La perdita di memoria è spesso associata a una malattia neurodegenerativa che colpisce la funzionalità dei neuroni: la malattia di Alzheimer. L’aspetto drammatico di questa malattia è che tende a degenerare fino alla perdita completa della memoria.
Questa patologia prende il nome dallo psichiatra-neuropatologo Alois Alzheimer, che nel 1907 ha identificato la malattia, quando per la prima volta in campioni di corteccia cerebrale post mortem di un paziente, ha descritto la presenza di “grovigli” di fibrille e di placche di proteine.
In seguito, anche grazie a tecniche istopatologiche, sono state identificate la proteina Tau che se iper-fosforilata (mutata) costituisce i “grovigli” di fibrille, la proteina ?-amiloide (?A), che tende ad aggregarsi in placche e la proteina precursore dell’amiloide (amyloid precursor protein (APP) a partire dalla quale la ?A viene prodotta.
La patologia è complessa per la sua eterogeneità sia di cause che di sintomi. I fattori che contribuiscono al suo insorgere possono essere: esterni (come quelli ambientali, o immunologici) o genetici.
Recentemente l’attenzione di molti ricercatori si è focalizzata sull’analisi di due proteine: Tau e APP. Così la comunità scientifica si è divisa in due scuole di pensiero: "tauisti" e "baptisti".
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I Tauisti
I tauisti sostengono che la causa principale della patologia sia dovuta all’iper-fosforilazione della proteina Tau. Tau appartiene alla famiglia delle proteine associate ai microtubuli. È principalmente espressa nei neuroni e gioca un ruolo fondamentale nello stabilizzare le subunità di tubulina che formano i microtubuli e creano una rete deputata al mantenimento della forma cellulare e responsabili del trasporto lungo l’assone di sostanze nutritive e altre molecole.
In caso di patologia conclamata la proteina Tau è iper-fosforilata impedendo il legame ai microtubuli, destabilizzandoli. Questo ha come conseguenza la degradazione del citoscheletro e la compromissione del trasporto assonale. L’iper-fosforilazione favorisce la formazione di aggregati di fibrille della proteina Tau e di forme tossiche che conducono alla morte neuronale (neurodegenerazione).
I Baptisti
I baptisti sostengono invece che la causa della malattia di Alzheimer risiede essenzialmente nell’accumulo della proteina ?A tossica al di fuori delle cellule. La proteina APP può essere tagliata in frammenti da enzimi proteolitici, detti ?-, ?- e ?-secretasi. La proteina ?A è un prodotto del taglio del suo precursore APP ed è uno dei componenti delle placche.
Il gene che codifica per la proteina APP risiede sul cromosoma 21. Proprio per questo motivo, i pazienti affetti da Sindrome di Down (dovuta ad una copia extra del cromosoma 21, condizione nota come trisomia 21) hanno un’espressione eccessiva della proteina APP.
L’aumentata espressione della proteina APP è comune non solo ai pazienti con sindrome di Down ma anche in pazienti affetti dalla malattia di Alzheimer e da Sindrome dell’X Fragile.
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Ruolo di A? e APP nella patogenesi della malattia: maggiori dettagli
La malattia di Alzheimer si manifesta con accumulo di frammenti proteici ?A che si formano dal taglio del precursore APP. La proteina ?A tende ad accumularsi e formare aggregati di varia grandezza che costituiscono le placche tossiche che portano alla morte neuronale.
APP è modificato mediante due vie molecolari (pathway molecolari). Nella via detta “non amiloidogenica” (quella che non produce la proteina ?A), APP è tagliata dell’enzima ?-secretasi in due frammenti: APPs? solubile e C83 mentre nella via amiloidogenetica si liberano i frammenti C59 e appunto ?A.
L'accumulo di questa proteina ?A determina un'alterazione delle funzioni sinaptiche e quindi della comunicazione tra i neuroni che vanno incontro a morte, e facilita l'iper-fosforilazione della proteina Tau, evento considerato cruciale nella patogenesi dai sostenitori della scuola di pensiero dei "tauisti".
La maggior parte delle metodiche finora adoperate per risolvere gli effetti neurotossici dalla patologia d'Alzheimer sono generalmente orientate a ridurre l’accumulo dei frammenti tossici di ?A agendo sugli enzimi che sono responsabili del taglio della proteina.
In letteratura alcuni ricercatori dimostrano come nei pazienti affetti da questa patologia ci sia non solo un accumulo della ?A ma anche del suo precursore (APP).
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In particolare Johnston e collaboratori hanno dimostrato come in pazienti affetti da malattia di Alzheimer caratterizzati da una mutazione in una singola base nucleotidica sul gene APP (definita Swedish mutation) non solo si osserva un accumulo della proteina ?A, ma anche del suo precursore. Questo ha fatto pensare ad un'alterata produzione nella quantità di APP tossica per i neuroni.
L'accumulo di ?A dipende allora da un eccessivo taglio patologico (come si è pensato finora) o piuttosto semplicemente da una produzione eccessiva del suo precursore? In letteratura è stato anche dimostrato che la produzione di APP precursore del frammento ?A è controllata da proteine chiamate “proteine che legano l’RNA” e da piccoli RNA definiti microRNA.
Il meccanismo di controllo della traduzione avviene in regioni regolatrici non codificanti del messaggero. Esistono però due proteine che legano l’mRNA di APP nella regione codificante e ne regolano l'espressione in maniera opposta: hnRNP C, che stabilizza il messaggero e ne favorisce l'espressione e Fragile X Mental Retardation Protein (FMRP) che invece ne blocca la sintesi proteica.
Quest'ultima proteina è assente nei pazienti affetti dalla Sindrome dell'X Fragile (patologia caratterizzata da ritardo mentale). L'eccesso di APP in pazienti con malattia di Alzheimer può dunque dipendere da un’alterazione del meccanismo di controllo dovuto alle due ”proteine che legano l’RNA” (FMRP e hnRNPC ).
In pazienti affetti dalla forma sporadica della malattia di Alzheimer e in modelli sperimentali di topo con mutazione Swedish sul gene APP (detto modello murino Tg2576) le due ”proteine che legano l’RNA” sono alterate nelle fasi pre-sintomatiche della patologia.
Il meccanismo di sintesi proteica relativo al gene APP è quindi alterato nelle prime fasi della patologia portando dunque ad un accumulo della proteina APP e di conseguenza anche del suo prodotto neurotossico (A?).
La regolazione della sintesi proteica alle sinapsi dunque rappresenta un elemento fondamentale per l'attività neuronale e questi primi dati dimostrato che pazienti affetti dalla malattia d'Alzheimer con deficit cognitivo hanno una maggiore sintesi proteica, maggiore produzione di APP e come conseguenza una maggiore produzione di frammenti neurotossici.
Per la prima volta dunque si propone l’idea che la patologia di Alzheimer sia dovuta ad un eccesso di APP e che questo suo aumento nei pazienti con malattia di Alzheimer sia dovuto essenzialmente ad un’alterazione del meccanismo di sintesi proteica generale.
Saranno necessari ulteriori esperimenti per confermare questi dati ma una volta stabilitane la valida si potrà senza dubbio fornire un terapia alternativa e mirata per la cura di questa malattia.
Nuove Strategie Diagnostiche: L'importanza dei Biomarcatori nel Sangue
Sono diversi, ad oggi, gli studi condotti per individuare precocemente questa malattia e molti di questi hanno come “alleato” speciale dei ricercatori proprio il sangue.
Di recente attraverso uno studio incrociato condotto tra le università di Brescia, Pittsburgh e Göteborg, i cui risultati sono stati pubblicati sulla rivista Brain, è stata sviluppata una tecnica per rilevare la cosiddetta BD-Tau, la “Tau derivata dal cervello”: si tratta di un anticorpo speciale che si lega alla proteina stessa e che la rende facilmente individuabile nel sangue.
I ricercatori hanno applicato questo anticorpo per realizzare un test ultrasensibile basato sul sangue per la tau di derivazione cerebrale e lo hanno convalidato in cinque coorti indipendenti di pazienti. Nei campioni accoppiati la tau cerebrale derivata dal sangue ha mostrato prestazioni diagnostiche equivalenti a quelle della tau totale e della tau cerebrale derivata dal liquor (noto anche come “liquido cerebrospinale”, ossia il fluido che si trova nel sistema nervoso centrale) per separare i partecipanti alla malattia di Alzheimer positivi al biomarcatore dai controlli negativi al biomarcatore.
Questi risultati sono poi stati ulteriormente verificati in due coorti di cliniche della memoria, dove la tau sierica derivata dal cervello ha differenziato la malattia di Alzheimer da una serie di altri disturbi neurodegenerativi, tra cui la degenerazione lobare frontotemporale e i disturbi parkinsoniani atipici.
In particolare, la tau plasmatica di derivazione cerebrale è risultata correlata al neurofilamento luminoso solo nella malattia di Alzheimer, ma non nelle altre malattie neurodegenerative.
La tau derivata dal cervello è un nuovo biomarcatore ematico che supera la tau totale plasmatica e, a differenza dei neurofilamenti leggeri, mostra specificità per la neurodegenerazione di tipo Alzheimer.
Nello studio, i campioni di sangue prelevati da oltre 50.000 persone della U.K. Biobank hanno mostrato che quattro proteine - proteina fibrillare acida della glia (GFAP), neurofilamenti leggeri (NfL), fattore di differenziazione della crescita-15 (GDF-15) e proteina 2 di legame del fattore di crescita trasformante beta (LTBP2) - sono associate in modo coerente alla demenza per tutte le cause, alla malattia di Alzheimer o alla demenza vascolare nell'arco di 14 anni, secondo Jin-Tai Yu e colleghi, della Fudan University di Shanghai.
La combinazione di GFAP o GDF-15 con i dati demografici ha portato a un'area sotto la curva (AUC) di 0,891 per la previsione della demenza per tutte le cause, di 0,872 per la previsione della malattia di Alzheimer e di 0,912 per la previsione della demenza vascolare, hanno riferito i ricercatori in Nature Aging. I test cognitivi non hanno migliorato significativamente il potere predittivo.
Nello studio, le persone con livelli di GFAP più elevati avevano una probabilità 2,32 volte maggiore di sviluppare demenza e GFAP e LTBP2 erano altamente specifici per la previsione della demenza.
I livelli di GFAP e NfL hanno iniziato a cambiare almeno 10 anni prima della diagnosi di demenza, con un aumento delle concentrazioni più marcato nelle persone con demenza per tutte le cause o Alzheimer.
Yu e colleghi hanno utilizzato i dati della coorte prospettica U.K. Biobank, per valutare 1.463 proteine plasmatiche. I campioni di sangue sono stati raccolti tra il 2006 e il 2010. L'età mediana di riferimento era di 58 anni. Circa il 54% della coorte era di sesso femminile e il 94% era di razza bianca.
Lo studio ha incluso 52.645 partecipanti senza demenza al basale. Nel corso di un follow-up mediano di 14,1 anni, a 1.417 persone è stata diagnosticata la demenza, di cui 219 casi incidenti entro 5 anni, 833 entro 10 anni e 584 oltre 10 anni.
I ricercatori hanno combinato i principali marcatori proteici associati alla demenza incidente e le variabili demografiche come l'età, il sesso, l'istruzione e la storia familiare per produrre un modello predittivo del rischio di demenza nell'arco di 10 anni.
Per il rischio a 10 anni, la GFAP combinata con le caratteristiche demografiche ha previsto la demenza per tutte le cause (AUC 0,872) e la malattia di Alzheimer (AUC 0,847). Il GDF15 plasmatico combinato con le caratteristiche demografiche ha previsto la demenza vascolare incidente a 10 anni con un'AUC di 0,895.
Oltre alla demenza, non è emersa alcuna associazione significativa tra GFAP al basale e rischio di altre malattie neurodegenerative (HR 1,06, 95% CI 0,94-1,20, P>0,999), disturbi neurologici (HR 0,94, 95% CI 0,88-1,00, P=0,493) o disturbi mentali e comportamentali (HR 1,05, 95% CI 0,95-1,15, P>0,999), "indicando che GFAP può essere specifica per la demenza", hanno suggerito Yu e i coautori.
Tabella: Proteine plasmatiche associate alla demenza e performance predittiva
| Proteina | Condizione | AUC (con dati demografici) |
|---|---|---|
| GFAP | Demenza per tutte le cause | 0.872 |
| GFAP | Malattia di Alzheimer | 0.847 |
| GDF15 | Demenza Vascolare | 0.895 |
I modelli precedenti per individuare il rischio di demenza dipendevano in gran parte dal liquido cerebrospinale o da dati di imaging, ha osservato Yu. "I biomarcatori proteomici sono più accessibili e non invasivi, e possono facilitare notevolmente l'applicazione di uno screening su larga scala della popolazione", ha affermato l’esperto.
I risultati si aggiungono "a ciò che sappiamo sui cambiamenti nel sangue che si verificano molto presto nelle malattie che causano la demenza, che saranno importanti per la diagnosi precoce in futuro", ha dichiarato l’esperta Tara Spires-Jones, dell'Università di Edimburgo in Scozia.
GFAP, un marcatore dell'astrogliosi, e NfL, un marcatore del danno assonale, hanno predetto i sintomi della demenza un decennio prima che emergessero in una forma ereditaria di malattia di Alzheimer. Anche la GFAP plasmatica è stata proposta come potenziale biomarcatore di patologie correlate all'Alzheimer.
I risultati della U.K. Biobank "appaiono solidi alla luce delle conoscenze già acquisite sul fatto che la GFAP è altamente associata alla malattia di Alzheimer e che l'NfL non è specifico per nessuna demenza", ha aggiunto Amanda Heslegrave, dell'University College di Londra.
ABCA7: Un Nuovo Possibile Target Terapeutico
Un gruppo di ricercatori dell’Alzheimer Center del Temple University Health System sta studiando la proteina ABCA7 come possibile target terapeutico per la malattia di Alzheimer. Questo proteina ha un ruolo protettivo nei confronti della malattia neurodegenerativa, ma i suoi livelli nell’organismo sono alterati dall’infiammazione e dal metabolismo del colesterolo.
Un precedente studio ha mostrato che le persone di età compresa tra 63 e 78 anni, con bassi livelli di proteina ABCA7, corrono un rischio maggiore di andare incontro a malattia di Alzheimer. Nel nuovo lavoro, il team di Lyssenko ha approfondito in che modo il metabolismo del colesterolo e l’infiammazione possono alterare i livelli di ABCA7 in tre linee cellulari del cervello dell’uomo: microglia, astrociti e neuroni.
Dall’analisi è emerso che i livelli di ABCA7 diminuiscono di circa il 40% nelle cellule della microglia e di circa il 20% nelle linee cellulari di astrociti, dopo che nelle cellule si va a ridurre il contenuto di colesterolo di oltre la metà rispetto al normale, mentre non si verificano cambiamenti nei livelli di ABCA7 nelle cellule neuronali dopo la perdita di colesterolo.
Inoltre, l’interleuchina IL-1beta e il fattore TNFalfa sopprimono l’espressione di ABCA7 solo nelle cellule microgliali, mentre IL-6 non ha alcun impatto sulle tre linee cellulari.
Il Ruolo Intracellulare delle Proteine Tossiche: Una Scoperta Italiana
Scoperto da ricercatori italiani dell’Università Cattolica del Sacro Cuore - Facoltà di Medicina e Chirurgia “A. Gemelli” di Roma il meccanismo con cui le proteine tossiche, che si accumulano nel cervello dei malati di Alzheimer fanno danni dall'interno delle cellule nervose, alterando le sinapsi e la trasmissione del segnale nervoso. Se a queste proteine viene impedito di entrare nel neurone, diventano innocue, ovvero dall’esterno della cellula sono incapaci di danneggiarla.
Nella ricerca sulla malattia di Alzheimer, presentata in anteprima a San Diego al Congresso della Società di Neuroscienze (SfN-Society for Neuroscience), il gruppo di Grassi ha descritto in dettaglio come il peptide ?-amiloide, quando si accumula all'interno delle cellule nervose, le danneggia inesorabilmente.
“Abbiamo caratterizzato, da un punto di vista funzionale, quale sia il danno provocato da questo accumulo ‘intracellulare’ di A? (in-A?), in termini di alterazioni della trasmissione sinaptica di base (ovvero, il meccanismo di ‘trasmissione’ del segnale da una cellula all'altra) e della plasticità sinaptica (ovvero, il meccanismo alla base della ‘memorizzazione’ delle informazioni)”.
“In particolare - spiega Grassi - ci siamo avvalsi di metodologie che ci consentissero di discriminare (‘isolare’) il danno causato da in-A? rispetto a quello prodotto da ex-A?. Abbiamo così dimostrato che se si blocca l'ingresso di ex-A? dal compartimento extracellulare al compartimento intracellulare o si contrastano i suoi effetti all'interno della cellula, ex-A? risulta fondamentalmente inefficace".