Metalli di targeting nella malattia di Alzheimer e altre malattie neurodegenerativeAssieme all'aspettativa di vita, aumenta anche la prevalenza di malattie legate all'invecchiamento.

Gli sforzi per sviluppare terapie per le malattie neurodegenerative legate all'età devono ancora riuscire a impattare sulle patogenesi delle malattie; i trattamenti attuali mirano solo ai sintomi, non alle cause.

Per sviluppare agenti che modificano le malattie, alcuni ricercatori puntano ad identificare le caratteristiche comuni delle malattie neurodegenerative che potrebbero fornire indizi potenziali per bersagli farmacologici. Il 29 novembre 2012 alcuni ricercatori che studiano l'Alzheimer, il Parkinson e la corea di Huntington si sono incontrati presso la New York Academy of Sciences per discutere una di queste caratteristiche (l'effetto dei metalli nelle malattie neurodegenerative) ed evidenziare i risultati clinici ottenuti dall'uso di composti che legano i metalli per influenzare la progressione delle malattie.

Il simposio, Targeting Metals in Alzheimer's and Other Neurodegenerative Diseases, è stato presentato dal Brain Dysfunction Discussion Group dell'Accademia e i relatori sono stati: Robert A. Cherny, PhD (The Florey Institute of Neuroscience and Mental Health, Australia), Steven M. Hersch, MD, PhD (Massachusetts General Hospital; Harvard Medical School), Rudolph Tanzi, PhD (Massachusetts General Hospital; Harvard Medical School), Daniel Tardiff, PhD (Whitehead Institute for Biomedical Research) e il moderatore della tavola rotonda George Zavoico, PhD (MLV).

 

Introduzione

Le malattie neurodegenerative come l'Alzheimer (AD), il Parkinson (PD), e l'Huntington (HD) colpiscono in modo sproporzionato la popolazione anziana, infliggendo un notevole onere fisico, emotivo ed economico. Circa 5,4 milioni di americani soffrono di AD, e un altro milione soffre di PD. Nel 2009, AD e PD sono state la 6a e 14a, rispettivamente, causa di morte negli Stati Uniti. Dal momento che il numero di persone di oltre 65 anni dovrebbe rappresentare il 20% della popolazione degli Stati Uniti entro il 2050, questi numeri sono destinati a crescere.

Infatti, dati recenti indicano che questo è già in corso. Dal 2000 al 2008, i decessi legati al virus HIV e a diversi tipi di cancro sono diminuiti di ben il 30%, ma le morti correlate all'AD sono aumentate del 66%. Aumenterà anche il costo associato alle malattie neurodegenerative, attualmente stimato in 200 miliardi di dollari per l'AD e 25 miliardi di dollari per il PD. E' chiaro che sono necessari nuovi approcci, che devono offrire non solo un sollievo sintomatico, ma anche indirizzare i meccanismi che stanno dietro la progressione della malattia.

Per sviluppare nuovi approcci, i ricercatori stanno esaminando i punti in comune tra le diverse malattie neurodegenerative. AD, PD e HD sono caratterizzate da un accumulo di proteine mal ripiegate nel cervello. Quando due o più di queste proteine si uniscono, formano oligomeri di ordine superiore, come i dimeri, i trimeri e i tetrameri, che possono causare la morte dei neuroni e una riduzione della funzionalità cerebrale. Gli oligomeri extracellulari del peptide amiloide-beta Aβ formano le famose placche per cui è così noto l'AD. La proteina α-sinucleina si accumula all'interno dei neuroni nel PD, portando infine alla morte cellulare. Le mutazioni della proteina huntingtina ne provocano la mal piegatura e l'oligomerizzazione nell'HD. Anche se una quantità considerevole di ricerca è stata diretta sul puntare gli oligomeri e prevenirne gli effetti tossici, i farmaci disponibili sono palliativi: alleviano i sintomi senza modificare il decorso della malattia.

Un approccio è colpire una caratteristica comune di tutte e tre le malattie. I ricercatori del simposio hanno esplorato questa possibilità in una discussione sulla "ipotesi metallo nelle malattie neurodegenerative". Ciò presuppone che i metalli come ferro, rame e zinco siano implicati nella patogenesi di alcune malattie neurodegenerative e che gli agenti che puntano questi metalli possano rallentare o potenzialmente invertire il corso della malattia.

La funzione cerebrale normale dipende molto dai metalli: durante la neurotrasmissione sono rilasciati nello spazio sinaptico rame e zinco, e sono essenziali per l'attività di numerosi enzimi, come il dismutasi superossido.

L'ipotesi "metallo" nelle malattie neurodegenerative si basa su due osservazioni. Primo, i metalli promuovono l'oligomerizzazione delle proteine. La presenza di zinco o rame è necessaria per l'oligomerizzazione dell'Aβ in AD, e il rame favorisce l'oligomerizzazione dell'huntingtina in HD. In secondo luogo, diversi studi dimostrano che nelle malattie neurodegenerative è interrotta l'omeostasi del metallo. Nei modelli di topo di AD, gli studi di visualizzazione cerebrale mostrano una maggiore concentrazione di zinco; nell'HD l'accumulazione di ferro è correlata alla progressione della malattia, e in PD, c'è un aumento della concentrazione di ferro nella substantia nigra, l'area del cervello più colpita dalla malattia.

I relatori del convegno hanno evidenziato il ruolo dei metalli nelle malattie neurodegenerative; hanno presentato dati preclinici e clinici su un agente che lega il metallo, il PBT2, in AD e HD, e hanno discusso gli studi in corso di un composto simile, il PBT434, nel Parkinson. Rudolph Tanzi del Massachusetts General Hospital e della Harvard Medical School ha descritto come il rame catalizza l'aggregazione di Aβ in AD e ha discusso i dati [dello studio] di fase IIa sul PBT2. Robert Cherny del Florey Institute of Neuroscience and Mental Health ha presentato i dati preclinici del PBT2 di studi in modelli murini di AD e HD, nonché i dati preclinici relativi al PBT434 in modelli murini di PD. Steven Hersch del Massachusetts General Hospital e della Harvard Medical School ha mostrato come rame e ferro abbiano un ruolo importante, ma distinto nella patogenesi di HD. Daniel Tardiff del Whitehead Institute for Biomedical Research ha dimostrato come si possono usare modelli di lievito delle malattie neurodegenerative per le scoperte di farmaci.

Metalli e agenti che legano i metalli nell'Alzheimer

Relatori: Rudolph Tanzi, del Massachusetts General Hospital e Harvard Medical School e Robert A. Cherny, The Florey Institute of Neuroscience and Mental Health, Australia

Il ruolo dei metalli nella patogenesi di Alzheimer

Il colpevole principale nella patogenesi dell'Alzheimer è il peptide Aβ. L'Aβ si formato come risultato dell'elaborazione difettosa della membrana plasmatica proteica della proteina precursore amiloide (APP). L'APP è normalmente scissa dalle proteasi α- e γ-secretasi per creare peptidi che eseguono delle funzioni come la regolazione della trascrizione nel nucleo. L'Aβ si forma, invece, quando l'APP è tagliata dalla β-secretasi. L'Aβ monomerico non è patogeno e di solito può essere rimosso dal cervello dall'apolipoproteina E. Tuttavia, quando questi processi non funzionano correttamente, l'Aβ può oligomerizzarsi in specie di ordine superiore che formano le fibrille amiloidi e le placche che caratterizzano l'AD.

Rudolph Tanzi del Massachusetts General Hospital e della Harvard Medical School hanno mostrato che l'oligomerizzazione dell'Aβ dipende dalla presenza di zinco o di rame. Quando il rame si lega all'Aβ, forma legami ossidativi incrociati tra monomeri. Le specie incrociate risultanti sono molto difficili da eliminare per il cervello e alla fine causano la morte dei neuroni. Il rame che si vincola all'Aβ può inoltre generare radicali liberi, che causano danni ossidativi. Quando le placche amiloidi sequestrano zinco e rame, impedendo a questi metalli di svolgere le loro normali funzioni nel cervello, non è chiaro se la conseguente diminuzione nel gruppo di metalli biodisponibile sia abbastanza alta da causare un qualche effetto negativo. Tuttavia, si è osservata dyshomeostasis metallica in un modello murino di AD. Avere come obiettivo l'interazione tra Aβ e metalli, pertanto, sembra essere un meccanismo di intervento terapeutico che potrebbero sia normalizzare l'omeostasi del metallo che ridurre i livelli di oligomeri tossici di Aβ nel cervello.

Studi preclinici del PBT2 nell'Alzheimer

Robert A. Cherny del Florey Institute of Neuroscience and Mental Health ha presentato i risultati preclinici del PBT2, che punta all'interazione tra Aβ e metalli. Il PBT2 è un composto che si lega a rame e zinco con un'affinità intermedia; questo è essenziale per la sua funzione, in quanto ha un'affinità sufficiente per rimuovere il rame e lo zinco dagli oligomeri Aβ ma non può competere con le proteine fisiologiche che legano metalli. Quando il PBT2 si lega al metallo, subisce un cambiamento conformazionale che consente al complesso di attraversare la membrana plasmatica; quindi, il PBT2 trasporta il metallo dalle fibrille amiloidi e lo consegna ai neuroni. I risultati sono di due tipi: senza metallo, le fibrille amiloidi si dissolvono in monomeri che possono essere eliminati dal cervello attraverso processi normali e il metallo si rende disponibile a svolgere le sue normali funzioni, in modo da ripristinare l'omeostasi del metallo.

Cherny ha presentato alcuni promettenti risultati degli studi preclinici di PBT2 in un modello di topo transgenico di Alzheimer. Coerentemente con le sue proprietà di legare metalli, il PBT2 ha ridotto i livelli di placche Aβ solubili e insolubili. I topi trattati con PBT2 hanno anche mostrato un miglioramento della funzione cognitiva. In un test di memoria spaziale, i topi non trattati non sono stati in grado di trovare una piattaforma sommersa in una pozza d'acqua, mentre i topi trattati con PBT2 l'hanno fatto come i topi sani trovando la piattaforma abbastanza facilmente. Il trattamento PBT2 ha anche aumentato la sinaptofisina nel cervello, suggerendo che il farmaco promuove il rimodellamento neuronale. Sono inoltre aumentati numerosi marcatori coinvolti nella memoria e nella plasticità neuronale, compresa la proteina chinasi II (CAMKII) dipendente da calcio/calmodulina, il recettore N-metil-D-aspartato (NMDAR) 1 e 2a, e il chinasi B correlato alla tirosina (TrkB). Il trattamento PBT2 in topi selvaggi non ha comportato nessuna delle variazioni della funzione cognitiva o dei biomarcatori osservati nei topi transgenici, suggerendo che il PBT2 agisce su una malformazione specifica connessa all'AD.

 

Studi clinici di PBT2 nella malattia di Alzheimer

Tanzi ha presentato i dati di uno studio clinico di fase IIa di 12 settimane del PBT2 in 78 pazienti con AD lieve. I risultati rispecchiano gli studi sui tipi. I pazienti trattati con PBT2 avevano significativamente meno Aβ nel fluido cerebro-spinale e miglioramenti significativi nella funzione esecutiva (capacità cognitive come ragionamento, adattabilità, auto-monitoraggio e multitasking). La funzione esecutiva è spesso usata per valutare se i pazienti sono in grado di prendersi cura di se stessi o devono entrare in una casa di cura.

In precedenti studi di AD, il trattamento ha semplicemente rallentato il declino cognitivo; quindi, un miglioramento della funzione esecutiva è abbastanza unico. Tuttavia, molti studi valutano l'effetto dei farmaci sulla memoria, non la funzione esecutiva. Come ha sottolineato Tanzi, la perdita della funzione esecutiva, annunciata da sintomi come depressione, apatia, e cambiamenti di personalità, si verifica prima della perdita di memoria; nel momento che i pazienti evidenziano perdita di memoria potrebbe essere troppo tardi per modificare il corso della malattia. Pertanto, gli studi clinici possono avere più successo se i pazienti vengono trattati prima di vedere perdita di memoria, facendo della funzione esecutiva un punto di controllo clinico per valutare l'efficacia dei farmaci.

Un secondo studio di fase II è in corso per monitorare l'effetto del PBT2 sulle placche amiloidi e sulla cognizione. I risultati sono attesi nella seconda metà del 2013.

 

I metalli di transizione nell'Huntington

(vedi testo originale in Inglese)

 

Puntare i metalli nel Parkinson

(vedi testo originale in Inglese)

Il lievito come modello delle malattie neurodegenerative

Relatore: Daniel Tardiff, Whitehead Institute per la ricerca biomedica

Lievito come modello di malattie neurodegenerative

Come è possibile modellare le neurodegenerazioni nel lievito? A prima vista, il lievito può sembrare una replica scadente del cervello umano. Tuttavia, come ha spiegato Daniel Tardiff del Whitehead Institute for Biomedical Research, diversi attributi di lievito ne fanno un modello utile per schemi di farmaci innovativi.

Molti processi cellulari importanti sono conservati tra il lievito e l'uomo. In termini pratici è facile lavorare con il lievito. Cresce bene in laboratorio ed è poco costoso da mantenere. Inoltre, il genoma del lievito è molto ben conosciuto ed è suscettibile di molte tecniche di genetica; i geni possono essere facilmente eliminati o sovraespressi, e sono facilmente accessibili altre analisi, come la proteomica e lipidomica. Eseguire selezioni di farmaci nel lievito può spesso escludere farmaci che sono gravemente tossici per le cellule viventi, e pure selezionare composti che sono in grado di attraversare la membrana plasmatica, caratteristiche che non possono essere testate nei saggi in vitro. Dopo essere stati identificato nei modelli del lievito, i potenziali farmaci possono essere convalidati in modelli neuronali di ordine superiore, come il C.elegans e la Drosophila melanogaster, e in modelli di colture cellulari neuronali.

Tardiff utilizza modelli di lievito di malattie neurodegenerative per capire meglio come l'aggregazione di proteine porta alla tossicità cellulare. Ha descritto diversi modelli, tutti che esprimono una proteina coinvolta in una particolare malattia: TDP-43 (sclerosi laterale amiotrofica [SLA]), α-sinucleina (PD), huntingtina (HD), e Aβ (AD). L'espressione di queste proteine è tossica per il lievito. Tardiff ha selezionato una biblioteca di oltre 100.000 potenziali farmaci per trovare composti che sono in grado di assicurare la sopravvivenza del lievito. Alcuni dei risultati per i farmaci più forti in questa selezione sono analoghi della 8-idrossichinolina, con la stessa struttura di base del PBT2. Nonostante questa struttura di base comune, il composto ha attività distinte; mentre uno può essere attivo in modelli di lievito di SLA, HD, e PD, un'altro può essere attivo solo nella SLA.

Tardiff ha dato ulteriori dettagli su un possibile farmaco, identificato nel lievito che esprime Aβ. La tossicità di Aβ nel lievito risulta da un accumulo di oligomeri tra la membrana plasmatica e la parete cellulare. L'espressione di Aβ causa un difetto nell'endocitosi, anche se non è chiaro se questo difetto sia specifico del lievito o se imiti ogni aspetto della patologia AD nell'uomo.

Tardiff ha identificato una molecola che lega il metallo, nota come clioquinolo, che elimina la tossicità dell'Aβ nel lievito e nel C.elegans. Coerentemente con le proprietà di associazione al metallo del clioquinolo, aggiungendo rame al lievito si è abolita la possibilità del clioquinolo di eliminare la tossicità dell'Aβ. È interessante notare che gli effetti di ferro e zinco erano meno diretti: il ferro attenua l'effetto del cliochinolo, mentre lo zinco non ha avuto effetti. Tardiff ha scoperto che diversi geni coinvolti nel trasporto del ferro e del rame sono sovraregolati dal clioquinolo. Il profilo genetico del lievito esposto a cliochinolo era simile alla risposta alla carenza di rame/ferro.

Oltre ad allungare la sopravvivenza, il cliochinolo diminuisce anche il livello di Aβ nel lievito, presumibilmente asportando metallo dagli oligomeri Aβ e consentendo di degradare i monomeri. Il clioquinolo elimina anche il difetto dell'endocitosi osservato nel lievito che esprime Aβ e influenza l'omeostasi di rame/ferro, anche se il meccanismo di questi effetti non è chiaro.

 

Tavola rotonda

Moderatore: George Zavoico, MLV

Chi è arrivato prima ...

La tavola rotonda ha approfondito ulteriormente i due meccanismi attraverso i quali i farmaci, come il PTB2, sembrano funzionare nelle malattie neurodegenerative: normalizzando la dyshomeostasis del metallo e eliminado gli oligomeri della proteina. Quale di questi è il meccanismo principale è ancora in discussione. Molto resta ancora da capire sugli effetti della dyshomeostasis del metallo in AD e se ha un ruolo nella patologia. Tuttavia, è chiaro che le fibrille amiloidi hanno un effetto negativo sulla cognizione. I relatori hanno riconosciuto che l'aggregazione amiloide e la dyshomeostasis del metallo si può sviluppare in modo diverso a seconda della causa dell'AD. I pazienti con un rischio genetico per AD sono predisposti all'aggregazione amiloide e possono sviluppare la dyshomeostasis del metallo come evento secondario a causa dell'invecchiamento. Nell'AD ad insorgenza sporadica, tuttavia, la dyshomeostasis del metallo e l'aggregazione dell'amiloide possono svilupparsi contemporaneamente nel corso del tempo.

Ionoforo vs chelante

Diversi membri del pubblico hanno espresso il timore che agenti come il PBT2 potrebbero rimuovere i metalli dal corpo e causare sindromi da deficit di metallo come l'anemia. I relatori hanno chiaramente specificato che il PBT2 non è un chelante del metallo, un tipo di composto che si lega irreversibilmente e rimuove i metalli dal corpo, ma uno ionoforo, un tipo di composto che fornisce i metalli alle cellule. Anche se sono necessari risultati a lungo termine per comprendere appieno il profilo di sicurezza dei composti come il PBT2, le analisi pre-cliniche e cliniche non suggeriscono rimozione dei metalli.

Come può essere misurata la cognizione?

Lo studio di fase IIa del PBT2 ha valutato la cognizione misurando la funzione esecutiva. Al contrario, molti studi di fase III sull'AD usano strumenti, come l'Alzheimer's Disease Assessment Scale-Cognitive Subscale e il Clinical Dementia Rating Sum of Boxes, che misurano la memoria, l'orientamento, il linguaggio e le altre funzioni cognitive. Dal pubblico qualcuno ha chiesto se le metriche utilizzate negli studi di fase III dovrebbero invece monitorare i sintomi precoci. La funzione esecutiva e i biomarcatori di progressione della malattia possono essere candidati per diventare in futuro endpoint [punti di controllo] di fase III, ma questo devono essere validato e approvato dalla FDA.

 

Domande rimaste aperte

Il ruolo dei metalli nel morbo di Alzheimer

• Il sequestro dei metalli da parte delle fibrille amiloidi contribuisce alla patogenesi della malattia?
• Gli effetti degli ionofori metallici, come il PBT2, dipendono principalmente dal rilascio di metalli dall'Aβ o anche l'omeostasi del metallo ha un ruolo?
• Quali sono i migliori endpoint per monitorare i cambiamenti cognitivi negli studi clinici?

Il ruolo dei metalli nell'Huntington

• C'è qualche interazione tra l'oligomerizzazionedella huntingtina mediata dal rame e la regione poli-glutammina?
• Il PBT2 ha un effetto diretto sul ferro nell'Huntington o i suoi effetti sono principalmente mediati dal legame del rame?
• Gli studi clinici sul PBT2 potranno rafforzare i promettenti risultati visti nelle analisi precliniche?

Il ruolo dei metalli nel morbo di Parkinson

• Qual è il meccanismo che sta dietro la dyshomeostasis del metallo nel Parkinson?
• Gli agenti che legano i metalli, come il PBT434, si dimostreranno sicuri ed efficaci negli studi clinici del Parkinson?

 

 

 

 

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Pubblicato da Jennifer Cable in NewYork Academy of Sciences il 17 Gennaio 2013 - Traduzione di Franco Pellizzari.

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