Ruolo dei recettori sigma nella neuroprotezione

La possibilità di progettare farmaci per il trattamento delle diverse patologie del SNC è legata allo sviluppo delle conoscenze del ruolo svolto dai diversi sistemi recettoriali e dai rispettivi neurotrasmettitori e neuromodulatori coinvolti. Infatti, l’insorgenza delle patologie stesse potrebbe essere ritardata sia stimolando l’attivazione dei sistemi neuroprotettivi, sia inibendo quella dei sistemi neurolesivi.

E’ stato dimostrato che il recettore sigma-1 è in grado di modulare l’attività di diversi sistemi recettoriali coinvolti nelle patologie neurodegenerative.

I meccanismi tramite cui i ligandi sigma esercitano un effetto protettivo in modelli animali sembrano essere diversi, e comprendono (Maurice et al., 2006; Goyagi et al., 2001):

• inibizione del rilascio di glutammato indotto da ischemia

• riduzione dei livelli intracellulari di Ca²⁺ indotto dall’attivazione dei recettori NMDA post-sinaptici

• riduzione della produzione di ossido nitrico (a livello neuronale) • riduzione della risposta indotta dall’attivazione dei recettori NMDA • riduzione della trasmissione dopaminergica

• prevenzione della diffusione della depressione corticale

1.9.1 Studi in vivo

Numerosi studi condotti in vivo hanno dimostrato la capacità di composti ad attività agonista sigma-1 di esercitare effetti benefici a livello del SNC. Ad esempio, agonisti come dimemorfano e 2-(4-morpholino)ethyl 1-phenylcyclohexane-1-carboxylate hydrochloride

INTRODUZIONE

138 (PRE-084), somministrati durante riperfusione post-ischemica indotta in ratti, hanno dimostrato di diminuire i livelli di glutammato e di sopprimere gli stadi iniziali dello stato infiammatorio, riducendo danno tessutale e morte cellulare (Matsuno, 1999; Shen et al., 2008). Similmente, il composto agonista (4-phenyl-1-(4-phenylbutyl)piperidine (PPBP) si è dimostrato in grado di attenuare la produzione di ossido nitrico in ratti e topi in cui il danno ischemico focale è stato indotto da occlusione transitoria di un arteria cerebrale (Goyagi et al., 2001).

In modelli di amnesia indotta da antagonisti colinergici o da antagonisti non-competitivi del recettore NMDA, agonisti sigma-1 come (+)-pentazocina e PRE-084 hanno mostrato proprietà anti-amnesiche, attenuando lo “spatial learning-impairement” e il “memory impairement” associati all’invecchiamento (Maurice, 2002). Allo stesso modo, diversi ligandi sigma-1 si sono altresì mostrati capaci di alleviare il deficit di apprendimento e di memoria in topi trattati con il frammento attivo 25-35 della proteina β-amiloide, modello di studio per il morbo di Alzheimer (Marrazzo et al, 2005). Anche alcuni prototipi di agonisti come la igmesina nonché il PRE-084 si sono dimostrati efficaci in test in vivo volti a valutare l’entità del deficit di memoria e apprendimento nel “water maze test” in ratti giovani (Meunier et al., 2004; Maurice, 2001).

Dato che i recettori sigma-1 sono localizzati a livello di ipotalamo e amigdala, zone collegate alla regolazione di diversi stati emozionali quali l’ansia e l’aggressività, si è studiato il potenziale effetto di ligandi agonisti come (+)SKF 10,047, in modelli animali quali quello dell’ isolamento forzato, registrando una significativa attenuazione del comportamento aggressivo (Beltran et al., 2006). Anche il comportamento ossessivo-compulsivo viene ridotto dopo somministrazione degli agonisti sigma-1 (+)SKF-10,047 e PRE-084, come dimostrato impiegando il “marble burying test” (Egashira et al., 2007). Inoltre, altri composti hanno dimostrato, nei modelli animali di depressione quali il “forced swimming test” e il “tail suspension test”, di ridurre il tempo d’immobilità e di attenuare altri comportamenti indotti da stress e/o paura, suggerendo una loro potenziale utilità nel trattamento di stati depressivi e ansiosi (Hashimoto e Ishiwata, 2006).

L’efficacia dei ligandi agonisti nei modelli sopra citati è stata generalmente avvallata dalla capacità di composti ad attività antagonista di prevenire o di antagonizzare l’effetto comportamentale degli agonisti. Ciò nonostante, alcuni ligandi sigma-1 ad attività antagonista sono risultati neuroprotettivi in modelli di ischemia cerebrale. Ad esempio, è emerso da diversi studi che l’aloperidolo, potente antipsicotico e antagonista dei recettori sigma-1, a basse concentrazioni ha la capacità di diminuire lesioni ischemiche indotte da occlusione transitoria di una arteria cerebrale (Schetz et al., 2007).

Infine, è stato dimostrato che, al pari dell’aloperidolo, il composto BD-1047 esercita attività anti-psicotica, valutata come la capacità di ridurre l’iperattività indotta da amfetamina e il comportamento di arrampicamento indotto dall’apomorfina (Skuza e Rògoz, 2006). Lo stesso composto BD-1047 è risultato in grado di ridurre le sensazioni dolorifiche causate dal test della formalina, a seguito del blocco selettivo dei recettori sigma-1 (Kim et al., 2006).

1.9.2 Studi in vitro

La capacità degli agonisti selettivi dei recettori sigma-1 di esercitare effetti neuroprotettivi in vivo è stata confermata da numerosissimi studi condotti in vitro, in cui l’insulto in grado di danneggiare cellule di origine neuronale è stato causato con diversi paradigmi come (Maurice et al., 2006):

• alte dosi di glutammato o NMDA

• condizioni ipossiche o da deprivazione di glucosio • stress ossidativo

• applicazione della proteina β-amiliode • induzione di apoptosi

• ischemia

E’ stato ipotizzato che gli steroidi possano essere ligandi endogeni dei recettori sigma-1 e che i recettori sigma possano avere un ruolo nel metabolismo dei neurosteroidi. A conferma di ciò è stato dimostrato che steroidi endogeni neuroattivi, quali il pregnenolone e il deidroepiandrosterone, interagiscono effettivamente con la proteina sigma-1 attivandola e mostrando in vitro attività neuroprotettiva contro i danni provocati da stress ossidativo implicati nella patogenesi del morbo di Alzheimer (Maurice et al., 2006).

Prendendo in considerazione il prototipo ad attività agonista PPBP, in grado di attenuare in vivo i danni da ischemia cerebrale focale, è stata dimostrata la sua capacità di proteggere in vitro colture primarie di neuroni esposte all’azione eccitotossica del glutammato o alla deprivazione di ossigeno e/o glucosio (Goyagi et al., 2001). Lo stesso composto è risultato in grado di esercitare un effetto antiapoptotico, favorendo l’espressione del gene bcl-2, effetto antagonizzato dal rimcazolo, un antagonista selettivo dei recettori sigma-1 (Yang et al., 2007 ).

INTRODUZIONE

140 Altri studi hanno esaminato gli effetti tossici causati da iperomocisteinemia su cellule gangliari di retina. L’omocisteina è un metabolita dell’amminoacido essenziale metionina coinvolto in malattie come Alzheimer e morbo di Parkinson, in grado di attivare il recettore per il glutammato NMDA, con conseguente danno neuronale derivante da un aumentato flusso di calcio e attivazione della cascata apoptotica. Il suo effetto viene bloccato in vitro da agonisti sigma-1 come la (+)-pentazocina, attraverso modulazione del recettore NMDA (Martin et al., 2004).

Studi farmacologici hanno evidenziato che l’attivazione di recettori sigma-1 previene l’aterazione dell’omeostasi del calcio intracellulare causata da deprivazione di sodio azide/glucosio quale modello d’ischemia indotta in colture di neuroni corticali embrionali di ratto. L’aumento di Ca²⁺ intracellulare causa danni irreversibili a livello della membrana plasmatica attraverso attivazione di canali ionici calcio-sensibili, portando infine all’attivazione di processi come proteolisi, lipolisi e produzione di specie reattive dell’ossigeno. Ligandi recettoriali agonisti sigma-1 come DTG e (+)-pentazocina si sono dimostrati in grado di bloccare diversi canali per il calcio e di deprimere l’ampiezza dei transienti di Ca²⁺ indotti da ischemia (Katnik et al., 2006).

Possibili effetti neuroprotettivi sono stati studiati anche attraverso inibizione del rilascio pre-sinaptico di amminoacidi eccitotossici come il glutammato in diversi tipi di cellule. A questo scopo sono stati utilizzati ligandi sigma aventi diversa affinità per il sito della PCP posto all’interno del recettore NMDA, sito che potrebbe essere selettivo per ligandi sigma ad attività neuroprotettiva. Per questo studio sono state utilizzate colture primarie neuronali di ratto, nelle quali è possibile indurre effetti neurotossici sia a livello post-sinaptico, esponendo le cellule a basse concentrazioni di NMDA, sia a livello pre-sinaptico, esponendo le cellule a condizioni ipossiche/ipoglicemiche. Questo studio, condotto da Lockhart e collaboratori (1995), ha dimostrato che ligandi sigma come (+)-pentazocina e (+)SKF-10,047 inibiscono gli effetti neurotossici seguenti ad eventi postsinaptici, conseguenti al rilascio di aminoacidi eccitotossici, mentre non modificano gli effetti neurotossici indotti da ipossia/ipoglicemia.

In conclusione, i recettori sigma sono in grado di modulare diversi sistemi di neurotrasmettitori quali il sistema glutammatergico e dopaminergico e sono altresì coinvolti in numerosi processi fisiologici (meccanismi neuroprotettivi) e patologici (alterazioni motorie e di tipo psicotico). Le potenziali applicazioni terapeutiche dei ligandi sigma-1 potrebbero essere le patologie neurodegenerative, i disordini neuropsichiatrici come la schizofrenia, i disordini affettivi e comportamentali come la depressione, nonché

la demenza senile o la malattia di Alzheimer, soprattutto per alleviare i sintomi legati alla depressione e alla perdita di memoria.