Ioni metallici nell'Alzheimer
Le ultime ricerche hanno delineato un ruolo fondamentale degli ioni metallici (in
particolare di quelli di transizione) nelle malattie neurodegenerative, tra cui l'Alzheimer.
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Trascrizione di Ioni metallici nell'Alzheimer
Gli ioni metallici sono fondamentali per portare a termine molte funzioni biologiche nel cervello
come trasmissione nervosa, sintesi/metabolismo di neurotrasmettitori e trasporto di ossigeno.
Ultimamente si è posta l'attenzione sul ruolo degli ioni metallici di transizione nel cervello e nelle
malattie neurodegenerative
Un altro fattore presente in molte malattie degenerative è lo stress ossidativo che è comunemente
associato all'aumento del livello dei metalli di transizione in zone specifiche del cervello.
Rame, ferro, zinco vengono distribuiti negli spazi intracellulari da dei trasportatori. Se c'è un
malfunzionamento nella loro regolazione, il che può accadere con l'invecchiamento, si può avere
l'aggregazione di proteine in placche e viluppi, che accelerano le condizioni degenerative.
Zinco: l'omeostasi nell'uomo è regolata da molti trasportatori (ZnT, Zip, ZnT3, l- and -d- hystidine)
e dalla metallotioneine per la conservazione. Lo ione Zinco esiste nelle vescicole sinaptiche e
dovrebbe servire come neuromodulatore endogeno nelle neurotrasmissioni sinaptiche.
L'eccessiva eccitazione dei neuroni glutamatergici causa una diminuzione nello zinco vescicolare,
con un aumento transitorio nella fessura sinaptica, che può influenzare la neurotrasmissione
La presenza dello zinco nelle sinapsi è regolata dal trasportatore ZnT3, che è a sua volta influenzato
dall'estrogeno, un ormone femminile. Questo spiega perchè le donne sono maggiormente soggette
all'AD rispetto agli uomini
Vi sono almeno due generiche reazioni con i metalli che devono essere considerate
La prima è relativa all'associazione di un metallo ad una proteina che porta ad aggregazione
proteica, questa reazione può coinvolgere ioni metallici non redox come Al(III) e Zn(II), o metallo
redox attivi come Cu(II) e Fe(III)
La seconda è relativa all'ossidazione proteica che catalizzata dai metalli può dar luogo ad un danno
proteico o alla denaturazione; questa reazione coinvolge solo metalli redox.
Rame: è un elemento essenziale in molte metalloproteine che sono coinvolte in numerose funzioni
cellulari che spaziano dalla respirazione cellulare, ferrossidasi, formazioni di pigmenti, biosintesi di
neurotrasmettitori per le difese antiossidanti.
Il rame è trasportato nel cervello dalla proteina Ctr1 e negli spazi intracelullari dai trasportatori
Atpases, Atp7a, Atp7b. Gli spostamenti intracellulari del rame richiedono i metallo-chaperons che
dirigono il metallo in specifici sentieri cellulari.
zinco
ferro: è richiesto come co-fattore nei processi metabolici del sistema nervoso centrale, che
includono: fosforilazione ossidativa, produzione di neurotrasmettitori, metabolismo del monossido
di azoto e trasporto di ossigeno.
Molti progressi sono stati fatti negli ultimi anni nel capire l'omeostasi del ferro, dall'identificazione
dei geni e delle proteine coinvolte nell'assorbimento e nel trasporto, ad esempio DcytB, DMT1,
ferroportina, modulazione del loro trasporto da parte di IRP-1 e IRP-2, e proteine coinvolte nello
stoccaggio, come ferritina ed emosiderina.
specifiche mutazioni in queste proteine, come ferroportina, portano ecvcessivo carico di ferro in
alcuni tessuti, anche se non sono stati trovati accumuli eccessivi di ferro nel cervello in soggetti
malati. Questo può indicare che ci sono altri meccanismi unici per la regolazione del ferro nel
cervello
ferro
nonostante il ferro contenuto nel cervello sia meno del 2% di quello presente nel corpo ci sono delle
regioni del cervello, come la materia grigia e il globus palidus, che hanno maggiori concentrazioni
di ferro rispetto al fegato
Le specie reattive potenzialmente più pericolose sono i ROS, per esempio lo ione ossidrile e gli
RNS, come il monossido di azoto (NO) e il perossinitrito (ONOO-), che possono danneggiare gran
parte delle molecole biologiche
In condizioni normali, questi radicali liberi sarebbero rapidamente eliminati dal sistema di difesa del
corpo, quando però vengono prodotte grandi quantità di ROS e RNS, c'è un sovraccarico dei
meccanismi di difesa cellulare, che porta allo stress ossidativo
stress ossidativo
E' ormai evidente che sia ROS che RNS sono coinvolti in gran parte delle patologie
neurodegenerative.
Queste proteine hanno particolari effetti deleterei, spesso associati alla morte della cellula a causa di
necrosi o apoptosi. Un punto importante da sottolineare è la ridotta capacità delle cellule del
cervello di proteggersi dai ROS, infatti l' attività e i livelli di molti enzimi citoprotettivi e
antiossidanti sono profondamente ridotti rispetto ad altri tessuti.
I ROS possono avviare la perossidazione dei lipidi attaccando gli acidi grassi polinsaturi nelle
membrane fosfolipidiche con conseguente produzione di tutta una serie di aldeidi reattive. Questo
può portare (attraverso l' addizione di Michael verso tioli, imidazoli e ammine proteiche) alla
formazione di carbonili proteici.
Ci sono sempre più prove che cambiamenti nel controllo omeostatico di ferro, rame, zinco e
manganese portano a malfunzionamenti di numerose proteine e sistemi metabolici. La carenza di
alcuni ioni metallici, nell' invecchiamento o durante lo sviluppo del cervello nell' utero o nell'
adolescenza, può portare all' abbassamento di questi metalli in alcune zone del cervello stesso,
contribuendo così alla possibile comparsa di disordini neurodegenerativi. L' incremento di questi
metalli può portare all' infiammazione, guidata da microglia attivate che possono avere un ruolo
importante in processi neurodegenerativi.
Degradazione delle proteine cellulari attraverso il sistema proteosomale
Un'importante caratteristica delle malattie neurodegenerative è l'apparente incapacità della cellula di
liberarsi delle proteine indesiderate che solitamente vengono scelte per essere degradate attraverso il
sistema proteosomale.In condizioni normali le proteine cellulari sono marcate dal sistema ubiquitina
ATP-dipendente, che coinvolge anche il 26S proteosoma, che le degrada. L'attività del 26S
proteosoma declina con l'invecchiamento e questo è un elemento determinante per le condizioni
neurodegenerative.
L' ESR ha mostrato che soluzioni di Aβ o α-sinucleina, incubate con piccole quantità di Fe(II),
rilasciano rapidamente radicali idrossili.
Inoltre svariate tecniche biofisiche hanno mostrato che, in vitro, incubando oligomeri di β-amiloide
immobilizzati con Fe(III), Cu(II) e Zn(II), si formano depositi sia di Aβ-40 che di Aβ-42. Ogni ione
redox-attivo catalizza la formazione di questi depositi amiloidi ma solo il Fe(III) induce la
deposizione di placche amiloidi fibrillari, mentre Cu(II) e Zn(II) inducono la formazione di
aggregati amorfi.
Se però Aβ è pretrattata con ferro-chelatori, come desferroxamina, la tossicità neuronale viene
significativamente attenuata.
La malattia dell'Alzheimer
Il morbo di Alzheimer è una delle più comuni malattie neurodegenerative nelle società occidentali. I
sintomi clinici appaiono tra 60-70 anni. Questa malattia presenta come sintomi la perdita della
memoria, seguita da progressivo declino delle funzioni cognitive e motorie. Sono coinvolti nel suo
sviluppo sia fattori genetici che ambientali. La caratteristica istologica dell' AD è la deposizione sia
di A-beta, in forma di placche, sia di proteina tau, sotto forma di viluppi neurofibrilari, per la
maggior parte nella corteccia cerebrale e nell' ippocampo.
Ci sono prove evidenti che i malfunzionamenti nella regolazione dell' omeostasi di Fe, Zn, Cu, che
si hanno nell' ippocampo, nell'amigdala, nella neocorteccia e nel bulbo olfattivo, contribuiscano alla
neuropatologia dell' AD. Insieme alle placche di Aβ, è stato riscontrato un incremento nella
concentrazione di questi metalli nell'amigdala e nel neuropilo dei malati di AD (confrontandoli con
un gruppo di controllo di età equivalente) .
AD patients
rame 390 μM
zinco 1055 μM
ferro 940 μM
normal patients
rame 70 μM
zinco 350 μM
ferro 340 μM
Il Fe redox-attivo, associato alle placche amiloidi e ai viluppi neurofibrillari, può contribuire al
danno ossidativo. Questi accumuli di metallo in zone specifiche del cervello possono indicare
alterazioni nell'omeostasi del ferro. In uno studio è stato trovato anche un minor rapporto
transferrina/Ferro in specifiche zone del cervello, che indica sempre un malfunzionamento nella
regolazione nell' omeostasi del ferro.
Nei malati di AD sono state riportate sia una maggiore presenza di transferrina C2 allele, sia un
maggior numero di interazioni tra questo C2 allele e APOE (proteina plasmatica coinvolta nel
trasporto del colesterolo). Uno studio recente ha mostrato che, chi possedeva il gene mutato HFE
C282Y e le varianti del gene della transferrina C2, aveva un rischio cinque volte superiore di
sviluppare l'AD. Inoltre la combinazione sia di HFE C282Y e HFE H63D, che di HFE C282Y e
transferrina C2, accelera la saturazione di transferrina in soggetti non malati e, questo, può
predisporre queste persone ad accumuli di ferro maggiori e allo stress ossidativo negli stadi
preclinici dell'AD. Infine, alterazioni in diversi metallo-enzimi e metallo-proteine, come la
ceruloplasmina, il trasportatore di Zinco ZnT-1 e la metallotioneina, possono giocare un ruolo
importante nello sviluppo dell'AD.
Aβ può essere ossidato nella membrana (forse a causa di elevati livelli di Cu e Fe nel cervello) da
cui poi viene liberato in forma solubile fino a precipitare come placche amiloidi. Aβ ha un sito di
legame nel suo N teminale piuttosto efficace per il Cu e può legarlo in quantità nM. Non sappiamo
ancora se Aβ, che è normalmente secreto in condizioni fisiologiche ordinarie, può funzionare come
antiossidante. Il contenuto di Aβ e il danno ossidativo sono inversamente proporzionali quindi Aβ
potrebbe essere un modulatore della produzione di ROS. Alcune funzioni fisiologiche associate all'
Aβ sono quella di scavenger per superossidi, quella di legante per il colesterolo e quello di reagente
di fase acuta.
Il Fe può modificare la produzione di APP. Infatti, in risposta alla chelazione intracellulare del
ferro, la traduzione di APP viene sensibilmente ridotta, causando un forte abbassamento della
produzione di APP solubile. E' stato suggerito che la distribuzione anormale del ferro nel cervello
dei malati di AD, possa derivare dalle alterazioni nell'omeostasi del ferro, determinata dalle proteine
di regolazione, IRP-1 e IRP-2. In un primo studio fu riportato nell'AD un'alterazione nella
localizzazione di IRP-2, ma non di IRP-1. In uno studio successivo però, non furono trovate
significative differenze nell'espressione di IRP-2.
C'è una grande quantità di dati che dimostra che tau può legare i metalli come Fe e Cu che giocano
un ruolo importante nella sua aggregazione. E' stato anche riconosciuto che molte delle chinasi che
fosforilano tau possono essere indotte dagli ioni metallici come lo zinco. L'accumulo di tau nei
viluppi neurofibrillari è associato con l'aumento di sintesi dell' eme-ossigenasi-1 (HO-1), un potente
antiossidante, che gioca un importante ruolo nella metabolizzazione dell'eme, rilasciato dai
mitocondri danneggiati. I prodotti della reazione dell' eme-ossigenasi sono Fe2+, monossido di
carbonio e biliverdina/bilirubina che sono molecole biologicamente attive che possono
profondamente influenzare l'omeostasi redox del tessuto in svariate condizione patofisiologiche.
HO-1 riduce il danno ossidativo ma il Fe2+ che viene rilasciato può partecipare nella reazione di
Fenton per produrre radicali idrossili.
Al momento non esistono farmaci curativi per l'Alzheimer, in grado cioè di interrompere il processo
di deterioramento cellulare; gli unici farmaci esistenti in commercio sono gli inibitori
dell’Acetilcolinesterasi (AChE) che agiscono a livello sintomatico, migliorando la memoria e la
concentrazione dei pazienti. Un esempio è il CX516. Si continuano dunque a ricercare inibitori
dell’AChE più efficaci a livello sinaptico e farmacologico.
Gli ioni metallici potrebbero avere un ruolo nella patogenesi dell’AD; infatti sembra che l’Aβ si
comporti come una metalloproteina con un’alta affinità per il Cu2+ e per lo Zn2+, i quali
potrebbero contribuire alla sua aggregazione e tossicità. In particolare il legame dei metalli all’Aβ
potrebbe causare la produzione ROS che sono coinvolte nella neurodegenerazione. Poiché le
concentrazioni di Cu2+ e di Zn2+ sono elevate nelle cortecce cerebrali di pazienti con AD, è stato
proposto l’impiego di chelanti di metalli per impedire l’interazione tra i metalli stessi e l’Aβ. E’
stato in seguito dimostrato che l’impiego di chelanti solubilizza le placche amiloidi in cervelli di
pazienti morti a causa dell'AD. In un primo studio, somministrando DFO (desferrioxamina, un
chelante) a 48 malati di AD, si è avuta una riduzione significativa nel declino delle abilità di vita
quotidiana.
Studi epidemiologici hanno evidenziato una relazione tra l’uso di antinfiammatori non steroidei,
(come l’aspirina, l’ibuprofene, l'indometacina, il nimesulide ed il naproxen) ed il ridotto rischio di
contrarre l’AD [Stewart 1997]. Gli studi hanno tratto spunto dall’osservazione di segni di
infiammazione in alcune regioni del cervello dei malati di AD. L’infiammazione generalmente
costituisce una risposta immunitaria dell’organismo a malattie o traumi, ma l’infiammazione
cronica può portare alla distruzione dei tessuti. Recenti studi mostrerebbero che alcuni
antinfiammatori non steroidei ridurrebbero la formazione di radicali liberi ed inibirebbero la
formazione del peptide Aβ42 senza coinvolgere la ciclossigenasi [Weggen et al. 2001]. Qualche
NSAIDs come ibuprofene e indometacina possono abbassare livelli tossici di Aβ fino al' 80%.
Sebbene la strategia sembri promettente in campo preventivo, rimane da chiarire il meccanismo alla
base dei risultati riscontrati per poter agire in modo mirato su questo particolare processo
infiammatorio. Non sono poi da trascurare i numerosi effetti collaterali da sempre presenti in terapie
con antinfiammatori.
Sia la sperimentazioni su topi APP transgenici sia la Fase I della sperimentazione effettuata sugli
uomini hanno avuto effetti positivi tanto che una parte dei partecipanti di quest'ultimo studio
presentavano anticorpi antiamiloidi. E' stata dunque portata avanti la Fase II della sperimentazione
solo su un ristretto numero di pazienti. Purtroppo nel gennaio del 2002 questa fase è stata interrotta,
in quanto alcuni partecipanti mostravano sintomi di infiammazione cerebrale e del midollo spinale.
Non è nota l’esatta causa dell’infiammazione e si stanno conducendo analisi per comprendere questi
risultati.
Il farmaco AN-1792, noto comunemente come “vaccino per l’Alzheimer” è una forma di Aβ, creata
con l’idea che il paziente, in seguito alla sua sommnistrazione avrebbe prodotto anticorpi antiamiloidi.
Inibitori AChE
Chelanti di ioni metallici
Antinfiammatori non stereoidei
Strategia Teurapeutica
Vaccino dell'Alzheimer
placche
cellule nervose contenenti viluppi
rame
Rame: è un elemento essenziale in molte metalloproteine coinvolte in numerose funzioni cellulari
che spaziano dalla respirazione cellulare, alla ferrossidasi, alla formazione di pigmenti, alla
biosintesi di neurotrasmettittori per le difese antiossidanti.
Negli ultimi anni sono stati fatti molti progressi nel capire l'omeostasi del ferro: dall'identificazione
dei geni e delle proteine coinvolte nell'assorbimento e nel trasporto (ad esempio DcytB, DMT1,
ferroportina), alla modulazione della loro traduzione da parte di IRP-1 e IRP-2, fino
all'identificazione delle proteine coinvolte nello stoccaggio (come ferritina ed emosiderina).
Specifiche mutazione in queste proteine (ad es. ferroportina) portano ad un eccessivo carico di ferro
in alcuni tessuti. In alcuni studi però, non sono stati trovati accumuli eccessivi di ferro nel cervello
di soggetti malati. Questo può indicare che ci sono altri meccanismi per la regolazione del ferro nel
cervello.
Beta-Amiloide
gruppi di frammenti
Un’altra sperimentazione condotta a Zurigo ha invece mostrato che non c’è correlazione tra i livelli
di anticorpi ed il rischio di sviluppare infiammazione cerebrale. La prima autopsia eseguita su una
paziente cui era stato somministrato l’AN-1792 ha mostrato però un’ampia diffusione
dell’infiammazione; di contro parecchie aree del cervello (ma non i vasi sanguigni) dimostravano di
aver perso le placche amiloidi [Nicoll et al. 2003].
Purtroppo i dati della sperimentazione di questo primo vaccino sono andati perduti perché i pazienti
che erano stati immunizzati non sono stati più monitorati. Ad oggi soltanto un gruppo di 13
persone, a Zurigo, è tenuto sotto controllo e costituisce un serbatoio importante per analizzare gli
effetti a lungo termine dell’immunizzazione. In un test successivo è stata trovata anche una
correlazione tra l’aumento delle funzioni cognitive e i livelli di anticorpi anti-amiloidi [Abbot
2004]. Si stanno dunque eseguendo studi per migliorare il vaccino. Una possibilità consiste nel
somministrare solo una porzione dell’Aβ piuttosto che il frammento intero; questo potrebbe ridurre
i rischi di infiammazione. Un’altra possibilità potrebbe essere quella di somministrare direttamente
degli anticorpi anti-amiloidi ottenuti tramite ingegneria genetica, piuttosto che stimolarne la
produzione da parte del sistema immunitario.
FINE
Ultimamente è stato descritto un nuovo sistema che coniuga i chelanti a nanoparticelle per facilitare
il loro passaggio attraverso la barriera ematoencelafica e di conseguenza anche l' uscita con il
metallo complessato. Lo sviluppo di nuovi chelanti attivi oralmente, ad esempio deferasirox,
possono essere di uso terapeutico nell' AD. Il cliochinolo, un chelante Cu/Zn, oltrepassa la barriera
encefalica e può avere effetti terapeutici. In test pre-clinici il cliochinolo ha indotto una netta
riduzione di deposizione di Aβ in topi APP transgenici. E' stato ritirato a causa di un possibile
coinvolgimento nella neuropatia mielo-ottica. Sembra però che questo inconveniente sia prevenibile
con la contemporanea somministrazione di vitamina B12.
Fe(II) + H2O2 -> Fe(III) + OH· + OH−
eme + 3 AH2 + 3 O2 <-> biliverdina + Fe2+ + CO + 3 A + 3 H2O
