cause ambient ali delle malattie neurodegenerative

A cura di: PAOLO FERRAZZA ELENA STURCHIO

Spunti per possibili correlazioni e approccio allo sviluppo cognitivoPresentazione e revisione Dott. GIOVANNI MARIA PIRONE

Istituto Italiano di Medicina Sociale

Istituto Italiano di Medicina Sociale Via Pasquale Stanislao Mancini 28 00196 Roma Tel. 06 3200642/3 www.iims.it Open Archive: http://e-ms.cilea.it 1 edizione, novembre 2007

ISBN 978-88-87098-64-8

Coordinamento editoriale Paolo Ferrazza

Grafica Pubblishock srl - Roma

Il presente volume disponibile sul sito www.iims.it. La riproduzione libera, con qualsiasi mezzo effettuata compresa la fotocopia, salvo citare la fonte.

COLLANA STUDI E RICERCHEISBN 978-88-87098-64-8


A mia figlia Martina perch le nostre attivit di ricerca possano aiutarla a vivere in un mondo migliore P.F .

Editore:

Istituto Italiano di Medicina Sociale Via Pasquale Stanislao Mancini 28 00196 Roma Tel. 06 3200642/3 www.iims.it

Realizzazione: Opera Srl. Via Sampierdarena n. 33/2 16149 Genova Per informazioni: www.operacro.com [email protected]

Il libro stato realizzato con limportante sostegno della societ Merck Serono

Si ringrazia inoltre per il supporto scientifico e logistico lo staff di Opera.

Un particolare ringraziamento al gruppo che ha supportato la revisione editoriale:

Dott.ssa Amalia Contessini, Ilaria Di Pippa, Emanuela De Martinis, Monia Pirrone, Annalisa Cannelli.

A cura di: PAOLO FERRAZZA ELENA STURCHIO

Spunti per possibili correlazioni e approccio allo sviluppo cognitivoPresentazione e revisione Dott. GIOVANNI MARIA PIRONE


INDICE

INDICE

PRESENTAZIONE INTRODUZIONE 1. LE MALATTIE NEURODEGENERATIVE 1.1 Introduzione 1.2 Possibili meccanismi di azione 1.3 Cenni sulle pi comuni malattie neurodegenerative 1.3.1 LAlzheimer 1.3.2 Il Parkinson 1.3.3 La Sclerosi Multipla 1.3.4 La Sclerosi Laterale Amiotrofica (SLA) 2. EFFETTO DELLINQUINAMENTO AMBIENTALE 2.1 Introduzione 2.1.1 Tossicit 2.1.2 Neurotossicit 2.1.3 Carcinogenesi e Mutagenesi 2.2 Radiazioni ionizzanti 2.3 Inquinanti chimici 2.3.1 Sostanze chimiche industriali 2.3.2 Metalli Pesanti 3. NUOVE FILOSOFIE SPERIMENTALI 3.1 Introduzione 3.2 I miRNA

13 17 27 29 31 39 40 44 48 54 59 61 68 73 85 98 102 104 120 139 141 142

4. LO SVILUPPO COGNITIVO E LE INFLUENZE DELLE ESPERIENZE AMBIENTALI (Interazione tra geni ed ambiente) 4.1 Il contributo di Jean Piaget 147 4.1.1 Introduzione 15011

INDICE

4.1.2 Le fasi dello sviluppo cognitivo secondo Piaget (La psicologia genetica) 4.1.3 Fase senso-motoria 4.1.4 Fase preoperatoria 4.1.5 Fase delle operazioni concrete 4.1.6 Fase delle operazioni formali 4.2 Lo sviluppo cognitivo nella prospettiva di Lev Semyonovich Vygotskij 4.2.1 Introduzione 4.2.2 Lo sviluppo storico-culturale 4.2.3 Il rapporto tra apprendimento e sviluppo mentale. La Zona di Sviluppo Prossimale 4. 3 Lo sviluppo cognitivo secondo Jerome Seymour Bruner 4.3.1 Introduzione 4.3.2 Gli studi sulla percezione durante la nascita della psicologia Cognitiva. 4.3.3 Lo studio sul pensiero e la formazione di categorie. 4.3.4 Lo sviluppo cognitivo (1966), Piaget e Vygotskij sintesi ed evoluzione. 4.3.5 I tre sistemi di rappresentazione del mondo 4.4 Lapproccio riduzionista e le prime evidenze sperimentali sui processi neuronali che coinvolgono la memoria. (LAplysia Californica ed il Nobel per le neuroscienze a E. R. Kandel) 4.4.1 Introduzione 4.4.2 La memoria secondo E. R. Kandel (Lapproccio riduzionista) 4.4.3 Memoria a breve termine e memoria a lungo termine in Aplysia, i meccanismi biochimici. 4.5 Cenni sui disturbi cognitivi e inquinamento ambientale 5. CONCLUSIONI BIBLIOGRAFIA

150 152 153 154 155 155 155 158 158 159 159 160 161 163 164 165 165 166 167 169 173 179

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PRESENTAZIONE

PRESENTAZIONE

La ricerca scientifica sui fattori di rischio ambientali e su quelli correlati allo stile di vita in genere assume oggi un ruolo di strumentalit sociale ancora non assolutamente prevedibile. Daltra parte numerose ed importanti scoperte scientifiche nascono dalla logica deduttiva che i sociologi hanno battezzato serendipit. I benefici economico-sociali e di salute individuale, derivanti da interventi di prevenzione primaria, sono gi noti. Oggi occorre invece una migliore comprensione della fisiopatologia di numerose malattie cronico degenerative, un approfondimento delle correlazioni con il regime alimentare, la verifica dei contaminanti tossici che ad esempio hanno determinato lencefalopatia spongiforme bovina, senza tralasciare le patologie dellinvecchiamento quali Parkinson, Alzheimer, infarto, diabete, artrite e cancro che potranno attecchire in una platea pi ampia di anziani, considerato il dato demografico dellincremento degli ultrasessantacinquenni previsto per il 2025 nella misura del 100%. Nel 2007 il 5% degli europei anziani con et superiore ai 65 anni sar colpito dal morbo di Alzheimer. La ricerca clinica orientata verso nuovi metodi per prevenire o ritardare la morte neuronale nelle malattie neurodegenerative, mentre la genetica indaga sui fattori che predispongono allartrite reumatoide. In definitiva si prospetta un nuovo profilo di studio e di intervento sia per la prevenzione primaria che per il miglioramento della cura e dellassistenza.15

PRESENTAZIONE

Un progetto Europeo denominato APHEA si occupato di studiare gli effetti a breve termine dell inquinamento atmosferico in quindici citt europee. I risultati, basati sulle statistiche relative ai livelli di inquinamento, hanno dimostrato che le sostanze inquinanti hanno un effetto misurabile sulla mortalit causata dalle malattie cardio-vascolari e respiratorie e possono far insorgere patologie classificate presumibilmente come disordini idiopatici a patogenesi ignota, in quanto richiedono ancora studi eziologici sulle cause fondamentali della demenza e fisiopatologie sui meccanismi di produzione della malattia. La dimensione del fenomeno per diffusione ed anche gravit comunque gi una priorit nazionale nel nostro Paese. Il presente volume evidenzia le possibilit di individuare i fattori di rischio ambientali che sono correlati alle malattie, i meccanismi molecolari che potenzialmente rendono influenzabile il sistema di programmazione della cellula, nella convinzione che comprendere il meccanismo di azione aiuta a capire le varie cause di insorgenza ed a trovare cure pi efficaci. Giovanni Maria Pirone Commissario straordinario Istituto Italiano di Medicina Sociale (IIMS)

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INTRODUZIONE

INTRODUZIONE

Il filosofo U. Galimberti, in un contesto dove lo sviluppo del progresso tecnico, (attuato per compensare linsufficienza della capacit umana, migliorare la qualit di vita e intervenire sulla realt da cui la sua esistenza stessa dipende) potendo intervenire sullequilibrio dellecosistema, sottolinea, che discutere della tecnica non significa allora enfatizzarla o demonizzarla, ma divenire consapevoli che lorizzonte di riferimento a partire dal quale luomo pu pervenire a una comprensione di se, radicalmente mutato per cui necessario abbandonare la persuasione ingenua secondo cui la natura umana un che di stabile che resta incontaminato e intatto qualunque cosa luomo faccia (Galimberti U., 2002). Infatti, i processi industriali, le diverse forme di antropizzazione, lampio utilizzo di sostanze chimiche comportano che una larga frazione della popolazione umana sia quotidianamente esposta ad un elevato numero di fattori tossici e inquinanti a pi livelli biologici (genetici, morfologico-embrionali, citologici, fisiologici, molecolari), diffusi nelle diverse matrici ambientali (acqua, aria e suolo), che possono indurre danni immediati o differiti sulla salute umana. Il rapporto con lambiente , quindi, una delle determinanti fondamentali per lo stato di salute della popolazione umana, la relazione tra lindividuo e i diversi fattori ambientali pu avere risvolti diversi sullequilibrio salute/malattia. Studiare, conoscere e comprendere quali siano gli elementi da considerare, da un punto di vista epidemiologico, per valutare limpatto dei diversi fattori sullo stato di salute un compito19

INTRODUZIONE

molto complesso, richiede lanalisi e la correlazione tra dati ambientali, territoriali e urbanistici, con indicatori di mortalit, sanitari, demografici, culturali e sociali, per una determinata popolazione. In generale, la prevenzione delle malattie di origine ambientale richiede un intervento sinergico su comportamenti individuali, stili di vita, norme e misure istituzionali che consentano di garantire la sicurezza della popolazione esposta ai rischi ambientali.

SALUTE

AGENTI AMBIENTALI Aria Acqua Pesticidi e tossici

FONTI DI VARIABILITA Fattori genetici Stato di salute Nutrizione Occupazione Stato socio-economico

Figura 1.1. Schema di flusso tra salute agenti ambientali fonti di variabilit (da Geller A.M. and H. Zenick, 2005).

Negli ultimi anni le linee di ricerca stanno ponendo maggiore attenzione alla connessione tra prevenzione delle patologie e studio dellambiente nelle sue componenti abiotiche e biotiche potenzialmente patogene. A tal proposito sono di valido supporto luso di test biologici che permettono lo studio dei fattori tossici ai diversi livelli biologici sopramenzionati. Ad esempio nella valutazione dellentit del danno in organismi viventi per azione di agenti chimici, pesticidi e carginogeni si fa ricorso ai test di genotossicit della Cometa e dei micronuclei applicati a cellule meristemali di Vicia faba var. minor o su leucociti umani. noto da tempo che le piante possono rappresentare dei validi indicatori per la presenza di inquinanti ambientali genotossici, consentendo, accanto a20

INTRODUZIONE

pi collaudate metodiche di tipo chimico-fisico e biologico, il controllo e lo screening in situ. Limpiego di questi test di mutagenesi a breve termine, per lalto grado di predittivit della cancerogenesi, unito alla rapidit e ai bassi costi di esecuzione, fornisce un contributo significativo per un monitoraggio ambientale ed un intervento di protezione della popolazione (Sturchio E., et al. 2007). A questi si aggiungono gli indicatori di effetto, i quali permettono di valutare lo stato ambientale sulla base degli effetti che le attivit umane inducono su organismi sensibili fornendo dati biologici come misure di biodiversit, alterazioni biochimiche, fisiologiche, morfologiche, funzionali, genetiche che, in funzione della loro gravit, indicano un ampio spettro di risposte biologiche, da semplici adattamenti fisiologici a quadri patologici ben definiti e a malattie conclamate (NCR, 1989). Gli indicatori di effetto possono essere impiegati in modo alternativo per stimare indirettamente la suscettibilit individuale o la dose, quando la misura dellinquinante primario non sia disponibile o affidabile. Luso pi appropriato di questi indicatori tuttavia la stima del rischio di effetti a lungo termine per individuare eventuali interventi di prevenzione primaria (Mutti A., 1995). Anche la tossicologia, in quanto caratterizzazione della risposta di un organismo ad un tossico e determinazione del meccanismo responsabile delleffetto avverso osservato, si avvale di test che prevedono lallestimento di saggi di tossicit in modelli animali suscettibili o test in vitro. Con questi ultimi test possibile testare gli effetti di una sostanza chimica valutandone la tossicit attraverso la capacit replicativa (citotossicit), il ritmo proliferativo (test di proliferazione), il potenziale trasformante con linibizione da contatto nella crescita cellulare (test di trasformazione) e la capacit di formare colonie in terreno semisolido (test di crescita in soft agar). Tuttavia, a causa della diminuzione dei livelli di esposizione e la crescente complessit delle miscele di inquinanti che caratterizzano molti ambienti lavorativi (similmente a quanto avviene per laria urbana), emerge la necessit di sviluppare batterie di test non a scopo diagnostico, ma che permettano quello che stato definito monitoraggio degli effetti biologici.21

INTRODUZIONE

Il monitoraggio degli effetti biologici consiste nella valutazione di modificazioni biochimiche o funzionali associate a particolari condizioni espositive, strumento complementare per una corretta stima del rischio, soprattutto nei casi in cui non siano note (o non esistano) relazioni doseeffetto e dose-risposta. In questi contesti, il solo uso degli indicatori di esposizione o di dose (monitoraggio ambientale o biologico) risultano essere insufficienti per la stima di effetti a lungo termine, che possono essere invece almeno sospettati caratterizzando condizioni che precedono la malattia conclamata. Per cui test tradizionali sono attualmente supportati da nuove metodologie analitiche come quelle di tossicogenomica le quali permettono di identificare in anticipo e con una maggiore sensibilit alterazioni legate allesposizione ad una sostanza tossica, fornendo indicazioni sul meccanismo molecolare di azione. Tale campo di ricerca ancora lontano dalloffrire una risposta chiara e definitiva sui meccanismi alla base degli effetti tossici. Daltra parte le istanze che vengono poste oggi alla ricerca sono molteplici dal momento che nellambiente possono essere presenti sostanze che inducono o promuovono severe patologie soprattutto a lungo termine di cui ancora difficile definire modalit, cause eziologiche, e progressione. Da diverso tempo stata posta ad esempio lattenzione sul legame tra alcune sostanze chimiche ed i fattori ambientali per valutare landamento epidemiologico delle malattie neurodegenerative (incidenza, morbilit, mortalit). In un articolo pubblicato su The Lancet alla fine del 2006, due autori (P. Grandjean e P. Landrigan) sottolineano come lo sviluppo della neurotossicit dovuta a composti chimici industriali rappresenti una pandemia silente in quanto gli effetti subclinici delle sostanze chimiche non appaiono riportati nelle analisi statistiche. La valutazione e lidentificazione della neurotossicit dei composti chimici si fonda sulla evidenza di un danno funzionale che nel caso di un individuo adulto di solito legato allambito occupazionale, mentre nel bambino ad episodi di avvelenamento acuto ad alte dosi. Di norma la tossicit presenta un andamento dose-dipendente con un effetto clinico manifesto ma nel caso di un effetto subclinico questo pu restare silente determinando una sottostima del rischio. I due autori22

INTRODUZIONE

citano 201 composti chimici comunemente usati e rilasciati come inquinanti nellambiente di cui sono noti e documentati gli effetti neurotossici (in realt il numero di sostanze chimiche che possono causare neurotossicit in test su animali di laboratorio supera 1.000). Gli autori evidenziano come linquinamento ambientale, lesposizione per uso quotidiano ed occupazionale a sostanze chimiche rappresenti un fattore rilevante per il manifestarsi di effetti tossici negli individui esposti, in particolare bambini o feti, maggiormente suscettibili in quanto presentano organi in via di sviluppo. Nel testo vi , quindi, lesortazione ad adottare un approccio precauzionale sui controlli delle sostanze chimiche. Negli ultimi anni un numero crescente di evidenze ha messo in relazione il manifestarsi di patologie del neurosviluppo con diversi composti chimici industriali e non. I dati sulla tossicit di molte sostanze, sono ignoti per il fatto che, attualmente, meno della met delle migliaia dei composti chimici usati sono stati testati, ma soprattutto gli attuali test di tossicit raramente comprendono lo studio delle funzioni neurocomportamentali. Il cervello umano un organo particolarmente vulnerabile, e quindi anche danni limitati possono avere conseguenze di rilievo. Dallo stadio fetale in poi il cervello vive una complessa serie di processi, per cui uninterferenza dovuta alla esposizione di sostanze tossiche pu comportare conseguenze permanenti. Le ricerche hanno dimostrato che sostanze inquinanti presenti nellambiente, come il piombo o il mercurio, a basso livello di esposizione possono avere effetti subclinici avversi, come diminuzioni del grado dintelligenza o alterazioni del comportamento. Larticolo presenta una interessante indagine di raccolta dati relativi a diverse sostanze quali pesticidi, piombo, metilmercurio, arsenico, PCB (bifenili policlorurati) e solventi (toluene), dove stata sufficientemente documentata la tossicit e la sua insorgenza sul neurosviluppo del cervello. I risultati evidenziano che, spesso, unesposizione a sostanze neurotossiche nellinfanzia pu portare ad un maggior rischio di morbo di Parkinson e di altre malattie neurodegenerative (Langston W., et al. 1999; Calne DB., et al., 1986).23

INTRODUZIONE

Queste evidenze scientifiche si basano su studi epidemiologici di esposizioni occupazionali e casi clinici dintossicazione acuta, gli effetti su popolazioni esposte ad inquinamento ambientale sono poco noti, dal momento che lattribuzione di neurotossicit ad un singolo composto chimico spesso impossibile (Grandjean P. e Landrigan PJ., 2006). Dallanalisi dei rapporti del National Institute of Occupational Safety and Health (NIOSH), si trovano altre 200 sostanze non censite dallarticolo citato, a cui vengono assegnati dei limiti in eccesso di esposizione occupazionale per la possibilit che provochino effetti dannosi sul sistema nervoso (http://www.cdc.gov/Niosh/npg/npgsyn-p.html). LEPA a sua volta riporta che pi di 80.000 sostanze chimiche sono registrate per uso commerciale, di cui 62.000 classificate come tossiche (U.S. Environmental Protection Agency, 1998). In Europa la situazione pressoch analoga, con circa 100.000 composti registrati (Commission of the European Communities, 2001). (http://ec.europa.eu/environment/chemicals/exist_subst/einecs.htm). Dal momento che la gran parte di questi composti sono prodotti in quantit notevoli, una particolare attenzione deve essere posta nei riguardi delle esposizioni occupazionali, del rilascio nellambiente e dellesposizione della popolazione attraverso il consumo di prodotti contaminati od utilizzo di manufatti, per quando concerne i livelli di concentrazione di esposizione, i tempi e la modalit dellesposizione stessa. Inoltre necessario considerare leffetto sinergico dei composti chimici. Miscele di composti possono costituire fattore di rischio diverso rispetto al singolo composto, modulandone e/o incrementandone la tossicit (vedi tabella 1.1).

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INTRODUZIONE

Tab. 1.1. Elenco composti chimici neurotossisi: (da Grandjean P, Landrigan PJ. 2006). Panel: Chemicals (n=201) known to be neurotoxic in manMetals and inorganic compounds Aluminium compounds *Arsenic and arsenic compounds Azide compounds Barium compounds Bismuth compounds Carbon monoxide Cyanide compounds Decaborane Diborane Ethylmercury Fluoride compounds Hydrogen sulphide *Lead and lead compounds Lithium compounds Manganese and manganese compounds Mercury and mercuric compounds *Methylmercury Nickel carbonil Pentaborane Phospine Phosphorus Selenium compounds Tellurium compounds Thallium compounds Tin compounds Organic solvents Acetone Benzene Benzyl alcohol Carbon disulphide Chloroform Chloroprene Cumene Cyclohexane Cyclohexanol Cyclohexanone Dibromochloropropane Dichloroacetic acid 1,3-Dichloropropene Diethylene glycol N,N-Dimethylformamide 2-Ethoxyethyl acetate Ethyl acetate Nitrobenzene 2-Nitropropane 1-Pentanol Propyl bromide Pyridine Styrene Tetrachloroethylene *Toluene 1,1,1-Trichloroethane Trichloroethylene Vinyl chloride Xylene Other organic substances Acetone cyanohydrin Acrylamide Acrylonitrile Allyl chloride Aniline 1,2-Benzenedicarbonitrile Benzonitrile Butylated triphenyl phospate Caprolactam Cyclonite Dibutyl phthalate 3-(Dimethylamino)-propanenitrile Diethylene glycol diacrylate Dimethyl sulphate Dimethylhydrazine Dinitrobenzene Dinitrotoluene Ethylbis(2-chloroethyl)amine Ethylene Ethylene oxide Fluoroacetamide Fluoroacetic acid Hexachlorophene Hydrazine Hydroquinone Methyl chloride Methyl formate Methyl iodide Methyl methacrylate p-Nitroaniline Pesticides Aldicarb Aldrin Bensulide Bromophos Carbaryl Carbofuran Carbophenothion - Chloralose Chlordane Chlordecone Chlorfenvinphos Chlormephos Chlorpyrifos Chlorthion Coumaphos Cyhalothrin Cypermethrin 2,4-D DDT Deltamethrin Demeton Dialifor Diazinon Dichlofenthion Dichlorvos Dieldrin Dimefox Dimethoate Dinitrocresol Dinoseb Dioxathion Disulphoton Edifenphos Endosulphan Endothion Endrin EPN Ethiofencarb Ethion Ethoprop Fenitrothion Fensulphothion Fenthion Methamidophos Methidathion Methomyl Methyl bromide Methyl demeton Methyl parathion Mevinphos Mexacarbate Mipafox Mirex Monocrotophos Naled Nicotine Oxydemeton-methyl Parathion Pentachlorophenol Phorate Phosphamidon Phospholan Propaphos Propoxur Pyriminil Sarin Schradan Soman Sulprofos 2,4,5-T Tebupirimfos Tefluthrin Terbufos Thiram Toxaphene Trichlorfon Trichloronat

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INTRODUZIONE

Ethylene dibromide Ethylene glycol n-Hexane Isobutyronitrile Isophorone Isopropyl alcohol Isopropylacetone Methanol Methyl butyl ketone Methyl cellosolve Methyl ethyl ketone Methylcyclopentane Methylene chloride

Phenol p-Phenylenediamine Phenylhydrazine Polybrominated biphenyls Polybrominated diphenyl ethers *Polychlorinated biphenyls Propylene oxide TCDD Tributyl phosphate 2,2,2-Trichlorotriethylamine Trimethyl phosphate Tri-o-tolyl phosphate Triphenyl phosphate

Fenvalerate Fonofos Formothion Heptachlor Heptenophos Hexachlorobenzene Isobenzan Isolan Isoxathion Leptophos Lindane Merphos Metaldehyde

*substances that have been documented also to cause developmental neurotoxicity

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CAPITOLO I

LE MALATTIE NEURODEGENERATIVE


I. 1 INTRODUZIONELe malattie neurodegenerative sono un gruppo eterogeneo di patologie inerenti specifiche aree del sistema nervoso centrale (SNC) la cui sintomatologia caratterizzata da una progressiva riduzione della componente cognitiva o motoria, a seconda del tipo di cellule neuronali interessate dalla selettiva degenerazione della malattia. Esse a tuttoggi rappresentano un problema per la scienza medica dal momento che le cause eziologiche sono note solo in parte e il loro decorso spesso silente da un punto di vista sintomatico, ma inesorabilmente progressivo, viene evidenziato quando il danno al paziente gi in fase avanzata, precludendo, nella quasi totalit dei casi, la possibilit di una terapia efficace che non sia solamente sintomatica. Da un punto di vista patogenetico, tali malattie sono caratterizzate da un processo cronico di morte neuronale, non sempre accompagnato da infiammazione, che esita in gliosi, esordendo clinicamente in maniera strisciante nellet adulta con decorso progressivo. Nelle fasi iniziali assumono un carattere focale, che in genere colpiscono bilateralmente uno specifico sistema neuronale, dando luogo ad una sintomatologia clinica estremamente variegata. Un tempo si definivano le demenze come precoci e senili, in seguito le sole demenze precoci sono state individuate come delle patologie con caratteristiche peculiari, la stessa schizofrenia diagnosticata nelle fasi pi29


tardive era definita dementia precox. Per tenendo sempre presente questa nuova classificazione si pu comunque affermare che la maggior parte delle demenze e della neurodegenerazione del SNC sono correlate positivamente con let. Parimenti, tuttavia, si osservato che esistono specifici siti di aree cerebrali e cellule che rispetto ad altri vengono colpiti con pi frequenza, la loro particolare suscettibilit legata pi alle caratteristiche citochimiche che allet, ma la frequenza delle lesioni in suddette aree aumenta proporzionalmente allet stessa. Dal punto di vista istologico i processi neurodegenerativi consistono in lesioni non specifiche (un invecchiamento precoce di alcune popolazioni neuronali), genericamente indicative di stress cellulare. In tutti i tipi di malattie neurodegenerative le indagini immunocitochimiche rivelano la presenza di una o pi alterazioni comuni. Per questi motivi stato suggerito un meccanismo patogenetico comune a partire da un danno primitivo ai neuroni della neocorteccia cerebrale, con una possibile rilevanza nel processo patogenetico dello stress ossidativo. Con ci si indicano le conseguenze citopatologiche di un bilancio sfavorevole tra concentrazione intracellulare di radicali liberi e capacit della cellula di neutralizzarli, per un aumento della produzione endogena di radicali liberi, per una diminuzione delle sostanze neutralizzanti, e/o per una diminuzione della capacit di riparare il danno ossidativo prodotto dai radicali liberi sulle macromolecole cellulari. Lanalogia delle caratteristiche patologiche, cliniche ed epidemiologiche suggerisce lesistenza di fattori di rischio genetici ed ambientali comuni ai diversi tipi di malattie neurodegenerative. In sostanza, le evidenze scientifiche suggeriscono per le principali malattie neurodegenerative un meccanismo patogenetico comune e una eziologia multifattoriale risultante dallinterazione tra fattori di rischio ambientali e accentuata suscettibilit genetica individuale.

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I. 2 POSSIBILI MECCANISMI DI AZIONELe attuali conoscenze sullorigine prima della patologia delle malattie neurodegenerative di tipo sporadico spesso sconosciuta, ma dati di letteratura evidenziano uno stretto legame tra fattori ambientali, quali esposizione a sostanze chimiche (idrocarburi, pesticidi, solventi, n-esano e suoi metaboliti, metalli pesanti, farmaci antinausea ad azione centrale, antipsicotici) e reazioni (stress ossidativo e nitrosilante, glicosilazione, meccanismi infiammatori che determinano un perdurare nel tempo di alti livelli di neurotrasmettitori eccitatori), ritenute fra i maggiori fattori di intermediazione al rischio. Le terapie attualmente in uso sono essenzialmente sintomatiche, con efficacia variabile in funzione della patologia e dello stato del singolo paziente. Stress ossidativi, disfunzione mitocondriale e risposte allo stress cellulare sono alla base dellinsorgenza e progressione delle malattie neurodegenerative. Nella patogenesi di diverse malattie neurodegenerative, tra cui la malattia di Parkinson, la malattia di Alzheimer, latassia di Friedreich (FRDA), la sclerosi multipla e la sclerosi laterale amiotrofica, esiste una significativa evidenza che sia implicata la generazione di specie reattive dellossigeno (ROS) e/o di specie reattive dellazoto (RNS) associata alla disfunzione mitocondriale. Il genoma mitocondriale pu avere un importante ruolo nella patogenesi di queste malattie e levidenza che i mitocondri siano un sito di danno nelle malattie neurodegenerative si basa in parte sulla riduzione dellattivit della catena respiratoria nella malattia di Parkinson, di Alzheimer e di Huntington. Lalterato metabolismo intramitocondriale con aumento dei livelli di ferro libero, e una difettiva catena respiratoria mitocondriale, associata ad unaumentata generazione di radicali liberi e danno ossidativo, possono rappresentare un possibile meccanismo in grado di compromettere la vitalit cellulare. La frataxina, una proteina mitocondriale, pu detossificare i ROS mediante attivazione della glutatione perossidasi ed aumento dei tioli.31


Leterogeneit dei fattori eziologici rendono difficile definire con precisione il principale fattore clinico di inizio della malattia e della sua progressione. Ci sono evidenze che lo stress ossidativo e lalterato metabolismo proteico siano due elementi essenziali nella patogenesi di molte delle malattie neurodegenerative. Le principali malattie neurodegenerative (malattia di Alzheimer, malattia di Parkinson, sclerosi laterale amiotrofica, sclerosi multipla, malattia di Huntington, atassia di Friedreich) sono tutte associate alla presenza di proteine anormali. Tra le proteine hot shock, la HSP-32, anche nota come HO-1 (eme ossigenasi-1), sembra avere un ruolo importante. La HO-1 potrebbe rappresentare un sistema protettivo potenzialmente attivo contro il danno ossidativo a livello cerebrale. La manipolazione dei meccanismi di difesa cellulari endogeni, come la risposta heat shock attraverso antiossidanti nutrizionali, composti farmacologici o trasduzione genica, potrebbe rappresentare un innovativo approccio nelle malattie neurodegenerative (Calabrese V. et al., 2006). Anche le disfunzioni del sistema immunitario sono causa di patologie neurodegenerative e psichiatriche. La disfunzione del sistema immunitario, con conseguente formazione di reazioni autoimmuni e produzione di autoanticorpi uno dei fattori eziopatogenetici in alcune malattie neurodegenerative (morbo di Alzheimer) e in malattie psichiatriche, come la schizofrenia. Le malattie neurodegenerative sono caratterizzate da risposte immunitarie aberranti. Componenti self possono essere riconosciuti come estranei dal sistema immunitario per modificazioni posttrasduzionali, quali glicazione, ossidazione e aggregazione che avvengono nel corso dellinvecchiamento. Gli autoantigeni coinvolti nella patogenesi di tali malattie sono autoantigeni neuronali e autoantigeni endoteliali. Anticorpi anti-neurone sono stati dimostrati nel siero di pazienti con malattie neurodegenerative e potrebbero condurre allo sviluppo e progressione di esse in presenza di unalterata permeabilit della barriera ematoencefalica. Gli autoantigeni endoteliali vengono32


riconosciuti da anticorpi anti-cellule endoteliali che possono causare alterazioni della barriera ematoencefalica mediante attivazione o apoptosi delle cellule endoteliali. A tuttoggi non sono ancora disponibili marcatori che permettano una diagnosi specifica per patologie neurodegenerative e psichiatriche e che permettano di valutare il rischio, la progressione e gli effetti del trattamento farmacologico. Sono comunque in corso ricerche volte allidentificazione di autoantigeni riconosciuti dagli autoanticorpi presenti nel siero di pazienti con patologie neurodegenerative, come la sindrome di Alzheimer e a patologie psichiatriche come la schizofrenia, allo scopo di valutare il possibile utilizzo degli autoanticorpi specifici come marcatori prognostici e/o diagnostici e per comprendere meglio i meccanismi eziopatogenetici (Ortona E. & Margotti P., 2007). Nella complessit dei sistemi biologici, elemento comune alle malattie neurodegenerative lalterazione di alcuni processi metabolici, quali: Meccanismi dei processi proteolitici e/o dei loro sistemi di controllo Questi meccanismi alterati determinano un accumulo di proteine anomale, il quale, a sua volta, attiva un sistema di traduzione del segnale chiamato unfolded protein response, attraverso laumento dellespressione di geni della risposta allo stress associato al Reticolo Endoplasmatico (molecole di trasporto chaperoni). Pertanto eventuali mutazioni nelle proteine coinvolte nel traffico Golgi-RE provocano uninibizione della capacit di degradare proteine con conformazioni alterate. Le malattie neurodegenerative quali la malattia di Alzheimer, il Parkinson, la malattia da corpi di Lewy, le Encefalopatie da prioni, la malattia di Huntington ed alcune neuropatie sono patologie caratterizzate da eccessive quantit di proteine erroneamente strutturate (misfolded) e da accumuli di rifiuti molecolari come nelle amiloidosi sistemiche e localizzate (Carrel RW, and Gooptu B., 1998). Il cambiamento della struttura secondaria e/o terziaria di una normale proteina funzionale per lo pi da imputare ad un mancato funzionamento di una famiglia di inibitori delle proteasi nello specifico33


le serin-proteasi (serpine), ci comporta lalterazione della conformazione, una polimerizzazione patologica delle varianti proteiche e la formazione di aggregati proteici intra ed extracellulari con varie organizzazioni che hanno come risultato un inappropriato folding. In alcuni casi loligomerizzazione della proteina misfolded nella conformazione a foglietti b e la formazione di aggregati proteici, produce protofilamenti che si organizzano strutturalmente in fibrille formanti depositi di amiloide tossici per i tessuti con perdita di funzione della proteina aggregata. Losservazione che un tipo familiare di demenza strettamente associato allaccumulo di un inibitore della serino-proteasi presente nel cervello, la neuroserpina, ha permesso di postulare meccanismi conformazionali comuni alle demenze e alle serpinopatie. La neuroserpina omologa alla a1-antitripsina, sintetizzata e secreta dai neuroni durante la loro crescita, e si pensa possa avere un ruolo nel promuovere la formazione delle connessioni interneuronali. La serpinopatia caratterizzata dalla formazione nei neuroni di corpi dinclusione contenenti neuroserpina anomala ed causata da mutazioni, a differente penetranza, dei geni delle neuroserpine. In condizioni normali i neuroni limitano laggregazione intracellulare delle proteine, mediante meccanismi proteolitici. Quando laggregazione per supera una certa entit, i meccanismi proteolitici risultano insufficienti, con conseguente accumulo degli aggregati ed eventuale morte neuronale. La capacit proteolitica dei neuroni di tollerare un eccessivo carico si riduce in relazione al progredire dellet, e ci giustificherebbe alcune forme di Alzheimer a sviluppo tardivo, che sono caratterizzate dai tipici accumuli di precursore proteico della b-amiloide (b-APP) in quelle regioni come lippocampo e la corteccia, dotate di capacit proteolitica molto limitata. La distribuzione in tipiche zone del cervello degli aggregati proteici diversa in ciascuna delle demenze conformazionali ed responsabile della loro varia manifestazione clinica, alla quale contribuisce la severit della mutazione genetica. Infatti mutazioni che determinano notevole instabilit conformazionale comportano un esordio molto precoce della malattia e un coinvolgimento dei nuclei cerebellari e del talamo, con conseguente comparsa di epilessia mioclonica progressiva. Mutazioni meno severe nei geni delle neuroserpine comportano la comparsa di34


inclusioni a livello di neuroni corticali distribuite in modo ampio e un esordio molto pi tardivo della demenza. Studi sulle demenze familiari hanno confermato che laccumulo intraneuronale di proteine aberranti di per s sufficiente a causare la malattia degenerativa ad esordio tardivo. Meccanismi molecolari di risposta allo stress ossidativo cellulare I processi biologici che coinvolgono i radicali liberi e gli antiossidanti sono basati su un complesso equilibrio, la presenza delle specie reattive dellossigeno (ROS), come H2O2, e i radicali OH e O2 di per se non deve essere considerata esclusivamente come un evento negativo dal momento che questi composti hanno un ruolo anche nelle funzioni fisiologiche. Spesso si identifica la presenza di radicali come unaccelerazione dellinvecchiamento dei tessuti o linstaurarsi di gravi patologie come malattie cardiovascolari e neurodegenerative, diabete, cancro (Halliwell, B. and Cross, C.E., 1994; Bray, T.M., 1999; Forsberg, L., et al., 2001). Al contrario, una situazione transiente di stress ossidativi rappresenta uno dei meccanismi fondamentali di funzionamento per: rispondere a/o inviare molti tipi di segnale (ormoni, neurotrasmettitori, citochine ecc.); difendersi dagli agenti infettivi; variare lo stato redox necessario ad avviare un processo differenziativo; essere intermediari di reazioni enzimatiche e chimiche. I radicali sono, perci, indispensabili ad un corretto funzionamento cellulare, tuttavia quando in un comparto tissutale o in una cellula, la corretta regolazione dellomeostasi dei radicali viene alterata nel suo funzionamento, si pu instaurare una situazione di stress ossidativi dovuta ad unaumentata presenza di radicali ossidanti. Ci determina una maggiore ossidazione del tessuto, misurabile dalla comparsa di specie ossidate presenti nei maggiori costituenti della cellula, quali lipidi, proteine, DNA, carboidrati e/o dalla riduzione dei livelli di riducenti35


naturali. Nel momento in cui un processo di stress ossidativo diviene cronico definisce un disequilibrio nella cellula tra la produzione di ROS e le capacit di difesa rappresentata dagli antiossidanti, determinando una condizione di rischio per processi degenerativi e linstaurarsi di una situazione patologica (Sies, H., 1985). noto che numerose patologie, sia su base genetica che acquisit,e sono associate ad alterazioni dello stato redox cellulare, le quali possono avere di per se un ruolo patogenetico o, al contrario, esserne un prodotto. Nel primo caso la produzione di specie pro-ossidanti (o la diminuzione di elementi antiossidanti) interviene nella normale fisiologia cellulare con alterazioni dei processi vitali quali corretta proliferazione e/o della morte cellulare, contrattilit, funzione mitocondriale. Da qui il loro plausibile ruolo nellinsorgenza di patologie degenerative, nei tumori o nei processi associati allinvecchiamento. Patologie che sembrano essere per lo pi correlate a stress ossidativo di tipo cronico, e comunque con esposizione a livelli acuti di ROS, sembrano essere la cataratta (Spector, A., et al., 1993), danni ai tessuti in seguito ad ischemia/riperfusione in vari organi trapiantati (Loguercio C. and Federico A., 2003; Poli G. and Parola M., 1997) e malattie neurodegenerative come lAlzheimer, il Parkinson e la Sclerosi laterale amiotrofica. Nel secondo caso, unalterazione del bilancio redox secondaria a processi patologici, come in alcune infezioni virali o in trattamenti farmacologici di tipo oncologico, dove le alterazioni redox possono rappresentare rilevanti e utili biomarkers per informazioni sulla natura, sulla localizzazione e sugli effetti dello stress ossidativo. Tuttavia, la presenza di molecole che hanno subto un danno di tipo ossidativo pu semplicemente riflettere epifenomeni secondari e non possedere un ruolo di tipo causale. Al momento non possibile delineare chiaramente le relazioni causali esistenti, ma una crescente serie di evidenze indica che elevati livelli di ROS portano a precise conseguenze patologiche, amplificano notevolmente ed estendono il danno, portando36


alla degenerazione irreversibile di cellule e tessuti (Nakamura H., et al., 1997; Andersen JK., 2004). ormai noto che lo stato redox cellulare regoli vari aspetti della funzionalit della cellula attraverso una complessa integrazione di numerosi meccanismi, ad esempio il danneggiamento strutturale delle proteine attraverso lossidazione diretta della catena aminoacidica, il legame alla catena peptidica di prodotti secondari dellossidazione degli zuccheri (glicossidazione), o di lipidi polinsaturi (lipossidazione) (Sayre LM, et al., 2001). Dati molecolari rilevano che dosi subletali di ROS, generati da vari stimoli, possono agire come veri e propri secondi messaggeri allinterno della cellula, andando a modificare il profilo dellespressione genica. Il processo mediato da modificazioni dellespressione di AP-1, Egr1, e di fattori di trascrizione, come NF-kb (Nuclear Factor-kB) e proteine Pax, coinvolte nel controllo delle funzioni cellulari (Tell, G., et al., 2005). Tale regolazione controllata principalmente dalla proteina nucleare, APE1/Ref-1, considerata un sensore redox cellulare; infatti, in risposta ad uno stress di tipo ossidativo, APE1/Ref-1 in grado di agire sia con attivit endonucleasica di riparo dei siti apurinici/apirimidinici del DNA sia di esercitare un controllo di tipo redox su diversi fattori di trascrizione. In questo modo le cellule vengono protette dal danno indotto da ROS sia a livello genomico, mantenendone la stabilit, sia a livello trascrizionale, attivando fattori di trascrizione che controllano i livelli di espressione di enzimi, che eliminano leccesso di ROS come le Superossido dismutasi (SOD), catalasi, ecc. Uno dei fattori di trascrizione controllato in modo redox da APE1/Ref-1 NF-kB (Nishi, T., et al., 2002), il quale svolge un ruolo fondamentale nella risposta allo stress ossidativo, nella regolazione dellinduzione dellapoptosi, inoltre modula a sua volta i livelli di ROS intracellulari attivando la trascrizione di geni che controllano laccumulo di ROS. Questi geni, come SOD2, sono in grado di inibire entrambi la morte cellulare indotta da TNF riducendo i livelli intracellulari di ROS (Wong G.H.W. et al., 1989; Pham C.G. et al., 2004). Infatti nella Sclerosi Amiotrofica Laterale (SLA) sia di tipo familiare che sporadica, un aumento di ROS dovuto ad alterazioni della SOD1, associato a37


modificazioni ossidative del trasportatore di glutammato GLT-1 nel midollo spinale dei pazienti, rafforza lipotesi di una relazione causale tra stress ossidativo ed eccitotossicit. Stress ossidativi e mitocondri Nelle ricerche degli ultimi anni sta emergendo nelle malattie neurodegenerative, il Parkinson, lAlzheimer, latassia di Friedreich, la sclerosi multipla e la sclerosi laterale amiotrofica, il possibile ruolo dellinterazione tra mitocondri e stress ossidativo. Levidenza che i mitocondri siano un sito di danno nelle malattie neurodegenerative si basa in parte sulla riduzione dellattivit della catena respiratoria nella malattia di Parkinson, di Alzheimer e di Huntington. Le funzioni neuronali richiedono unelevata energia, prodotta a livello mitocondriale tramite fosforilazione aerobica ossidativa, quindi alterazioni dei mitocondri intervengono nella fisiopatologia di molte malattie neurodegenerative, a causa di fenomeni come il deficit energetico, lo stress ossidativo e la eccitotossicit. Tali alterazioni comportano una esposizione cronica delle cellule nervose a livelli molto elevati di ROS, derivanti principalmente dalla disregolazione della fosforilazione ossidativa mitocondriale; il loro accumulo, unitamente al deficit energetico inducono un processo a cascata di ostacolo del trasporto intracellulare di glutammato, il quale si deposita nello spazio intersinaptico determinando una continua stimolazione dei recettori con attivazione dellapoptosi. A tal proposito, numerose evidenze supportano la presenza di alterazioni mitocondriali nei pazienti ALS e nei modelli sperimentali della malattia. Inoltre, mutazioni puntiformi del DNA mitocondriale sono presenti con maggiore frequenza nel midollo spinale di pazienti ALS rispetto ai controlli. Anche la neuropatia ottica ereditaria di Leber (LHON) rappresenta una malattia neurodegenerativa con unalterata funzionalit mitocondriale, determinata dalla perdita delle cellule gangliari della retina per mutazioni in varie subunit del complesso I della catena respiratoria, alterando lo stato ossidativo della cellula, e causando a sua volta la modulazione ossidoriduttiva dei trasportatori del glutammato e38


linnesco della cascata eccitotossica. Anche le cellule periferiche di pazienti affetti da tali patologie neurodegenerative presentano alterazioni mitocondriali. stata riscontrata una ridotta attivit del complesso IV in linfociti di pazienti affetti da ALS e una riduzione marcata dellattivit del complesso I in mitocondri isolati da piastrine di pazienti affetti da LHON (Ferrarese C. et al, 2001), nella malattia di Alzheimer (Ferrarese C. et al, 2000) e nella malattia di Parkinson (Ferrarese C. et al., 1999). Anche in unaltra malattia neurodegenerativa, latassia di Friedreich, la patogenesi non ancora ben definita, a causa della eterogeneit dei fattori eziologia; difficile stabilire con precisione il principale fattore clinico di inizio della malattia e della sua progressione. Tuttavia vi sarebbe anche in questo caso un alterato metabolismo mitocondriale con aumento dei livelli di ferro libero, un difettivo processo della catena respiratoria mitocondriale, associata ad unaumentata generazione di radicali liberi e danni ossidativi. A tutto ci stato rilevato che una ridotta espressione della proteina frataxina, una proteina mitocondriale, in grado di detossificare i ROS mediante attivazione della glutatione perossidasi e aumento dei tioli. Lalterato metabolismo proteico e lo stress ossidativo sarebbero anche alla base, nei malati di atassia di Friedreich, di unanomala risposta a livello del cervello allo stress del tipo shock termico. Nel sistema nervoso centrale, la sintesi della proteina heat shock indotta non solo dopo ipertermia, ma anche dopo alterazioni nellambiente redox intracellulare. In particolare, la proteina HSP-32 sembra avere un sistema protettivo potenzialmente attivo contro il danno ossidativo a livello cerebrale (Calabrese V. et al., 2005).

I. 3 CENNI SULLE PI COMUNI MALATTIE NEURODEGENERATIVETra le patologie neurodegenerative, le pi frequenti sono: La malattia o Morbo di Parkinson (MP): caratterizzata clinicamente da tremore a riposo, bradicinesia, rigidit ed instabilit posturale.39


La malattia di Alzheimer (MA): caratterizzata da un graduale e progressivo decadimento delle funzioni cognitive quali la memoria, il giudizio, la critica, il ragionamento. La Sclerosi Multipla (SM): caratterizzata allesordio da disturbi motori e di sensibilit seguiti da deficit dellequilibrio, deficit visivo, disturbi urinari, intestinali e della sfera sessuale. La Sclerosi Laterale Amiotrofica (SLA): caratterizzata da atrofia muscolare ingravescente, fascicolazioni, crampi muscolari, iperreflessia e successivamente da fenomeni bulbari. In questo capitolo viene affrontata una panoramica delle malattie neurodegenerative pi comuni con particolare riferimento ai possibili meccanismi che sono alla base dello sviluppo e progressione di tali patologie. I.3.1 La Malattia di Alzheimer La malattia di Alzheimer (MA) rappresenta la terza causa di morte nei paesi occidentali. Fu descritta per la prima volta da Alois Alzheimer nel 1906 come una lenta neurodegenerazione, la cui sintomatologia caratterizzata da una progressiva demenza con perdita di alcune funzioni cognitive (linguaggio, orientamento spazio-temporale, memoria, capacit di giudizio) in un arco di tempo che oscilla tra i 5-15 anni. Lo stadio finale della malattia mostra un cervello caratterizzato da unatrofia cerebrale con ventricoli pi ampi, riduzione dei cortical gyri e ampi solchi (widened sulci), tali cambiamenti sono da attribuire alla perdita di cellule neuronali. Esiste anche una degenerazione differenziale nei diversi gruppi di cellule neuronali in relazione alla malattia, infatti lippocampo noto essere coinvolto nella patologia in modo pi consistente rispetto alla perdita funzionale tipica dellinvecchiamento, ci correla con la fisiologia dellippocampo implicato nella formazione della memoria e con il fenotipo della malattia, che prevede un deficit della stessa.40


Sembra ormai abbastanza consolidata la motivazione che allorigine della degenerazione neuronale vi sarebbe un processo di apoptosi incontrollata determinata da diversi fattori. Da un punto di vista anatomopatologico, a livello citologico c la presenza di due caratteristiche lesioni dovute alla presenza di: placche ricche di beta amiloide (derivante dalla proteina di membrana APP) nello spazio extracellulare dei neuroni, il processo piuttosto complesso si basa sul taglio di b-APP da parte di tre enzimi proteolitici (a, b e g-secretasi). Se il taglio operato dagli enzimi a e g-secretasi viene originato un frammento normale (p3); se invece b-APP tagliata da b e g-secretasi, si pu produrre il peptide Ab normale di 40 aminoacidi, oppure la versione patologica di 42 aminoacidi che si accumula a livello extracellulare. Il meccanismo neurotossico da addebitare alla Met-35 la quale sembra avere un ruolo critico in quanto coinvolta nellinduzione di stress ossidativo e della perossidazione dei lipidi (Butterfield DA, Boyd-Kimball D., 2004). Inoltre la g-secretasi fa parte di un complesso proteico localizzato nella membrana lisosomiale costituito da: Presenilina-1 (PS1), Nicastrina (NcT), mAPH1 e PEN2, componenti necessari per il riconoscimento di substrati, assemblaggio di complessi, stabilit e localizzazione dello stesso nei siti dazione. La co-espressione di PS1, NcT, mAPH1 e PEN2 induce la formazione degli eterodimeri della presenilina, glicosilazione della nicastrina ed aumento dellattivit della g-secretasi. La proteolisi intramembrana di bAPP (il clivaggio g-secretasi) risulta alterata da mutazioni a carico delle preseniline, determinando uniperproduzione di derivati neurotossici, amiloidogenici di Ab 1-42. Sono state descritte diverse mutazioni missense del gene PS1 che sono alla base delle forme familiari ad esordio precoce di Alzheimer. Tali varianti mutate inducono unalterazione del processo proteolitico dellAPP capace di provocare un aumento della suscettibilit allapoptosi. Il Reticolo Endoplasmatico ed il compartimento intermedio RE-Golgi possono essere siti di generazione di peptidi tossici di Ab 1-42 in presenza di alterazioni del sistema unfolded protein response, causate da mutazioni della PS1. stato ipotizzato che gli aumentati livelli di Ab 1-42 potrebbero essere il risultato di APP ritenuta a livello del Reticolo41


Endoplasmatico, a seguito del cattivo funzionamento unfolded protein response e del trasporto proteico, dal momento che le mutazioni di PS1 inducono una ridotta espressione della proteina di trasporto GRP78/Bip coinvolta nel folding proteico, ed i cui livelli sono ridotti nei cervelli dei malati (Di Luca M, et al. 1998). accumulo di proteina Tau a livello intraneuronale. I neuroni presentano uno scheletro interno di supporto formato in parte da microtubuli, il cui assemblaggio e la cui organizzazione funzionale, in particolare la morfologia, la crescita e la polarit degli assoni, sono regolati dalla proteina tau. In un cervello non affetto da patologia, la proteina tau lega i microtubuli attraverso dei siti di legame tubulina specifici sotto lazione di una fosforilazione nei domini dei legami tra microtubuli a carico di Ser/Thr-Pro (Buee L. et al., 2000). Nei neuroni affetti dalla malattia la proteina tau viene iperfosforilata in pi di 22 siti diversi, ci determina la perdita della capacit di legame della proteina con i microtubuli, i frammenti liberi della proteina si aggregano in grovigli neurofibrillari, alla base di problemi di comunicazione interneuronale e apoptosi incontrollata delle cellule (Hanger DP, et al., 1998). Il fenomeno dellapoptosi nei pazienti affetti da malattia di Alzheimer risulta essere aberrante e si auto-propaga fin dalla fase iniziale della malattia, studi del 2005 ne hanno svelato il possibile meccanismo molecolare riconducibile alla proteina tau alterata non determinato dalla sola aggregazione. Sperimentazione in vitro cellule neuronali di ratto, hanno evidenziato che i frammenti 151 e 421 della proteina tau prodotti dal taglio della caspasi-3, sono in grado di condurre alla morte i neuroni dellippocampo, una specifica popolazione di cellule colpita precocemente nella malattia di Alzheimer. Questi frammenti proteici derivano da un processo post-traduzionale della proteina tau, non originano, quindi da una mutazione genetica a carico del gene codificante tau, anche se in altre tauopatie (demenze fronto-temporali con Parkinsonismo associate al cromosoma 17, o Ftdp) le mutazioni di questo gene sono di per se responsabili della demenza. La42


neurodegenerazione potrebbe essere quindi scatenata da un processo autocatalitico in cui lattivazione di caspasi-3 promuove il processamento di tau, il quale genera a sua volta frammenti proteici che favoriscono lapoptosi (Fasulo L., et al., 2005). Nel tentativo di definire parametri biologici che permettano di diagnosticare in fase precoce la malattia stato messo in evidenza la relazione tra la diminuzione dei livelli di Ab 1-42 nel liquor di pazienti affetti da Alzheimer rispetto a controlli sani di uguale et, mentre i livelli di proteina tau mostrano un gradiente opposto rispetto a quelli dellamiloide, risultando pi elevati nei pazienti malati, intermedi in quelli affetti da forme di demenza non Alzheimer e bassi nei soggetti sani (Arai H, et al., 1995). Molti studi indicano che, ben lungi da avere una singola causa, la malattia sia solitamente causata dalla combinazione di pi fattori di rischio, circa il 75% dei casi di Alzheimer sono classificati come sporadici, la cui origine non ha una causa ben definita, ma non si esclude una componente genetica, dove uno dei fattori di rischio rappresentato dallet, tuttavia appare evidente lassociazione con la presenza di uno o due alleli 4 del gene codificante per la apolipoproteina E (Apo E) presente sul cromosoma 19. Il restante 25% dei casi di Alzheimer effettivamente a carattere ereditario, questi casi si possono distinguere in malattie a comparsa precoce (i sintomi appaiono prima dei 65 anni) e a comparsa tardiva (i sintomi appaiono dopo i 65 anni). Nel primo caso sembra che possano essere coinvolti: Il gene per la produzione di beta-amiloide come APP, la proteina precursore dellamiloide collocato sul cromosoma 21 (Padovani A, et al., 2002). I geni per le presenilina 1 (PSEN1) e presenilina 2 (PSEN2) presenti rispettivamente sul cormosoma 14 e cromosoma 1. Anche se una solamente di queste mutazioni viene ereditata, la persona quasi inevitabilmente svilupper la malattia di Alzheimer del tipo ad insorgenza precoce. Mentre per le forme di carattere tardivo appare avere un ruolo ancora la presenza della proteina APP. Recenti studi hanno sottolineato un possibile collegamento fra fattori correlati al43


rischio cardiovascolare e la genesi della malattia di Alzheimer, in particolare sembra che elevati livelli dellaminoacido omocisteina siano associati con un rischio maggiore di malattia. Unaltra area che sembra dare suggerimenti utili a capire la genesi dellAlzheimer lo studio dellinvecchiamento, in particolare in relazione al danno neuronale che col tempo viene inflitto da parte dei radicali liberi e che pu innescare dei fenomeni di danno ossidativo che interferiscono con i sottili equilibri di controllo del cervello. I.3.2 La Malattia di Parkinson Il Morbo di Parkinson (MP) fu descritto per la prima volta da James Parkinson nel 1817 come una malattia neurodegenerativa del Sistema Nervoso Centrale (SNC), riguardante almeno 1% della popolazione con oltre 55 anni di et (Rajput AH., 1992), la cui eziologia a tuttoggi non completamente conosciuta. In condizioni fisiologiche un cervello sano perde una percentuale di cellule nigrali dal 4.7% al 6% per ogni decade di vita nellintervallo tra i 50 e i 90 anni (Gibb WR, Lees AJ., 1991) tuttavia tale perdita non sufficiente a giustificare il MP (McGeer PL, et al., 1977). La patologia caratterizzata dalla degenerazione della connessione neurale tra la Substantia Nigra e lo striato, due porzioni del cervello essenziali per il mantenimento della normale funzione motoria dellorganismo (Wooten GF 1997). .,Fig. I.1.2.1. Diagramma schematico dei percorsi dopaminergici nel nigrostriale. Fig. 1. Schematic diagram showing the nigrostriatal dopaminergic pathway. A crosssection of human brain shows the caudate and putamen, which constitute the striatum. A section through the midbrain shows the substantia nigra. Dopaminergic neurons (in red), whose cell bodies are located in the SN, send projections that terminate and release dopamine in the striatum. With the degeneration of the dopaminergic pathway, there is a progressive drop in dopamine release into the striatum. Striatal dopamine deficiency, in turn, resultsin complex changes in the brains motor circuitry and causes the motor deficits characteristic of Parkinsons disease (for interpretation of the references to color in this figure legend, the reader is referred to the web version of the article).44


Nerve terminals Caudate nucleus Putamen

}

Striatum

Cell body

Substantia nigra

Lo striato fisiologicamente riceve input da parte dei neuroni della Substantia Nigra Pars Compacta (SNpc) attraverso la via dopaminergica nigrostriatale (Moore RY, et al., 1971), la progressiva degenerazione del pathway dopaminergico nigrostriatale comporta una massiva riduzione della dopamina (DA) striatale per una ridotta sintesi e rilascio di DA dai nervi striatali terminali (striatal nerve terminals) (Lang AE, Lozano AM., 1998; De Long MR., 1990; Dicker E, et al., 1993) che nel caso delle manifestazioni cliniche del MP pu essere causata dalla perdita fino all80% dei neuroni dopaminergici. Inoltre in alcuni neuroni nigrali dopaminergici che sopravvivono alla deplezione nonch in altre regioni del cervello come la cortex e i magnocellular basal forebrain nuclei sono presenti alterazioni citologiche dovute dalla presenza di inclusioni citoplasmatiche costituite da aggregazioni di proteina -sinucleina, definite corpi di Lewy (LBs) (Gibb WR, Lees AJ., 1988; Uversky V.N., 2003). Diversi dati di letteratura rafforzano levidenza di una multifattorialit per leziologia del MP coinvolgendo fattori genetici, ambientali, disfunzione mitocondriale e danno ossidativo. In questo ultimo caso opportuno definire che non ancora chiaro quanto lo stress ossidativo rappresenti una causa o sia una conseguenza di altri eventi, tuttavia 45


certo il suo ruolo sul danno al DNA (Zhang J, et al., 1999) ed alle proteine (Floor E, Wetzel MG., 1998). Il contributo alla eziologia della malattia da parte di una predisposizione genetica stato studiato sia con studi di caso-controllo (Gasser T. 2001; Sveinbjornsdottir S, et al., 2000) sia con ricerche di identificazione di mutazioni geniche come nel gene per l -sinucleina (Zarranz JJ, et al., 2004), il parkin (Kitada T, et al., 1998), il PINK1 (Valente EM, et al., 2004), il PARK 8 per la proteina dardarin (Hernandez D, et al. 2005) infine il DJ-1 (Bonifati V, et al., 2003). Attualmente gli studi hanno dimostrato che l-sinucleina avrebbe un ruolo centrale nonch molteplice dal momento che la sua alterazione funzionale la si riscontra in tutte le forme della patologia. noto che la sua over-espressione attivi lapoptosi (Lee M, et al., 2001) probabilmente a causa del suo coinvolgimento nella regolazione della stabilit della membrana cellulare e della plasticit neuronale (Recchia A, et al., 2004). La proteina stessa nella sua fase solubile spesso associata ad altre proteine tra cui la tau di cui induce la fosforilazione e la struttura in fibrille (Jensen PH, et al., 1999) a supporto di ci frequente rilevare la copresenza nelle cellule di grovigli neurofibrillari intraneurali insieme ai corpi di Lewy indicando che le alterazioni citologiche non sono spesso cos nettamente distinte nelle diverse patologie ma che diversi meccanismi possono sovrapporsi. Vi sarebbe anche una relazione tra gli aggregati di -sinucleina e lo stress ossidativo infatti questi aggregati simili a quelli di beta-amiloide possono essere indotti in vivo dalla compresenza di Cu(II) (Paik SR, et al., 1999), Fe/H2O2 (Hashimoto M, et al., 1999) o citocromo c/H2O2 (Hashimoto M, et al., 1996) elementi centrali nello induzione delle specie reattive dellossigeno (ROS). A sua volta lo stress ossidativo pu danneggiare direttamente il sistema ubiquitina-proteasoma il quale deputato al controllo della divisione cellulare, della traduzione dei segnali e della risposta immunitaria. Il suo ruolo nella patogenesi di molte malattie neurodegenerative riferito al fatto che una sua alterazione comporta una condizione di stress proteolitico con un accumulo intracellulare di proteine anomale o non correttamente conformate (ripiegate) che non vengono eliminate, inoltre gli aggregati46


proteici tipici della neurodegenerazione sono in grado di intrappolare lubiquitina alterandone la funzione (McNaugth KS, Olanow CW., 2003). Tuttavia lereditariet sembra non essere sufficiente a spiegare tutti i casi di MP, infatti la presenza di proteina -sinucleina viene riscontrata in tutti gli LBs, anche nella maggior parte dei casi idiomatici di MP, senza per identificare la presenza di mutazioni a carico del gene codificante la proteina stessa. Questo indicherebbe, quindi, lesistenza di meccanismi addizionali che causano cambiamenti conformazionali della proteina sinucleina e conseguentemente la sua aggregazione nella formazione dei LBs (Spillantini MG, et al., 1997). Da ci la possibilit che diversi fattori di rischio ambientali siano correlati allinsorgenza della malattia e alla modulazione della stessa nella sua progressione (Di Monte DA, et al., 1986; Di Monte DA, Lavasani M, 2002; Di Monte DA., 2003; McCormack AL, et al., 2002; Tanner CM, Ben-Shlomo Y., 1999). Infatti noto che diversi composti chimici presenti nellambiente possono risultare tossiche per il sistema nigrostriatale contribuendo a determinare il processo neurodegnerativo del MP come: metalli (Altschuler E., 1999; Gorell JM, et al., 1999; Yasui M, et al., 1992). solventi (Davis LE, Adair JC., 1999; Hageman G, et al., 1999; Pezzoli G, et al., 1996; Seidler A, et al., 1996). monossido di carbonio (Klawans HJ, et al., 1982). Negli ultimi 20 anni stato rilevato che la neurotossina 1methyl,4phenyl,1,2,3,6 tetrahydropiridina (MPTP) induce nelluomo (Davis G. et al., 1979; Langston J. et al., 1983), e nella scimmia (Burns R. et al., 1983; Langston J. et al., 1984) una sindrome neurologica del tutto sovrapponibile a quella tipica del MP idiomatico, determinata da una preponderante deplezione selettiva della DA striatale e dei suoi metaboliti e una deplezione dei neuroni DA della SNpc. Inoltre stato rilevato che diversi prodotti chimici utilizzati come erbicidi e pesticidi (paraquat, diquat, rotenone) sono da un punto di vista molecolare strutturalmente simili al MPTP e studi epidemiologici hanno dimostrato un incremento del rischio del MP con luso di questi composti in47


agricoltura o con lassunzione di acqua o cibo contaminati dagli stessi (Marder K, et al., 1998; Gorell JM, et al., 1998; Vanacore N, et al., 2002). Tuttavia anche su questo fronte non ancora stato possibile identificare in una esclusiva causa ambientale da agenti chimici leziologia della malattia. I.3.3 La Sclerosi Multipla La Sclerosi Multipla (SM) una malattia che colpisce la sostanza bianca del sistema nervoso centrale, cervello e midollo. Si chiama sclerosi perch la malattia produce delle cicatrici nelle zone danneggiate e Multipla perch il processo colpisce parti diverse del SNC e in tempi diversi. La malattia causa demielinizzazione, cio un danno alla guaina mielinica, quindi un rallentamento nella conduzione degli impulsi nervosi lungo le vie, i neuroni che ne sono interessati. Anche lassone pu risentire dellattacco infiammatorio e della perdita della mielina compromettendo cos la sua funzione e generando il cos detto danno assonale.Dendrite Terminale presinaptico

Soma (corpo cellulare

Nodo di Ranvier

Monticolo assonico Assone Nucleo

Guaina

Fig. I.3.3.1. Struttura schematica del neurone (adattata da Wikipedia).48


La sclerosi multipla caratterizzata da chiazze multiple di demielinizzazione o placche, disseminate in senso spaziale ma anche temporale, in quanto le lesioni si formano, come gi detto, a pi riprese nel tempo, accumulandosi. Le aree di localizzazione preferenziale sono: la sostanza bianca periventricolare, il nervo ottico, il tronco dellencefalo, il cervelletto e il midollo spinale. La demielinizzazione degli assoni delle cellule del sistema nervoso, determina alterazioni delle prestazioni sensitivo-motorie, a causa della riduzione della velocit di conduzione degli impulsi, compromettendo anche gli aspetti cognitivi e comportamentali. I disturbi della sclerosi multipla sono assai variabili e disparati, sia sul versante sensitivo che su quello motorio, in quanto dipendono dalla zona cerebrale interessata di volta in volta dal processo patologico. Un coinvolgimento dellarea temporale potr provocare ad esempio disturbi uditivi, mentre un interessamento dellarea occipitale sar spesso associato a problemi visivi. Levoluzione clinica della sclerosi multipla molto variabile: accanto a forme benigne, con remissione completa ed assenza di recidive, esistono casi ad evoluzione progressiva, con riaccensioni ripetute e postumi invalidanti permanenti. La SM rappresenta la pi comune causa di disabilit su base neurologica nella popolazione giovanile adulta. La maggior parte dei pazienti affetti da sclerosi multipla manifesta i primi sintomi ad una et compresa tra i 20 ed i 40 anni. Colpisce pi frequentemente il sesso femminile (incidenza doppia rispetto ai maschi) e, pur non essendo una malattia ereditaria, pi comune in famiglie con predisposizione genetica. Il decorso della malattia variabile: alcune persone sono minimamente affette dalla malattia, mentre in altre, essa progredisce rapidamente fino alla disabilit totale. Nella maggior parte dei casi la malattia procede per ricadute, con comparsa di un sintomo clinico, che regredisce parzialmente o completamente in 1 o 2 mesi. Le ricadute sono pi frequenti nei primi anni della malattia, successivamente diminuiscono e il decorso pu49


diventare progressivo. La durata media di sopravvivenza dopo i sintomi di esordio superiore ai trentanni. In base al decorso, si distinguono quattro forme cliniche principali di sclerosi multipla. La SM recidivante-remittente ha una frequenza di circa il 25%; caratterizzata dal susseguirsi di attacchi (pousses, esacerbazioni, ricadute o recidive), costituiti dallinsorgenza acuta di disturbi neurologici, con la comparsa di nuovi sintomi o aumento della severit di sintomi gi presenti, che tendono per lo pi alla regressione totale o parziale. Con il trascorrere del tempo la regressione tende a farsi sempre meno completa (forma remittente con esiti) finch, dopo 5-20 anni in media si assiste spesso ad un viraggio verso la forma secondariamente progressiva. La malattia pu rimanere inattiva per mesi, oppure per anni. La SM secondaria progressiva ha una frequenza di circa il 40%; costituita da quelle forme recidivanti-remittenti che hanno perso il caratteristico andamento intermittente e presentano un peggioramento costante (andamento progressivo) con una significativa disabilit. La SM primaria progressiva ha una frequenza di circa il 15%; caratterizzata da un andamento cronico fin dallinizio senza intervalli liberi da disturbi neurologici e da un decorso progressivamente ingravescente. Questa forma ha in genere esordio tardivo (dopo i 40 anni), e tende ad essere caratterizzata per lo pi da disturbi motori. La SM benigna ha una frequenza di circa il 20%; dopo uno o due attacchi con recupero completo, questa forma di S.M. non peggiora col tempo e non determina disabilit permanente e, comunque, non superiore ad un punteggio di 3 alla EDSS (scala di valutazione della disabilit di Kurtzke) dopo 10 anni dallesordio. Questa forma di S.M. associata a sintomi meno severi, per lo pi di tipo sensorio. La causa primaria di questa malattia ancora sconosciuta, mentre sono ben conosciuti i meccanismi attraverso i quali si manifesta e procede nel tempo.50


La SM presenta diverse cause di insorgenza quali cause virali, ambientali, genetiche e immunitarie, le quali insieme concorrono alla manifestazione della malattia. Valutando le relazioni tra questi fattori sembrerebbe che la SM sia causata da fattori autoimmuni che molto probabilmente vengono attivati da fattori ambientali in soggetti geneticamente predisposti. I pazienti con questa patologia presentano numerose alterazioni del sistema immunitario, ma non ancora certo se queste siano la conseguenza del processo morboso, in risposta ad uninfezione virale, o la causa del processo stesso. Lipotesi maggiormente supportata quella di malattia infiammatoria auto-immune, probabilmente causata, o quanto meno attivata da un virus. Il sistema di difesa dellorganismo inizierebbe a considerare la mielina presente nel sistema nervoso centrale come estranea, distruggendola gradualmente. Esiste sicuramente una predisposizione genetica: nei parenti di primo grado dei pazienti con SM il rischio di sviluppare la malattia circa quindici volte maggiore che nella popolazione generale, in particolare tra fratelli. La componente genetica potrebbe intervenire a regolare la suscettibilit dei soggetti a determinati fattori esogeni. Anche lambiente pu svolgere un certo ruolo: questa malattia cinque volte pi frequente nelle zone temperate (come gli USA e lEuropa), rispetto alle regioni tropicali (Iannotta C., 1999). I pazienti con sclerosi multipla possono presentare anticorpi anti mielina, sia in corrispondenza delle placche di demielinizzazione a livello del sistema nervoso centrale, sia nel siero. Gli anticorpi anti-mielina sono di due tipi: anticorpi anti-MOG (myelin oligodendrocyte glicoprotein) ed anticorpi anti-MBP (myelin basic protein), diretti contro differenti target antigenici delle guaine mieliniche della sostanza bianca cerebrale. da far presente che gli anticorpi anti-mielina non rivestono tanto un ruolo diagnostico, essi si evidenziano infatti solo nel 60% dei pazienti con sclerosi multipla ed il loro riscontro non daltra parte sufficiente a porre diagnosi, in quanto non sono specifici per questa malattia. La sieropositivit per gli anticorpi anti-MOG e/o anti MBP, in un paziente con diagnosi clinica e strumentale (Risonanza Magnetica51


Nucleare) di sclerosi multipla, tuttavia indicativa della presenza di una patologia in fase attiva ed associata ad un aumentato rischio di evoluzione negativa, con recidive frequenti ed esiti invalidanti. I pazienti sieronegativi hanno invece unelevata probabilit di presentare una malattia ad andamento benigno, con poche recidive e scarsit di postumi neurologici. La presenza di anticorpi anti-mielina, in soggetti con sclerosi multipla, individua dunque un sottogruppo di pazienti a prognosi negativa, da sottoporre perci precocemente a trattamento (cortisonici, interferone, copolimero 1, immunosoppressori), al fine di prevenire la progressione della patologia. Alcuni studi indicano che lo stress ossidativo gioca un ruolo primario nella patogenesi della sclerosi multipla (Sayre L.M. et al., 2005). risaputo che linfiammazione pu aumentare i livelli delle specie reattive dellossigeno (ROS) e dellazoto (RNS) conducendo allo stress ossidativo. Una delle pi frequenti cause di specie reattive, esclusa la catena di trasporto degli elettroni nel mitocondrio, il sistema respiratorio di microglia attivato. I fattori ROS e RNS generati dai macrofagi sono risultati essere coinvolti come mediatori della demielinizzazione e del danneggiamento degli assoni sia nella encefalomielite autoimmune sperimentale (EAE, modello animale generalmente (accademicamente) accettato per lo studio della SM), che nella SM (Gilgun-Sherky Y, et al., 2004; Van der Goes A. et al., 1998). In pi i radicali liberi possono attivare alcuni fattori di trascrizione, come il fattore Kappa B della trascrizione del nucleo, il quale gestisce/predetermina lespressione di molti geni implicati nella EAE e nella SM, come il fattore a della necrosi tumorale, la sintesi indotta di ossido nitrico (iNOS), laderenza intracellulare della molecola 1 e laderenza della cellula vascolare della molecola 1 (Barnes PJ, Karin M. 1997; Winyard PG, Blake DR. 1997). Un analisi del sangue (plasma, eritrociti e linfociti) di 28 pazienti con SM, comparati con 30 controlli di pari et sani ha rilevato che i pazienti con SM mostrano riduzioni significative dei livelli di ubiquinone e52


vitamina E nel plasma., e un abbassamento della glutatione perossidasi eritrocitaria (Syburra C, Passi S. 1999). La conclusione stata che il sangue dei pazienti con sclerosi multipla mostra segni significativi di stress ossidativo. Tale conclusione consolida uno studio precedente che ha rivelato una significante diminuzione nellattivit della glutatione perossidasi in 24 pazienti con SM, comparati ai controlli (Skukla UK, Jensen GE, Clausen J. 1997); unanormale attivit di catalisi stata riscontrata anche nei granulociti (Jensen GE, Clausen J. 1997). Inoltre risultato anche un aumento del 38% nellossidazione dei lipidi, infatti sono stati riscontrati nel plasma dei livelli significativamente elevati di glutatione ossidasi e una riduzione della vitamina E: la quantit di lipidi stato misurata durante la fase attiva della malattia (Karg E, et al. 1999). Controlli della CSF hanno mostrato concentrazioni significativamente elevate di isoprostani (Greco A, et al., 1999), e un aumento della MDA e dellattivita della glutatione reduttasi, e una diminuizione dellattivit della glutatione perossidasi. (Calabrese V, et al., 1994). Inoltre, controlli specifici della malattia SM hanno rilevato un aumento dellattivit dei radicali liberi, in corrispondenza con il decrescere dei livelli di glutatione, a-tocoferol e di acido urico (Langemann H, et al, 1992). Inoltre, stato dimostrato che le cellule monoclonali attive, nei pazienti con SM, producono un alta quantit di specie reattive dellossigeno e dellazoto e che si sviluppano, in associazione con le infiammazioni nella malattia cronica attiva, danni ossidativi al DNA, compreso il DNA mitocondriale (Lu F et al., 2000; Vladimirova O, et al., , 1999). A causa del fatto che abitualmente le cellule immunitarie attive rilasciano glutammato, si ritiene che sia proprio lesocitotossicit del glutammato a provocare danni agli assoni. I disturbi da demielinizzazione causati da esocitotossine possono essere molto simili a quelli osservati nella SM, causando cos, nel tempo, danni similari. Un rilascio eccessivo di glutammato da neuroni danneggiati pu condurre ad un sovraeccitamernto dei neuroni, e di conseguenza alla morte delle cellule per apoptosi, mediata da diversi tipi di recettori del glutammato (Matute C, Perez-Cerda F 2005). .53


stato trovato che gli oligodendrociti sono altamente sensibili alla esocitotossicit del glutammato principalmente attraverso i recettori AMPA/kainite (Matute C, et al., 2001). Recenti studi sperimentali hanno mostrato che dal trattamento con gli antagonisti dellAMPA/kainite risulta un sostanziale miglioramento della EAE sperimentale (Noseworthy JH, et al., 2000). Lantagonista dellAMPA/kainite, inoltre, aumenta la sopravvivenza delloligodendrocita e riduce la defosforilazione del neurofilamento H, un indicatore del danno dellassone (Pitt D, et al., 2000; Smith T, Groom A, Zhu B, Turski L. 2000). E inoltre provato che nella SM si ha un aumento di glutammato, in associazione allaggravarsi e il proseguire della malattia, nei livelli di CSF (Stover JF et al., 1997; Barkhatova VP et al., 1998) e che la produzione di , , glutammato da parte dei macrofagi pu essere alla base dei danni agli assoni e alla morte degli oligodendrociti nei casi di SM (Werner P et al., 2001). , I.3.4 La Sclerosi Laterale Amiotrofica La malattia relativamente rara, tipicamente di tipo sporadico, ha unincidenza relativamente bassa (intorno ai 2 casi ogni 100.000 abitanti/anno) e una prevalenza in Italia di oltre 3.000 malati (negli Stati Uniti sono circa 25.000), con una piccola percentuale di casi a base genetica, Questa malattia nota anche come Morbo di Lou Gehrig (dal nome del giocatore americano di baseball che ne fu affetto). La Sclerosi Laterale Amiotrofica (SLA), meglio definibile come malattia dei motoneuroni, determinata dalla simultanea degenerazione dei neuroni di moto, usualmente attiva nelle aree cerebrali del corticale motorio, tronco encefalico (specie bulbo) e spinale che hanno la funzione di assicurare la motricit di determinati gruppi muscolari e il loro tonotrofismo, comprende una serie di patologie che si manifestano clinicamente con un deficit progressivo di capacit motoria in aree del corpo differenziate a seconda del punto di attacco. La progressione della degenerazione dei motoneuroni interessati varia da soggetto a soggetto, ma comunque piuttosto rapida, nellordine di qualche anno. Ne risulta che alcuni muscoli si fanno via via pi deboli e tendono a perdere volume e tono, per cui le funzioni a cui sono preposti questi54


gruppi muscolari (deglutizione, fonazione, respirazione, motricit degli arti, ecc.) divengono sempre pi deficitarie. Leziologia della patologia, come nelle altre neurodegenerative, dichiarata sconosciuta dalla scienza medica ufficiale. In epoca relativamente recente sono state avanzate diverse ipotesi sui possibili meccanismi che sono alla base della malattia. Le prime osservazioni sono quelle suggerite dalla ricerca epidemiologica: il fatto che lincidenza di questa patologia nettamente pi elevata nellisola di Guam (nel Pacifico) e nella penisola di Kii (nel Giappone), ha fatto pensare al ruolo importante che possono avere i fattori ambientali e, soprattutto, le abitudini alimentari. A tal riguardo si posto laccento sulluso corrente di una particolare farina ricca di alcune componenti proteiche, e in particolare di certi aminoacidi neuroeccitatori - simili allacido glutammico - che, se presenti in eccesso, finiscono per arrecare danno ai neuroni. Ipotesi successive hanno segnalato che la degenerazione cellulare che si rinviene nella SLA potrebbe essere ascritta a: patologie mitocondriali, con alterazioni del metabolismo energetico e squilibri nella complessa catena respiratoria cellulare (stress ossidativo); un possibile ruolo della carenza di fattori di crescita; azione infettiva di particolari agenti virali (i cosiddetti virus lenti), capaci di dar luogo a malattie croniche dopo un lungo periodo di esposizione, che pu durare anche anni; meccanismi autoimmuni, per la presenza, in alcuni malati di SLA, di particolari anticorpi che disturbano il corretto funzionamento dei canali del calcio (piccole porosit, presenti sulle membrane delle cellule nervose, che si aprono su sollecitazione di determinati voltaggi e consentono un ingresso selettivo di calcio allinterno del neurone). A queste ipotesi andrebbe aggiunta anche quella delle cosiddette heat shock protein (HSP), molecole che abitualmente proteggono le cellule da varie forme di stress (ipertermia ed altre situazioni che possono arrecare danno cellulare); nella SLA si sarebbe evidenziata la presenza di HSP anomale (e in particolare, la HSP32), con conseguente mancanza di protezione nei confronti del danno ossidativo neuronale.55


Uno dei fattori di rischio pi significativi e meglio sostenuti da osservazioni scientifiche epidemiologiche la familiarit per SLA. Nel 1993 Rosen e collaboratori identificarono la mutazione genetica responsabile di circa il 10% dei casi di SLA familiare. Il gene in questione codifica per un enzima, la superossido dismutasi di tipo 1 (SOD1), che ha azione protettiva nei confronti della cellula liberandola dai radicali liberi. Tale proteina, presente nel citoplasma di tutte le cellule dellorganismo, se mutata sembra acquisire propriet tossiche selettivamente sui motoneuroni. La mutazione di un altro gene, ALS 2, responsabile della forma giovanile di SLA di tipo 2, provocando la perdita di funzione di una proteina, lalsina, coinvolta nellorganizzazione del citoscheletro della cellula. Tuttora non chiaro come e perch le mutazioni della SOD1 e dellASL2 provochino la degenerazione selettiva delle cellule motoneuronali. Numerosi studi sono attualmente in corso per identificare i fattori di rischio genetici associati alla predisposizione individuale a contrarre la malattia nei casi di SLA sporadici. Nel sangue di soggetti affetti da SLA stato rilevato un aumento dei livelli di glutammato; inoltre recentemente stata osservata, in questi soggetti, una riduzione di una delle proteine responsabili della rimozione del glutammato extracellulare (trasportatore gliale del glutammato) proprio nelle regioni del midollo spinale e del cervello interessate dalla malattia. Il glutammato svolge normalmente unazione eccitatoria per i motoneuroni, ma se presente a livelli superiori alla norma diventa tossico per i motoneuroni stessi. La tossicit eccitatoria il processo attraverso cui gli aminoacidi neuromodulatori, come il glutammato, diventano tossici se presenti in eccesso. Altre potenziali tossine eccitatorie sono lAMPA e il kainato. Il loro ruolo, si suppone, quello di facilitare la morte neuronale, lasciando passare troppo calcio allinterno dei neuroni motori. Un fenomeno che induce un meccanismo a cascata intraneuronale che coinvolge i radicali liberi e ha come esito, appunto, la morte neuronale. attraverso questa ipotesi che si arrivati allidentificazione del riluzolo, il primo farmaco56


brevettato per la SLA. Il riluzolo sembrerebbe, infatti, in grado di antagonizzare gli effetti del glutammato, inibendone la liberazione presinaptica o, meno probabilmente, bloccandone i recettori. Per ora le strategie antiossidanti, invece, non hanno prodotto risultati concreti. Ma su queste teorie ci si concentra sempre di pi dopo che, recentemente, si arrivati allidentificazione del gene Sod1. La scoperta che nei casi di familiarit, lesordio della malattia legato a un difetto nel gene Sod1, che codifica la superossido dismutasi, un enzima che agisce contro gli agenti ossidanti, come i radicali liberi. I ricercatori, questa la novit, hanno capito che la mutazione di Sod1 comporta un nuovo problema per il motoneurone: la proteina alterata fa diminuire la sua presenza nel nucleo della cellula nervosa. Il DNA cos pi sensibile agli attacchi provocati da agenti ossidanti, e questo potrebbe contribuire allesordio e alla progressione della malattia. Alla genesi multifattoriale della malattia potrebbe altres concorrere anche lesposizione ad agenti tossici ambientali.

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CAPITOLO II

EFFETTO DELLINQUINAMENTO AMBIENTALE


II. 1 INTRODUZIONEOccorre una migliore comprensione dellimpatto dellambiente sulla salute e dei fattori di rischio connessi al regime alimentare, che contribuiscono alle malattie croniche. Prove pi efficaci per la rivelazione dei contaminanti tossici, come lencefalopatia spongiforme bovina, permetteranno di ottenere cibi pi sicuri. Si calcola che entro il 2025 il numero di persone di et superiore ai 65 anni raddoppier. Le malattie della vecchiaia, come il morbo di Parkinson e il morbo di Alzheimer, linfarto, il diabete, lartrite e il cancro potrebbero aumentare in misura molto vistosa. Circa il 5% degli europei di oltre 65 anni colpito dal morbo di Alzheimer. Si stanno studiando nuovi metodi per prevenire o ritardare la morte neuronale, che quello che accade nelle malattie neurodegenerative come l infarto, il morbo di Parkinson e il morbo di Alzheimer. Analogamente, gli studi dedicati ai fattori genetici che predispongono allartrite reumatoide dovrebbero permettere di progredire nella comprensione dei meccanismi che presiedono all insorgere di questa malattia disabilitante. Sar cos possibile elaborare terapie pi efficaci. Perci, oltre a richiedere sforzi personali, la demenza neurodegenerativa porta con se quattro miserabili caratteristiche: di origine ignota, senza cura, sta divenendo incredibilmente comune, richiede uno sforzo in pi rispetto allimpegno domestico medio richiesto61


nella cura di una persona malata. Chiaramente, a questo punto, chiedersi quali siano le cause fondamentali della demenza diventa una priorit nazionale. In verit, alcuni ricercatori e medici stanno lavorando attivamente per comprendere la genesi della demenza e, sebbene i loro sforzi non abbiano ancora raggiunto le dimensioni di unurgenza collettiva, come quella che, a detta loro, ha caratterizzato i programmi nazionali sulla bomba atomica negli anni 40 o sullo spazio negli anni 60, ci sono segni tangenti di una realt emergente di cui dover discutere. La possibilit di individuare eventuali cause ambientali da correlare alle malattie o meccanismi molecolari, che potenzialmente rendono influenzabile il sistema di programmazione della cellula, possono aiutare a capire le varie cause di innesco e/o a trovare cure pi efficaci. Risulta quindi estremamente interessante dare una visione generale su quegli elementi ambientali che possono essere sospettati nellinfluenzare linsorgenza delle malattie neurodegenerative. Lapproccio genetico alle malattie neurodegenerative come la malattia di Alzheimer, la Corea di Huntington, il Parkinson, la Sclerosi Laterale Amiotrofica si rivelato condizione necessaria, ma non sufficiente a dare risposte al problema delleziologia di queste patologie altamente invalidanti. Un esempio fornito dalla malattia di Alzheimer, la forma pi frequente di demenza, le cui cause rimangono ancora pressoch ignote. Solo il 5-10% della malattia riconosce una trasmissione ereditaria mendeliana, mentre il 90% costituito dal tipo sporadico, ad esordio tardivo con una eziologia poligenica e multifattoriale. Quindi la ricerca scientifica sta iniziando a porre una maggiore attenzione oltre ai fattori genetici predisponenti, ai polimorfismi per enzimi metabolici per una suscettibilit individuale, anche a fattori ambientali quali stili di vita in contesti rurali o industrializzati, esposizione a fattori inquinanti per motivi occupazionali, assunzione di cibo contaminato, o utilizzo di materiali e manufatti che possono rilasciare sostanze tossiche le quali possono divenire fattori di rischio (Brown RC, et al., 2005; Migliore L. e Coppede` F 2002). Assume, perci, un ruolo sempre pi importante il ., concetto di multifattorialit nella eziopatogenesi di queste patologie. In questo contesto della multifattorialit tuttavia difficile far collimare tutte62


le osservazioni: ambientali, genetiche e quelle relative alla suscettibilit individuale, ognuna di esse appartiene alla speculazione specifica di discipline diverse; nonostante questa pluralit vale la pena considerare alcune tra le relazioni concettuali pi importanti e ormai acquisite dal mondo scientifico. Le attuali conoscenze, sullorigine prima della patologia delle malattie neurodegenerative di tipo sporadico spesso sconosciuta, ma dati di letteratura evidenziano uno stretto legame tra fattori ambientali, quali esposizione a sostanze chimiche come idrocarburi, pesticidi, solventi, nesano e suoi metaboliti (presenti in colle, vernici, benzina), metalli pesanti, farmaci antinausea ad azione centrale, antipsicotici, e reazioni come stress ossidativo e nitrosilante, glicosilazione, meccanismi infiammatori che determinano un perdurare nel tempo di alti livelli di neurotrasmettitori eccitatori, ritenuti fra i maggiori fattori di intermediazione al rischio. Attualmente nel caso del Morbo di Parkinson le cause ambientali appaiono avere un ruolo pi determinante della predisposizione genetica. Si ritiene infatti che la malattia sia il risultato dellinterazione di fattori ambientali a cui il paziente pu essere esposto nel corso della sua vita. Infatti, ricerche epidemiologiche hanno evidenziato che molti degli individui affetti da Parkinson sono stati esposti in misura maggiore rispetto ai casi di controlli a sostanze quali erbicidi, insetticidi, oppure hanno svolto attivit agricole, o hanno bevuto acque provenienti da pozzi (possibili collettori di pesticidi) o hanno vissuto in zone rurali. Ricerche recenti hanno tuttavia evidenziato che lunico fattore di rischio comune a queste diverse realt rappresentato dallesposizione ad erbicidi ed insetticidi per cui lattivit agricola, la vita rurale o il consumo di acqua di pozzo non sono di per se fattori di rischio se non in quanto legati allelemento uso di erbicida e insetticida. Sono di recente acquisizione anche dati che ipotizzano la possibilit che perfino il particolato presente nellaria (PM 2,5-10), intesa come miscela di composti organici volatili, possa avere un ruolo come fattore o cofattore della malattia di Alzheimer. Uno studio realizzato su cervelli di cani cronicamente esposti ad aria inquinata, ha evidenziato lespressione di alcuni marcatori molecolari63


dellinfiammazione (gene COX2), dei precursori dellamiloide (gene APP 751) e del danno ossidativo al DNA, analogamente a quanto riscontrato nei cervelli di pazienti malati (Caldern-Garcidueas L., et al. 2004). Nella letteratura medica degli ultimi anni, diversi autori hanno posto listanza per una maggiore attenzione alla diagnosi precoce e alla profilassi, quale unica via praticabile nel contrastare le malattie degenerative. Infatti nella Sclerosi Laterale Amiotrofica, ma anche nella maggioranza delle altre malattie degenerative, Alzheimer, Parkinson, Huntington etc., al momento della diagnosi definitiva, il paziente ha gi perduto fino al 70% dei motoneuroni o neuroni, rendendo difficile la possibilit di un intervento terapeutico efficace. Inoltre, si deve notare che il processo degenerativo indotto da una qualsiasi causa, si dirama progressivamente in una serie di sotto-processi, auto-sostenenti e diver

cause ambient ali delle malattie neurodegenerative

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