5 Autophagy Induction to Promote Neuronal Survival
L’inibizione cronica dell’autofagia accelera il tasso di invecchiamento; si è quindi tentati di ipotizzare che l’autofagia sostenuta possa preservare dalla senescenza cellulare. Non sorprende che le prove che si stanno accumulando suggeriscano che l’induzione farmacologica dell’autofagia possa essere un potenziale approccio terapeutico rilevante per un certo numero di disturbi neurodegenerativi.106 Si dovrebbe, tuttavia, prendere in considerazione la possibilità che l’attivazione duratura dell’autofagia possa risultare in una deleteria digestione di organelli, componenti cellulari critici e nell’autoalimentazione delle cellule. Questi dubbi sono stati in qualche modo fugati da dati recenti provenienti da una serie di sistemi sperimentali. Infatti, si è scoperto che l’autofagia è abbastanza selettiva verso l’eliminazione di aggregati proteici piuttosto che di elementi cellulari sani. Gli aggregati proteici e l’intero macchinario necessario per sostenere l’autofagia sono confinati nella regione pericentriolare in un processo che richiede il citoscheletro dei microtubuli e la deacetilasi HDAC6.78 Il raggiungimento dell’attivazione terapeutica dell’autofagia si basa su una profonda comprensione e una precisa manipolazione delle vie di segnalazione a monte che regolano questo processo. Il principale regolatore dell’autofagia è la concentrazione intracellulare ed extracellulare di aminoacidi. La proteina chinasi EIF2AK4 è attivata dai tRNA vuoti e quindi controlla il livello di aminoacidi disponibili. EIF2AK4 attivato avvia l’autofagia catalizzando la fosforilazione del fattore di iniziazione eucariotica eIFα2.107 Il contenuto extracellulare di nutrienti essenziali come gli aminoacidi è invece monitorato attraverso un recettore transmembrana non ancora definito108 che potrebbe controllare mTOR. mTOR integra una serie di vie di segnalazione, come insulina e fattori di crescita, calcio intracellulare e inositolo.109 Lo stato energetico, in particolare il livello di glucosio e lipidi, è monitorato anche da AMPK. L’AMPK è una serina e/o treonina chinasi che viene attivata dall’aumento del livello di AMP/dalla diminuzione del livello di ATP. In particolare, AMPK è attivata dal legame con l’AMP e dalla fosforilazione su Thr172 da parte di LKB1.110 AMPK inibisce mTOR, inducendo così l’autofagia. Anche le proteine p53 sono coinvolte nella modulazione dell’autofagia: mentre la p53 citosolica blocca l’autofagia,111 la p53 traslocata a livello nucleare la attiva.112 In particolare, p53 inibisce l’attività di mTOR attraverso l’induzione di AMPK. Infine, la presenza di aggregati proteici intracellulari può indurre direttamente l’autofagia.113 Non è ancora stato chiarito quali di queste cascate di segnalazione siano implicate a livello centrale nella malattia neurodegenerativa. La rapamicina e gli analoghi derivati, i rapaloghi, inducono l’autofagia attraverso l’inibizione di mTORC1.114 In particolare, nei sistemi di mammiferi, la rapamicina inibisce specificamente mTORC1, abolendo così l’attività chinasica di mTOR.115 Diversi risultati sperimentali indipendenti dimostrano che i rapaloghi proteggono le cellule dall’impatto citotossico delle specie huntingtina e alfa sinucleina.116 Inoltre, i rapaloghi hanno compromesso la neurodegenerazione e aumentato la sopravvivenza in modelli animali di HD e atassia spinocerebellare.117,118 Per supportare ulteriormente il ruolo protettivo dell’autofagia, l’attività prosurvival della rapamicina e dei rapaloghi è stata persa in modelli cellulari di malattia dopo l’inibizione dell’autofagia tramite 3-MA.119,120 È stato dimostrato che l’induzione dell’autofagia promuove la sopravvivenza dei neuroni dopaminergici in diversi modelli di PD. La sovraespressione di beclin 1 ha ridotto la morte neuronale in un modello di PD nei roditori. In particolare, la sovraespressione lentivirale di beclin 1 mediante iniezione stereotassica nella corteccia temporale e nell’ippocampo di topi con sovraespressione di alfa sinucleina ha attivato l’autofagia, ridotto l’accumulo di alfa sinucleina e migliorato la patologia neuronale.121 Sostenendo la rimozione degli aggregati proteici e dei mitocondri danneggiati, l’autofagia potrebbe mitigare lo stress ossidativo. Per esempio, la rapamicina ha ridotto in modo robusto non solo l’accumulo di aggregati poliubiquitinati, ma anche la morte neuronale nei ratti esposti al rotenone.122 Sebbene la rapamicina sia già in uso clinico (per esempio, in oncologia), ha effetti collaterali deleteri sulla funzione polmonare e sul sistema immunitario. Per limitare gli eventuali effetti collaterali della rapamicina sulle cellule B e T e per ridurre lo stress ossidativo nei neuroni dopaminergici, è stato proposto di combinare basse dosi di rapamicina o analoghi con antiossidanti. Una forte evidenza, tuttavia, indica la necessità di livelli basali di stress ossidativo (in particolare specie di superossido), per indurre una risposta autofagica. In particolare, la co-somministrazione di antiossidanti tiolici o non tiolici come la N-acetilcisteina o la vitamina E non solo ha bloccato l’azione proautofagica della rapamicina nei neuroni primari, ma ha anche compromesso l’autofagia basale e precipitato la formazione di depositi tossici di alfa-sinucleina.123 Risultati comparabili sono stati riportati con il trattamento con diverse molecole antiossidanti come il tocoferolo e l’acido lipoico.124,125 Tali risultati hanno rilevanza clinica: infatti, diversi composti con capacità antiossidanti putative o previste sono di uso comune nella popolazione sana. Considerando che oltre il 60% dei pazienti affetti da malattie neurologiche, in particolare il morbo di Huntington e il morbo di Parkinson, assume tali integratori,126,127 è urgente una conoscenza più approfondita del cross-talk tra autofagia e stress ossidativo. Gli sforzi per sviluppare composti clinicamente rilevanti trarrebbero vantaggio da agenti capaci di tamponare lo stress ossidativo senza compromettere l’autofagia. Attualmente, alcuni composti presenti in natura, come il resveratrolo, il kaempferolo, la quercetina e la curcumina,128 dimostrano queste proprietà. Per esempio, la curcumina, un composto ottenuto dalla spezia cumino (derivato da Cuminum cyminum), inibisce mTOR, attiva l’autofagia e supporta l’eliminazione degli aggregati A53T. Inoltre, studi indipendenti hanno dimostrato che alcune funzioni di mTORC1 sfuggono all’inibizione della rapamicina. Date queste limitazioni, insieme a proprietà farmacocinetiche subottimali come una scarsa biodisponibilità, sono state cercate strategie farmacologiche alternative. Sono state identificate diverse piccole molecole che aboliscono l’attività della chinasi mTOR competendo con l’ATP per la tasca di legame di mTOR.129 Composti come PP242, Torin1, WYE-354 e Ku-0063794 inibiscono sia l’attività di mTORC1 che di mTORC2 e sono più efficaci e selettivi della rapamicina in termini di induzione dell’autofagia.130,131 Inoltre, un complesso macromolecolare composto da beclin 1, PI3K, UVRAG e AMBRA1 è necessario per consentire la formazione dell’autofagosoma e il successivo legame e scissione di LC3 alla membrana del fagosoma. Diverse molecole regolano sia mTORC1 che PI3K come PI-103 e NVPBEZ235. Questi composti sono più efficaci degli agenti che prendono di mira sia mTOR che PI3K.132 Recentemente, è stato scoperto che la metformina (N, N-dimetilbiguanide), una biguanide usata come terapia nel diabete, riduce la proliferazione delle cellule di linfoma attraverso l’attivazione di AMPK.133 Quindi, la metformina potrebbe emergere come un promettente agente induttore di autofagia. Altri farmaci già in uso clinico sono stati trovati in grado di indurre l’autofagia. Il litio, un agente stabilizzatore dell’umore che agisce su diverse vie, tra cui l’inositolo e GSK3B, supporta la clearance degli aggregati di huntigtin in modelli di HD attraverso l’induzione dell’autofagia indipendente da mTOR.134,135 È interessante notare che un regime farmacologico che include valproato e litio ha protetto i neuroni dall’insulto MPTP in un modello di PD nei roditori attraverso l’autofagia.136-138 Infine, le prove che si stanno accumulando suggeriscono la potenziale applicazione terapeutica del trealosio. Il trealosio è un disaccaride presente in diversi organismi, dai batteri alle piante, ma non viene sintetizzato nei mammiferi. Per esempio, è il principale zucchero presente nell’emolinfa degli invertebrati. Diverse fonti alimentari umane contengono una quantità significativa di trealosio (funghi e miele tra gli altri). Il trealosio ha molte proprietà interessanti: protegge le cellule dalle alte o basse temperature, dall’assenza di acqua e dallo stress ossidativo.139 Il trealosio è una molecola importante per applicazioni industriali e mediche. Queste applicazioni includono l’uso come additivo alimentare per aumentare la dolcezza e promuovere la conservazione liofilizzata. Il trealosio è anche incluso nelle preparazioni di anticorpi per la stabilizzazione durante il congelamento o l’essiccazione.140 Molti effetti benefici del trealosio derivano dalla sua azione chaperon sulle proteine.141 Per esempio, il trealosio previene la deposizione di amiloide in un modello di malattia di Alzheimer,142 così come l’aggregazione proteica mediata dalla poliglutamina in vitro e in modelli murini di HD.143 Il trealosio ha ridotto con successo l’aggregazione proteica in modelli murini di PD144 e ha abolito la tossicità dell’alfa-sinucleina.145-147 Studi recenti hanno dimostrato che il trealosio aumenta il numero di autofagosomi e promuove la mitofagia attraverso un meccanismo non ancora risolto. Apparentemente, il trealosio agisce indipendentemente dalla via mTOR e aumenta la quantità di mediatori proautofagici come beclin 1, Atg12, Atg7 o Atg5.146 Il trealosio non passa liberamente attraverso le membrane cellulari ma viene assorbito nelle cellule dei mammiferi tramite endocitosi e pinocitosi.106 Una questione cruciale è rappresentata dalla farmacocinetica del trealosio nel corpo umano. È interessante notare che, sebbene ai vertebrati manchino i geni per la biosintesi del trealosio, essi esprimono la trealasi, un enzima che idrolizza efficacemente il trealosio in due monomeri di glucosio.148 Quindi, dopo l’ingestione, il trealosio viene rapidamente degradato. La trealasi è espressa come glicoproteina ancorata a GPI sulla membrana della mucosa intestinale del microvillo e del bordo a spazzola renale.149 Negli esseri umani, si ritiene che la trealasi intestinale sia il principale enzima che metabolizza il trealosio. La trealasi intestinale catalizza la rapida degradazione del trealosio alimentare a tal punto che il trealosio non si trova nel flusso sanguigno, nemmeno a livelli transitori o bassi. Nonostante questo, il trealosio nell’acqua potabile ha indotto l’autofagia e ridotto l’accumulo di proteine nel SNC e ha migliorato il fenotipo motorio in diversi modelli murini di PD.144,146,150 Questa evidenza suggerisce che il metabolismo del trealosio è meno efficiente nei topi. Non sono stati riportati effetti collaterali negli studi di fase I in cui i pazienti sono stati esposti a dosi crescenti di trealosio.151 Tuttavia, va notato che le alterazioni dell’attività della trealasi comportano problemi digestivi. Infatti, i soggetti carenti di attività della trealasi mostrano una forte intolleranza al trealosio e manifestano diarrea da dolore addominale.152 In ogni caso, tenendo conto degli effetti protettivi complementari del trealosio in diversi modelli in vivo e in vitro di proteinopatie, il trealosio è un trattamento promettente nelle malattie neurodegenerative, compreso il Parkinson.