[autismo-biologia] Recettori NMDA e prospettive terapeutiche

[daniela]

“La letteratura biologica/biochimica sui disordini dello spettro 
autistico si arricchisce continuamente e sembra proprio che in tutto il 
mondo ci sia un enorme interesse scientifico a risolvere il problema. Si 
aggiungono di continuo nuovi tasselli, e secondo me non siamo 
lontanissimi dalla soluzione del problema”

Questo scrive il Professor Giorgio Lenaz accompagnando il resoconto di 
un articolo che cerca di ricavare, dai tanti contributi sparsi in 
letteratura, degli elementi unificanti utili per giungere a terapie 
dell’autismo mirate e innovative, evitando l’alternanza di illusioni e 
delusioni che si é avuta sino ad ora con approcci terapeutici privi di 
solide basi biologico/biochimiche.

"Metabotropic functions of the NMDA receptor and an evolving rationale 
for exploring NR2A-selective positive allosteric modulators for the 
treatment of autism spectrum disorder.
Burket JA, Deutsch SI.
Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry. 2019 Mar 2;90:142-160"

"Funzioni metabotropiche del recettore NMDA e basi logiche per esplorare 
modulatori allosterici positivi selettivi per la subunità NR2A del 
recettore nel trattamento dei disordini dello spettro autistico"

Premessa
Esistono diversi tipi di recettori per il glutammato, il principale 
neurotrasmettitore eccitatorio del sistema nervoso centrale; questi 
recettori si distinguono tra di loro per possedere agonisti specifici e 
distinti: così abbiamo recettori NMDA (che legano l’acido N-metil-D- 
aspartico), recettori AMPA 
(α-amino-3-idrossi-5-metil-4-isoxazolpropionato), recettori per acido 
kainico, pur essendo per tutti il glutammato il ligando fisiologico.
Un’altra distinzione è tra recettori detti ionotropi (la cui 
stimolazione forma un canale che permette il passaggio di ioni) e 
metabotropici  (la cui stimolazione evoca risposte metaboliche). Il 
recettore NMDA è considerato un recettore ionotropo, mentre tra i 
recettori AMPA ve ne è uno ionotropo e parecchi metabotropici. Il 
recettore AMPA ionotropo è un tipico canale che si apre fisiologicamente 
quando il glutammato è rilasciato dalla membrana presinaptica. Il 
recettore NMDA, invece, è un recettore molto particolare, in quanto non 
basta l’interazione col glutammato per aprirlo, ma occorre una 
contemporanea depolarizzazione della membrana post-sinaptica. Infatti il 
canale è normalmente tappato da uno ione Mg2+ che viene rimosso quando 
la membrana è depolarizzata. La depolarizzazione è provocata 
dall’apertura dei canali AMPA da parte del glutammato, con entrata di 
ioni Na+ che diminuiscono il potenziale negativo all’interno della 
membrana post-sinaptica. Il canale NMDA, aperto dalla contemporanea 
applicazione del glutammato e della depolarizzazione, ha la peculiarità 
di permettere il passaggio non solo di ioni Na+ e K+, ma anche di Ca2+ . 
Quest’ultimo, data la sua bassa concentrazione, non è in grado di 
modificare le proprietà elettriche della membrana, ma rappresenta un 
messaggero intracellulare che attiva diversi enzimi nel neurone 
post-sinaptico, tra cui una chinasi calcio-calmodulina dipendente che 
fosforila e attiva diverse proteine, portando ad un aumento del numero 
di recettori AMPA sulla membrana e potenziando la struttura della 
sinapsi interessata, che quindi viene favorita rispetto ad altre. E’ 
questa la base del cosiddetto potenziamento a lungo termine (long-term 
potentiation, LTP) che viene considerato il principio basilare della 
memoria e dell’apprendimento: una sinapsi stimolata con uno stimolo 
forte e ripetuto viene potenziata strutturalmente in modo che poi 
rappresenti un percorso preferenziale rispetto alle sinapsi non 
stimolate.
Rispetto ad altri recettori ionotropi, il recettore NMDA è 
particolarmente complesso: è già una peculiarità che il passaggio del 
Ca2+ non è destinato a modificare proprietà elettriche, ma eventi 
metabolici. Inoltre il recettore, oltre al sito per il glutammato, ha 
siti allosterici per vari modulatori positivi e negativi, che aumentano 
o diminuiscono la conducibilità al Ca2+ . Tra i modulatori positivi 
fisiologici vi sono gli aminoacidi glicina e serina. Inoltre il 
recettore NMDA ha siti di fosforilazione (aggiunta di fosfato alla 
proteina tramite ATP) che dipendono dalla stimolazione di altri 
recettori metabotropici per il glutammato. Infine il recettore NMDA 
possiede di per sè effetti metabotropici che non dipendono dall’entrata 
dello ione Ca2+ , ma sembrano derivare direttamente dalla conformazione 
della proteina.
Il recettore NMDA è formato da 4 subunità proteiche che concorrono a 
formare il canale ionico: 2 subunità dette NR1 (di cui esistono molte 
isoforme), che delimitano il sito di legame per i modulatori allosterici 
glicina e serina, e due subunità NR2, di cui esistono 4 tipi (NR2A, 
NR2B, NR2C, NR2D) e che delimitano il sito per il glutammato. La 
composizione del tetramero in base alle diverse subunità varia tra le 
diverse aree cerebrali e durante lo sviluppo. I recettori contenenti 
NR2A sono stati particolarmente studiati per la individuazione di nuovi 
modulatori allosterici capaci di stimolare la funzione del recettore.

Osservazioni pertinenti allo spettro autistico

Il comportamento sociale è in parte governato dal nucleo basolaterale 
dell’amigdala, che ha importanti connessioni col talamo, la corteccia 
frontale e l’ippocampo. Per il controllo dell’attività di questo nucleo 
sono fondamentali i neuroni GABAergici inibitori, che a loro volta sono 
messi in azione da stimoli eccitatori provenienti da neuroni 
glutammatergici di topo NR2A (in altre parole, paradossalmente, 
l’eccitazione dei neuroni NR2A stimola le proprietà inibitorie dei 
neuroni GABAergici). La inattivazione di questi neuroni determina 
l’inattivazione dei neuroni GABAergici da essi controllati, facendo 
prevalere l’effetto dei neuroni piramidali eccitatori. In molti modelli 
animali di autismo si assiste proprio a questa inattivazione che 
porterebbe a mancata elaborazione degli stimoli sociali nell’amigdala. 
[N.B. Il GABA (acido γ-aminobutirrico) è un neurotrasmettitore che 
interagisce con recettori detti GABA-A e GABA-B. I recettori GABA-A sono 
ionotropi e selettivi per lo ione Cl- per cui l’entrata di questo anione 
determina iper-polarizzazione della membrana e quindi inibizione dei 
potenziali post-sinaptici]. [N.B. Le osservazioni sono anche compatibili 
con il più volte osservato aumento del rapporto eccitazione / inibizione 
nella corteccia cerebrale dei soggetti ASD].
  A conforto di queste osservazioni, innumerevoli studi hanno stabilito 
un rapporto tra trasmissione glutammatergica tramite i recettori NMDA e 
comportamento sociale
Un cenno particolare merita la correlazione esistente tra recettori NMDA 
e la via di trasduzione mTOR (mechanistic Target Of Rapamycin, cioè 
bersaglio meccanicistico della rapamicina).
La mTOR integra lo stimolo proveniente da agenti ormonali, inclusi 
insulina, fattori di crescita (come IGF-1 e IGF-2) e mitogeni. La mTOR 
inoltre percepisce anche i nutrienti cellulari, i livelli di energia e 
lo stato di ossidazione cellulare. La attivazione di questa via da parte 
di uno stato nutrizionale/energetico elevato porta a vari effetti che in 
genere conducono alla attivazione di vie anaboliche biosintetiche come 
la sintesi di lipidi e la sintesi proteica. L’attivazione delle proteine 
implicate nella via di segnalazione avviene tramite processi di 
fosforilazione di residui specifici di aminoacidi della proteina (cioè 
aggiunta di gruppi fosfato da parte dell’ATP, per cui la proteina cambia 
struttura e quindi funzione) La via mTOR è collegata e intrecciata con 
altre vie di segnalazione in modo complesso. Durante lo sviluppo 
embrionale la via mTOR gioca ruoli diversi a seconda del tipo di 
cellule, dello stadio di differenziamento e della funzione cellulare. La 
via mTOR è cruciale per lo sviluppo delle cellule staminali nervose 
sotto il controllo delle proteine TSC (TSC1 e TSC2).
Una iper-attivazione di mTOR è stata riscontrata in aree cerebrali di 
soggetti ASD, soprattutto in alcune forme monogeniche come la sclerosi 
tuberosa (TSC).
Come riassunto dal sottoscritto per un precedente lavoro (Cellule di 
Purkinje da pazienti di sclerosi tuberosa manifestano ipoeccitabilità e 
deficit sinaptici associati a livelli ridotti della proteina FMRP e 
aboliti dalla rapamicina. M. Sundberg et al, Harvard Medical School, 
Boston, MA, USA Han MJ, Woolf CJ, Hatten ME, Sahin M., Mol Psychiatry. 
2018 Feb 15. doi: 10.1038/s41380-018-0018-4), anomalie cerebellari nella 
TSC sono legate allo sviluppo di ASD. Normalmente la corteccia 
cerebellare invia stimoli inibitori ai nuclei sottostanti, ma questa 
inibizione è perduta nei soggetti con TSC e ASD, suggerendo l’ipotesi 
che la mancata regolazione corticale porti allo sviluppo di ASD. In 
questa inibizione, che controlla il normale sviluppo e funzionamento del 
cervelletto, sono implicati i neuroni corticali NMDA. Pertanto questi 
neuroni corticali avrebbero la funzione di controllare e mantenere nei 
limiti fisiologici la via mTOR, e la loro inattivazione porterebbe a una 
incontrollata attivazione della via stessa con gravi ripercussioni sullo 
sviluppo neuronale.
Dal punto di vista terapeutico, l’esistenza di siti allosterici sul 
recettore NMDA ha stimolato la ricerca di nuovi fattori che agiscano da 
modulatori positivi capaci di attivare i recettori NMDA poco attivi: 
questi nuovi modulatori potrebbero essere di notevole interesse come 
farmaci contro ASD. Tuttavia per ora non sono disponibili studi clinici 
al riguardo.
Commento finale.
La review di Burket e Deutsch è senz’altro stimolante e convoglia una 
enorme quantità di informazioni pertinenti al rapporto tra neuroni 
glutammatergici NMDA e ASD. Le informazioni sono a volte dirette, a 
volte indirette, e a volte sono illazioni e ipotesi non ancora 
sperimentate, a volte anche contraddittorie: tuttavia sembrano emergere 
in modo promettente due principali meccanismi, senza escludere altre 
possibilità. (1) A livello dell’amigdala i neuroni NMDA stimolano 
neuroni GABAergici inibitori, esercitando un controllo sul rapporto 
eccitazione / inibizione neuronale. La lesione dei recettori NMDA 
porterebbe a una prevalenza degli stimoli eccitatori provenienti dalla 
corteccia cerebrale. (2) A livello cerebellare i neuroni corticali NMDA 
esercitano un effetto metabotropo inibitorio sulla via mTOR. La lesione 
dei recettori NMDA porterebbe a una iperattività della via mTOR. [N.B. 
Questi rapporti sono stati studiati in un modello di cellule staminali 
cerebellari, ma diversi studi hanno dimostrato che la iperattivazione di 
mTOR in ASD è presente in molte aree cerebrali ed è stata riscontrata 
anche in cellule del sangue].
Gli studi riportati puntualizzano che lo stimolo primario per lo 
sviluppo del comportamento sociale è rappresentato da neuroni NMDA, 
attraverso vie multiple e complesse. E’ chiaro che una lesione in una 
qualsiasi delle proteine che si trovano tra stimolo primario ed effetto 
finale potrebbe portare a disturbi della socialità propri di ASD, e 
questo spiegherebbe la grande quantità di geni implicati.

Giorgio Lenaz, Professore Emerito di Chimica Biologica,
Universitá di Bologna

Abbreviazione: ASD Autism Spectrum Disorder