1.6 SIRT1 e le patologie cardiovascolari età-correlate
1.6.3 SIRT1 e il danno da ischemia-riperfusione (I/R)
I/R è la principale causa di danno miocardico e costituisce una seria minaccia alla vita in ambito clinico [Matsushima e Sadoshima., 2015]; in pazienti post-infarto al miocardio (MI), il danno da I/R è causa di rimodellamento e scompenso cardiaco [Yang et al., 2010]. Interventi per prevenire il danno da I/R sono dunque potenti mezzi per ridurre la mortalità in pazienti post MI.
Da studi condotti sulle sirtuine è emerso che SIRT1, in particolare, può essere efficientemente implicato nella gestione e nella prevenzione di questo tipo di lesione [Hsu et al., 2010; Nadtochiy et al., 2011]. SIRT1 è supposto possedere un effetto benefico contro il danno da I/R, infatti alterazioni a carico dei livelli di espressione di SIRT1 nei cardiomiociti si sono rivelate capaci di incidere sul danno miocardico e la funzionalità cardiaca dopo I/R. Il danno da I/R è associato ad una riduzione dell’mRNA e delle proteine correlate a SIRT1, nonchè una riduzione dell’espressione dello stesso SIRT1 nel cuore. Come conseguenza si assiste ad un aumento del processo apoptotico e del danno miocardico risultante. Usando topi transgenici con una specifica overespressione cardiaca di SIRT1, Hsu e colleghi dimostrarono una significativa riduzione dell’apoptosi e delle dimensioni delle aree miocardiche infartuate, nonchè un miglior recupero funzionale in seguito a riperfusione in cuori isolati. Gli effetti osservati derivano da una upregulation di molecole cardioprotettive, antiossidanti, come ad esempio la MnSOD e una downregulation di molecole pro-apoptotiche, innescata da FOXO1 [Hsu et al., 2010].
Il danno da I/R transita attraverso una così detta "decisione mitocondriale". I mitocondri sono la sede della fosforilazione ossidativa, processo fondamentale per la formazione di ATP. Il ridotto apporto sanguigno coronarico conduce a morte cellulare e perdita della popolazione di cardiomiociti, portando spesso a conseguenze irreversibili sulla funzionalità miocardica [Lloyd-Jones et al., 2010]. L’ischemia, o ipossia, induce nel muscolo cardiaco una rapida diminuzione della concentrazione di ATP nei cardiomiociti, che, per sopravvivere in queste condizioni, spostano il loro metabolismo da aerobico (ossidazione degli acidi grassi) ad anaerobico (glicolisi); questo causa un aumento metabolico di acido lattico e successiva acidificazione del pH intracellulare. La diminuita concentrazione di ATP comporta una inibizione della pompa Na+/K+/ATPasi e il
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conseguente aumento di [Na+] intracellulare. Successivamente anche il sistema di antiporto Na+/H+ è inibito, così da determinare un ulteriore abbassamento del pH. In ultima istanza l'antiporto Na+/Ca2+ inizia a funzionare in senso opposto, determinando un sovraccarico di [Ca2+] intracellulare, che comporta una azione ipercontratturante (Figura 24), che contribuisce alla successiva apertura dei pori di permeabilità mitocondriale (mPTP) durante la riperfusione, dai quali segue il rilascio di citocromo-C, che innesca apoptosi nei cardiomiociti [Halestrap et al., 1998]. Durante l'episodio ischemico, la concentrazione citosolica di ROS inizialmente aumenta leggermente, mentre dopo 20-25 minuti subisce un drammatico incremento. La deplezione di ATP, insieme con l'elevata [Ca2+] intracellulare e i ROS, porta ad un graduale ed irreversibile declino dell'integrità cellulare [Halestrap et al., 1998; Halestrap et al., 2004; Solaini e Harris, 2005].
Figura 24. Meccanismi coinvolti nel processo di Ischemia/Riperfusione.
La strategia più efficace per ridurre il danno ischemico è intervenire con una rapida riperfusione. L'inizio della riperfusione è associato ad un'interruzione nella
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produzione di ROS. Le proteine mitocondriali sono molto suscettibili ai danni indotti dai ROS: i radicali infatti hanno effetti diretti sulla respirazione e svolgono un ruolo centrale nell'apertura di mPTP [Halestrap et al., 1998; Halestrap et al., 2004; Solaini e Harris, 2005; Di Lisa e Bernardi, 2006; Pacher et al., 2006]. Gli mPTP sono dei pori ad elevata conduttanza, situati tra la membrana mitocondriale interna ed esterna, che permettono la connessione tra citoplasma e matrice mitocondriale [Hunter et al., 1976]. Durante l'ischemia mPTP è chiuso, a causa del basso pH intracellulare [Halestrap AP, 1991]. Una rapida riperfusione rifornisce le cellule cardiache di ossigeno e carburante, inclusi glucosio e acidi grassi, cosicché il rapido apporto energetico al mitocondrio promuove un ulteriore incremento dell'uptake di Ca2+, previamente accumulato nel citosol. Questo fenomeno, insieme all'aumento della produzione di ROS, promuove l'apertura di mPTP [Skyschally et al., 2008; Kim et al., 2006; Kimura et al., 1992]. L'apertura di un singolo poro è sufficiente a causare una immediata depolarizzazione [Scorrano et al., 1997]. Come conseguenza all'apertura di mPTP tutte le molecole a basso peso molecolare si equilibrano attraverso la membrana interna mentre le molecole di più elevate dimensioni rimangono nella matrice mitocondriale, esercitando così una forte pressione osmotica che porta ad uptake di acqua e rigonfiamento della matrice [Ryu et al., 2010; Zoratti et al., 2005]. Sebbene lo svolgimento delle creste permetta alla matrice di espandersi senza che si abbia rottura della membrana interna, quella esterna invece si rompe, liberando proteine pro-apoptotiche, confinate nello spazio intermembrana, come ad esempio il citocromo-c (Figura 25) [Bernardi P, 1999; Doran e Halestrap, 2000; Martinou e Green, 2001].
La riperfusione stessa è dunque causa di un danno addizionale e se i cardiomiociti sopravvivono, sia lo stress ossidativo che lo stress sul reticolo endoplasmatico inducono malfunzionamento cellulare; così I/R è causa di un danno irreversibile del muscolo cardiaco e porta a rimodellamento e HF, caratterizzati da dilatazione ventricolare e ridotta forza contrattile.
Una possibile strategia per contrastare l'aumento di [Ca2+] nella matrice mitocondriale è quella di intervenire sui canali del potassio (K+) per promuovere una depolarizzazione di membrana tale da contrastare l'aumentato uptake di Ca2+ e di conseguenza l'innesco del processo apoptotico. Tra le numerose vie di segnalazione coinvolte nel meccanismo di cardioprotezione mitocondriale un ruolo importante è svolto dai canali del potassio collocati nella membrana interna dei
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mitocondri (mitoK). In condizioni normali la membrana mitocondriale interna è quasi del tutto impermeabile al K+ e l'ingresso dello ione nella matrice mitocondriale è facilmente contrastato da un sistema di antiporto K+/H+. Al contrario, durante l'ischemia, l'apertura dei canali mitoK causa un significativo influsso di K+, con diffusione di acqua e uptake di anioni, con conseguente espansione della matrice. Questo fenomeno assicura il mantenimento di una bassa permeabilità della membrana esterna per i nucleotidi e la creazione di un gradiente favorevole per la sintesi di ATP e il suo trasferimento al citoplasma [Garlid KD, 2000]. Inoltre l'apertura dei canali mitoK produce una blanda depolarizzazione del potenziale di membrana (mild depolarization), che determina un ridotto uptake di Ca2+ e quindi una minore probabilità di formazione di mPTP (Figura 25) [Hausenloy et al., 2005].
Figura 25. Meccanismo successivo all’apertura dei canali mitoK e conseguente effetto
cardioprotettivo.
Attualmente, a livello cardiaco, sono stati riconosciuti diversi tipi di canali mitoK, come quelli ATP-sensibili (mitoKATP), i canali del potassio attivati da Ca2+ (mitoSKCa e mitoBKCa) e, più recentemente, i canali del potassio voltaggio operati 7.4 (mitoKv7.4) [Testai et al., 2016].
La disfunzione mitocondriale, tipica dell'avanzare dell'età e che coinvolge il trasporto di elettroni o la fosforilazione ossidativa, è strettamente coinvolta con l'aumentata suscettibilità al danno ischemico. I difetti mitocondriali età-correlati sono riflessi di una parziale depolarizzazione di membrana e un aumentata probabilità di apertura di mPTP [Di Lisa e Bernardi, 206; Navarro e Boveris, 2007]. Diversi studi hanno suggerito che le vie di segnalazione cardioprotettive, che
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agiscono tramite i mitoKATP, sono compromesse con l’aging [Tricarico e Camerino, 1994; Tani et al., 2001]. Risultati simili sono stati ottenuti anche utilizzando su cuori senescenti molecole in grado di promuovere l'apertura dei canali mitoBKCa. Nei mitocondri isolati da cuori di ratti invecchiati, Heinen e colleghi hanno osservato inoltre che la stimolazione farmacologica dell'apertura di mitoBKCa era inefficace sui parametri respiratori, suggerendo la possibilità di una diminuita sensibilità o densità dei mitoBKCa causata dall'aging [Heinen et al., 2008].