Quali sono i meccanismi endogeni di neuroprotezione?

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Sara Marmolejo-Martinez-Artesero 1 , Caty Casas 1,† e David Romeo-Guitart1,2,*

1 Dipartimento di Biologia Cellulare, Fisiologia e Immunologia, Institut de Neurosciences (INc),

Universitat Autonoma de Barcelona (UAB), Bellaterra, 08193 Barcellona, ​​Spagna; Sara.Marmolejo@uab.cat

2 Laboratorio "Regolazione ormonale dello sviluppo e delle funzioni del cervello"—Team 8, Institut Necker Enfants-Malades (INEM), INSERM U1151, Université Paris Descartes, Sorbonne Paris Cité,

75015 Parigi, Francia

* Corrispondenza: david.romeo-guitart@inserm.fr; Tel.: più 33-01-40-61-53-57 † Morto il 29 giugno 2020.

Astratto: Le cellule postmitotiche, come i neuroni, devono vivere per tutta la vita. Per questo motivo gli organismi/cellule si sono evoluti con meccanismi di autoriparazione che consentono loro di avere una lunga vita. Il flusso di lavoro di scoperta dei neuroprotettori negli ultimi anni si è concentrato sul blocco dei meccanismi fisiopatologici che portano alla perdita neuronale nella neurodegenerazione. Sfortunatamente, solo alcune strategie di questi studi sono state in grado di rallentare o prevenire la neurodegenerazione. Esistono prove convincenti che dimostrano che approvare i meccanismi di autoguarigione che organismi/cellule hanno in modo endogeno, comunemente indicati come resilienza cellulare, può armare i neuroni e promuovere la loro autoguarigione. Sebbene il potenziamento di questi meccanismi non abbia ancora ricevuto sufficiente attenzione, questi percorsi aprono nuove strade terapeutiche per prevenire la morte neuronale e migliorare la neurodegenerazione. Qui, evidenziamo i principali meccanismi endogeni di protezione e descriviamo il loro ruolo nel promuovere la sopravvivenza dei neuroni durante la neurodegenerazione.

Parole chiave: autofagia; resilienza cellulare; meccanismi endogeni; neuroprotezione; sopravvivenza neuronale; risposta proteica spiegata

1. Processi neurodegenerativi

Con l'aumento dell'aspettativa di vita nei paesi sviluppati, è probabile che la frequenza delle malattie neurodegenerative come il morbo di Alzheimer (AD), il morbo di Parkinson (PD) o la malattia di Huntington (HD) o il declino delle prestazioni del nostro sistema nervoso correlato all'età aumenti. Sebbene ci siano diverse linee di evidenza che indicano che queste patologie hanno componenti neuronali, astrogliali e microgliali, il declino delle funzioni quotidiane è causato da una progressiva perdita neuronale. A causa del loro basso turnover, i neuroni sono cellule postmitotiche che devono vivere per tutta la vita. Per questo motivo, hanno bisogno di un potente meccanismo protettivo intrinseco per far fronte agli insulti esterni e interni, che ne causeranno la morte. Questi rischi esterni/interni sono lesioni traumatiche o composti eccitotossici, specie reattive dell'ossigeno (ROS), aggregati proteici e altre molecole tossiche. Fortunatamente, le cellule hanno un meccanismo intrinseco che blocca la morte attivando meccanismi di resilienza o promuovendo percorsi di rigenerazione. Mentre i giovani neuroni hanno il corretto funzionamento di questi meccanismi protettivi di autoguarigione, l'invecchiamento li disturba, lasciando i neuroni non protetti. Nella stessa direzione, la disfunzionalità su questi meccanismi di autoguarigione è stata descritta anche nelle malattie neurodegenerative.

Negli ultimi decenni sono stati investiti enormi sforzi per ottenere terapie neuroprotettive nuove ed efficaci. Tuttavia, hanno lo scopo di colpire i meccanismi fisiopatologici, che alla fine si trasformano in un'accelerazione della morte neuronale. Quindi, perché non potenziare i meccanismi che i neuroni hanno naturalmente per ottenere un approccio neuroprotettivo efficace?

Questa rete protettiva è guidata dalla diafonia di diversi processi cellulari (ad esempio, risposta proteica spiegata (UPR), autofagia, ecc.), ma convergono nello stesso processo: consentendo alla cellula di adattarsi allo stress e sopravvivere [1–3] . Recentemente, abbiamo considerato una nuova logica per scoprire i neuroprotettori: decifrare quali meccanismi molecolari i neuroni interagiscono dopo due diverse lesioni nervose con fenotipi opposti, sopravvivenza o morte, che condividono somiglianze con la salute e la neurodegenerazione/invecchiamento. Per fare ciò, abbiamo utilizzato due modelli di lesione dei nervi periferici in vivo che imitano la funzionalità o la disfunzionalità dei meccanismi endogeni di protezione. Provocano la morte del motoneurone (MN) (avulsione della radice (RA)) o la sopravvivenza (assotomia distale (DA)), a seconda delle distanze soma-lesione [2]. Con l'aiuto di questi modelli e utilizzando un approccio basato sulla biologia dei sistemi, abbiamo confermato che la morte dei MN dopo RA condivide somiglianze con la perdita neuronale osservata nelle malattie neurodegenerative e abbiamo anche descritto quali meccanismi vengono utilizzati dai MN per sopravvivere dopo una lesione nervosa [2]. I processi degenerativi sono l'apoptosi, la necrosi, l'anoikis, lo stress del reticolo endoplasmatico (ER), lo stress nucleolare, i riarrangiamenti del citoscheletro e la disfunzione mitocondriale, mentre i driver di sopravvivenza sono: un corretto UPR, la risposta allo shock termico, la via autofagica, l'ubiquitina- sistema del proteasoma, i sistemi chaperone, il meccanismo di degradazione associato a ER e la difesa antiossidante (Tabella 1). È interessante notare che tutti questi meccanismi sono stati descritti separatamente anni fa e indicati come lesioni precondizionanti (vedi sotto).

Tabella 1. Riassunto delle proteine ​​coinvolte per ciascun meccanismo endogeno dineuroprotezione, compreso il meccanismo molecolare mediante il quale i loro effetti sono mediati.

Abbiamo dimostrato che potenziando questi meccanismi endogeni dineuroprotezioneattraverso il trattamento farmacologico consente al MN di sopravvivere in diversi scenari pro-morte, che vanno da specie diverse a diversi stadi di sviluppo [23,54,55].

2. Prima evidenza di meccanismi endogeni: precondizionamento

Gli effetti fenotipici dei meccanismi endogeni di protezione sono stati descritti 40 anni fa. Nel 1986. Murry et al. ha descritto che lo stress fisiologico subletale, noto anche come lesione da precondizionamento, migliora il recupero dei tessuti nel cuore [56]. Da qui, questi meccanismi di guarigione sono stati osservati anche nel cervello e nel midollo spinale (SC) [57]. Ad esempio, queste risposte cellulari si osservano dopo una lesione nervosa o durante la rigenerazione del cuore, dove la produzione rispettivamente di ROS o di vescicole extracellulari guida il recupero funzionale [58-60]. Sorprendentemente, il precondizionamento di un organo specifico esercita la protezione degli altri dalle lesioni [61]. Diversi effettori specifici sono responsabili di questi effetti. Dopo il precondizionamento della lesione, la produzione di diversi mediatori (ossido nitrico o ROS) attiverà le vie di segnalazione fosfatidilinositolo 3-chinasi (PI3K)/proteina chinasi B (AKT), proteina chinasi C (PKC) e altre vie di segnalazione che modulerà fattori di trascrizione come il fattore inducibile dall'ipossia 1-alfa (Hif1-) o NF-kB. Questi si tradurranno nella produzione di ossido nitrico sintasi (iNOS), proteine ​​​​da shock termico (HSP) e ciclossigenasi-2 (COX-2), che sono descritti come "effettori finali" e promuoveranno l'effetto protettivo all'interno del tessuto contro futuri insulti [61]. Insieme, questi studi suggeriscono che organismi/cellule hanno meccanismi protettivi endogeni e potenziarli può essere un'efficace strategia terapeutica.

3. Meccanismi endogeni di neuroprotezione

3.1. Autofagia di perfezionamento

I neuroni richiedono il riciclaggio continuo dei materiali intracellulari per mantenere l'omeostasi. La macro-autofagia di seguito denominata autofagia, è una rete molecolare altamente coordinata nelle cellule eucariotiche che persegue il riciclo del contenuto citoplasmatico attraverso la degradazione lisosomiale. Sebbene questo meccanismo di degradazione sia stato inizialmente osservato solo sotto la fame, studi recenti hanno dimostrato che le cellule hanno un livello basale di autofagia per regolare l'omeostasi proteica. Questi livelli basali sono essenziali per il mantenimento assonale e la sopravvivenza dei neuroni in condizioni normali [62,63]. Un flusso autofagico funzionale è un processo altamente coordinato da diversi geni correlati all'autofagia (ATG), chinasi e altre proteine ​​regolatrici. Tutti lavorano insieme per orchestrare il corretto inizio, nucleazione, allungamento, chiusura e fusione degli autofagosomi con i lisosomi per degradare il carico citosolico [64]. Un ridotto flusso di autofagia si osserva nell'ippocampo durante l'invecchiamento, mentre il ristabilimento dei suoi livelli facilita la formazione di nuovi ricordi [65]. L'autofagia alterata o disfunzionale nei neuroni è associata alla neurodegenerazione, mentre l'attivazione dell'autofagia produceneuroprotezione[5,54]. Nella sclerosi laterale amiotrofica (SLA) sono state osservate alterazioni delle proteine ​​legate alle fasi iniziale e di allungamento [66,67], e gli induttori dell'autofagia, come la rapamicina, esercitanoneuroprotezionedopo ischemia cerebrale, trauma cranico (TBI) e AD [68-70]. Il knockout neurone specifico (KO) di ATG5 o ATG7 provoca neurodegenerazione, accumulo di corpi di inclusione citoplasmatici e morte dei neuroni [62,71], mentre la loro sovraespressione è benefica in un modello di PD [4]. Infine, p62, che gestisce la carica nell'autofagosoma e svolge un ruolo chiave negli ultimi stadi di formazione dell'autofagosoma, è neuroprotettivo nei modelli di mosche caratterizzati da aggregati proteici, che è un segno distintivo delle malattie neurodegenerative [6].

Diversi studi hanno dimostrato l'accumulo di autofagosomi e autolisosomi durante la neurodegenerazione, suggerendo che l'autofagia è iperattivata e può innescare la morte neuronale. L'accumulo aberrante di processi autofagici all'interno del citoplasma può essere causato da una disfunzione lisosomiale, piuttosto che da un'autofagia iperattivata [72]. L'autofagia viene avviata correttamente dopo il trauma cranico, ma gli autofagosomi non vengono eliminati a causa della disfunzione lisosomiale, portando a un'autofagia irrisolta che promuove la morte neuronale [73]. Queste vie lisosomiali non funzionali si osservano anche dopo una lesione del midollo spinale (SCI), ostacolando il recupero funzionale [74]. Un blocco simile nella clearance degli autofagosomi è descritto anche nelle malattie neurodegenerative (cioè il cervello umano dell'AD) [75]. L'integrazione di tutte queste prove suggerisce che il miglioramento della risoluzione dell'autofagia può fornire protezione. Platt ha recentemente evidenziato la via terapeutica per migliorare la funzione delle proteine ​​lisosomiali per prevenire la neurodegenerazione [76]. La sovraespressione del fattore di trascrizione EB (TFEB), che modula una rete trascrizionale essenziale per la biogenesi e la funzione del lisosoma, ha promosso effetti neuroprotettivi in ​​un modello di ratto di PD [7] e in un modello di topo AD [8].

L'induzione dell'autofagia non è buona come vorremmo. Sebbene sia un meccanismo protettivo canonico, il suo meccanismo o l'iperattivazione può facilitare la morte cellulare [77,78]. L'inibizione dell'autofagia dopo l'esposizione a prioni umani riduce il danno neuronale, indicando che l'induzione dell'autofagia determina anche la morte [79], e la ridotta iniziazione dell'autofagia promuove il recupero funzionale dopo l'emisezione sottocutanea, previene l'apoptosi e riduce la morte piramidale dopo l'ischemia nei topi neonati e adulti [80–82]. Se ci concentriamo sui neuroni assotomizzati, il blocco dell'autofagia è neuroprotettivo per quelli rubrospinali [80], mentre un aumento del livello di ATG5 protegge i MN spinali [5]. Aggiungendo polemiche, le cellule tumorali trattate con chemioterapia attivano l'autofagia per superare la morte apoptotica indotta dal trattamento, mentre l'autofagia MN-dipendente inibisce l'apoptosi [54]. Inoltre, gli ATG innescano anche la morte neuronale. ATG5 perde le sue capacità pro-autofagiche quando viene scisso, spostando la sua attività verso l'induzione della morte cellulare [83-85]. Beclin1 ha effetti anti-apoptotici in condizioni normali, ma la sua scissione al C-terminale sensibilizza le cellule ai segnali apoptotici [9]. Pertanto, c'è una diafonia tra entrambi i processi cellulari e le cellule possono reindirizzarli per aumentare le loro possibilità di sopravvivenza per far fronte all'insulto [83].

Quindi, per cosa è importanteneuroprotezione? Potenziare o bloccare l'autofagia? La messa a punto è la risposta [86]. L'induzione dell'autofagia finemente sintonizzata produce effetti benefici (i) rimuovendo proteine/organelli non funzionali, (ii) consentendo alla cellula di riadattarsi alla nuova situazione e (iii) degradando gli effetti dannosi come l'infiammazione o gli induttori apoptotici [87, 88], che mediano la morte neuronale. Tuttavia, questa autofagia deve essere attivata in una finestra temporale molto specifica, evitando un'eccessiva degradazione che provoca la morte cellulare.

Infine, l'autofagia ha anche funzioni non canoniche/degradative, come la modulazione della risposta infiammatoria, la formazione di nuovi ricordi [65], il mantenimento dell'omeostasi sinaptica [89] e il trasporto di carichi all'interno della cellula [90] . Quindi, il suo completo blocco porterà a danni irreversibili al sistema nervoso e/o ai neuroni.

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3.2. Affrontare la parte sexy della risposta proteica spiegata

I neuroni sono estremamente sensibili alle proteine ​​e agli aggregati mal ripiegati. L'ER è responsabile della proteostasi cellulare, che è la sintesi, il ripiegamento e lo smistamento delle proteine. Qualsiasi alterazione nella sua idoneità porterà all'accumulo di proteine ​​​​mal ripiegate, inducendo stress ER e attivando la risposta di sovraccarico ER (ERO), le vie di degradazione associata a ER (ERAD) o l'UPR, che è una risposta cellulare altamente conservata. Alterazioni nella distribuzione e morfologia del RE e dell'UPR sono state osservate nelle malattie neurodegenerative [91-93] e quando il neurone è isolato dopo una lesione nervosa [16,94]. La proteina dell'immunoglobulina legante (BIP), nota anche come GRP78, è un chaperone residente in ER che è il sensore principale dell'UPR. Nello stato inattivo, il BIP resta vincolato alle tre ma-

principali effettori dell'UPR: la proteina chinasi-like ER chinasi attivata dall'RNA (PERK) che induce la proteina omologa C/EBP (CHOP), la proteina che richiede inositolo-1 alfa (IRE1 ), che unisce la proteina legante l'X-box 1 (Xbp1) mRNA e il fattore di trascrizione attivante-6 alfa (ATF6) [95,96]. Quando il BIP rileva proteine ​​mal ripiegate, questi trasduttori vengono attivati ​​e guidano i cambiamenti nell'espressione genica di proteine ​​specifiche (cioè, chaperoni, fattori di trascrizione) con l'obiettivo di aumentare la capacità della cellula di ripiegare correttamente le proteine ​​modulando l'espressione genica, migliorando la clearance delle proteine ​​mal ripiegate clearance delle proteine, o inibendo la sintesi proteica, consentendo alla cellula di adattarsi allo stress e sopravvivere [97]. Come prova di concetto, la sovraespressione del BIP nei neuroni della dopamina aumenta la loro sopravvivenza, mentre la sua sottoregolazione induce la morte dei neuroni della dopamina nigrale [10]. Inoltre, i topi BIP plus / − mostrano una propagazione accelerata della patogenesi dei prioni [98]. Nel complesso, la modulazione UPR può esercitare effetti protettivi sulla neurodegenerazione [94], come recensito di recente dal nostro gruppo [99]. L'attivazione dell'UPR è un evento precoce nelle malattie neurodegenerative e la sua precisa modulazione ha effetti benefici sulla progressione della patologia [100,101]. Sebbene l'UPR possa agire come un meccanismo endogeno di protezione cellulare, la sua (sovra)attivazione promuove l'apoptosi [102] (cioè, l'asse PERK ha capacità pro o anti-apoptotiche [91]). Inoltre, recenti evidenze suggeriscono che diverse perturbazioni del RE attiveranno differenzialmente i 3 rami dell'UPR, indicando che la loro co-attivazione coordinata non è sempre presente.

Pertanto, la cellula ha un programma specifico per rispondere a uno specifico insulto. Ad esempio, il blocco CHOP o la sovraespressione di Xbp1 aumenta la sopravvivenza dei neuroni dopo la lesione del nervo, indicando che ogni ramo ha ruoli diversi nella morte dei neuroni [16].

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L'attivazione precoce di PERK dopo la lesione cerebrale si esercitaneuroprotezione, mentre la segnalazione sostenuta attraverso questo percorso esacerba la perdita cellulare [11]. La sovraespressione o l'attivazione farmacologica di PERK riduce la patologia Tau [12], mentre evitarne l'attivazione prolungata diminuisce la morte neuronale [13] e migliora il declino della memoria correlato all'età [14]. L'inibizione di PERK negli astrociti ritarda la perdita neuronale in un modello in vivo di malattia da prioni. È interessante notare che l'attivazione di PERK negli astrociti disturba il secretoma, alterando la sua funzione sinaptogena e causando perdita sinaptica [15]. Gli stessi autori hanno descritto che i principali meccanismi a valle coinvolti in questo effetto dannoso di PERK sono le vie di adesione cellula-matrice extracellulare, che reticolano l'UPR con l'anoikis (vedi sotto, Sezione 3.4). I livelli di attivazione del fattore di trascrizione 5 (ATF5) dipendono direttamente dall'attivazione di PERK/fattore di inizio della traduzione eucariotica 2a (eIF2a). ATF5 è stato direttamente collegato a quei neuroni che sono più resistenti alla morte nell'epilessia umana [26]. Tuttavia, le conseguenze successive di questi effetti non sono così chiare. ATF5 induce l'espressione di due effettori anti-apoptotici (vedi sotto), il linfoma a cellule B 2 (Bcl-2) e la proteina di differenziazione delle cellule della leucemia mieloide indotta (Mcl-1) [103], che inibisce apoptosi. L'ATF5 modula anche il target meccanicistico della rapamicina (mTOR) nei tessuti non neuronali, che è il principale modulatore dell'autofagia, collegando UPR e autofagia.

L'attivazione di IRE1 migliora l'insufficienza epatica [17] e il suo effettore a valle Xpb1 promuove la protezione cardiaca [18],neuroprotezionein AD, in PD e dopo ictus [19–21]. Sorprendentemente, uno studio sulla retinopatia diabetica e indotta da ischemia ha mostrato che gli effetti protettivi dell'UPR sono mediati da Xbp1 [22]. Tuttavia, l'attivazione cronica del ramo IRE1 porterà alla fosforilazione del fattore 2 associato al recettore del fattore di necrosi tumorale-a (TNF-) (TRAF2), innescando la morte cellulare apoptotica in modi diversi [104-106]. La sovraespressione ectopica di Ire1 porterà a una morte neuronale autofagia-dipendente in un modello di Drosophila PD [107]. Pertanto, una modulazione regolata di IRE1 -Xbp1 durante una specifica finestra può esercitare una protezione [108].

Abbiamo recentemente descritto che il trattamento farmacologico NeuroHeal o la sovraespressione di sirtuin1 (SIRT1) induce la sopravvivenza di MN dopo una lesione nervosa e aumenta la presenza di ATF6 scisso riducendo la fosforilazione di IRE1 [23]. L'attivazione farmacologica di ATF6 induce protezione in diversi modelli di ischemia attivando la proteostasi [24], e il blocco di questo fattore di trascrizione ha effetti deleteri. In dettaglio, l'ATF6 modula l'espressione delle proteine ​​correlate alla risposta antiossidante, modulando l'ormesi dei ROS [109]. L'espressione forzata di ATF6 migliora l'esito funzionale dopo l'ictus e gli autori suggeriscono che questo effetto può essere mediato dall'induzione dell'autofagia [25].

Quindi, cos'è terapeuticamente interessante, attivante o attenuante l'UPR? L'attivazione di specifiche branche dell'UPR è il punto chiave. La precisa attivazione dell'UPR può promuovere effetti protettivi aiutando la cellula a ripristinare la proteostasi. Tuttavia, questo concetto dovrebbe essere preso con cautela perché se lo stress persiste e la proteostasi non viene ripristinata, l'UPR innesca l'apoptosi neuronale che è mediata dal ramo PERK o IRE1 [110]. Inoltre, l'UPR è anche collegato all'autofagia e viceversa. BIP media la risposta autofagica, promuovendo la sopravvivenza neuronale [111]. Infine, i 3 rami dell'UPR modulano la trascrizione degli ATG [112], suggerendo un intricato legame tra i due processi cellulari.

3.3. Apoptosi "non oggi".

L'apoptosi è una morte cellulare programmata (PCD) dipendente dalla caspasi che mantiene l'integrità della membrana plasmatica cellulare e degli organelli [113]. La sua disregolazione è causa di molti tumori, patologie neurodegenerative o infiammatorie. La morte indotta da caspasi è un processo altamente controllato che richiede l'attivazione coordinata di diversi attori per causare la morte cellulare finale [114]. I segni distintivi della morte simile all'apoptosi si trovano nei modelli di topi con sclerosi laterale amiotrofica (SLA), AD o PD, sebbene non sia chiaro se sia l'esecutore finale della morte neuronale [115]. Durante l'evoluzione, le cellule hanno sviluppato diversi meccanismi per prevenire la loro morte quando non è necessaria o per evitare un PCD prematuro. Le cellule innescano una morte apoptotica efficiente solo quando l'equilibrio tra i meccanismi pro o anti-apoptosi le spinge verso la morte. Sulla base dei nostri modelli in vivo, abbiamo osservato che l'AR induce vie apoptotiche ma anche anti-apoptotiche e il loro equilibrio porta a una morte alternativa e sconosciuta che non è l'apoptosi classica [2]. Le ultime pubblicazioni sul campo suggeriscono che le caspasi agiscono anche rimodellando il sistema nervoso senza promuovere la morte cellulare [116], e la loro attività dipende dalla sua posizione subcellulare. Pertanto, le forme attive di caspasi che si trovano nei tessuti neurodegenerativi possono avere un ruolo non correlato alla morte e la morte finale del neurone avviene attraverso altri meccanismi fatali.

L'apoptosi può essere impedita dalle vie anti-apoptotiche, che sono guidate da tre famiglie di proteine: proteine ​​inibitorie FLICE, Bcl-2 e inibitori delle proteine ​​dell'apoptosi (IAP). Gli IAP esercitanoneuroprotezionein un modello di ischemia [27] o evitare la morte di MN dopo una lesione nervosa durante le fasi neonatali [28]. Si propone che gli IAP siano responsabili del blocco della morte neuronale dopo l'assotomia durante l'età adulta [29]. Nella stessa direzione, una modifica post-traduzionale dell'X-linked–IAP (XIAP), che blocca la sua funzione anti-caspasi 3, è stata descritta come un contributo alla patogenesi del PD [117].

Il precondizionamento ischemico, che riduce parzialmente gli effetti dannosi dell'ischemia, agisce attraverso gli IAP e consente alle cellule di sopravvivere dopo l'attivazione della cascata della caspasi [30]. Gli IAP mediano anche l'effetto pro-sopravvivenza del fattore neurotrofico derivato dalle cellule gliali (GDNF) sui MN dopo l'assotomia neonatale [28]. Altre vie molecolari che evitano la morte cellulare modulando le proteine ​​pro-apoptotiche sono le chinasi extracellulari regolate dal segnale (ERK) e AKT. In questo senso, il percorso AKT è stato descritto come un giocatore pro-sopravvivenza bloccando l'apoptosi [31]. AKT inibisce l'induttore dell'apoptosi p53 promuovendone la degradazione e quindi blocca le sue capacità pro-apoptotiche [32-34]. Altrimenti, le caspasi sono in grado di inibire l'AKT mediante la sua scissione, il che indica una modulazione ben sintonizzata della sopravvivenza e della morte cellulare [118]. D'altra parte, l'attività AKT fosforila i fattori di trascrizione della proteina O (FOXO) della scatola di Forkhead. Sono correlati all'apoptosi [119] e la loro modifica determina un aumento della sopravvivenza cellulare [35]. La fosforilazione AKT-dipendente dei FOXO evita il suo ingresso nel nucleo, scongiurando l'induzione di geni pro-apoptotici come il Bcl-2- mediatore interagente della morte cellulare (BIM) o Bcl-2 interagente per diciannove kilodalton proteina 3 (Bnip3) [119–121]. D'altra parte, le modifiche post-trasduzionali di FOXO perfezionano la loro rete trascrizionale all'interno della cellula, spostandola verso l'induzione dell'autofagia invece dell'apoptosi [54,121-123]. Pertanto, la modulazione specifica della famiglia FOXO è una nuova strada per promuovere la sopravvivenza neuronale inibendo l'apoptosi [54,124].

Infine, l'attività neuronale è anche un promotore dell'anti-apoptosi mediante la sovraregolazione dei geni anti-apoptotici NMDA-dipendenti [125,126]. Alcuni di questi geni sovraregolati consentono ai mitocondri di diventare più resistenti allo stress [126], aiutando la cellula a sopravvivere all'insulto.

3.4. Riattaccare da Anti-Anoikis

L'interazione tra cellula e matrice extracellulare (ECM) è essenziale per la sua corretta integrazione funzionale all'interno del tessuto. Quando questa diafonia viene evitata, la cellula muore attraverso un PCD chiamato anoikis, che condivide i percorsi con l'apoptosi. È interessante notare che la rottura dei programmi di anoikis intrinseco conferisce malignità alle cellule tumorali, conferendo loro una capacità di recupero cellulare sufficiente per fuggire e riattaccarsi ad altri tessuti senza morire [127,128]. I principali effettori di queste interazioni sono le proteine ​​dell'integrina, che sono formate dalla combinazione di e subunità. Questa combinazione determinerà la specificità del ligando e la segnalazione intracellulare. I segnali ECM vengono trasmessi ai neuroni attraverso le integrine, essendo essenziali per la forma cellulare, la sopravvivenza, la motilità, la proliferazione, lo sviluppo, la connettività neuronale e la plasticità sinaptica [129]. Le integrine sono importanti anche per la segnalazione intracellulare dei fattori di crescita [130], che sono noti modulatori della sopravvivenza neuronale bloccando i meccanismi pro-morte. 1 subunità dell'integrina è essenziale per l'interazione cellula-ECM e il suo blocco è sufficiente per innescare anoikis [36] e apoptosi neuronale [131]. Inoltre, la segnalazione intracellulare di questa subunità è correlata alla sopravvivenza delle cellule gangliari retiniche [132], e i loro difetti sono presenti nei disturbi neurodegenerativi [133].

Tuttavia, le cellule hanno sviluppato subroutine anti-anoikis per contrastare la morte, che è iniziata da tirosin-chinasi, piccole GTPasi [128], NF-kB [134], PI3K/AKT, proto-oncogene tirosina-proteina chinasi (Src) o assi ERK , e dall'autofagia [135,136]. NF-kB modula l'anti-anoikis mediante l'attivazione di proteine ​​anti-apoptotiche come Bcl-2 e IAP- 1 [135], mentre il ruolo di PI3K/AKT nella sopravvivenza cellulare è ampiamente documentato e contribuisce alla sopravvivenza di cellule differenziate [36,37]. Il distacco dell'ECM induce anche l'autofagia, che è un meccanismo di autoprotezione che porta a bypassare l'apoptosi [135]. Queste prove suggeriscono ancora una volta un'intricata rete tra meccanismi di autoprotezione.

Anoikis è presente anche nella morte neuronale dopo trauma cranico a causa dell'aumento della metalloproteinasi della matrice (MMP) che distrugge le proteine ​​​​ECM [137]. L'espressione ei livelli delle MMP sono modificati dopo il neurotrauma e hanno ruoli diversi nella degenerazione assonale, nella formazione di cicatrici gliali e nel rimodellamento sinaptico. Per quanto riguarda la sopravvivenza neuronale, l'inibizione di MMP9 esercita effetti protettivi nell'ischemia cerebrale mediante la riduzione della degradazione della laminina [38]. Le MMP sono anche implicate nella neurodegenerazione [138]. Studi recenti hanno descritto che l'inibizione di MMP9 ha effetti protettivi nell'unità motoria da un modello di topo SLA [39,40] e in modelli AD [41]. Pertanto, i trattamenti per inibire specifiche MMP manterranno indirettamente il programma anti-anoikis all'interno dei neuroni, facilitandone la sopravvivenza.

3.5. Citoscheletro e mototrasportatori

Il citoscheletro neuronale è composto da tre diversi complessi strutturali: microtubuli (MTs), filamenti intermedi (IF) e microfilamenti di actina. Hanno diverse funzioni cellulari: la MT regola la dinamica dei neuriti e dei dendriti [139], l'actina è responsabile della morfologia cellulare [140] e l'IF guida la stabilità meccanica alla struttura del citoscheletro [141]. Difetti nei complessi strutturali si osservano nelle malattie neurodegenerative, nelle neuropatie periferiche, nella disfunzione sinaptica e portano alla perdita matura della colonna vertebrale [141-146].

La dinamica dei MT è un processo altamente controllato e il suo squilibrio può avere conseguenze devastanti per la sopravvivenza dei neuroni o le prestazioni degli assoni [142], mentre la sua stabilizzazione blocca la morte neuronale [147] e accelera la crescita assonale nel sistema nervoso centrale [148]. Più in dettaglio, le strutture del citoscheletro sono le ferrovie, mentre le proteine ​​motorie della chinesina e della dineina sono i treni che trasferiscono il carico rispettivamente mediante trasporto anterogrado o retrogrado. Pertanto, anche i complessi motori sono essenziali per la sopravvivenza dei neuroni. La famiglia kinesin è formata dai membri kinesin-1 (storicamente denominata KIF5c) e kinesin-3 (KIF1A, KIF1B e KIF1B ) [149]. KIF5c è arricchito in MN [150] e la sua ablazione genetica è collegata a malattie e paralisi del MN [149,151]. È stato recentemente implicato nella patogenesi della SLA [152]. La compromissione della sua interazione con i MT porta alla degenerazione assonale e alla successiva morte neuronale [153]. L'interruzione di KIF5c porta a disturbi della dinamica mitocondriale, che si traduce in sopravvivenza o morte neuronale a seconda degli stimoli. Inoltre, KIF5c perfeziona la funzione mitocondriale, trasformandosi in salute cellulare (vedi sotto, Sezione 3.6.) [42], e la sua modulazione può promuovereneuroprotezione. Gli aggregati proteici, come l'amiloide, hanno un effetto dannoso sulla stabilità del KIF5a, portando a un movimento mitocondriale alterato e al buon funzionamento [154].

Anche le proteine ​​retrograde esercitanoneuroprotezione. Sono le dineine e sono complessi multiproteici formati da diverse proteine, con la colla p150 (dinactina1/DCNT1) che è la subunità più abbondante. Una subunità disfunzionale della dinattina 1 (DCTN1) è stata utilizzata come modello di topo per la SLA e la sua mutazione provoca un trasporto assonale difettoso che porta a un fenotipo simile alla SLA nei topi [155,156]. I topi KO mostrano la morte MN dipendente dall'età, che è accompagnata da un blocco dell'autofagia [157]. DCTN1 ha un ruolo chiaro nel trasporto dei vacuoli autofagici all'interno del corpo neuronale e il suo disturbo provoca l'accumulo di anfisomi negli assoni distali, portando al fenotipo simile all'AD [158]. L'adattatore della dineina, la proteina lisosomiale che interagisce con la Rab (RILP) svolge un ruolo cruciale nella biogenesi, nel trasporto dell'autofagosoma e la sua inibizione causa l'accumulo di processi autofagici [44]. Complessivamente, è stato osservato che la disfunzione della MT, insieme alla localizzazione aberrante della chinesina e della dineina, porta alla disfunzione lisosomiale, che provoca l'accumulo di autofagosomi e la distrofia presinaptica nell'AD [159]. La sovraespressione di DCTN1 negli osteoclasti previene la morte per apoptosi, suggerendo che anche le proteine ​​motorie hanno un ruolo nell'evitare la morte cellulare in altri tipi cellulari e tessuti [43].

In sintesi, una riduzione del trasporto assonale è presente in molte malattie neurodegenerative e dopo lesioni del sistema nervoso. Tale difetto comporterà alterazioni nella struttura MT e/o motori molecolari necessari per il trasporto assonale [5]. Il corretto trasporto assonale è fondamentale per il normale funzionamento dei neuroni e le menomazioni in questo processo contribuiscono alla morte neuronale. È stato dimostrato che il potenziamento del meccanismo di trasporto della cellula, stabilizzando il citoscheletro o aumentando i livelli/attività delle proteine ​​motorie, è neuroprotettivo ristabilendo un corretto flusso autofagico all'interno del neurone [5].

3.6. Mitocondriale ben funzionante

La funzione dei neuroni dipende dall'equilibrio di energia e calcio (Ca2 plus), quindi le prestazioni dei mitocondri sono fondamentali per loro. I mitocondri non sono organelli statici. Cambiano forma, dimensione, numero o localizzazione all'interno della cellula e hanno la capacità di fondersi o dividersi per fissione per adattarsi alla domanda cellulare. Producono energia attraverso il ciclo dell'acido tricarbossilico (TCA) e la fosforilazione ossidativa (OXPHOS) attraverso la catena di trasporto degli elettroni (ETC). L'attivazione di OXPHOS porterà a ROS, che ha un'ampia gamma di funzioni (differenziazione, autofagia, risposta immunitaria) a livelli fisiologici [160] e rigenerazione assonale [60]. Tuttavia, a livelli sovrafisiologici, i ROS sono dannosi perché danneggiano lipidi, DNA e proteine. Queste alterazioni sono state collegate a malattie neurodegenerative, LM e trauma cranico. I mitocondri agiscono anche come un regolatore centrale della sopravvivenza neuronale attraverso il loro coinvolgimento nei percorsi che modulano la morte neuronale.

I mitocondri sono trasportati intorno alla cellula dal citoscheletro, dalle proteine ​​motorie e dagli adattatori appropriati. Nei neuroni, sono principalmente trafficati su MT dagli adattatori Miro e Milton/proteine ​​​​trafficanti della proteina 1 legante la chinesina (TRAK) [161]. Questi movimenti dei mitocondri all'interno dei neuroni sono essenziali per mantenere la forma fisica ottimale all'interno delle sinapsi, producendo energia, tamponando Ca2 plus, ecc. [162]. I mitocondri spesso si localizzano vicino a ER, formando membrane ER associate ai mitocondri o membrane associate ai mitocondri (MAM). Questi microdomini di membrana sono legami reversibili che co-regolano e influenzano una varietà di processi cellulari, cioè sintesi/trasporto di lipidi, Ca2 più dinamica/segnalazione, autofagia, forma e dimensione mitocondriale, apoptosi e metabolismo energetico [163]. I MAM sono alterati nei disturbi neurologici come AD, PD e SLA [164]. I mitocondri agiscono come un hub di ATG, fornendo membrane per la formazione di autofagosomi e modulando il flusso autofagico [165]. Anche i mitocondri soffrono di UPR(mt) e, a seconda del percorso attivato, è stato collegato a una maggiore durata della vita nei vermi e nei topi [166], ma la sua iperattivazione provoca neurodegenerazione [167].

La disfunzione mitocondriale deriva da un numero inadeguato di mitocondri, dall'incapacità di fornire loro substrati necessari o da una disfunzione nel loro trasporto di elettroni e nel meccanismo di sintesi dell'ATP. Gli alti livelli di ROS e le relative specie reattive (RNS) possono essere neutralizzati da enzimi dismutasi e antiossidanti [168]. Alterazioni di questi enzimi e di alcuni complessi respiratori mitocondriali sono state osservate in malattie neurodegenerative come SLA e PD [169]. Le perturbazioni nel numero e nella funzione dei mitocondri compromettono gravemente l'omeostasi cellulare e innescano l'insorgenza della malattia. Pertanto, le cellule cercano di mantenere un equilibrio dinamico tra i processi opposti della biogenesi mitocondriale e della clearance. L'accumulo di mitocondri disfunzionali e/o la perdita della loro biogenesi provoca la morte cellulare. Recenti vie terapeutiche per prevenire la neurodegenerazione mirano a potenziare la biogenesi mitocondriale modulando NAD plus [170], segni epigenetici [171] o modulando l'asse della serotonina nel cervello [172]. Anche la clearance mitocondriale disfunzionale da parte della mitofagia produceneuroprotezione. La sovraespressione della chinasi 1 indotta da PTEN (PINK1), essenziale per l'avvio del processo mitofagico, aumenta la sopravvivenza neuronale in un modello di MH [45]. Inoltre, l'integrazione di NAD più riduce la neurotossicità in un modello PINK1-mutante di PD [173].

La funzione dei mitocondri è reticolata con i ROS e la risposta antiossidante cellulare. In questo modo, il fattore di trascrizione Fattore nucleare fattore derivato dall'eritroide 2-fattore 2 (Nrf2) regola l'espressione di geni citoprotettivi e disintossicanti per combattere lo stress ossidativo e la neuroinfiammazione, con l'obiettivo di ridurre il danno neurale. Pertanto, può essere una manipolazione efficace per ritardare la progressione della malattia nelle malattie neurodegenerative [174-176]. Sotto la stimolazione di ROS, Nrf2 si dissocia dalla proteina associata a ECH simile a Kelch (Keap1), regolando così l'espressione di enzimi antiossidanti [177]. È stato descritto che Keap1 media l'ubiquitinazione di p62 [178]. Quando Keap1 è sottoregolato, p62 si accumula nelle cellule e provoca citotossicità, mentre la sua sovraespressione promuove la degradazione di p62 attraverso la via dell'autofagia. D'altra parte, p62 attiva Nrf2 attraverso il percorso dell'autofagia per formare il percorso dell'elemento reattivo (ARE) p62-Keap1-Nrf2-e contrasta il danno ossidativo causato da ROS [179 ]. Inoltre, Nrf2 forma circuiti regolatori coinvolti nella regolazione della biogenesi mitocondriale. Nrf2 aumenta l'espressione del fattore attivatore del recettore gamma attivato dal proliferatore del perossisoma 1-alfa (PGC-1) e del fattore respiratorio nucleare (NRF1), che sono direttamente coinvolti nella regolazione della trascrizione del mtDNA. Infine, Nrf2 regola l'espressione di PINK1, che svolge un ruolo chiave nell'induzione della mitofagia [180], suggerendo che la capacità antiossidante della cellula influisce anche sullo stato dei mitocondri.

Le malattie neurodegenerative sono correlate sia all'inibizione della via Nrf2 che alla disfunzione dell'autofagia, che porta all'accumulo di ROS, organelli senescenti e proteine ​​​​mal ripiegate [181,182]. Le malattie neurodegenerative sono correlate a molti aggregati proteici e ROS, inducendo l'asse di feedback positivo p62-Keap{5}}Nrf2, che è un meccanismo protettivo nei neuroni [183,184]. L'espressione di Nrf2 è bassa nei modelli animali di AD e nei cervelli dei pazienti con AD [185]. Il legame di Nrf2 con l'ARE si verifica presto durante la progressione della malattia, il che corrisponde a un aumento della produzione di ROS [186]. Neuroprotettori Nrf2 diminuendo la generazione di ROS e la tossicità indotta da ROS mediata da A [187,188]. Nella MH, c'è una disfunzione del complesso mitocondriale II, che causa un aumento dei ROS [48]. Nella fase iniziale della MH, il trattamento con un agonista Nrf2 porta ad un aumento dei geni citoprotettivi vitali attraverso il Keap1–Nrf2–ARE negli astrociti e nella microglia [189]. L'attivazione della via Keap1–Nrf2–ARE da parte di piccole molecole negli astrociti accelera la resistenza dei neuroni alla tossicità non eccitotossica del glutammato [46–48]. La funzione alterata dei mitocondri, la biogenesi e la mitofagia sono importanti caratteristiche patologiche nel PD e Nrf2 è un importante fattore di trascrizione che regola il controllo della qualità mitocondriale e l'omeostasi [190]. Nel PD, vi è un'attivazione del sistema Nrf2-ARE [191,192] e la sua attivazione farmacologica previene la progressione del PD [49,50]. L'attivazione di Nrf2 svolge un ruolo protettivo contro i ROS e la morte cellulare causata dalla proteina mutante superossido dismutasi 1 (SOD1). Inoltre, la sovraespressione dell'astrocita Nrf2 aumenta la sopravvivenza degli SC MN e prolunga la durata della vita nei topi transgenici SOD1 [51,52]. Inoltre, il crosstalk tra p62 e il percorso Keap1-Nrf2 nel contesto dell'autofagia può svolgere un ruolo importante nella rimozione dei ROS, nella prevenzione del danno ossidativo e nella modulazione dello stress ER durante il danno da ischemia-riperfusione cerebrale [53].

Infine, i mitocondri guidano la sopravvivenza neuronale, perché percepiscono gli iniziatori di morte interni ed esterni, innescando cascate di segnali che convergono ai mitocondri e quindi divergono nuovamente in una o più vie di morte cellulare che portano a un diverso tipo di morte cellulare (come l'apoptosi intrinseca ) [193].

pianta di cistanche in d.C

4. Mirare alla modulazione sistemica

4.1. Restrizione calorica

La restrizione calorica (CR) estende la durata della vita in diversi organismi e ha effetti protettivi su diversi organi. La CR ha un impatto sull'intero organismo: dall'ambiente sistemico alle diverse popolazioni subcellulari. Nel 2010, Kromer e collaboratori hanno suggerito che i benefici della CR dipendono dall'autofagia SIRT1-dipendente [194]. D'altra parte, è stato sottolineato che la CR è neuroprotettiva nella malattia di Parkinson da un asse Grelina-AMPK, con AMPK che è un induttore chiave dell'autofagia [195]. Data l'ovvia impossibilità di mantenere una CR a lungo termine, è stato sollevato l'interesse terapeutico per scoprire nuovi CR "mimetici" (CRM), che imitano gli effetti fisiologici della CR nell'organismo [196]. Sia CR che CR-mimetici hanno sondato l'efficacia nei modelli di ratto AD migliorando la funzione cognitiva attraverso l'induzione dell'autofagia [197], quindi sono nuove vie terapeutiche per il trattamento della neurodegenerazione.

4.2. Esercizio

L'esercizio fisico sta guadagnando interesse grazie alla sua capacità di ridurre condizioni fisiopatologiche come il dolore neuropatico o migliorare gli esiti funzionali nei modelli di ictus [198]. Rallenta anche la progressione del PD mediante l'inibizione della reazione infiammatoria e il miglioramento dell'equilibrio antiossidante [199]. È descritto che l'esercizio agisce aumentando i livelli endogeni di fattori neurotrofici [200,201]. Inoltre, modula la secrezione dell'ormone muscolare, promuovendo effetti protettivi nel cervello, neurogenesi e miglioramento dell'invecchiamento cerebrale [202]. In effetti, è stato recentemente descritto che lo stesso ormone, l'irisina, ha un ruolo nella formazione delle ossa [203], indicando che l'esercizio ha un impatto su tutto il corpo.

5. Trovare un neuroprotettore efficace: cosa c'è e dove andiamo

I segni distintivi comuni delle malattie neurodegenerative sono un'attivazione non corretta dell'UPR, l'accumulo di processi autofagici, un fallimento del buon funzionamento mitocondriale, tra gli altri. Complessivamente, sopraffeceranno i neuroni, provocandone la morte. Un neuroprotettore efficace deve correggere questi meccanismi potenziando la cellula con una completa resilienza all'invecchiamento/insulti. Occorre modificare completamente la rete molecolare all'interno della cellula, spingendola verso un completo ripristino delle funzioni. Farmaci approvati come Riluzolo per la SLA [204], o studi clinici in corso, come Rapamicina per la SLA [204], Spermidina e DH per l'AD [205,206], prendono di mira solo uno di questi processi degenerativi e il neurone è sopraffatto da gli altri. Sebbene possano produrre effetti benefici, proponiamo di trovare un approccio genetico o farmacologico per sostenere diversi percorsi molecolari - terapia multitarget - invece di un solo obiettivo.

La sovraespressione specifica di alcune proteine ​​come SIRT1, BIP e/o ATG5 facilita la sopravvivenza neuronale dopo lesioni nervose eneuroprotezionenelle malattie neurodegenerative. Principalmente mettono a punto reti UPR o autofagiche. L'attivazione di SIRT1 mediante l'uso di topi transgenici o vettori virali ha dimostrato protezione in diverse malattie neurodegenerative come SLA, AD e HD [207-209] e anche dopo lesioni nervose [55]. L'attività della deacetilasi SIRT1 sostiene diversi meccanismi endogeni di protezione: autofagia, modula l'UPR attenuando PERK e aumenta la scissione dell'ATF6 [23,210], ha effetti anti-apoptotici e modula l'attività dell'AKT per inibire l'anoikis [211,212]. Pertanto, la sua precisa modulazione può migliorare la resilienza cellulare. Dal nostro recente studio, concludiamo che la modulazione dell'attività della deacetilasi SIRT1 è un nodo essenziale affinché la rete molecolare raggiunga la resilienza cellulare [54,55]. Infine, la sovraespressione del BIP protegge dagli aggregati e induce autofagia e mitofagia [99], quindi la sua modulazione è anche un approccio efficace per raggruppare diversi percorsi neuroprotettivi.

6. Osservazioni conclusive

Potenziamento dei meccanismi endogeni dineuroprotezioneapre interessanti vie terapeutiche per il trattamento di malattie neurodegenerative o per mantenere l'omeostasi dei tessuti dopo un neurotrauma. Sebbene questo sia un campo inesplorato al giorno d'oggi, può promuovere risultati biomedici più efficaci rispetto al blocco di un segno fisiopatologico concreto. Pertanto, l'approvazione con terapie genetiche, farmacologiche o di modulazione sistemica può ritardare la progressione della patologia e migliorare il recupero funzionale. La strategia terapeutica ottimale deve prevedere una modulazione concreta dei meccanismi endogeni di protezione per rimodellare l'intera rete e raggiungere la protezione.

Contributi dell'autore: DR-G. e SM-M.-A. ha scritto il manoscritto e CC ha effettuato una revisione critica. Tutti gli autori hanno letto e accettato la versione pubblicata del manoscritto.

Finanziamento: questa ricerca non ha ricevuto finanziamenti esterni.

Dichiarazione sulla disponibilità dei dati: in questo studio non sono stati creati o analizzati nuovi dati. La condivisione dei dati non è applicabile a questo articolo.

Conflitti di interesse: Gli autori non dichiarano alcun conflitto di interessi.