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Squilibrio del pH nelle cellule cerebrali può contribuire all'Alzheimer

Squilibrio del pH nelle cellule cerebrali può contribuire all'AlzheimerIl modo in cui lo squilibrio del pH all'interno degli endosomi può contribuire all'Alzheimer. (Fonte: Hari Prasad) 

Scienziati della Johns Hopkins affermano di aver trovato nuove prove nelle cellule del cervello di topo cresciute in laboratorio, chiamate astrociti, che una radice del morbo di Alzheimer (MA) può essere un semplice squilibrio nella chimica acido-alcalina (pH) all'interno degli endosomi, le navette che trasportano nutrienti e chimica nelle cellule.


Gli astrociti hanno anche il compito di eliminare le cosiddette proteine amiloide-​​beta dagli spazi tra i neuroni, ma decenni di prove hanno dimostrato che se il processo di eliminazione va male, le proteine ​​amiloidi si accumulano intorno ai neuroni, portando alle caratteristiche placche e alla degenerazione delle cellule nervose che sono i segni distintivi del MA che distrugge la memoria.


Il nuovo studio, apparso il 26 giugno in Proceedings of the National Academy of Sciences, riferisce inoltre che gli scienziati hanno somministrato farmaci chiamati inibitori dell'«istone deacetilasi» (HDAC) alle cellule di topo squilibrate, progettate con una variante genetica del MA. L'esperimento ha invertito con successo il problema del pH e ha migliorato la capacità di eliminare l'amiloide beta.


Gli inibitori dell'HDAC sono approvati dalla Food and Drug Administration degli Stati Uniti per l'uso in persone con determinati tipi di tumori del sangue, ma non nelle persone con MA. Sappiamo che la maggior parte degli inibitori dell'HDAC non può attraversare la barriera emato-encefalica, una sfida significativa per l'uso diretto dei farmaci per i disturbi cerebrali.


Gli scienziati dicono che stanno pianificando ulteriori esperimenti per vedere se gli inibitori dell'HDAC hanno un effetto simile sugli astrociti cresciuti in laboratorio presi da pazienti di MA e se esiste il potenziale per progettare inibitori dell'HDAC in grado di attraversare la barriera.


Tuttavia, gli scienziati avvertono anche che, prima che si possano fare questi esperimenti, sono necessarie molte più ricerche per verificare e spiegare la relazione precisa tra le proteine ​​amiloidi e il MA, che colpisce circa 50 milioni di persone in tutto il mondo. Ad oggi, non esiste una cura e nessun farmaco in grado di prevenire o invertire in modo prevedibile o invalicabile i sintomi del MA.


"Quando viene diagnosticato il MA, la maggior parte del danno neurologico è già fatto, ed è probabilmente troppo tardi per invertire la progressione della malattia", dice Rajini Rao PhD, professore di fisiologia della Johns Hopkins University. "Ecco perché dobbiamo concentrarci sui primi sintomi patologici o sui marcatori della malattia, e sappiamo che la biologia e la chimica degli endosomi è un fattore importante molto tempo prima che si instauri il declino cognitivo".


Quasi 20 anni fa, gli scienziati della Johns Hopkins e della New York University hanno scoperto che gli endosomi, compartimenti circolari che trasportano il carico all'interno delle cellule, sono più grandi e molto più abbondanti nelle cellule cerebrali di persone destinate a sviluppare il MA. Questo ha suggerito un problema di fondo con gli endosomi che potrebbe portare ad un accumulo di proteina amiloide in spazi intorno ai neuroni, dice Rao.


Per trasportare il loro carico da un posto all'altro, gli endosomi usano chaperoni (ciceroni, guide), proteine ​​che si legano a carichi specifici e li portano avanti e indietro dalla superficie della cellula. Se c'è, e quanto è buono questo legame, dipende dal giusto livello di pH all'interno dell'endosoma, un delicato equilibrio tra acidità e alcalinità, o acido e base, che fa galleggiare gli endosomi in superficie e scivolare giù nella cellula.


Incorporate nella membrana endosomiale ci sono le proteine ​​che trasportano gli atomi di idrogeno caricati, chiamati protoni, dentro e fuori gli endosomi. La quantità di protoni all'interno dell'endosoma determina il suo pH.


Quando i fluidi nell'endosoma diventano troppo acidi, il carico viene intrappolato all'interno dell'endosoma, in profondità all'interno della cellula. Quando il contenuto di endosoma è più alcalino, il carico rimane a lungo sulla superficie della cellula.


Per aiutare a determinare se tali squilibri del pH sono presenti nel MA, lo studente laureato Hari Prasad ha setacciato studi scientifici sul MA alla ricerca di geni che sono sotto-espressi nei cervelli malati, rispetto a quelli normali. Confrontando un set di dati di 15 cervelli di pazienti con MA con 12 normali, ha scoperto che 10 dei 100 geni sotto-regolati più spesso erano correlati al flusso di protoni nella cellula.


In un altro gruppo di campioni di tessuto cerebrale di 96 persone con MA e senza di esso, l'espressione genica del protone trasportatore negli endosomi (il NHE6), era circa il 50% più bassa nelle persone con MA rispetto al cervello normale. Nelle cellule cresciute da persone con MA e in astrociti di topo progettati per trasportare una variante del gene del MA umano, la quantità di NHE6 era circa la metà della quantità presente nelle cellule normali.


Per misurare l'equilibrio del pH all'interno degli endosomi, senza rompere l'astrocita, Prasad e Rao hanno usato sonde sensibili al pH che sono assorbite dagli endosomi ed emettono luce in base ai livelli di pH. Hanno scoperto che le linee cellulari di topo contenenti la variante genica del MA presentavano più endosomi acidi (una media di 5,37 pH) rispetto alle linee cellulari senza la variante del gene (media di 6,21 pH).


"Se le NHE6 che funzionano in modo corretto, gli endosomi diventano troppo acidi e indugiano all'interno degli astrociti, non facendo il loro dovere di eliminare le proteine ​​amiloide-beta", dice Rao.


Anche se è probabile che i cambiamenti nell'NHE6 avvengano nel tempo nelle persone che sviluppano MA sporadico, le persone che hanno ereditato le mutazioni in NHE6 sviluppano quella che è chiamata «sindrome di Christianson» durante l'infanzia e hanno una rapida degenerazione cerebrale.


Prasad e Rao hanno anche scoperto che una proteina chiamata LRP1, che raccoglie proteine dell'amiloide ​-beta all'esterno dell'astrocita e le porta agli endosomi, era presente solo per la metà sulla superficie degli astrociti di topo coltivati ​​in laboratorio, progettati con una variante del gene umano chiamata APOE4, comunemente legata al MA.


Cercando dei modi per ripristinare la funzione di NHE6, Prasad ha cercato nel database di studi sui lieviti, scoprendo che gli inibitori dell'HDAC tendono ad aumentare l'espressione del gene NHE6 nel lievito. Questo gene è molto simile tra le specie, incluse mosche, topi e umani.


Prasad e Rao hanno testato nove tipi di inibitori dell'HDAC su colture cellulari di astrociti di topo progettati con la variante genetica APOE4. Gli inibitori dell'HDAC ad ampio spettro hanno aumentato l'espressione di NHE6 ai livelli degli astrociti di topo che non avevano la variante genetica del MA.


Hanno anche scoperto che gli inibitori dell'HDAC hanno corretto lo squilibrio del pH all'interno degli endosomi e ripristinato la LRP1 sulla superficie dell'astrocita, con il risultato di eliminare efficacemente la proteina amiloide-beta.

 

 

 


Fonte: Johns Hopkins Medicine (> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.

Riferimenti: Hari Prasad, Rajini Rao. Amyloid clearance defect in ApoE4 astrocytes is reversed by epigenetic correction of endosomal pH. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018; 115 (28): E6640 DOI: 10.1073/pnas.1801612115

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