Approfondimenti sulla patogenesi delle malattie neurodegenerative: focus sulla disfunzione mitocondriale e sullo stress ossidativo Parte 1

Riassunto: Con l’invecchiamento della popolazione aumenta l’incidenza delle malattie neurodegenerative. Grazie ad un'intensa ricerca, sono stati compiuti passi importanti nella delucidazione delle cascate patogenetiche che hanno implicato in modo significativo la disfunzione mitocondriale e lo stress ossidativo.

Con il continuo miglioramento della medicina moderna e del tenore di vita, l'aspettativa di vita media degli esseri umani diventa sempre più lunga, il che significa anche che l'invecchiamento della popolazione diventa sempre più grave. Sebbene gli anziani debbano affrontare molti problemi di salute e di vita, la perdita di memoria non è necessariamente uno di questi problemi.

Sono infatti molti gli anziani dotati di ottima memoria. Non solo possono mantenere la loro vita quotidiana, ma anche utilizzare la loro esperienza di vita per risolvere i problemi. Per quanto riguarda il calo della memoria, molti pensano che ciò sia dovuto all'età, ma in realtà è solo un malinteso.

Gli studi non hanno dimostrato alcun collegamento diretto tra la perdita e l'invecchiamento della popolazione. Giovani o anziani, il nostro cervello ha la capacità di autoripararsi e, se ci alleniamo regolarmente, possiamo migliorare la nostra memoria. Il declino della memoria degli anziani è maggiore perché il loro cervello non è completamente esercitato, con conseguente declino cerebrale.

Possiamo adottare alcune misure per rafforzare la nostra memoria, come esercitare il nostro cervello attraverso varie attività come leggere, scrivere, dipingere, viaggiare e socializzare. Inoltre, possiamo anche prestare attenzione alle abitudini alimentari e allo stile di vita, come mantenere una buona qualità del sonno, una dieta equilibrata ed evitare comportamenti non salutari come fumare o bere.

Pertanto, non dovremmo sottolineare il declino della memoria a causa dell'invecchiamento della popolazione, ma dovremmo essere più attivi nell'esercizio e nel mantenimento del cervello. Migliorando la nostra memoria, possiamo proteggere la nostra salute e la nostra vita libera. Si può vedere che dobbiamo migliorare la memoria e la Cistanche può migliorare significativamente la memoria, perché la Cistanche è un materiale medicinale tradizionale cinese con molti effetti unici, uno dei quali è quello di migliorare la memoria. L'effetto di Cistanche deriva dai vari principi attivi che contiene, tra cui acido tannico, polisaccaridi, glicosidi flavonoidi, ecc. Questi ingredienti possono promuovere la salute del cervello in vari modi.

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Tuttavia, il trattamento disponibile per il morbo di Alzheimer, il morbo di Parkinson e la sclerosi laterale amiotrofica è principalmente sintomatico, fornisce benefici minori e, al massimo, rallenta la progressione della malattia.

Sebbene in ambito preclinico i farmaci mirati alla disfunzione mitocondriale e allo stress ossidativo abbiano prodotto risultati incoraggianti, gli studi clinici hanno fallito o hanno avuto risultati inconcludenti. È probabile che al momento della diagnosi clinica, le cascate patogenetiche siano in piena regola e un numero significativo di neuroni sia già degenerato, rendendo impossibile per le molecole antiossidanti o mirate ai mitocondri arrestare o invertire il processo.

Fino a quando ulteriori ricerche non forniranno molecole più efficienti, uno stile di vita sano, con una dieta ricca di antiossidanti e l’evitamento di ossidanti esogeni, potrebbe ritardare l’insorgenza della neurodegenerazione, mentre i casi familiari potrebbero trarre beneficio dai test genetici e dalla terapia aggressiva iniziata nella fase preclinica.

Parole chiave: disfunzione mitocondriale; stress ossidativo; antiossidanti; morbo di Alzheimer; morbo di Parkinson; sclerosi laterale amiotrofica.

1. Introduzione

L'invecchiamento associa una serie di deficit fisiologici e un grado variabile di deterioramento cognitivo, essendo anche un importante fattore di rischio per malattie neurodegenerative come il morbo di Alzheimer (AD), il morbo di Parkinson (PD) o la sclerosi laterale amiotrofica (SLA) [1].

Dall’enorme quantità di ricerche volte a svelare i meccanismi dell’invecchiamento e della neurodegenerazione sono emersi diversi pezzi del puzzle, ma abbiamo ancora molta strada da fare per comprendere il quadro completo. Tuttavia, sembra che il danno ossidativo indotto dai radicali liberi e la disfunzione mitocondriale svolgano un ruolo importante in entrambi i processi.

2. Invecchiamento normale

L’invecchiamento del cervello avviene a livello molecolare, cellulare e istologico [2]. Associa livelli più bassi di attività metabolica neuronale, sottili alterazioni nella struttura neuronale in diversi circuiti neuronali, nonché atrofia sinaptica, anomalie citoscheletriche, accumulo di pigmenti fluorescenti e astrociti e microglia reattivi [3,4].

La ricerca punta verso l'ipotalamo come responsabile dell'avvio e del controllo del graduale declino del metabolismo energetico dell'intero corpo [5,6]. Attraverso la secrezione di neuroormoni, le connessioni con il sistema endocrino e le proiezioni del nucleo orexinergico al sistema di attivazione reticolare [5], l'ipotalamo regola i livelli di stress, il metabolismo, il sonno e influenza la qualità della vita percepita soggettivamente e l'instaurazione delle relazioni sociali [ 7–9].

La degenerazione del nucleo soprachiasmatico può inoltre contribuire ai disturbi del ritmo circadiano e al sonno compromesso [10-12]. Limitare il sonno può causare l’accumulo di prodotti di scarto neuronale tossici e limitare la neurogenesi nel cervello che invecchia, innescando un circolo vizioso che aumenta il processo neurodegenerativo [13].

Ulteriori fattori contribuiscono al declino del metabolismo delle cellule cerebrali. Il metabolismo cerebrale si basa principalmente su un apporto costante di glucosio e ossigeno attraverso il flusso sanguigno e, in misura limitata, sul lattato [14].

L'assorbimento neuronale del glucosio è mediato dai trasportatori del glucosio (GLUT), dopo di che viene convertito in glucosio-6-fosfato (G6P) dall'esochinasi. Pertanto, la disponibilità di ATP, a seconda dell'apporto di ossigeno e della fosforilazione ossidativa mitocondriale (OXPHOS), interferisce con l'assorbimento del glucosio [5,15].OXPHOS produce quantità considerevolmente più elevate di ATP rispetto alla glicolisi [16,17].

Nell’invecchiamento, il metabolismo ridotto può essere causato da una disfunzione mitocondriale e da una ridotta sintesi di ATP, nonché da cambiamenti vascolari che portano a un apporto limitato di ossigeno.

L’elevato dispendio energetico cellulare nel sistema nervoso, utilizzato per la trasmissione sinaptica (circa l’80% del consumo energetico del cervello) [18,19], la sinaptogenesi e la potatura sinaptica [18,20] associa un alto tasso di generazione di ossigeno reattivo specie principalmente dagli elettroni fuoriusciti dalla catena di trasporto degli elettroni mitocondriali (ETC).

L’eccessiva produzione di radicali liberi non può essere neutralizzata dalle difese antiossidanti e porta allo stress ossidativo, implicato nell’invecchiamento sin dagli anni ’50, quando Harman suggerì che il danno indotto dai radicali liberi su biomolecole, come proteine, lipidi e DNA, provoca una riduzione della loro attività biochimica e biologica. funzione fisiologica nell'invecchiamento [21].

Infatti, la ricerca ha dimostrato una composizione alterata dei fosfolipidi nel cervello di esseri umani e animali anziani insieme ad una maggiore generazione di malondialdeide (un marcatore di perossidazione lipidica), che forma depositi collegati alla lipofuscina intraneuronale [22] e ad elevati residui carbonilici (un marcatore di ossidazione delle proteine) [ 23].

Inoltre, l’invecchiamento diminuisce i sistemi di difesa antiossidanti, come il sistema del glutatione astrocitico [24], che potenzia ulteriormente lo stress ossidativo [2]. I mitocondri subiscono una serie di cambiamenti legati all’età come la frammentazione o l’allargamento [25], l’aumento del DNA mitocondriale (mtDNA ) danno ossidativo [26], presentano disfunzioni della catena respiratoria [27] e dell'omeostasi del calcio [28].

Questi cambiamenti associano una riduzione dei livelli intracellulari di NAD+ che compromette la funzione degli enzimi NA-dipendenti come le sirtuine (SIRT) e le deacetilasi istoniche [29,30]. Le sirtuine sono enzimi conservati altamente evolutivi coinvolti nella regolazione della durata della vita e dell'invecchiamento in diversi organismi, dal lievito ai mammiferi [31].

Nei mammiferi, SIRT 3, 4 e 5 sono localizzati nei mitocondri, SIRT 2 nel citosol e SIRT 1, 6 e 7 sono localizzati nel nucleo [32]. La ricerca ha dimostrato che la SIRT 1, principalmente nell'ipotalamo, svolge un ruolo chiave nel controllo dell'invecchiamento e della longevità negli organismi dei mammiferi [33,34].

Inizialmente l'accorciamento dei telomeri, che promuove la stabilità cromosomica durante la replicazione cellulare [35], era stato ignorato poiché aveva un'influenza importante sul cervello poiché i neuroni sono essenzialmente cellule postmitotiche che non si replicano più.

Tuttavia, questa visione è stata messa in discussione dimostrando l’attività del ciclo cellulare nel 10-20% dei neuroni nella corteccia di cervelli invecchiati sani e nell’AD [36,37], nonché dalla presenza di cellule staminali neurali nelle zone subventricolari e subgranulari, in i plessi coroidei e le meningi [38]. Inoltre, le cellule gliali (soprattutto la microglia) si replicano attivamente, con i telomeri che si accorciano gradualmente dopo ogni replicazione cellulare [39].

L’invecchiamento induce anche un fenotipo infiammatorio durante il quale, in risposta a mutazioni e danni al DNA, il fattore nucleare κB (NF-κB) avvia la trascrizione del fattore di necrosi tumorale (TNF-) e di varie interleuchine infiammatorie (IL-1, IL -6, IL-8) [40].

I ROS hanno un ruolo cruciale in questo processo, poiché fosforilano e degradano IκB, che si lega e inattiva NF-κB [41]. Basse quantità di ROS avviano cascate di segnalazione pro-sopravvivenza, l'NF-κB attivato sopprime le chinasi N-terminali c-Jun (JNK) e l'apoptosi e sovraregola i geni antiossidanti e anti-apoptotici come la superossidodismutasi di manganese (MnSOD) [42].

Tuttavia, elevate concentrazioni di ROS attivano NF-κB attraverso le proteine ​​chinasi e avviano percorsi di segnalazione dello stress cellulare. I neuroni danneggiati alterano l’equilibrio ionico nello spazio interstiziale e portano al rilascio di citochine, attivando così la microglia [43,44].

Sebbene il TNF- abbia ruoli importanti nell'apprendimento e nella plasticità sinaptica [45], un'eccessiva attivazione microgliale causerà la degenerazione delle sinapsi e disturbi funzionali, caratteristici dell'invecchiamento e della neurodegenerazione [46].

Inoltre, le risposte infiammatorie inducono altri fattori di trascrizione, come il trasduttore del segnale e l'attivatore della trascrizione (STAT-1) e il recettore gamma attivato dal proliferatore del perossisoma (PPAR), quest'ultimo svolgendo un ruolo importante nella biogenesi mitocondriale [47] .

Pertanto, il fenotipo secretorifero associato alla senescenza (SASP), in particolare negli astrociti, può innescare diverse malattie neurodegenerative legate all’età [48].

3. Mitocondri nel cervello

L'elevata attività metabolica cerebrale si basa principalmente sulla fosforilazione ossidativa per la produzione di ATP. Tuttavia, i mitocondri svolgono anche altre importanti funzioni nel cervello.

La segnalazione costante porta a continue variazioni nelle concentrazioni di calcio citosolico e i mitocondri in collaborazione con il reticolo endoplasmatico hanno un ruolo cruciale nella regolazione della neurotrasmissione tamponando il calcio nei terminali presinaptici e regolando i livelli di calcio somato-dendritico [49,50]. Inoltre, i mitocondri regolano il ciclo cellulare e controllano la morte cellulare [51].

Per realizzare queste diverse funzioni, il mantenimento della forma fisica mitocondriale è cruciale, richiedendo meccanismi efficienti di controllo della qualità [52], ottenuti attraverso la biogenesi e la fissione mitocondriale (separazione di un singolo organello in due o più organelli figli, essenziali per popolare le cellule in divisione o in crescita con un numero adeguato di mitocondri), fusione (un processo attraverso il quale i mitocondri condividono componenti essenziali) e mitofagia (eliminazione dei mitocondri danneggiati prima che portino all'apoptosi dell'intera cellula) [53,54].

Inoltre, i mitocondri devono essere trafficati lungo gli assoni per fornire energia attraverso l’assone [2].

3.1. Catena respiratoria mitocondriale e produzione di ROS

Un mitocondrio ha una membrana mitocondriale esterna spugnosa (OMM), che consente il libero movimento di piccoli ioni e molecole scariche, e una membrana mitocondriale interna impermeabile (IMM), che avvolge la matrice mitocondriale.

Tra l'IMM e l'OMM si trova lo spazio intermembrana [55]. La catena di trasporto degli elettroni mitocondriali (ETC) è costituita da diversi complessi proteici situati nell'IMM che utilizzano gli elettroni rimossi dalla nicotinamide adenina dinucleotide ridotta (NADH) e dalla flavinadenina dinucleotide (FADH2) dal ciclo di Krebs per pompare protoni dalla matrice nello spazio intermembrana, in tal modo generando un potenziale gradiente attraverso l'IMM, che verrà utilizzato nella fase finale di OXPHOS per sintetizzare ATP [56].

Per funzionare correttamente, questi complessi devono essere assemblati dalle IMM ripiegate (creste mitocondriali) in strutture specificamente configurate [57]. Anche in condizioni normali, l’1-2% dell’ossigeno totale consumato fuoriesce e genera ROS [58].

Almeno otto siti mitocondriali sono in grado di generare ROS, con i complessi I, II e III che contribuiscono principalmente [55,59]. Attraverso la perossidazione lipidica, l'ossidazione delle proteine ​​e il danno al DNA, i ROS generati possono alterare la funzione mitocondriale e aumentare la velocità della produzione di ROS, culminando nell’indegenerazione dei neuroni [60,61].

3.2. Mitocondri e omeostasi del calcio cellulare

Il calcio è coinvolto in molte funzioni neuronali, come la differenziazione, il rilascio delle vescicole e la trasmissione sinaptica, o la morte e la sopravvivenza cellulare [62,63]. Le fluttuazioni transitorie del Ca2+ citosolico agiscono come secondi messaggeri.

I livelli di Ca2+ citosolico libero sono in nanomolari, mentre i livelli extracellulari sono millimolari. L'afflusso di calcio avviene attraverso canali del calcio ligandooperati o voltaggio-dipendenti (VGCC), ma il Ca2+ può anche essere rilasciato dalle riserve intracellulari di Ca2+, tra cui il reticolo endoplasmatico (ER) ha un ruolo chiave [64]. Il legame degli agonisti ai recettori dell'inositolo 1,4,5-trifosfato (IP3) o ai rianodinerecettori (RyR) provoca un rilascio di Ca2+ dall'ER [65].

Tuttavia, affinché gli aumenti del Ca2+ citosolico siano brevi, il calcio deve essere rapidamente eliminato attraverso l'efflusso di calcio, legandosi alle proteine ​​tamponanti il ​​Ca2+- [66] o l'assorbimento nel ER o nei mitocondri [62] .

L'efflusso di Ca2+ è ottenuto dalla Ca2+-ATPasi della membrana plasmatica, che pompa Ca2+contro il gradiente di concentrazione idrolizzando l'ATP, e dallo scambiatore Na+/Ca2+ (NCX ), che si basa sul gradiente di sodio per estrudere Ca2+ [67].

L'assorbimento di Ca2+ da parte dell'ER è effettuato dalla Ca2+-ATPasi del reticolo sarco-endoplasmatico ATP-dipendente (SERCA) [68], mentre l'assorbimento di Ca2+ mitocondriale è mediato da agenti anionoselettivi voltaggio-dipendenti proteine ​​canale (VDCA), che mediano il trasferimento del Ca2+ nello spazio intermembrana, da dove l'uniportatore mitocondriale del Ca2+ (MCU) localizzato nell'IMM trasferisce ulteriormente il calcio nella matrice mitocondriale.

Gli aumenti del calcio mitocondriale attivano le deidrogenasi ETC e la produzione di ATP [69]. Tuttavia, il sovraccarico di calcio può alterare il potenziale della membrana mitocondriale, aprire il poro di transizione della permeabilità mitocondriale (MPTP) e portare al rilascio di citocromo C [70].

Pertanto, le concentrazioni mitocondriali di Ca2+ devono essere regolate con precisione.

Uno scambiatore mitocondriale Na+/Ca2+ situato nell'IMM, e chiamato NCLX perché può anche scambiare Li+ con Ca2+, estrude Ca2+ dalla matrice mitocondriale utilizzando il gradiente elettrochimico di Na+[71], mentre dallo spazio intermembrana Ca2+ viene estruso dallo scambiatore Na+/Ca2+ 3 e dai VDAC [72]. La Figura 1 illustra i meccanismi coinvolti nell'omeostasi del calcio cellulare.

Figura 1. Omeostasi del calcio intracellulare. L'afflusso cellulare di Ca2+ è mediato dai canali del calcio voltaggio-dipendenti (VGCC), dai canali del calcio ligando-dipendenti (LGCC) e, in circostanze eccezionali, dal funzionamento inverso dello scambiatore sodio/calcio (NCX).

Inoltre, il Ca2+ può essere rilasciato dal RE in seguito al legame dell'inositolo-1,4,5-trifosfato (IP3) con recettori specifici (IP3R) o con i recettori della rianodina (RyR).

IP3 viene generato legando i ligandi ai recettori accoppiati alle proteine ​​G plasmalemmali, che attivano la fosfolipasi C per scindere il fosfatidilinositolo 4,5-bifosfato, risultando nel secondo messaggero IP3.

Il calcio citosolico in eccesso viene rimosso attraverso l'efflusso attraverso l'NCX e la Ca2+ ATPasi (PMCA) della membrana plasmatica e l'assorbimento nell'ER da parte della Ca2+-ATPasi del reticolo sarcoendoplasmatico (SERCA).

I mitocondri tamponano il calcio citosolico attraverso l'uniportatore del calcio mitocondriale (MCU) ed estrude il Ca2+ in eccesso attraverso lo scambiatore Na+/Ca2+ (NCLX). Inoltre, le proteine ​​citosoliche leganti il ​​Ca2+ (CBP) agiscono come trasduttori di segnale.

Nel controllare le concentrazioni intracellulari di Ca2+, i mitocondri interagiscono con l'ER attraverso le membrane ER associate ai mitocondri (MAM) [73], microdomini in cui l'OMM si trova a soli 10-100 nanometri di distanza dall'ER [74,75].

Queste aree sono recettori arricchiti dell'ininositolo 1,4,5-trifosfato (IP3R) [76] che formano complessi funzionali con i VDAC attraverso una chaperone, Grp75 (proteina 75 regolata dal glucosio), appartenente alla famiglia delle proteine ​​dello shock termico 70 [77 ].

I complessi IP3R-Grp75-VDAC regolano il trasferimento di Ca2+ dal RE ai mitocondri [74]. L’apposizione di ER ai mitocondri è controllata dalla proteina 2 di smistamento dei cluster acidi della fosfofurina (PACS2) [78]. La diminuzione dei siti di contatto tra ER e mitocondri causata dalla delezione di PACS2 provoca frammentazione mitocondriale e apoptosi [79].

PACS2 è funzionalmente legato alla fosfatidilserina sintasi-1 (PSS1), un enzima situato nei MAM che media il trasferimento dei lipidi tra ER e mitocondri [80]. PACS2 e PSS1 sono stati trovati sovraregolati nei topi transgenici con AD e in pazienti umani con AD ad esordio tardivo [74,81]. Sono stati descritti diversi altri componenti dei MAM coinvolti nell'omeostasi del calcio e nelle cascate di segnalazione, come:

- Bap31 (proteina 31 associata al recettore delle cellule B), che interagisce con la proteina OMM Fis1 [82];

- VAPB (proteina B associata alla proteina di membrana associata alle vescicole), che interagisce con la proteina 51 interagente con la tirosina fosfatasi della proteina OMM [83];

- Sig-1R (recettore intracellulare 1-sigma non oppioide 1), un chaperone che lega Grp78; in condizioni di stress dell'ER, Grp78 si dissocia dalle zattere lipidiche dell'ER e attiva la risposta proteica non ripiegata (UPR) [ 84,85];

- Chinasi del reticolo endoplasmatico simile alla proteina chinasi (PERK), che, quando attivata, riduce la sintesi proteica fino a quando la proteina non ripiegata accumulata viene eliminata [86].

3.3. Dinamica mitocondriale

I mitocondri sono organelli dinamici, essendo in grado di modulare il loro numero, forma, dimensione e posizione nel citoplasma attraverso un attento bilanciamento di due processi opposti: fusione e fissione mitocondriale [87].

La fissione è regolata da due proteine: Drp1 (proteina 1 correlata/simile alla dinamina) e Dnm2 (dinamina 2) [88]. Il passo iniziale è l'avvolgimento del reticolo endoplasmatico attorno ai mitocondri e la riduzione del diametro di questi ultimi da 300-500 nm a circa 150 nm [89]. L'associazione spaziale del mtDNA replicante con i siti di contatto dei mitocondri ER spiega la distribuzione del mtDNA negli organelli replicanti [90].

Dopo questo passaggio, la proteina citosolica Drp1 viene reclutata nel sito di costrizione già marcato sull'OMM e legata alla membrana fosfolipidica da proteine ​​adattatrici come MFF (fattore di fissione mitocondriale) e proteine ​​di dinamica mitocondriale 49 e 51 (MiD49 e MiD51) [91].

In seguito al reclutamento di Drp1, attorno ai mitocondri si forma una struttura ad anello [92], dopo di che l'idrolisi del GTP potenzia la costrizione della membrana mitocondriale [87].

Il passo finale è il reclutamento di Dnm2, una GTPasi che si assembla nel sito marcato e completa il processo di fissione [93]. La costrizione e la divisione dell'IMM dipendono dal calcio e si verificano nei siti di contatto ER-mitocondri, forse anche prima del reclutamento di Drp1 [94].

La fusione mitocondriale è il processo opposto, mediante il quale le membrane di due mitocondri si fondono, dando origine a un singolo mitocondrio e consentendo la condivisione dei componenti essenziali tra i due organelli.

Il processo è regolato da altre due proteine ​​con attività GTPasi, Mfn1 e Mfn2 (mitofusine 1 e 2) per la fusione dell'OMM, mentre la fusione dell'IMM è sotto il controllo di un'altra GTPasi, OPA1 (atrofia ottica 1) [95].

Dopo il legame di due mitocondri (mediato attraverso i domini GTP), i due OMM adiacenti aumentano la loro area superficiale di contatto seguita dalla loro fusione a causa dell'idrolisi del GTP, dei successivi cambiamenti conformazionali e dell'oligomerizzazione dei Mfns [96].

Dopo la fusione OMM, la fusione IMM è mediata dall'OPA1 inserito nell'IMM, che può essere tagliato da due metalloproteasi legate alla membrana, OMA1 e YME1L, risultando in due frammenti ad alto peso molecolare (L-OPA1) e tre frammenti più corti (S-OPA1) [97] .

L'interazione di L-OPA1 con la cardiolipina, inserita nell'IMM, è cruciale per guidare la fusione della membrana [98]. L'equilibrio tra la scissione di OMA1 o YME1L di OPA1 regola la fissione mitocondriale [99].

La stimolazione di OXPHOS induce la scissione YME1L di OPA1 e la fusione mitocondriale, mentre la scissione di OPA1 da parte di OMA1 è una risposta allo stress e può anche indurre la frammentazione mitocondriale [87].

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