Mitofagia nell'ischemia cerebrale e nel danno da ischemia/riperfusioneⅡ

FISIOPATOLOGIA DELLA LESIONE ISCHEMO-RIPERFUSIONE (FIGURA 2)

Classificazione clinica dell'ictus ischemico

L'ictus ischemico, noto anche come ischemia cerebrale, è un tipo significativo di tutti i casi di ictus. Questa malattia si verifica quando i coaguli di sangue o le placche bloccano o restringono le arterie cerebrali. A seconda della condizione patologica, l'ictus ischemico può essere suddiviso in diversi sottotipi: stenosi arteriosa intracranica, occlusione arteriosa acuta e occlusione arteriosa cronica. La stenosi arteriosa intracranica si riferisce al restringimento delle arterie causato dalla formazione di depositi grassi chiamati placche aterosclerotiche e dal concomitante ispessimento delle pareti dei vasi.

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Nelle arterie intracraniche, comprese le arterie cerebrali medie, l'arteria basilare, le arterie carotidi e le arterie vertebrali intracraniche, i vasi sanguigni ristretti possono ridurre significativamente il flusso sanguigno, portando a un evento ischemico (Chimowitz et al., 2005; Banerjee e Chimowitz, 2017). Un'analisi sistematica incentrata sul ruolo dell'aterosclerosi intracranica nell'ictus ischemico indica che la stenosi che induce l'aterosclerosi con un grado superiore al 30% può essere una causa di infarto cerebrale fatale (Mazighi et al., 2008). La placca aterosclerotica è trombogenica. Una volta che il suo cappuccio è rotto, si può formare un coagulo instabile per restringere o occludere completamente le arterie. Il coagulo di sangue che blocca il sito interessato può formarsi localmente o originarsi altrove, come nel cuore, ed embolizzare attraverso il sistema circolatorio.

La rottura delle placche e le embolie del coagulo sono solitamente collegate all'occlusione arteriosa acuta, che manifesta i sintomi dell'ictus entro poche ore (Malhotra et al., 2017). L'occlusione può anche essere cronica (durare più di 4 settimane) se il cervello altera l'emodinamica cerebrale e compensa il flusso sanguigno costruendo la circolazione collaterale in risposta al ridotto afflusso di sangue arterioso (Sundaram et al., 2017). In tal caso, con sufficiente compenso collaterale, la malattia può essere asintomatica e benigna (Powers et al., 2000); L'occlusione cronica senza un sufficiente compenso da parte della circolazione collaterale potrebbe comunque provocare un'ipoperfusione cerebrale cronica, che porta all'infarto ischemico. In alcuni casi, i pazienti con occlusione cronica possono ricanalizzarsi spontaneamente per un lungo periodo (più di 3 mesi) (Delgado et al., 2015).

Gestione dell'ictus ischemico

Gli agenti trombolitici e le procedure di ricanalizzazione sono sviluppati come strategie di riperfusione per recuperare il flusso sanguigno nelle arterie colpite. Di solito, in ambito clinico vengono dati diversi approcci terapeutici a questi tre sottotipi di ictus. A causa di limiti tecnici, la stenosi grave e l'occlusione acuta delle arterie sono difficili da distinguere con precisione (Clevert et al., 2006). Tuttavia, la diagnosi corretta può essere utile per un trattamento ottimale e una prognosi migliore. La trombolisi endovenosa è l'unica terapia approvata per i pazienti affetti da AIS e può essere somministrata entro 3 ore dall'insorgenza dei sintomi. Tuttavia, gli esiti clinici del solo trattamento medico trombolitico per i pazienti con grave stenosi e occlusione hanno mostrato una prognosi peggiore del previsto e una minore efficacia (Mokin et al., 2012).

Gli studi clinici incentrati sulla lisi dei coaguli suggeriscono che la sola terapia trombolitica per via endovenosa ha un basso tasso di ricanalizzazione di solo il 30-40% tra i pazienti (Chen et al., 2012). Un'altra analisi degli esiti clinici della trombolisi endovenosa per l'occlusione dell'arteria carotide interna suggerisce che il tasso di esiti favorevoli è del 25% (Mokin et al., 2012). I trattamenti di rivascolarizzazione, inclusi lo stent o l'endoarteriectomia, sono stati quindi consigliati per i pazienti con stenosi moderata o grave. Rispetto alla trombolisi endovenosa, i destinatari di trombectomia hanno un'incidenza significativamente ridotta di ictus omolaterale, il che significa una prognosi migliore. Anche le terapie arteriose ottengono un risultato migliore nei pazienti con occlusione acuta (Mokin et al., 2012). Tuttavia, in ambito clinico, l'endoarterectomia non è considerata un'opzione da molti nel trattamento dell'occlusione completa dell'ACI poiché questa operazione è ancora tecnicamente impegnativa da eseguire per prevenire la formazione di trombi postoperatori e mantenere una buona prognosi (Kao et al., 2007; Chen et al. ., 2012; Faggioli et al., 2013).

Fino ad ora, la ricerca di trattamenti efficaci per l'occlusione cronica continua. Trattamenti medici come farmaci contro l'aggressione piastrinica o attivatori tissutali del plasminogeno per via endovenosa possono essere somministrati ai pazienti per ridurre il rischio di ictus. Approcci chirurgici come l'endoarteriectomia e lo stenting possono essere utilizzati anche nel trattamento dell'occlusione cronica, sebbene mostrino ancora alcuni apparenti inconvenienti. Come nell'occlusione acuta, l'endoarterectomia potrebbe fallire nei casi con un'organizzazione complessa del coagulo e il tasso di successo della ricanalizzazione raggiunge solo il 40% nei pazienti con occlusione cronica (Thompson et al., 1986; Xu et al., 2018). L'ipoperfusione si verifica ancora in pazienti che non sono riusciti a ripristinare il flusso sanguigno nelle terapie di ricanalizzazione, che si presume comportino la ricorrenza di eventi ischemici (Grubb et al., 1998). Inoltre, nel processo di stent, il coagulo può staccarsi quando lo stent viene rilasciato, bloccando l'arteria intracranica e può quindi causare complicazioni post-operatorie (Xu et al., 2018).

Lesione da ischemia-riperfusione

Nei pazienti che ricevono terapie di ricanalizzazione, l'improvviso ripristino del flusso sanguigno può talvolta essere dannoso, portando al cosiddetto "danno da riperfusione". La lesione I/R si riferisce alla lesione da riossigenazione dei tessuti causata dall'improvviso ritorno dell'afflusso di sangue a tessuti precedentemente ischemici o anossici. Durante la fase di ischemia, l'afflusso di sangue al di sotto dei requisiti funzionali standard causerà carenze di ossigeno e nutrienti, portando a disturbi metabolici (Irie et al., 2014) e risposta infiammatoria (Jin et al., 2013) nelle aree colpite. Il ripristino del flusso sanguigno è stato quindi considerato un trattamento fondamentale per preservare la funzionalità dei tessuti. Numerose ricerche e studi clinici sui trattamenti di riperfusione hanno dimostrato che le terapie di riperfusione, compresi gli agenti trombolitici per via endovenosa e gli interventi endovascolari come la trombectomia meccanica, sono relativamente sicure e possono aiutare con il recupero dei pazienti con ictus ischemico acuto (AIS) se somministrate in una finestra temporale ristretta (Kwiatkowski et al., 1999; Lees et al., 2010; Berkhemer et al., 2014; Jovin et al., 2015).

Tuttavia, la riperfusione potrebbe anche causare lesioni secondarie nei tessuti precedentemente ischemici poiché il rifornimento di nutrienti e ossigeno può innescare una notevole produzione e accumulo di ROS e nel frattempo altera l'omeostasi del calcio, con conseguente eccessivo stress ossidativo e infiammazione locale. Tali cambiamenti cellulari causano danni cellulari e possono attivare la via della morte cellulare nei precedenti tessuti ischemici.

Pprocesso e meccanismi di lesioni da I/R (figura 2)

L'eccessivo stress ossidativo gioca un ruolo critico nelle lesioni da I/R

Lo stress ossidativo è un disturbo nell'equilibrio tra radicali liberi e capacità antiossidante e spesso si verifica quando la produzione di ROS supera la difesa antiossidante. Nella fase ischemica, il flusso sanguigno ostruito con meno ossigeno e apporto di nutrienti induce uno spostamento del metabolismo mitocondriale da aerobico ad anaerobico, producendo così una minore concentrazione di ATP e agenti antiossidanti nelle cellule. Il successivo ritorno del flusso sanguigno al tessuto ischemico può causare la riattivazione della respirazione aerobica mitocondriale e quindi aumentare la produzione di ROS. A causa del livello ridotto di agenti antiossidanti, l'ossidazione supera l'antiossidazione durante il periodo di riperfusione, causando così un aumento dello stress ossidativo.

I sistemi enzimatici, compreso il sistema della xantina ossidasi, il sistema della NADPH ossidasi, il sistema dell'ossido nitrico (NO) sintasi e la catena di trasporto degli elettroni nei mitocondri, sono coinvolti principalmente nel verificarsi dello stress ossidativo. Nelle cellule normali, il metabolismo delle purine inizia dalla conversione dell'ATP in inosina con la partecipazione di deaminasi e nucleotidasi, seguita dalla sua ulteriore trasformazione in ipoxantina. Successivamente si verifica l'ossidazione dell'ipoxantina a xantina e della xantina ad acido urico e la xantina deidrogenasi (XDH) e la xantina ossidasi (XOD) funzionano separatamente in questi due processi di ossidazione. XDH utilizza NAD plus come accettore di elettroni per produrre NADH e lo stato di ischemia può indurre il suo passaggio a XOD che utilizza O2 come accettore (Kinuta et al., 1989). Il ripristino del flusso sanguigno e dell'ossigeno può stimolare il processo di ossidazione nel metabolismo delle purine. Poiché il livello di XOD è precedentemente promosso, la formazione di acido urico nella fase di riperfusione è accompagnata dalla produzione di anione superossido altamente reattivo (O2−). Il superossido può essere successivamente trasformato in perossido di idrogeno (H2O2) e nel radicale idrossile (OH•), che stimola ulteriormente lo stress ossidativo e provoca danni. Le NADPH ossidasi sono la fonte primaria di ROS. Ossiano NADPH in NADP plus e consegnano elettroni a O2, generando così superossido o H2O2.

È stato riportato che la famiglia Nox/Duox delle NADPH ossidasi è coinvolta nella produzione di ROS durante il danno I/R dalla loro attività facilitata (Wang et al., 2006; Simone et al., 2014). Nox2 è stato al centro delle lesioni I/R che si verificano durante l'ictus. Topi con deficit di subunità Nox e topi con pretrattamento dell'apocinina (un inibitore Nox2) mostrano un volume dell'infarto notevolmente ridotto e un miglioramento dell'esito clinico dell'ictus (Chen et al., 2009; Jackman et al., 2009), suggerendo che i ROS indotti da Nox svolgono un ruolo ruolo considerevole nel danno I/R. Oltre a produrre immediatamente ROS, le NADPH ossidasi regolano anche la produzione di ROS stimolando il sistema NO sintasi. L'NO, noto anche come fattore rilassante derivato dall'endotelio, è prodotto dalla L-arginina dall'ossido nitrico sintasi (NOS) di tre fonti: NOS neuronale (nNOS), NOS inducibile (iNOS) e NOS endoteliale (eNOS). Il ruolo dell'NO è variabile: generalmente funziona come agente antiossidante, ma la sua interazione con l'anione superossido può portare alla formazione del perossinitrito (ONOO−) (Marla et al., 1997). I ROS creati dalle NADPH ossidasi possono ossidare la tetraidrobiopterina (BH4), un cofattore essenziale che media l'attività di eNOS. L'ossidazione di BH4 successivamente induce il disaccoppiamento di eNOS, con conseguente diminuzione della produzione di NO e aumento della produzione di ONOO da eNOS (Landmesser et al., 2003).

I mitocondri sono il principale sito di generazione, azione e danno dello stress ossidativo. I ROS possono essere generati da ETC. Nell'ischemia, lo stress cellulare può indurre modificazioni post-traduzionali delle proteine ​​di fosforilazione ossidativa in ETC, rendendole più sensibili alla riossigenazione (Prabu et al., 2006). I complessi ETC interrotti possono portare a potenziali di membrana mitocondriale più elevati, positivamente associati a una maggiore generazione di ROS (Prabu et al., 2006). Lo stress ossidativo potenziato può colpire i mitocondri e danneggiare ulteriormente l'ETC, causando successivamente una maggiore generazione di ROS (Indo et al., 2007). I ROS di origine esogena e la generazione mitocondriale di ROS possono portare a danni al DNA mitocondriale (Indo et al., 2007). Inoltre, troppo stress ossidativo può causare danni cellulari o morte (Figura 2).

Sovraccarico di calcio: un altro disturbo nella lesione da ischemia-riperfusione

Oltre allo stress ossidativo causato da diverse fonti, il sovraccarico di calcio e l'aumento anomalo del livello intracellulare di Ca2 plus sono altri importanti fattori patologici che svolgono un ruolo importante nel danno da riperfusione. La respirazione anaerobica nell'ischemia diminuisce il pH intracellulare; quindi, lo scambiatore Na plus/H plus (NHE) consente l'afflusso di Na plus per mantenere il pH. L'NHE è generalmente inattivato durante l'ischemia, ma la sua attività può essere aumentata durante la riperfusione, portando a un grande afflusso di Na plus (Allen e Xiao, 2003). Un livello inferiore di ATP nell'ischemia indebolisce anche l'attività delle pompe Na plus dipendenti dall'energia, determinando un livello più elevato di Na plus intracellulare.

Uno studio del 1987 suggerì che il precedente squilibrio di sodio fosse una causa di sovraccarico di calcio utilizzando un modello di carico di Na plus con rifornimento di energia (Grinwald e Brosnahan, 1987). Il mancato ritorno al normale equilibrio di Na plus al ripristino dell'ossigeno può promuovere la funzione dello scambiatore Na plus/Ca2 plus (NCX) che è sensibile al livello intracellulare di Na plus, portando così a un maggiore afflusso di Ca2 plus. Il sovraccarico di calcio è anche indotto da un elevato rilascio di Ca2 plus e da un limitato assorbimento di Ca2 plus da una fonte interna, compreso il reticolo endoplasmatico (ER) o l'apparato di Golgi (Chami et al., 2008). L'assorbimento promosso di Ca2 plus da parte dei mitocondri si verifica successivamente in seguito a sovraccarico di calcio citosolico (Brookes et al., 2004). Il sovraccarico di calcio citosolico e mitocondriale può causare danni cellulari in vari modi, tra cui l'interruzione della funzione mitocondriale (Wang M. et al., 2015), la promozione della produzione di ROS (Zhu et al., 2018) e l'induzione della morte cellulare (Boehning et al., 2004; Zhu et al., 2018) (Figura 2).

MitocHondria-Dependent Cell Death in I/R Injury

Le alternanze cellulari, compreso l'aumento dello stress ossidativo e il sovraccarico di calcio, possono portare all'apoptosi con il coinvolgimento dei mitocondri. Questo processo è avviato da cambiamenti nella permeabilità della membrana mitocondriale controllata dal poro di transizione della permeabilità mitocondriale (mPTP). È probabile che l'attività di mPTP sia mediata dal livello di Ca2 plus della matrice mitocondriale e il sovraccarico di calcio mitocondriale derivante dal sovraccarico di calcio citosolico può facilitare l'apertura di mPTP (Qian et al., 1999). Anche la produzione di ROS durante la lesione I/R, in particolare i radicali idrossilici e il perossido di idrogeno, è stata ritenuta indispensabile nell'apertura di mPTP (Assaly et al., 2012). La membrana permeabilizzata consente l'attivazione e l'inserimento dei membri pro-apoptotici della famiglia Bcl-2 BAX e BAK nella membrana dei mitocondri (Wei et al., 2000; Kirkland et al., 2002).

Questo aiuta a trasferire le proteine ​​mitocondriali incluso il citocromo c dai mitocondri al citosol, seguito dall'interazione tra il citocromo c e due cofattori, il fattore di attivazione della proteasi apoptotica 1 (APAF-1) e la pro-caspasi-9, a formano l'apoptosoma, che alla fine attiva la via di morte cellulare di segnalazione della caspasi-9-caspasi-3 con eventi proteolitici e frammentazione del DNA (Broughton et al., 2009). Questo percorso è indicato come il percorso apoptotico dipendente dalla caspasi. Un'altra via di morte cellulare, l'apoptosi indipendente dalla caspasi, può essere attivata quando l'energia cellulare si sta esaurendo (Daugas et al., 2000). La poli (ADP-ribosio) polimerasi-1 (PARP-1) è un enzima nucleare che si localizza a monte del percorso (Yu et al., 2002).

Il danno al DNA indotto da ROS può innescare l'iperattivazione di PARP-1, in cui viene utilizzato NAD plus, esaurendo così l'accumulo di energia. Yu et al. (2002) hanno anche scoperto che l'attivazione di PARP-1 può portare al rilascio del suo fattore di induzione dell'apoptosi target a valle (AIF, una flavoproteina mitocondriale) dall'intermembrana mitocondriale al nucleo, causando la condensazione della cromatina e la frammentazione del DNA su larga scala . Gli studi hanno indicato che l'AIF non ha un effetto diretto sulla frammentazione del DNA (Susin et al., 1999; Wang et al., 2002). Pertanto, probabilmente ha bisogno di un effettore a valle durante questo processo. Gli studi hanno suggerito che l'endonucleasi G potrebbe interagire con l'AIF e causare la frammentazione del DNA (Wang et al., 2002; Lee et al., 2005), sebbene la loro interazione non sia ancora chiara. La morte cellulare indotta da PARP-1-è un percorso unico di morte cellulare. Generalmente mostra le caratteristiche dell'apoptosi ed è anche considerato necrotico da alcuni ricercatori poiché l'apoptosi classica è dipendente dall'energia (Ha e Snyder, 1999).

TIl cervello è suscettibile alle lesioni da I/R

La lesione I/R può verificarsi in molti organi e tessuti, inclusi cervello, cuore, muscoli scheletrici e reni. Alcune caratteristiche comuni sono condivise dalla lesione I/R in queste aree, tra cui l'elevata produzione di ROS, il sovraccarico di calcio, l'infiammazione e l'apertura di mPTP. Tuttavia, le caratteristiche organo-specifiche possono influenzare la gravità della lesione I/R in diversi organi. Il cervello, l'organo in cui si verifica un danno irreversibile entro 20 minuti dopo l'ischemia e una finestra temporale ristretta (generalmente 3-4,5 ore) può essere somministrata per la terapia di riperfusione, è considerato molto suscettibile al danno I/R (Ordy et al., 1993) .

I ROS nel cervello sono generati principalmente dai mitocondri piuttosto che da altre fonti enzimatiche di ROS come area metabolicamente attiva. Il cervello rappresenta oltre il 20% del consumo totale di ossigeno corporeo, ma con un livello di agente antiossidante relativamente basso rispetto ad altri organi, che lo rende vulnerabile allo stress ossidativo (Markesbery e Lovell, 2007; Damle et al., 2009; Kalogeris et al. , 2012). Inoltre, il ferro labile accumulato nel cervello può reagire con H2O2 per produrre •OH altamente reattivo. Questa reazione stimola l'ossidazione e la perossidazione degli acidi grassi polinsaturi massicciamente accumulati nel cervello, causando ancora più stress ossidativo (Ferretti et al., 2008). A causa della suscettibilità del cervello al danno I/R, trovare bersagli per prevenire il danno da riperfusione al cervello è significativo nel trattamento dell'ictus.

Estensione della finestra temporale terapeutica nell'ictus ischemico: ricanalizzazione ritardata

Il successo della ricanalizzazione del vaso occluso il prima possibile è stato ampiamente accettato come principio vitale del trattamento dell'AIS. Sfortunatamente, per molti anni, alla maggior parte dei pazienti con AIS è stato impedito di ricevere una terapia di ricanalizzazione efficace a causa di una finestra terapeutica ristretta. Negli ultimi anni, una serie di studi clinici ha indicato che la ricanalizzazione ritardata può ancora avere benefici nei cervelli ischemici durante una finestra terapeutica estesa, fino a più di 24 ore, diversi giorni e anche più di 1 mese dopo l'insorgenza dei sintomi [Rivisto da Kang et al. (2020)]. Clinicamente, i progressi nelle tecniche di imaging hanno consentito una migliore caratterizzazione del tessuto cerebrale e dello stato dei vasi nell'AIS. I marcatori di ischemia cerebrale sono istruiti dal mismatch imaging pesato perfusione/imaging pesato in diffusione (PWI/DWI) e dal mismatch DWI/fluid-attenuated inversion recovery (DWI/FLAIR) sulla risonanza magnetica (MRI).

La scansione MRI con PWI o la scansione della perfusione (CTP) con tomografia computerizzata (TC) mostra diversi livelli di ipoperfusione. Alla luce di questi sviluppi, insieme ai progressi nei dispositivi interventistici intravascolari, è possibile espandere la finestra temporale di ricanalizzazione in alcuni pazienti. Un numero crescente di studi randomizzati ha dimostrato che la ricanalizzazione ritardata ha effetti benefici sugli esiti di 90-giorni. Due studi clinici controllati randomizzati di alta qualità (DAWN e DEFUSE 3) sulla trombectomia meccanica endovascolare hanno riportato che la ricanalizzazione ritardata selettiva basata sulla mancata corrispondenza dell'imaging ha migliorato gli esiti di 90-giorni dei pazienti, anche se eseguita a 16-24 ore dall'insorgenza dei sintomi (Ragoschke-Schumm e Walter, 2018). In sintesi, nonostante il rischio di lesioni I/R, che potrebbe aumentare con il ritardo temporale della ricanalizzazione, la ricanalizzazione ritardata è ancora vantaggiosa per un certo sottotipo di pazienti.

Effetto di neuroprotezione Cistanche

Cistanche è un estratto vegetale noto per le sue proprietà neuroprotettive e si ritiene che il suo meccanismo d'azione implichi effetti antiossidanti, antinfiammatori e antiapoptotici. Esistono diversi test rilevanti e casi applicativi relativi agli effetti neuroprotettivi di Cistanche, che includono:

1. Studi in vitro: studi in vitro hanno dimostrato che l'estratto di Cistanche protegge i neuroni dai danni indotti dallo stress riducendo lo stress ossidativo e l'infiammazione.

2. Studi sugli animali: gli studi sugli animali hanno dimostrato che Cistanche può proteggere dai danni neuronali causati da ischemia cerebrale, lesioni cerebrali traumatiche ed esposizione a neurotossine.

3. Studi sull'uomo: ci sono prove cliniche limitate sugli effetti neuroprotettivi di Cistanche negli esseri umani, ma alcuni studi hanno suggerito che potrebbe migliorare la funzione cognitiva e ridurre il declino della memoria legato all'età.

Luoan Shen1†, Qinyi Gan1†, Youcheng Yang1, Cesar Reis2, Zheng Zhang1, Shanshan Xu3, Tongyu Zhang4 * e Chengmei Sun1,3 *

1 Zhejiang University-University of Edinburgh Institute, School of Medicine, Zhejiang University, Haining, Cina,

2 VA Loma Linda Healthcare System, Loma Linda University, Loma Linda, CA, Stati Uniti,

3 Institute for Advanced Study, Shenzhen University, Shenzhen, Cina, 4 Department of Neurosurgery, Xuanwu Hospital, Capital Medical University, Pechino, Cina