la bambina "sedata emozionalmente". La tempistica e la tipologia di consumo sono coerenti con un rituale preparatorio per l'estremo sacrificio.

I risultati sono in linea con un precedente studio in cui gli stessi ricercatori avevano mostrato che la dieta della fanciulla aveva subito un cambiamento migliorativo nell'ultimo anno di vita con l'introduzione di cibo ad alto valore simbolico (e nutrizionale) come la carne e il mais. Un miglioramento legato, secondo molti, ad un aumento dello stato sociale della ragazza come riconoscimento del valore del suo sacrificio futuro. Curiosamente non è avvenuto lo stesso con i due bambini più piccoli trovati con lei i quali mostrano una minore cura nei capelli e la presenza di manufatti di minor valore; possibile che la loro condizione fosse quella di semplici accompagnatori nel viaggio verso l'aldilà e che per tale motivo non fossero degni di un trattamento privilegiato.
Una ipotesi ulteriore, personale e qui inserita solo a scopo di riflessione, è che data la loro giovanissima età il riconoscimento sociale non fosse nell'uso corrente. E' ben noto infatti che nelle società in cui la mortalità infantile è alta, l'entrata (ed il riconoscimento come membri effettivi del gruppo) avviene in età puberale.

La traslazione del corpo (®Johan Reinhard)
La Fanciulla probabilmente era una aclla (vergine del Sole) una figura con alcune somiglianze a quella delle iniziate presenti nel mondo greco-romano. La prescelta veniva iniziata da bambina a lavori "sacri" come la tessitura e la preparazione della birra di mais (chicha), un ruolo che con il passare del tempo poteva condurre a posizioni di grande prestigio come sacerdotessa, moglie di un uomo politico oppure (e questo non è in contraddizione nella cultura andina) essere scelta come vittima sacrificale; l'età della vittima è in accordo con questa ipotesi. La scelta di lei come "vittima" potrebbe essere stata fatta proprio in coincidenza con l'entrata nella pubertà e proseguita con il viaggio preparatorio, verosimilmente durato mesi dalla capitale Cuzco fino al vulcano.
Un viaggio lungo, per raggiungere (non si sa quanto consapevolmente) gli Dei.

Il video che segue (tratto dal National Geographic) mostra il momento della traslazione del corpo in laboratorio per iniziare gli esperimenti alla base dell'articolo.


Fonti
- Incan child mummies show evidence of sacrificial rituals
Nature, 13461 (2013)

- Archaeological, radiological, and biological evidence offer insight into Inca child sacrifice
Andrew S. Wilson et al, PNAS (2013) 110 (33) pp.13222-13227


Keplero individua il primo sistema stellare con pianeti non in asse

L'osservatorio spaziale Keplero continua instancabile a produrre dati. Individuato il primo sistema stellare con pianeti non in asse.
L'osservatorio spaziale Keplero (®space.com)
E' vero che fino ad oggi non erano mancate le stranezze in ambito planetario come il pianeta gigante XO-3b orbitante con angolo di 37 gradi rispetto al piano equatoriale della stella oppure pianeti il cui moto è addirittura opposto a quello della rotazione stellare. Tuttavia un intero sistema stellare inclinato, con pianeti fuori asse bilanciati da un pianeta gigante esterno non si era ancora visto. Da oggi questo primato spetta alla stella Keplero-56, posta a circa 2800 anni luce dalla Terra.
Per ovvi motivi il nostro parametro di riferimento in quanto a normalità orbitale è il sistema solare, un convincimento tuttavia rafforzato dalle recenti osservazioni che provano come la quasi totalità dei sistemi planetari abbiano un comportamento in linea con il nostro, cioè con pianeti la cui orbita è sostanzialmente allineata all'asse equatoriale della stella. Ad esempio Giove e la Terra orbitano intorno al Sole con angoli di 6 e 7,2 gradi rispettivamente
Tale allineamento non è casuale. L'origine è da ricercarsi nel disco di gas e polvere che, come un anello molto ampio, orbitava intorno alla nostra stella primordiale. La progressiva aggregazione dei detriti diventati via via planetoidi e pianeti ha mantenuto sia l'orbita che la direzione originaria (concordante con la rotazione del Sole).

Come prima anticipato, questo non è il caso del sistema stellare Keplero-56, composto da una stella grande circa 4 volte il Sole e da almeno due pianeti giganti molto vicini ad essa; giusto per rendere l'idea la loro orbita sarebbe interna a quella del nostro Mercurio. Facile immaginare che la temperatura alla superficie di questi pianeti sia tutto fuorchè accogliente.
Come si può osservare dalla figura a lato, i pianeti interni orbitano con un angolo di 45 gradi rispetto all'equatore stellare.
Una domanda ovvia è come sia stato possibile ottenere misurazioni così precise, data la distanza, sia dell'orbita che dell'asse stellare. Gli astronomi si sono avvalsi, per tali misure, sia delle differenze di luminosità esistenti tra regioni polari ed equatoriali che della variazione di luminosità conseguenze al passaggio dei pianeti "di fronte" (rispetto a noi) alla stella.
I dati sono dati e agli increduli astronomi non è rimasto altro che cercare di spiegare l'origine di questa orbita anomale. Il probabile responsabile sembra essere un terzo pianeta, esterno ai due noti e dotato di forza gravitazionale sufficiente da stabilizzare l'orbita dei pianeti interni. Il fenomeno fisico che mantiene in equilibrio un sistema così curioso è quello della risonanza, che può essere semplificato (e banalizzato) pensando al moto di una altalena che mantiene la propria oscillazione grazie al periodico comparire di un braccio che la spinge. Ora qui non vi è alcun contatto "reale" ma il periodico sommarsi delle forze gravitazionali. In termini semplici, poiché uno dei pianeti impiega il doppio del tempo rispetto all'altro per compiere un orbita, questi pianeti, periodicamente, si troveranno in posizione tale da amplificare la forza gravitazionale reciproca generando così una spinta controbilanciata dall'attrazione gravitazionale della stella. Risultato l'inclinazione è mantenuta. Questo effetto rinforzante spiegherebbe come mai tali orbite rimangano tali nonostante lo scostamento dall'asse equatoriale (e quindi della rotazione) della stella.

Informazioni sul sistema Kepler-56, qui.

Prossimo articolo sul tema esopianeti, qui
Articolo precedente sui dati ottenuti grazie all'osservatorio spaziale Keplero, qui

Fonti
- Iowa State astronomer helps research team see misaligned planets in distant system
Iowa State University

- Kepler finds first known tilted solar system
Nature, Ottobre 2013

Un fantasma si aggira per la Svezia. L'intolleranza ... al glutine

D'accordo, il titolo basato sulla celebre frase di Marx, forse stona nella (un tempo) socialdemocratica Svezia, tuttavia i numeri riguardo le persone intolleranti al glutine giustificano un tale incipit.
I dati riportati dal quotidiano svedese Dagens Nyheter mostrano che la percentuale di svedesi intolleranti al glutine è la più alta a livello mondiale. Se la notizia terminasse qui potrebbe essere catalogata come una curiosità epidemiologica probabilmente conseguente  ad uno o più polimorfismi genetici segregati nella popolazione, e responsabili della maggiore sensibilità. Il dato che preoccupa è quello associato: il numero di bambini con problemi legati al glutine è cinque volte superiore a quelli di 20 anni fa. Anche dopo avere bonificato i dati tenendo conto della maggiore sensibilità al problema e una più accurata capacità diagnostica, si conferma che all'incirca "la metà degli svedesi ha una predisposizione genetica a sviluppare la celiachia", come detto dalla dottoressa Anneli Ivarsson del dipartimento di salute pubblica e Medicina Clinica presso l'univerisità di Umeå. Una predisposizione a cui si è chiaramente aggiunto un qualche fattore ambientale con il risultato dell'aumentata incidenza.
Questi dati sollevano molte domande. Le piu' ovvie riguardano
  • la composizione del campione analizzato (svedesi puri o anche immigrati - fondamentale per distinguere la componente genetica da quella ambientale),  
  • come quantificare la componente genetica rispetto a quella ambientale; 
  • quali le possibili cause ambientali (alimentazione, inquinamento, ...) in ralazione ai cambiamenti dell'ultimo ventennio
Risposte alle quali solo uno studio genomico-epidemiologico (come quello finlandese di cui ho scritto tempo fa, link) potrà rispondere. Non in tempi brevi.

Prossimo articolo su argomenti correllati, "Troppa igiene = maggiori allergie".

Fonte
- Radio Sweden: Gluten intolerance on the rise in Sweden
Umeå University, news

Dalla biologia all'arte.

Non è la prima volta che parlo del rapporto tra biologia e arte. Questa volta però niente neurobiologia. Solo la grande capacità artistica di partire da immagini ottenute al microscopio ricreandole su materiali macroscopici (come carta, materiale da cucito e tessuti vari).
Qui riporto solo alcuni esempi tratti dalla rivista scientifica di eccellenza, Cell, nella sezione cell-picture-show/under-the-microscope (link per tutte le altre immagini. Altre fonti a fondo pagina).

Nota importante
I colori delle fotografie al microscopio ottico derivano da un mix di tecniche quali fluorescenza (ad esempio il blu dei nuclei deriva dal trattamento con DAPI) ed elaborazioni al computer: una precisazione importante per non indurre la falsa credenza che questi siano i colori "naturali". Si tratta invece di metodi normalmente usati per meglio studiare la struttura tissutale.

A sinistra le foto originali e a destra le riproduzioni artistiche.

Tutti i diritti riservati a Art Quilt by Barbara Hollinger, Fiber Artists@Loose Ends. Immagini da Cell.com
Mark Hutchin, University of Michigan (SIN)
Art Quilt by Carole Nicholas, Fiber Artists@Loose Ends (DX)

Sezione della retina di topo o dipinto di Van Gogh (riproduzione su tessuto)
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Lymari Lopez-Diaz, University of Michigan (SIN)
Art Quilt by Carole Nicholas, Fiber Artists@Loose Ends (DX)
Epitelio intestinale in verde e sottostanti vasi sanguigni vs riproduzione su tessuto.
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Rebecca Bernardos, University of Michigan (SIN)
Art Quilt by Judy Busby, Fiber Artists@Loose Ends (DX)
Sezione della retina di zebrafish (fotorecettori in rosso, nuclei in blu) vs riproduzione fatta usando paillettes cucite a mano e carta.
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Maria Morrell, University of Michigan (SIN)
Art Quilt by Bunnie Jordan, Fiber Artists@Loose Ends (DX)
Un aggregato di cellule staminali neurali (le cosiddette neurosfere) colorate in rosso grazie a un colorante specifico per le proteine astrocitarie vs la riproduzione artistica ottenuta unendo su tessuto delle appliqué di organza, rete e perline.
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Tom Glaser, University of Michigan (SIN)
Art Quilt by Christine Adams, Fiber Artists@Loose Ends (DX)
Una sezione trasversale della retina (che mostra i diversi strati cellulari) vs l'artefatto creato usando il tessuto delle trapunte
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Shannon Davis, University of Michigan (SIN)
Art Quilt by Lisa Ellis, Fiber Artists@Loose Ends (DX)
Sezione trasversale della ghiandola pituitaria e del tubo neurale (nota. Il tuo e' stato ovviamente "stirato" con photoshop per formare una stella ... il tubo ha infatti una sezione circolare) vs un manufatto creato con feltro, perline e filo.
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By Maria Morrell, University of Michigan (SIN)
Art Quilt by Barbara Hollinger, Fiber Artists@Loose Ends (DX)
Ancora un aggregato di cellule staminali neurali colorate questa volta in verde (marcatori neuronali) e arancio (marcatori astrocitari) vs uno sfondo colorato a mano su cui sono stati posti strati iridescenti di tessuto voile.


Altri articoli di biologia e "arte" in questo blog
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Altri link sull'argomento di questo articolo
Immagini di microscopia a fluorescenza. Solo biologia, "no artefatti", eppure ...
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Farmaci per ripristinare la vista? Un primo passo grazie ai topi di laboratorio

Farmaci per ripristinare la vista? Non così improbabile
(per una rapida panoramica del modo con cui il cervello "vede" suggerisco la lettura di questo articolo --> qui)

Solo poche settimane fa (vedi link a fondo pagina) avevo scritto delle terapie in fase di sperimentazione per ripristinare almeno in parte la capacità visiva nei soggetti ipo- o non- vedenti (qui). Approcci che solo pochi anni fa sarebbero stati catalogati come fantascientifici.

Torno oggi su questo tema per parlare di un nuovo studio, svolto congiuntamente da un team della University of California a Berkeley e dalle università di Monaco di Baviera e di Seattle.
Il lavoro descrive le funzionalità di una molecola che iniettata nell'occhio di topi ciechi è in grado, seppur temporaneamente, di ripristinare le condizioni base per la visione.
 I topi scelti per questa sperimentazione hanno una mutazione genica a causa della quale, in modo non troppo diverso da quanto avviene negli esseri umani affetti da retinite pigmentosa, le cellule retiniche degenerano e muoiono. Risultato: progressione inesorabile verso la cecità.
Ho scritto "ripristinare le condizioni base per la visione" non a caso. Il trattamento testato NON permette di riacquistare la vista ma quello che sta alla base della vista: la sensibilità alla luce.
Come misurare la sensibilità alla luce in modo non invasivo e veloce? Facile. Basta misurare la risposta pupillare alla stimolazione luminosa.

A sinistra l'assenza di risposta alla luce (pupilla dilatata), a destra
la comparsa della risposta pupillare dopo il trattamento con AAQ
Richard Kramer's lab/UCBerkely)
Un miracolo tecnico o una la capacità di coniugare la sintesi chimica con la biologia? Forse entrambe.
La molecola testata, abbreviata in AAQ (acrylamide-azobenzene-quaternary ammonium), è fotosensibile e agisce trasferendo tale sensibilità alle cellule della zona retinica prive della capacità di captare e trasdurre il segnale luminoso. La retina è infatti costituita da un insieme di cellule delle quali solo quelle note come coni e bastoncelli hanno una funzione specificamente legata alla ricezione del segnale luminoso.
Struttura della retina (®corriere.it)
 La molecola agisce legandosi ai canali ionici di membrana e, successivamente allo stimolo luminoso, attivandoli. Il processo induce la depolarizzazione di membrana, fenomeno alla base della trasmissione del segnale nervoso.
L'azione di AAQ è temporanea essendo il suo legame con il canale ionico reversibile e di breve durata. Questo per il momento non è uno svantaggio dato che aumenta la sicurezza sperimentale del trattamento. In caso di problemi l'effetto scompare da solo.
Altro dato importante, è possibile modulare l'intensità della risposta alla luce variando il dosaggio della molecola.
Il dato più importante del lavoro è l'avere sopperito alla perdita delle cellule retiniche, attivando delle sostitute già presenti in zona. Nessun trapianto di cellule richiesto.
Pur non essendo un trattamento in grado di ripristinare la vista, questo è il passo necessario perché sia possibile in un prossimo futuro sviluppare terapie per patologie come la retinite pigmentosa (a forte componente genetica) e la degenerazione maculare (legata invece all'età). Malattie diverse ma egualmente candidate al trattamento dato che in entrambe le cellule retiniche deputate a "captare" la luce muoiono lasciando l'occhio privo dei sensori.

Questo non è l'unico approccio in fase sperimentale. Altri gruppi si sono indirizzati su tecniche diverse, come il trapianto di cellule staminali, l'optogenetica (inserimento di geni per i fotorecettori nelle cellule retiniche dei pazienti) e la bionica (mediante l'utilizzo di microchip fotosensibili collegati ai neuroni).
Radiografia del paziente affetto da retinite pigmentosa a cui è stato impiantato un chip "visivo"
Il chip (impiantato in Germania). Un altro approccio promettente
 e il video che riassume la tecnica




Una nota aggiunta a posteriori.
Ovviamente il modello animale usato, il topo, è conveniente (veloce, poco costoso e soprattutto esiste una mutazione che come abbiamo visto mima alcune patologie umane) ma non il migliore. Per studiare la vista, la scimmia ci darebbe molte più informazioni. Nel grafico sottostante una comparazione tra le capacità visive e caratteristiche strutturali di topo e scimmia.
Migliore non vuol dire fattibile a causa di un insieme di costi, tempi, tecniche e motivi etici.
A sinistra come vede un topo (a sinistra) o una scimmi vede (ad es.) una scimmia.  Al centro le differenze strutturali
Photo: Laszlo Ilyes/Flickr; Mouse vision simulation: Johannes Burge/Wilson Geisler/UT Austin

*************

(Nota aggiunta a dicembre settembre 2014)
Un approccio farmacologico è quello invece proposto da Richard Kramer della università di California a Berkeley. La molecola sviluppata, nota come DENAQ, agisce come una sorta di interruttore della luce e potrebbe, se la sperimentazione animale prima e clinica poi daranno esiti positivi, essere il trattamento di elezione per pazienti affetti da retinite pigmentosa o degenerazione maculare.
La retina è costituita da tre strati di cellule nervose, ma solo quello con coni e bastoncelli (cellule fotorecettrici) è colpito dalle malattie sopra citate. Altre cellule importanti sono le cellule gangliari, poste più all'interno che svolgono la funzione chiave di permettere la trasmissione delle informazioni "luminose" al cervello, dove verranno elaborate e una immagine del mondo esterno verrà ricostruita.
Come funziona il DENAQ? In termini molto semplificati è una molecola fotosensibile che una volta iniettata nell'occhio è in grado di ripristinare una certa sensibilità alla luce per diversi giorni. Si tratta di una molecola fotosensibile che va a sostituirsi ai fotorecettori retinici sulle cellule oramai morte; un effetto assente se la stessa sostanza viene iniettata in un occhio sano. Sembra infatti che solo in presenza di una retina danneggiata si verifichino cambiamenti nella elettrofisiologia della retina interna che consente DENAQ al di espletare l'azione di fotosensitizzazione. Il dato è molto importante in quanto questo evita che la molecola possa interferire nelle zone in cui il tessuto retinico è ancora sano, cosa che rende possibile pensare al suo utilizzo quando ancora la degenerazione è nelle primissime fasi (ulteriori informazioni sono disponibili sul sito web del laboratorio di Kramer).

Fonti
- Photochemical Restoration of Visual Responses in Blind Mice
A. Polosukhina et al, Neuron, 75 (2), 271–282, 2012

- Chemical makes blind mice see
University of California Berkeley, news

- Neuroscience: Through the eyes of a mouse
Nature 502, 156–158 (10 October 2013)

- Subretinal microchip implants which help the blind to see improve in second human trial
Proceedings of the Royal Society B



****  aggiornamento ottobre 2015  ****
In una riunione tenutasi a Parigi, una società di biotecnologie ha presentato dati incoraggianti su una sperimentazione di terapia genica in esseri umani affetti da degenerazione retinica. L'azienda, Spark Therapeutics di Philadelphia, ha sfruttato un virus per correggere la mutazione nel gene RPE65 alla base della malattia. Tutti i 21 pazienti trattati, anche dopo 8 anni dal primo trattamento, hanno mostrato un miglioramento della percezione visiva alla luce.
Nota. La proteina enzimatica RPE65 è cruciale per convertire il segnale luminoso in segnali elettrici convogliati ai diversi distretti cerebrali, e come "stabilizzatore" dei fotorecettori nelle cellule retiniche. Senza un enzima funzionante, i fotorecettori - e quindi la capacità visiva - gradualmente degradano.
E' bene sottolineare che dei tre gruppi di ricerca che hanno iniziato trial clinici molto simili, solo quello della Spark Therapeutics non ha mostrato evidenze di perdita di efficacia con il tempo. I motivi non sono chiari e potrebbero essere legati a minime differenze nel protocollo terapeutico come il fatto che la proteina RPE65 viene nel loro caso espressa a livelli particolarmente elevati oppure per il tensioattivo usato durante l'iniezione del virus, in grado di evitare aggregazioni con altre componenti tissutali e/o dell'ago.
 (Fonte William A. Beltran et al, 2015 PNAS)

Produrre il sangue con le staminali. Il progetto scozzese

Un importante obiettivo guida la ricerca sulla cellule staminali del sangue: rendere possibile una fornitura illimitata di sangue, affrancandosi così sia dalla cronica carenza di donatori (rispetto alla domanda) che dal rischio di malattie virali.
Non è fantascienza. La sperimentazione, gestita dal Blood Pharma Project scozzese, dovrebbe partire nel 2016.

(wikipedia)
Tra i tanti fruitori potenziali di tale tecnologia, i pazienti talassemici sono quelli che ne trarrebbero maggiore beneficio, essendo vincolati a vita a trasfusioni periodiche di sangue donato da individui sani. Come detto, i vantaggi non sono limitati alla sola disponibilità di sangue. Questi i benefici ulteriori:
  • sostanziale cancellazione del rischio di infezioni legate alla provenienza;
  • Tossicità da ferro. Uno dei problemi più importanti che devono affrontare coloro che necessitano di trasfusioni continue è legato all'eccesso di ferro assorbito. L'emosiderosi, questo il nome della malattia dovuta a sovraccarico di ferro esogeno, pur interessando principalmente fegato e pancreas ha rilevanza sistemica. Non è strano che vi sia un sovraccarico di ferro se si pensa che ogni unità di sangue trasfuso contiene circa 250 mg di ferro e che con una dieta normale vengono assunti poco più di 10 mg di ferro al giorno. Il trattamento con agenti chelanti è in grado di limitare i danni sistemici; il rischio tuttavia verrebbe azzerato con il sangue prodotto "in laboratorio".
  • Gli eritrociti presenti nelle sacche di sangue hanno una usura naturale legata alla loro età. Poiché la vita di un eritrocita è intorno al mese, le cellule trasfuse avranno un grado di usura rappresentabile con una distribuzione normale, rappresentante cioè tutti gli stadi da quello di eritrocita "nuovo" a quello prossimo ad essere rimosso. Ovvio, date queste premesse, che il numero di eritrociti efficaci trasfusi sia ben inferiore rispetto al valore nominale. La soluzione ottimale sarebbe trasfondere, dopo averle isolate, solo le cellule "giovani". Cosa non possibile con il sangue donato ma facilmente ottenibile partendo direttamente dalle staminali.
Siamo d'accordo quindi che la tecnologia basata sulle staminali emopoietiche avrebbe un effetto dirompente. 
Sappiamo anche che le conoscenze tecniche rendono il progetto fattibile.
Cosa si sta aspettando allora?

Le difficoltà sono di natura pratica. Chi ha esperienza di laboratorio sa bene che un progetto fattibile e riproducibile su piccola scala non è automaticamente scalabile verso l'alto e anche quando lo è non è detto che i costi siano sostenibili.

Un problema alla volta.
Primo elemento cruciale da un punto di vista biologico è trasformare le cellule staminali embrionali in mesoderma (il foglietto embrionale da cui originano muscoli, ossa e sangue) prima e in globuli rossi poi. Come è ben noto l'eritrocita (il globulo rosso funzionale) è il punto finale di un processo differenziativo irreversibile, a causa della perdita del nucleo nel passaggio da eritroblasto a eritrocita. E' necessario quindi partire da cellule totipotenti, capaci di differenziarsi nella cellula scelta. 
 Secondo elemento essenziale è che le cellule così ottenute NON devono essere immunogeniche. Non è infatti pensabile, per il momento, creare per ogni ricevente delle riserve di sangue personalizzato. L'immunogenicità è un problema ben noto data l'esistenza dei gruppi sanguigni, ma 'facile" è anche la soluzione: creare riserve di eritrociti del tipo zero/Rh-negativo, evitando così il rischio di innescare una reazione emolitica seguita da coagulazione sistemica (un evento nefasto che compare immediatamente nel caso di trasfusioni incompatibili).

Problemi economici.
Se i problemi di natura scientifica sono risolvibili, quello produttivo è il vero freno alla fattibilità (intesa come sotenibilità) del progetto. Non si tratta di limiti di poco conto. Ogni singola sacca di sangue trasfuso contiene circa due miliardi di globuli rossi e il bisogno annuale in Italia è di poco superiore alle due milioni di unità. Il numero di cellule necessarie facendo due conti, rende l'idea della difficoltà tecnica e dei costi economici di produrre una tale quantità di cellule.
Un calcolo approssimativo, ipotizzando di usare le spinner flask di laboratorio ed una concentrazione massima di 10^6 cellule/ml, indica in 4 milioni i litri di "brodo di coltura" necessari (o meglio il numero di fiasche in grado di allocare tale volume e non i litri usati effettivamente) per soddisfare il fabbisogno annuale di globuli rossi. Un numero ottenuto ipotizzando di partire da una popolazione cellulare pronta per l'uso e solo da amplificare. Cosa in questo caso ovviamente errata visto il processo differenziativo da indurre. Il volume "reale" e' quindi almeno 100 volte superiore!
In Gran Bretagna hanno deciso che il costo vale l'operazione e che sul lungo termine i vantaggi compenseranno i costi. Sempre che ovviamente non compaiano problemi non previsti, da qui la necessità di una sperimentazione clinica i cui costi sono stati in gran parte coperti dal ministero della salute.

Al momento in cui scrivo i ricercatori hanno ricevuto dal governo la licenza per produrre le cellule in massa, e potranno partire quando saranno pronti. Il Roslin Institute di Edinburgo è uno dei pochi posti in cui una operazione di tale entità è fattibile. Per intenderci, stiamo parlando del posto in cui è nata la pecora Dolly, quindi un istituto di assoluta eccellenza.

I tempi necessari per valutare la sicurezza e l'efficacia della tecnica non saranno brevissimi. I costi neppure. Ma la strada è obbligata.

Noi nel frattempo abbiamo buttato via tre milioni di euro per testare il metodo Stamina (vedi nel link l'articolo precedente a riguardo), nonostante le voci dal mondo scientifico, in Italia e all'estero, avessero messo in guardia sulla totale assenza di evidenze di tale "terapia".  Paese che vai ...

(articolo successivo sullo stesso argomento, qui)


Fonte
- New blood: thalassaemia patients could be first to benefit from research
University of Glasgow, news

- Scottish scientists to conduct first human trials on synthetic blood
www.pharmaceutical-technology.com

- Blood substitutes: why haven’t we been more successful?
 Abdu I. Alayash, Trends in Biotechnology, April 2014, Vol. 32, No. 4

Fecondazione in vitro "a tre genitori". Rischi potenziali ancora da valutare

Fecondazione in vitro "a tre genitori". Rischi potenziali soprattutto per la progenie maschile


La tecnologia di fecondazione in vitro (IVF)  "con tre genitori" nasce con lo scopo di prevenire la trasmissione di malattie dovute a mutazioni nel DNA mitocondriale materno.
Secondo le ultime stime la frequenza delle malattie derivanti da mutazioni mitocondriali nei nati vivi è di uno su 4 mila. Ovviamente la frequenza dei portatori non malati di mutazioni  è nettamente più alta, circa uno su 200. Valori ben più alti rispetto alle stime proposte 10 anni fa (Chinnery et al, 2000).
Le problematiche associate alle malattie mitocondriali sono molto varie e vanno da lievi difficoltà di apprendimento a condizioni debilitanti come la distrofia muscolare e altre gravi patologie cardiache.

Mitocondri
I mitocondri, organelli la cui funzione può essere paragonata a quella di una centralina elettrica, sono dotati di un proprio patrimonio genetico, residuo di quello presente nel procariote ancestrale entrato in simbiosi con una primitiva cellula eucariotica. La capacità del proto-mitocondrio di utilizzare l'ossigeno potè così essere acquisita dal proto-eucariote che si trasformò nella cellula eucariotica "moderna". Un passaggio fondamentale che amplificò le potenzialità evolutive grazie alla possibilità di colonizzare le zone aerobiche prima precluse a causa della estrema tossicità dell'ossigeno molecolare. Giusto per completezza di informazione vale la pena ricordare che le cellule vegetali fecero un passaggio in più instaurando un rapporto simbiontico, oltre che con i mitocondri, con procarioti dotati di capacità fotosintetiche, ora divenuti organelli noti come cloroplasti. Ma questa è un'altra storia.

Con il tempo parte delle funzioni codificanti legate ai geni del DNA mitocondriale vennero perse (in quanto già presenti nell'ospite) e/o trasferite nel DNA nucleare. Il DNA mitocondriale è piccolo (anche se confrontato con quello di un batterio), ma i 37 geni che contiene (codificanti per proteine e per tRNA e rRNA) sono fondamentali per il funzionamento della centralina energetica della cellula, una attività che vede nella respirazione aerobica cellulare il punto centrale.

Ogni cellula contiene un numero vario, a seconda del tipo e delle necessità della stessa, di mitocondri, i quali possono differire geneticamente tra loro a causa delle mutazioni casuali che compaiono ad ogni duplicazione mitocondriale. La presenza nella cellula di un certo numero di mitocondri fa si che la alterata funzionalità mitocondriale conseguente alle mutazioni possa essere compensata dai mitocondri "normali". Neutralizzazione possibile fintanto che il numero di mitocondri alterati rimane minimo e/o le mutazioni non siano funzionalmente "dominanti". 

C'è un però ed è la conseguenza del modo in cui i mitocondri si ripartiscono nelle cellule ad ogni mitosi. A differenza del DNA nucleare che viene suddiviso in modo estremamente rigoroso ad ogni divisione cellulare, i mitocondri si distribuiscono "casualmente" nelle due cellule figlie. Casualmente vuol dire che non esiste un meccanismo di ripartizione rigoroso come quello fornito dal fuso mitotico ai cromosomi. I mitocondri si ripartiscono nelle due cellule figlie in modo non regolato. 
Un esempio. Se in una cellula ci sono 10 mitocondri, il numero ereditato in ciascuna cellula seguirà una distribuzione normale che vede in 5 il valore medio, ma rende possibile (a frequenza minore) anche tutte le altre combinazioni, ad esempio 9:1, 8:2, etc. Se il numero effettivo ereditato ha poca importanza in se, tranne ovviamente nell'ipotetico 10:0, in quanto il numero di mitocondri si adegua, mediante duplicazione, alle specifiche e contingenti necessità cellulari, il problema può sorgere a causa della segregazione casuale dell'organello mutato: una delle due cellule figlie potrebbe ad esempio trovarsi con una percentuale di mitocondri "mutati" maggiore rispetto a quello ben tollerato nella cellula madre, rendendo problematico il processo compensativo.

E' probabile che qualora questo evento si verifichi nelle cellule somatiche, la forte pressione selettiva esistente ne limiterebbe la potenzialità espansiva. Non ricordo di mutazioni de novo mitocondriali legate ai tumori.
Diverso è il discorso per la trasmissione verticale della mutazione, un rischio reale se la mutazione compare nelle prime fasi dello sviluppo embrionale (così da coinvolgere le cellule che originereranno gli oociti) e/o durante l'oogenesi.
Sottolineo oogenesi e NON spermatogenesi per un motivo semplice: i mitocondri sono trasmessi unicamente per via materna, trasportati dalla cellula uovo. I mitocondri paterni o non penetrano nella cellula uovo o, una volta penetrati, vengono disassemblati e "digeriti". Questo il motivo per cui lo studio del DNA mitocondriale permette di risalire per via matrilineare lungo tutto il nostro albero evolutivo fino all'ipotetica Eva.

Fatto questo breve riassunto, necessario per comprendere le ragioni della fecondazione a tre genitori, passiamo ai motivi che hanno fatto sorgere delle perplessità nei ricercatori e nelle autorità sanitarie. 
La tecnica sfrutta i gameti forniti da tre persone: un uomo sano (il padre); una donna (la madre) portatrice di una mutazione mitocondriale e a rischio di sviluppare lei stessa una malattia (se non già malata) e una donatrice di ovuli sana.
La tecnica, esiste in due varianti, consiste nell'utilizzare la cellula uovo denucleata della donatrice come accettore dei pronuclei materno e paterno o di solo quello materno (in questo caso si procederà in un secondo tempo alla fecondazione della cellula).
Metodo 1: la cellula uovo viene "riparata" unendo il nucleo materno
al citoplasma della donatrice (®hfea.gov.uk)
Metodo 2: i pronuclei estratti dalla oocita materno fecondato sono trasferiti nell'oocita
denucleato della donatrice (®hfea.gov.uk)

E' chiaro che l'oocita denucleato della donatrice è priva di ogni componente genetica trasmissibile, tranne che per i mitocondri dotati, come abbiamo visto, di geni fondamentali. Ecco il perchè della definizione di fecondazione in vitro a tre genitori.

La tecnica è controversa in quanto comporta la modificazione del DNA dell'embrione, che verrà trasmessa verticalmente da tutte le figlie delle generazioni future.
Si obbietterà che la tecnica permette semplicemente di correggere un errore e che quindi la progenie risultante sarà per definizione sana. La situazione è in realtà più complessa ed è sufficientemente solida da avere spinto i regolatori a chiedere approfondimenti.
Il punto cruciale è che sebbene il numero di geni mitocondriali sia piccolo rispetto ai 20 mila geni nucleari, non è ancora del tutto noto come questi geni interagiscano tra loro. Ad esempio una mutazione nel genoma mitocondriale potrebbe essere assolutamente non dannosa all'interno di una cellula in quanto esiste (selezionata) una mutazione compensativa nel DNA nucleare. Decontestualizzando il mitocondrio dalla controparte nucleare (come avviene nella cellula uovo denucleata della donatrice) mutazioni fino ad allora "nascoste" potrebbero emergere.
Ma allora perchè i maschi nati da questa procedura di fecondazione dovrebbero essere più a rischio delle femmine?
Secondo i ricercatori interpellati, i problemi sono potenzialmente più probabili nei maschi perché essendo i mitocondri di origine materna gli eventuali effetti negativi delle mutazioni mitocondriali sono de facto compensati, pena la immediata perdita di fitness cioè nessuna progenie in grado di riprodursi, nelle donne. Nei maschi la pressione selettiva di avere mitocondri "perfetti" è nettamente inferiore.
Semplificando, un mitocondrio mutato in una portatrice sana potrebbe rivelare tutta la sua carica patologica in un contesto genomico diverso

Altro aspetto importante riguarda il numero di mitocondri presenti nella cellula uovo. Poichè dopo la fertilizzazione dell'oocita i mitocondri non si duplicano fino a che l'embrione arriva allo stadio di blastocisti (70-100 cellule), è fondamentale che la qualità iniziale dei mitocondri sia buona. Se non fosse così, la progressiva diluizione del pool di mitocondri ad ogni divisione cellulare fino alla blastocisti (circa 8 divisioni cellulari) generebbe, per semplice segregazione casuale, cellule arricchite del mitocondrio mutato. Dei numeri per rendere l'idea: partendo da una cellula uovo contenente, ad esempio, 100 mitocondri e ipotizzando una ripartizione perfetta degli stessi per le prime 8 divisioni cellulari (durante le quali NON avviene la duplicazione mitocondriale), il numero di mitocondri presenti alla fine sarebbe di ... 1!! Se nell'oocita vi era l'1% dei mitcondri mutati nella blastocisti ci sarà l'uno per cento delle cellule che avrà (nel nostro esempio) il 100% dei mitocondri mutati e così la progenie di quella cellula.
Una situazione ad alta potenzialità patologica.

La IVF a tre genitori è quindi una tecnica importante ma non priva di rischi
Pur comprendendo il desiderio della madre di trasmettere il proprio patrimonio genetico, nei casi in cui esista una malattia mitocondriale la fecondazione emi-eterologa (DNA paterno e oocita di una donatrice) è una situazione a minor rischio oggettivo. Che la fecondazione eterologa sia proibita dal nostro ordinamento è una idiozia che purtroppo ci portiamo dietro da qualche anno.

(articolo precedente su un argomento correlato, qui)


Fonti
- Mitochondrial Replacement, Evolution, and the Clinic
Science 20 September 2013: Vol. 341 no. 6152 pp. 1345-1346

- Warning of three-person IVF risks
BBC, news



-  Mitochondrial Disorders Overview. 

Science from the Cloud (Settembre)

Direttamente dal Cloud, le notizie scientifiche pubblicate ma ignote al grande pubblico  
(qui le notizie dal Cloud già pubblicate)

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La sacralità della vita e la libertà di decidere
(The sacredness of human life)
La decisione del Nobel novantenne Christian De Duve di sottoporsi ad eutanasia, alla presenza dei suoi congiunti (atto legale in Belgio), richiama ancora una volta l'attenzione sull'importanza del libero arbitrio e della dignità della persona. Una discussione in cui i biologi possono dare un contributo non secondario.
di Ladislav Kováč
EMBO reports (2013), 14, 660; 10.1038/embor.2013.98

Per quale motivo manca ancora un vaccino efficace contro la malaria?
(Why haven't we made an efficacious vaccine for malaria?)
Quante volte abbiamo sentito questa domanda? Una domanda che sottintende la possibilità di curare ma la non volontà di farlo. Questo è purtroppo il punto di vista delle persone che non hanno mai lavorato un giorno in laboratorio e che dimenticano troppo facilmente quanto poco si sapesse solo 50 anni fa.
Questo articolo fa luce sulla straordinaria abilità del plasmodio malarico di sfuggire al sistema immunitario e, a seguire, sul perchè i vaccini si siano dimostrati finora inefficaci. Quali gli approcci futuri?
di Michelle N Wykes
EMBO reports (2013), 14, 661; 10.1038/embor.2013.103

Perchè gli umani e i topi vivono per tempi diversi?
(Endless paces of degeneration—applying comparative genomics to study evolution's moulding of longevity)
Una domanda questa a cui il sequenziamento genomico (e la comparazione intra- ed inter- specie) potrà con il tempo dare una risposta. Alla ricerca della mutazione per la longevità?
di João Pedro de Magalhães e Michael Kean
EMBO reports (2013), 14, 661 - 662; 10.1038/embor.2013.96

La Società e gli organismi GM
(Society and GMOs—chicken and egg?)
Il dibattito in corso in Europa sulle piante OGM fornisce una serie di insegnamenti sul risk management e sulla gestione dell'informazione che saranno molto utili nel prossimo futuro quando sara' il turno degli animali GM ad entrare sotto i riflettori.
di Núria Vàzquez-Salat e Louis-Marie Houdebine
EMBO reports (2013), 14, 671 - 674; 10.1038/embor.2013.101

Storia e genetica
(The A to T of historical evidence)
I genetisti e gli storici sono sempre più spesso coinvolti in progetti comuni. L'ultimo in ordine di tempo è la attribuzione dei resti, rinvenuti durante gli scavi per un posteggio, nientemeno che a Riccardo III, Re d'Inghilterra.
di Howard Wolinsky
EMBO reports (2013), 14, 679 - 682; 10.1038/embor.2013.97

Il ruolo segreto dei nostri microbi
(The secret garden's gardeners)
Il ruolo della flora microbica che popola il nostro intestino è indiscusso, sebbene ci sia ancora molto da capire. Comprendere meglio il loro ruolo avrà ricadute positive sul trattamento di una vasta gamma di malattie e di disturbi metaboloci. L'obesità e la sindrome del colon irritabile sono solo due esempi
di Philip Hunter
EMBO reports (2013), 14, 683 - 685; 10.1038/embor.2013.104

Benefici "rinnovabili"
(Renewable Benefits)
Il dibattito su cosa sia meglio tra fotovoltaico e eolico vede oscillare il piatto della bilancia verso uno o l'altro a seconda degli aspetti considerati. Impatto ambientale, vincoli paesaggistici e resa energetica sono tutti aspetti che vanno considerati.  Nell'articolo vengono citati alcuni studi condotti negli USA sulle piattaforme esistenti.
di H. Jesse Smith
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110, 11768 (2013)

La vita sociale nel mondo microscopico
(The Social Life of Small Spaces)
I batteri sono da sempre considerati come cellule indipendenti. Una visione semplicistica messa in discussione negli ultimi anni in seguito alla scoperta dei segnali chimici usati dai batteri per coordinare la risposta alle variazioni ambientali. Il Myxococcus xanthus, ad esempio, è un batterio "sociale" comune nel suolo, in grado di comunicare con altri membri della sua specie attraverso il contatto fisico. Analisi al microscopio elettronico mostrano come questo contatto in un biofilm sia mediato da strutture di membrana ultra-fini, che permettono di scambiarsi vescicole lipidiche contenenti messaggeri chimici. Questi dati suggeriscono che le comunità batteriche organizzate nei biofilm, siano equivalenti ad un "superorganismo" (parola usata anche per descrivere le comunità di formiche), vale a dire a qualcosa di maggiore che la semplice sommatoria di cellule indipendenti.
di Stella M. Hurtley
Environ. Microbiol. 15, 10.1111/1462-2920.12187 (2013).

La toxoplasmosi nei topi fa passare la paura dei gatti.

La toxoplasmosi è una malattia causata dal Toxoplasma Gondii, un protozoo in grado di parassitare uccelli e mammiferi, tra cui l'essere umano. Le conseguenze possono essere molto serie soprattutto durante la gravidanza (aborti spontanei) e nei soggetti con immunodeficienze (alta mortalità).
L'infezione da Toxoplasma ha le caratteristiche di una pandemia, dato che circa un terzo delle persone in tutto il mondo è positivo ai marcatori immunitari che indicano l'avvenuta infezione. E' probabile che gran parte delle persone positive al test, sebbene clinicamente guarite, convivano con cisti dormienti nel cervello. Una situazione che non provoca problemi sostanziali (l'herpes in questo senso è più fastidioso dato il suo ricorrente risveglio in situazioni di stress) almeno finché il sistema immunitario funziona, spegnendo sul nascere ogni velleità proliferativa del protozoo. La necessità di una vigilanza continua da parte del sistema immunitario spiega perché le persone immuno-compromesse siano a rischio.
Particolarmente interessanti sono alcuni dati recenti, sebbene assolutamente indiziari e non conclusivi, che ipotizzano che l'infezione cronica possa essere collegata a schizofrenia e/o a tendenze suicide.

Libro di favole dei Grimm
Ma la toxoplasmosi ha anche un effetto estremamente curioso nei topi: i topi infetti non hanno più timore dei gatti. Il che è un vantaggio non solo per il gatto ma soprattutto per il parassita che può entrare nel tratto intestinale del gatto, un ambiente ideale perchè il plasmodio si riproduca sessualmente (e non asessualmente come negli altri ospiti) completando così il suo ciclo vitale.
In breve il plasmodio ha evoluto la capacità di modificare il comportamento del suo ospite intermedio (il topo) affinchè finisca il prima possibile nella pancia del gatto.

Questo almeno è quanto emerge dallo studio pubblicato su PLoS ONE da Wendy Ingram una giovane ricercatrice della università di Berkeley. L'elemento centrale dell'articolo è che la perdita di paura nei confronti del gatto permane nel topo ben oltre la fase sintomatica dell'infezione (che si manifesta con sintomi para-influenzali), perfino in quei casi in cui la guarigione è completa (cioè il parassita non entra nella fase dormiente).
Un chiaro segno che l'infezione può modificare irreversibilmente il comportamento e/o la capacità percettiva murina.
"Sembra permanere un qualche tipo di cambiamento cerebrale che si riflette in un comportamento anomalo a lungo termine. Quale sia l'alterazione non è ancora noto" chiosa la Ingram. 

Tra le ipotesi formulate, quella principale vede il danneggiamento da parte del parassita dell'area del cervello responsabile della "comprensione" dell'odore, vale a dire l'associazione tra un certo odore e il pericolo potenziale. Altre ipotesi indicano nell'alterazione funzionale dei neuroni della memoria e dell'apprendimento, l'elemento cardine del comportamento alterato. Ipotesi ovviamente non mutualmente esclusive.
Di sicuro c'è che i dati raccolti dalla Ingram dimostrano che i topi infettati (e guariti da oltre 4 mesi) non mostrano alcuna "reattività difensiva" se posti in un ambiente in cui sono presenti tracce di urina di gatto. Al contrario dei topi "normali" che reagiscono cercando immediamente un rifugio. 
Il fenomeno non è indotto da tutti i protozoi causanti la toxoplasmosi ma è associato ai tre ceppi più comuni di Toxoplasma gondii.

Se il comportamento anomalo nei topi fosse una conseguenza dell'infezione cronica di aree più o meno estese del cervello, ceppi geneticamente modificati del protozoo incapaci di formare cisti cerebrali (quindi non in grado di causare infezioni croniche), non dovrebbero alterare il comportamento murino. Il fatto che l'alterazione comportamentale si manifesti anche con questi ceppi, indica che non è la cisti in se ad alterare il comportamento del topo ma, verosimilmente, qualcosa che avviene durante la fase acuta dell'infezione.
Cosa avvenga durante questa fase, non è stato ancora scoperto.

Di sicuro l'alterazione comportamentale indotta dal parassita è un mezzo estremamente efficace per finire nelle pancia del gatto. Gatti e protozoi sono contenti, i topi un po' meno.

Fonti
- Mice Infected with Low-Virulence Strains of Toxoplasma gondii Lose Their Innate Aversion to Cat Urine, Even after Extensive Parasite Clearance 
Ingram WM et al, PLoS One. 2013 Sep 18;8(9) 

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