“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
