DIPARTIMENTO DI FARMACIA
Corso di Laurea Magistrale in Farmacia
TESI DI LAUREA
RECETTORI OPPIOIDI: DALLA MODULAZIONE DEL DOLORE
ALLA NEUROPROTEZIONE
Relatore:
Prof.ssa Maria Cristina Breschi
Candidata:
Cristina Della Tommasina
I
Sommario
1 Oppioidi ... 1
1.1 Oppioidi ... 1
1.2 Vari tipi di recettori oppioidi ... 2
1.3 Oppioidi µ ... 3
1.4 Oppioidi k ... 4
1.5 Oppioidi δ ... 5
1.6 Oppioidi leganti al recettore peptide nocicettina/orfanina FQ (recettore NOP) ... 6
1.7 Recettori Sigma. ... 7
1.8 Nuove strategie terapeutiche ... 7
1.9 Recettori µ accoppiati a recettori k ... 9
1.10 Studi su combinazione di agonisti recettoriali µ e δ ... 11
1.11 Ligandi misti dei recettori µ/NOP ... 11
1.12 Prospettive ... 15
2 Oppioidi Sigma-1 ... 17
2.1 Localizzazione anatomica dei recettori Sigma-1 ... 17
2.2 Localizzazione e caratteristiche molecolari dei recettori Sigma-1 ... 18
2.3 Interazioni molecolari dei recettori Sigma-1 ... 19
2.4 Meccanismi alla base dei processi neurodegenerativi. ... 21
2.5 Malattie neurodegenerative ... 27
2.5.1 Alzheimer ... 27
2.5.2 Parkinson ... 29
2.5.3 Degenerazione della retina ... 30
2.5.4 Sclerosi laterale amiotrofica (SLA) ... 31
2.5.5 Malattia di Huntington ... 32
2.6 Ictus ... 33
2.7 Uso dei farmaci che si legano ai recettori Sigma-1 ... 33
2.8 Depressione ... 35 2.9 Schizofrenia ... 36 2.10 Delirio ... 37 2.11 Dipendenza ... 37 2.12 Ipertrofia cardiaca ... 38 2.13 Dolore ... 42 3 Recettori Sigma-2 ... 45
II
3.1 Differenze tra i recettori Sigma-1 e Sigma-2 ... 45
3.2 Ruolo dei recettori Sigma-2 ... 45
3.3 Altri ruoli dei ligandi Sigma-2 ... 51
4 Tramadolo ... 53
4.1 Introduzione ... 53
4.2 Farmacologia ... 55
4.3 Farmacocinetica ... 55
4.4 Polimorfismo genetico ... 57
4.5 Formulazioni a base di tramadolo ... 57
4.6 Interazioni ... 58
4.7 Interazione tra tramadolo e ondansetron ... 58
4.8 Sindrome serotoninergica ... 59
4.9 Attività epilettica ... 59
4.10 Astinenza ... 60
4.11 Uso illecito del tramadolo ... 60
III
Indice delle Figure
Figura 1:Papaver somniferum ... 1
Figura 2:Oppio ... 2
Figura 3:Il recettore Sigma-1 ha due domini transmembrana, principalmente localizzati nella membrana del reticolo endoplasmatico. I recettori Sigma-1 sono collegati alla membrana del reticolo endoplasmatico associata ai mitocondri (MAM). Il dominio rivolto verso il lume del reticolo endoplasmatico esercita attività chaperonica, stabilizzando le proteine di membrana. Qui vengono raffigurate le azioni dei recettori Sigma-1 che regolano l’interazione tra i vari organuli, permettendo la comunicazione con l’apparato del Golgi, il mitocondrio e il proteosoma.I recettori regolano la sopravvivenza cellulare, la produzione di specie reattive dell’ossigeno (ROS) e la secrezione del fattore neurotrofico cerebrale. Figura tratta da [17]. ... 20
Figura 4:Diagramma di risposta delle proteine ripiegate in modo non corretto (UPR) e la modulazione attraverso i recettori Sigma-1. L’accumulo di proteine non ripiegate in modo corretto nel reticolo endoplasmatico attiva UPR per riportare l’omeostasi delle proteine e per promuovere la sopravvivenza cellulare.Figura tratta da [19]. ... 23
Figura 5:Rappresentazione schematica del meccanismo cardioprotettivo mediato dai recettori Sigma-1. L’interazione di questi recettori con la fluvoxamina promuove un afflusso mitocondriale di Ca++ a cui segue poi la produzione di ATP, mantenendo così l’energia cellulare.La figura è tratta da [27]. .... 42
Figura 6:Ligandi Sigma-2 in via sperimentale. ... 46
Figura 7:Strutture degli agonisti dei recettori Sigma-2. ... 47
Figura 8:Meccanismo di morte cellulare indotto da SW43, SV119 e WC26. ... 49
1
1 Oppioidi
1.1 Oppioidi
Gli oppioidi sono un gruppo di sostanze contenute nell’oppio con varie proprietà farmacologiche tra cui quella analgesica.
Il dolore viene percepito dalla periferia e viene trasferito attraverso opportuni recettori al sistema nervoso centrale (SNC), in prima battuta al midollo spinale e poi all’encefalo, nel quale viene elaborato e modulato mediante interessamento delle varie aree cerebrali.
Il controllo del dolore è un meccanismo che riguarda il sistema nervoso centrale.
Il dolore accompagna spesso molti stati patologici, come ad esempio i tumori, alcune malattie neurodegenerative, l’infarto e le fratture, perché molte strutture sono avvolte da terminazioni dolorifiche che hanno la funzione di segnalare alterazioni delle condizioni fisiologiche.
Il primo farmaco analgesico oppioide scoperto è stato la morfina, alcaloide dell’oppio, un lattice ottenuto per incisione dei frutti immaturi del Papaver somniferum.
2
Figura 2:
OppioLo studio dei vari effetti della morfina ha permesso di scoprire il sistema oppioide endogeno,
deputato al controllo della sintomatologia dolorosa, e i cui mediatori sono le endorfine, le encefaline e le dinorfine, peptidi che vanno a legarsi a particolari recettori definiti oppioidi.
1.2 Vari tipi di recettori oppioidi
I recettori oppioidi sono suddivisi in 5 categorie: recettori µ;
recettori δ; recettori k;
recettori peptide nocicettina/orfanina FQ (recettore NOP); recettori σ.
3
1.3 Oppioidi µ
I recettori µ sono stati trovati nei neuroni periferici, nel sistema nervoso centrale, nelle cellule del sistema immunitario, nell’apparato respiratorio e nel tratto gastrointestinale.
Per quanto riguarda la localizzazione neuronale, i recettori µ si possono trovare sia in posizione presinaptica che postsinaptica a seconda dei tipi di cellule.
Si trovano principalmente nella regione grigia periacqueduttale, nel corno dorsale superficiale del midollo spinale, nello strato plessiforme esterno del bulbo olfattivo, nel nucleus accumbens, in diversi strati della corteccia cerebrale, e in alcuni dei nuclei dell'amigdala, così come nel nucleo del tratto solitario.
Tra gli agonisti dei recettori µ abbiamo: la morfina, il metadone, la codeina e il fentanile.
Morfina Fentanile
4
Gli oppioidi che si legano ai recettori µ rimangono i principali farmaci per il trattamento del dolore moderato e severo, anche se il loro uso prolungato comporta però vari effetti collaterali, come stipsi, miosi, abbattimento del sistema immunitario, euforia, depressione respiratoria, nausea e sviluppo di tolleranza e di dipendenza.
1.4 Oppioidi k
I recettori oppioidi k sono espressi principalmente nel midollo spinale, nei gangli delle radici dorsali, nei neuroni sensoriali periferici e nelle regioni sovraspinali, come la regione midollare ventrale rostrale o la sostanza grigia periacqueduttale.
Tra gli agonisti oppioidi k abbiamo la ketociclazocina, la spiradolina e la nalfurafina.
5 Nalfurafina
I recettori k, come i recettori µ, generano analgesia, però anch’essi provocano miosi, depressione respiratoria e riduzione della motilità intestinale.
Al contrario dei recettori µ, i recettori k provocano anche disforia e questo rappresenta un grosso limite nella somministrazione di questi composti, sebbene abbiano un potente effetto analgesico.
1.5 Oppioidi δ
A differenza degli atri tipi recettoriali, i recettori δ hanno una localizzazione intracellulare.
Gli oppioidi δ hanno un basso effetto analgesico, anche se possono dare benefici nel dolore cronico lieve, specialmente negli stati infiammatori; inoltre, la somministrazione con agonisti µ può
incrementare gli effetti analgesici [1].
Gli agonisti δ comportano meno tolleranza degli agonisti µ, meno problemi gastrointestinali e meno depressione respiratoria e, inoltre, sembra che abbiano effetti ansiolitici e antidepressivi, che sono molto importanti nel dolore cronico [2].
6
1.6 Oppioidi leganti al recettore peptide nocicettina/orfanina FQ
(recettore NOP)
I recettori peptide nocicettina/orfanina FQ (recettori NOP) sono localizzati soprattutto a livello del midollo spinale e dei neuroni sensoriali periferici e sembrano dare migliori risultati, rispetto ai classici oppioidi, per quanto riguarda il trattamento del dolore neuropatico [3].
Tra i ligandi dei recettori NOP abbiamo MCOPPB, SCH221510 e Ro64-6198.
MCOPPB
7 Ro64-6198
1.7 Recettori Sigma.
I recettori Sigma sono stati scoperti più recentemente rispetto alle altre classi di oppioidi e sembra siano implicati in varie funzioni oltre all’analgesia.
I recettori Sigma verranno trattati più approfonditamente nel capitolo 2 e 3.
1.8 Nuove strategie terapeutiche
La ricerca recente si è proposta di trovare un modo per minimizzare il problema degli effetti collaterali degli agonisti µ, migliorando così l’effetto analgesico [3].
Poichè non esistono ligandi selettivi µ che abbiano effetto analgesico senza dare effetti collaterali, in quanto entrambi gli effetti sono mediati da questi recettori, il problema è stato affrontato con approcci diversi.
8
Il primo tentativo è stato quello di usare agonisti parziali dei recettori µ e questo sembra aver riportato
qualche successo, anche se non soddisfacente.
L’effetto analgesico, come già detto, non è dato solo dai recettori µ, ma anche da altri tipi di recettori oppioidi, come i recettori k, i recettori δ e i recettori peptide nocicettina/orfanina FQ (recettori NOP). Sebbene gli agonisti selettivi dei recettori k e δ diano meno effetti collaterali di quelli descritti per i recettori µ, anch’essi però manifestano dei propri effetti collaterali, come disforia e sedazione, per gli agonisti k, ed effetti convulsivi, per quanto riguarda gli agonisti δ.
Gli effetti analgesici mediati dai recettori NOP sono i più complessi rispetto a tutti gli altri membri della famiglia dei recettori oppioidi.
La nocicettina/orfanina FQ, infatti, può causare o un’apparente iperalgesia, antagonizzando gli effetti analgesici dei ligandi µ, o un effetto analgesico riducendo l’iperalgesia durante l’astinenza da oppioidi [4].
Le funzioni dei recettori NOP sono ancora controverse e sono studiati principalmente come potenziali target farmacologici in combinazione con altri oppioidi, infatti si è visto che il composto Ro64-6198, agonista dei recettori NOP, se somministrato da solo, causa iperalgesia, mentre, se combinato con la morfina, riduce la sensibilità al dolore a dosi analgesiche inferiori. [5].
Sulla base di queste ricerche si è arrivati allo studio di composti che agiscono su entrambi i sistemi µ e NOP, dimostrando che, andando ad agire contemporaneamente su più recettori oppioidi con sostanze che generano molteplici effetti agonisti e/o antagonisti, si può ottenere una strategia terapeutica per superare i limiti esistenti degli attuali oppioidi [3].
Una strategia per limitare gli effetti collaterali della stipsi può essere, ad esempio, di combinare un oppioide con un antagonista che riduce la stipsi e sono già presenti in commercio, a tale scopo, specialità che abbinano due farmaci, come il Suboxone, costituito da buprenorfina e naloxone, o il Targin, costituito da ossicodone e naloxone.
In questo caso, tuttavia, si interviene solo sulla stipsi, mentre rimangono gli effetti collaterali centrali e perciò lo scopo degli studi è quello di individuare dei ligandi selettivi, chiamati bivalenti, che abbiano migliore attività analgesica e minori effetti collaterali.
Nonostante il numero limitato di recettori, la complessa farmacologia degli oppioidi può essere spiegata dai sottotipi recettoriali e dalla formazione di dimeri.
I recettori possono essere monomeri o dimeri: i monomeri possono legare un solo tipo di oppioide, come ad esempio i ligandi µ, il recettore però può accoppiarsi ad un altro recettore, andando così a formare un dimero, che a sua volta, può essere costituito da due recettori uguali e allora è chiamato omodimero, oppure da due recettori diversi, formando un eterodimero.
9 sua volta agevola l’interazione con l’altro sito e l’effetto perciò sarà superiore alla somma dei due recettori.
La contemporanea attivazione dei due recettori può essere ottenuta con diversi ligandi, ognuno dei quali lega il proprio sito recettoriale, oppure, a differenza di questo approccio che richiede la presenza di due farmaci, un altro modello è quello di un singolo composto, che attiva entrambi i recettori.
Quest’ultimo modello può essere realizzato o con ligandi bivalenti o con ligandi bifunzionali: i ligandi bivalenti sono costituiti da farmacofori, che devono essere necessariamente collegati da un linker, mentre i ligandi bifunzionali sono altri tipi di composti non selettivi che si legano a due o più recettori.
1.9 Recettori µ accoppiati a recettori k
Mentre gli agonisti k portano spesso a disforia e a cambiamenti d’umore, si è visto che alcuni antagonisti k possono, non solo produrre analgesia, ma anche trattare i sintomi depressivi, un fatto frequente nei pazienti affetti da dolore cronico [6].
Il composto più studiato in questo contesto è la buprenorfina, che è un agonista parziale dei recettori µ e un debole antagonista dei recettori k.
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Gli agonisti dei recettori k esercitano effetti analgesici anche se somministrati singolarmente e, comunque, l’attivazione dei recettori µ può essere parzialmente attenuata dalla somministrazione di questi agonisti.
La nalfurafina, agonista recettoriale k, è usato clinicamente in Giappone come antipruriginoso nei pazienti in emodialisi [7]e inoltre ha anche grande attività analgesica [8].
Alcuni studi hanno dimostrato che la nalfurafina è un potente agonista del recettore k, ma è anche un debole agonista parziale dei recettori µ e δ.
Gli agonisti recettoriali µ presentano un alto rischio di abuso, mentre gli agonisti selettivi dei recettori k non hanno generalmente questi effetti e ciò dimostra che la nalfurafina può essere usata nel trattamento a lungo termine del prurito senza il rischio di dipendenza [9].
Tutti gli altri agonisti recettoriali µ/k, come butorfanolo, nalbufina e pentazocina, alleviano il prurito indotto dalla morfina, anche se l’unico usato come antipruriginoso è il butorfanolo.
La diidroetorfina è uno dei più potenti oppioidi analgesici conosciuti, dodici volte più potente della morfina, e diversi studi hanno dimostrato che questo composto è un agonista recettoriale µ ma che lega e attiva anche i recettori k e δ.
La diidroetorfina ha un’attività analgesica rapida, ma la sua durata d’azione è breve e inoltre è poco biodisponibile per via orale.
La via sublinguale invece è quella preferita, in quanto ha un potente effetto analgesico con modesti effetti collaterali, come vertigini, sonnolenza, nausea, vomito e stipsi [10].
La somministrazione transdermica di diidroetorfina genera effetti analgesici duraturi, anche se manifesta una lieve dipendenza.
11 Composti indirizzati verso i recettori µ e k, sia come agonista/agonista sia come
agonista/antagonista, hanno mostrato efficacia clinica nonostante gli effetti collaterali dovuti ai recettori µ, come ad esempio stipsi e depressione respiratoria.
1.10 Studi su combinazione di agonisti recettoriali µ e δ
Gli agonisti recettoriali δ comportano meno abuso degli agonisti µ, meno problemi gastrointestinali e meno depressione respiratoria.
Si è visto che la concomitante somministrazione dell’agonista recettoriale δ, SNC80, con un agonista recettoriale µ, come ad esempio il fentanil, potenzia l’azione analgesica degli agonisti recettoriali δ [11].
Un’altra ragione per andare a legarsi ad entrambi i recettori è la loro localizzazione vicina nei neuroni sensoriali nocicettivi e così l’esistenza degli eterodimeri µ/δ con un unico sito di legame ha condotto allo sviluppo di ligandi bivalenti.
Da alcuni studi emerge che gli agonisti recettoriali δ richiedono recettori µ per la loro attività ed un ulteriore incentivo per lo sviluppo di agonisti recettoriali µ/δ è l’attività antidepressiva dovuta al legame con il recettore δ.
È stato progettato a questo scopo l’RV-Jim-C3, agonista dei recettori µ/δ, simile al fentanil, e questo composto manifesta un effetto analgesico nel dolore neuropatico [12].
Altri studi hanno portato alla scoperta di una nuova classe di composti, che è quella dei 6-β acilamino morfani, sostanze con una potente attività analgesica e in cui non è stata riscontrata la problematica della depressione respiratoria [13].
1.11 Ligandi misti dei recettori µ/NOP
Il recettore δ e NOP condividono la stessa via di segnale e sono espressi entrambi nelle vie del dolore, sebbene siano principalmente in neuroni distintamente separati, condividendo una sola
localizzazione comune.
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importante scoperta è che gli agonisti dei recettori NOP sono migliori per quanto riguarda il trattamento del dolore
neuropatico rispetto ai classici oppioidi.
Alcuni studi mostrano il potenziale d’azione degli agonisti dei recettori misti µ/NOP di alleviare qualche effetto collaterale dei recettori µ puri, compreso lo sviluppo di tolleranza e dipendenza [3]. La buprenorfina è un composto oppioide con attività mista, in quanto esplica azione agonista, verso i recettori µ e NOP, e antagonista, verso i recettori k e δ, ed è usata come trattamento della
dipendenza da oppioidi e come analgesico.
L’attività analgesica della buprenorfina è riscontrata in diversi casi di dolore cronico e acuto e si manifesta come effetto analgesico potente e di lunga durata, che può essere utile anche nei casi di intervento chirurgico nell’uomo.
L’analgesia indotta dalla buprenorfina è uguale a quella ottenuta con un agonista pieno, senza però toccare il tetto massimo e perciò si può anche ridurre la complicanza della depressione respiratoria. L’analogo della buprenorfina, BU08028, con attività agonista mista dei recettori µ/NOP, è stato progettato per incrementare l’affinità e l’efficacia verso i recettori NOP ed è considerato il primo ligando oppioide universale che si lega con alta affinità a ogni membro della famiglia dei recettori oppioidi, con un’affinità più alta verso i recettori NOP rispetto alla buprenorfina [14].
13 BU08028 dà azione analgesica a lunga durata dovuta al legame con entrambi i recettori e, a
differenza di altri agonisti recettoriali µ, possiede un più alto profilo di sicurezza e inoltre non inibisce né le funzioni respiratorie, né danneggia il sistema cardiovascolare, né provoca dipendenza fisica [3]. Negli ultimi anni sono stati progettati diversi agonisti modestamente selettivi verso i recettori NOP, come ad esempio SR14150 (AT-200) e SR16835 (AT-202), e poi SR16435 (AT-201), che invece è un agonista non selettivo µ/NOP.
14
Questi ligandi bifunzionali, che possono attivare simultaneamente sia i recettori NOP che µ hanno una finestra terapeutica più ampia ed una grande capacità di alleviare condizioni di dolore severo. L’SR14150 e l’SR16835 hanno maggiore selettività ed efficacia verso i recettori NOP rispetto all’SR16435, e una minore affinità ed efficacia verso i recettori µ.
L’SR14150 ha una forte attività analgesica, che sembra essere legata all’attivazione dei recettori µ, e ciò dimostra che l’efficacia di questo agonista parziale verso i recettori µ è sufficiente a produrre un effetto analgesico forte senza dare particolari effetti di dipendenza.
L’SR16835 ha affinità leggermente più bassa verso i recettori NOP rispetto a SR14150 e non provoca gli effetti comportamentali mediati dai recettori µ.
Nello studio del dolore cronico, sia SR14150 che SR16835 mostrano potente attività antiallodinica, anche se il primo è più potente del secondo.
L’SR16435 invece, un agonista parziale dei recettori µ e NOP, è un potente analgesico che mostra effetti di tolleranza più bassi e ridotti per i suoi effetti antiallodinici, paragonati alla buprenorfina. L’SR14148, antagonista dei recettori NOP, è inefficace se somministrato da solo, ma si è scoperto che, con l’SR16435, potenzia l’effetto antiallodinico della morfina e degli agonisti misti dei recettori µ/NOP.
Gli antagonisti dei recettori NOP perciò possono offrire una combinazione terapeutica favorevole per il trattamento del dolore neuropatico, che permette di ridurre il dosaggio degli oppioidi.
Composti con affinità sia per i recettori µ che per i recettori NOP possono essere utili come analgesici, in quanto comportano un minore sviluppo di tolleranza.
Il cebranopadolo, un nuovo ligando dei recettori misti µ/NOP, è usato attualmente nella fase clinica per il trattamento del dolore severo, in cui sono implicati i recettori NOP e altri membri della famiglia dei recettori oppioidi, in particolare quelli µ [15].
15 Il cebranopadolo esplica un’ampia attività ed è molto potente ed efficace nel dolore acuto,
nell’infiammazione, nel cancro e nel dolore neuropatico cronico e, inoltre, anche la somministrazione a dosi più alte di quelle richieste per produrre analgesia, non influenza la funzione respiratoria, mostrando così un miglior profilo di tollerabilità rispetto agli oppioidi [3].
A differenza della morfina, il cebranopadolo mostra una maggiore potenza analgesica per quanto riguarda il dolore cronico, specialmente di origine neuropatica, rispetto al dolore nocicettivo acuto. Sia il BU08028 che il cebranopadolo sono esempi di composti per dimostrare che i ligandi con una farmacologia recettoriale multi-oppioide possono produrre uno spettro terapeutico clinicamente utile, ottenendo inoltre effetti collaterali ridotti.
1.12 Prospettive
Gli studi per il miglioramento degli analgesici oppioidi ha chiaramente cambiato direzione nelle ultime due decadi.
Una più profonda comprensione dell’anatomia, delle funzioni fisiologiche e delle interazioni tra i quattro recettori oppioidi ha cambiato questa visione e nuove ricerche hanno mostrato il valore di composti che svolgono attività su due o più membri della famiglia di recettori oppioidi.
Lo scopo è sempre stato lo stesso e cioè di trovare nuovi composti che avessero lo stesso effetto analgesico della morfina ma che non avessero però gli effetti collaterali di questa, come ad esempio la dipendenza e la possibilità di overdose.
La maggior parte dei progressi sono stati fatti con lo sviluppo di agonisti bivalenti dei recettori µ/NOP, ma si riscontrano casi simili per quanto riguarda agonisti µ/δ e µ/k.
L’agonista recettoriale misto µ/k, la nalfurafina, e il suo successo per il trattamento del prurito è un buon esempio per i benefici terapeutici dei nuovi oppioidi con un profilo farmacologico misto. I due agonisti dei recettori µ/NOP, BU08028 e il cebranopadolo, hanno mostrato un buon potenziale per il trattamento dell’infiammazione e del dolore neuropatico.
Sembra perciò che un singolo composto che si lega a recettori multioppioidi rappresenti una promettente via per lo sviluppo di nuove sostanze per il trattamento del dolore severo.
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2 Oppioidi Sigma-1
2.1 Localizzazione anatomica dei recettori Sigma-1
I recettori Sigma-1 sono localizzati in diverse aree del sistema nervoso centrale e in organi periferici[16].
A livello centrale sono concentrati in particolar modo in aree implicate nella memoria, nelle funzioni motorie e sensoriali e nel sistema limbico.
È stata riscontrata una buona concentrazione di questi recettori soprattutto: nell’ipotalamo,
nell’ippocampo, nel bulbo olfattivo, nel locus coeruleus, nella substantia nigra, nel nucleo rosso,
nei nuclei motori dei nervi cranici e nella retina.
Nel cervelletto invece non è stata riscontrata una grande quantità di recettori Sigma-1, anche se una concentrazione maggiore è stata evidenziata nelle cellule del Purkinje.
I recettori Sigma-1 hanno anche localizzazione a livello del midollo spinale, specialmente negli strati superficiali delle corna dorsali, mentre a livello periferico è stata osservata la loro presenza in vari distretti, in particolar modo a livello cardiaco e più precisamente a livello del sistema parasimpatico che innerva il cuore, nei miociti, nell’intestino, nella ghiandola surrenale, nella placenta, a livello polmonare, renale e nella milza.
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2.2 Localizzazione e caratteristiche molecolari dei recettori Sigma-1
A livello molecolare i recettori Sigma-1 sono localizzati nella membrana del reticolo endoplasmatico, associata fisicamente ai mitocondri (MAM) e in quella collegata alla membrana plasmatica
postsinaptica e proprio per questa particolare localizzazione, questi recettori regolano le funzioni cellulari che riguardano la bioenergetica e la generazione di radicali liberi[17].
Nel 1970 Martin classificò i recettori Sigma come una sottoclasse dei recettori oppioidi in virtù della loro affinità ai benzomorfinani, come la pentazocina, mentre studi seguenti hanno dimostrato invece che sono recettori indipendenti, non accoppiati a proteine G, ma proteine intracellulari [18, 19]. Il recettore Sigma è suddiviso in due sottotipi: Sigma-1 e Sigma-2.
Il recettore Sigma-1 è costituito da 223 aminoacidi con due domini transmembrana: il primo dominio è N-terminale, legato da una doppia arginina al reticolo endoplasmatico, mentre il secondo dominio è C-terminale e si pensa sia il sito di legame con le sostanze.
Oltre alle due regioni idrofobiche, rappresentate dai due domini transmembrana, è stata scoperta anche l’esistenza di un altro segmento idrofobico, che è rappresentato dal sito di legame sul recettore Sigma-1 per ligandi a struttura steroidea.
Alcuni ligandi endogeni infatti, che si legano al recettore Sigma-1, sono gli steroidi, come per esempio progesterone e deidroepiandrosterone (DHEA), poi abbiamo anche l'allucinogeno
N,N-dimetiltriptamina e la sfingosina, e inoltre, sembra che anche la ceramide monoglicosilata possa legarsi con alta affinità a questi recettori.
Gli steroidi, se paragonati agli sfingolipidi endogeni e alle ceramidi monoglicosilate, sembrano avere una bassa affinità per i recettori Sigma-1 (0,3-10 µM) e certi sfingolipidi, addirittura già alla loro concentrazione fisiologica, sembrano legarsi con alta affinità a questi recettori.
La principale localizzazione dei recettori Sigma-1 perciò è nella membrana del reticolo endoplasmatico e si è visto che qui tendono a formare dei complessi.
A differenza della maggior parte del reticolo endoplasmatico che contiene poca quantità di
colesterolo e sfingolipidi, la membrana che è invece collegata ai mitocondri ha livelli considerevoli di colesterolo e ceramidi e questi svolgono un ruolo importante nel reclutamento dei recettori Sigma-1. Il reticolo endoplasmatico collegato ai mitocondri fornisce Ca++ e fosfolipidi al mitocondrio e, in questo modo, viene attivato il ciclo degli acidi tricarbossilici (TCA), che porta poi alla produzione di ATP e uno dei compiti dei recettori Sigma-1 è proprio quello di regolare questo flusso di calcio proveniente da questa zona del reticolo endoplasmatico e indirizzato al mitocondrio.
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2.3 Interazioni molecolari dei recettori Sigma-1
I recettori Sigma-1 possono modulare diverse vie e questo è dovuto al fatto che questi recettori interagiscono con diverse proteine e canali ionici, permettendo così la comunicazione con l’apparato del Golgi, il mitocondrio e il proteasoma [20].
Nel reticolo endoplasmatico collegato ai mitocondri sono presenti proteine sensori di stress, che, legandosi ai recettori Sigma-1, vengono modulate, contribuendo al segnale di sopravvivenza cellulare e al monitoraggio di specie reattive dell’ossigeno.
I recettori Sigma-1, interagendo con diverse proteine presenti nella membrana plasmatica, nel reticolo endoplasmatico, nel mitocondrio e nel citosol, sembrano coinvolte nei meccanismi di neuroprotezione, di memoria, di apprendimento e del tono dell’umore.
Il recettore Sigma-1 ha anche un importante ruolo nella differenziazione degli oligodendrociti, cellule della nevroglia che svolgono la funzione di mielinizzazione dei neuroni del sistema nervoso centrale, e questo è dovuto all’inibizione dell’enzima galattosilceramide transferasi (CGaIT), che sintetizza i galattosilceramidi, composti che invece inibiscono la differenziazione degli oligodendrociti.
Sono anche localizzati insieme ai canali del potassio kv1.2 nel nucleus accumbens, regolando anche la sensibilizzazione comportamentale indotta da cocaina e inoltre sono coinvolti nel processo di
secrezione del fattore neurotrofico cerebrale (BDNF), anche se non è ancora conosciuto il meccanismo molecolare.
I recettori Sigma-1 hanno attività chaperonica e modulano la comunicazione tra gli organuli cellulari, regolando così una varietà di eventi cellulari, come ad esempio la differenziazione neuronale, la sopravvivenza cellulare e la bioenergetica.
20
Figura 3:
Il recettore Sigma-1 ha due domini transmembrana, principalmente localizzati nella membrana del reticolo endoplasmatico. I recettori Sigma-1 sono collegati alla membrana del reticolo endoplasmatico associata ai mitocondri (MAM). Il dominio rivolto verso il lume del reticolo endoplasmatico esercita attività chaperonica, stabilizzando le proteine di membrana. Qui vengono raffigurate le azioni dei recettori Sigma-1 che regolano l’interazione tra i vari organuli, permettendo la comunicazione con l’apparato del Golgi, il mitocondrio e il proteosoma.I recettori regolano la sopravvivenza cellulare, la produzione di specie reattive dell’ossigeno (ROS) e la secrezione del fattore neurotrofico cerebrale. Figura tratta da [17].In seguito a interazione con agonisti o antagonisti, il recettore Sigma-1 può perciò traslocare nella membrana plasmatica per interagire con canali ionici, recettori e chinasi e può anche traslocare nella membrana del nucleo, intervenendo così nella trascrizione genica [21].
I recettori Sigma-1 inoltre eterodimerizzano con i recettori per la dopamina, che sono implicati nei processi neurologici, come la memoria e le funzioni motorie, e poi, legandosi ai recettori D1 e D2, modulano il segnale a valle dei neuroni stimolati dalla cocaina.
21 Nelle zone postsinaptiche è stata rilevata la presenza dei recettori Sigma-1 vicino ai recettori
muscarinici M2, portando così a pensare che l’interazione tra questi due recettori possa promuovere la sopravvivenza dei motoneuroni, svolgendo un ruolo importante nella sclerosi laterale amiotrofica, la cui caratteristica fondamentale è la degenerazione dei motoneuroni.
I recettori Sigma-1 eterodimerizzano anche con il recettore per il glutammato NMDA, che è un canale ionico, controllando così varie funzioni neuronali, compresa la plasticità sinaptica e la memoria. Tra i più importanti recettori con cui eterodimerizza il recettore Sigma-1 troviamo anche il recettore per il fattore di crescita derivato dalle piastrine, le integrine e il fattore neurotrofico cerebrale. Il recettore per il fattore di crescita derivato dalle piastrine (PDGFR) ha un ruolo importante nella proliferazione, nella differenziazione e crescita cellulare ed è coinvolto in molte malattie tra cui il cancro.
Le integrine invece sono recettori transmembrana per molecole di adesione cellulare, inclusa la fibronectina e il collagene, e sono importanti per la metastasi di cellule cancerose.
Gli agonisti Sigma-1 esercitano effetti antidepressivi e neuroprotettivi attraverso l’upregulation del fattore neurotrofico cerebrale e inoltre interagiscono con il recettore tropomiosina chinasi B (TrkB), che è il recettore per il fattore neurotrofico cerebrale, svolgendo un ruolo importante nella
trasmissione sinaptica, nella neurogenesi e nell’apprendimento [21]. I recettori Sigma-1 regolano anche lo sviluppo del midollo spinale.
Questi recettori possono interagire con i canali ionici voltaggio dipendenti, che consentono l’efflusso di Ca++ dal reticolo endoplasmatico al mitocondrio, contribuendo alla regolazione della sintesi del pregnenolone mitocondriale e interagendo con una proteina regolatoria esclusiva della membrana esterna mitocondriale, aumentando così la quantità di colesterolo.
La diminuzione dei recettori Sigma-1 è collegata perciò all’inibizione dell’afflusso di colesterolo nei mitocondri e questo porta alla perdita dell’integrità di membrana che si pensa sia implicata nello sviluppo di malattie neurodegenerative come l’Alzheimer.
2.4 Meccanismi alla base dei processi neurodegenerativi.
Il reticolo endoplasmatico rappresenta un ambiente esclusivo per la sintesi e il folding proteico, che è fondamentale per la sopravvivenza e il normale funzionamento cellulare [20].
La maturazione delle proteine nascenti nel reticolo endoplasmatico è monitorata da chaperoni molecolari, proteine calcio dipendenti, che si associano alle proteine neosintetizzate, in modo da prevenire l’aggregazione e consentire il loro corretto ripiegamento.
22
Il reticolo endoplasmatico perciò rappresenta un sistema di controllo in modo da assicurare che le proteine ripiegate in modo corretto e funzionanti possano essere rilasciate e raggiungere la loro destinazione finale, mentre le proteine ripiegate male e non funzionanti possano essere trattenute e, in seguito, traslocate nel citosol per la successiva degradazione da parte del proteasoma.
In condizioni normali c’è un bilanciamento tra la sintesi e la degradazione di proteine ma, in
particolari condizioni di stress esterno, può essere alterato questo equilibrio, portando all’accumulo e all’aggregazione nel lume del reticolo endoplasmatico di proteine non ripiegate in modo corretto, una condizione che viene definita come stress del reticolo endoplasmatico.
Questa formazione di aggregati proteici, che rappresenta la base biochimica dello stress del reticolo endoplasmatico, è tossica per le cellule e ha come conseguenza l’insorgere di alcune condizioni fisiopatologiche come l’ischemia, le malattie neurodegenerative e i tumori.
Le cellule hanno messo a punto delle strategie protettive per combattere questa situazione di stress del reticolo endoplasmatico, attraverso un processo denominato Unfolded Protein Response (UPR). Questo processo prevede l’intervento di alcuni recettori del reticolo endoplasmatico e, in una prima fase, interviene favorendo la sopravvivenza cellulare ed eliminando l’accumulo di proteine non ripiegate in modo corretto, se invece lo stress è persistente, induce l’apoptosi.
23
Figura 4:
Diagramma di risposta delle proteine ripiegate in modo non corretto (UPR) e la modulazione attraverso i recettori Sigma-1. L’accumulo di proteine non ripiegate in modo corretto nel reticolo endoplasmatico attiva UPR per riportare l’omeostasi delle proteine e per promuovere la sopravvivenza cellulare.Figura tratta da [20].L’accumulo di proteine dannose può portare perciò il reticolo endoplasmatico ad innescare un programma di morte cellulare e tutti questi eventi di stress cellulare possono condurre a malattie neurodegenerative, come l’Alzheimer, il Parkinson, la sclerosi laterale amiotrofica e l’Huntington.
24
Possibili strategie terapeutiche potrebbero essere indirizzate ad aumentare le risposte di segnale UPR che attenuano gli induttori di stress del reticolo, inibendo invece le porzioni di UPR che promuovono l’apoptosi.
I mitocondri giocano un ruolo importante nel mantenimento neuronale, infatti, oltre a fornire ATP e substrati biosintetici e metabolici, regolano anche l’omeostasi del calcio e l’inizio dell’apoptosi e perciò anche la perdita della funzione mitocondriale è associata a malattie neurodegenerative. Il meccanismo di fissione e fusione mitocondriale è un evento che regola numerose funzioni cellulari, tra cui la produzione di ATP, l’omeostasi del calcio e dei radicali liberi ed è necessario per il trasporto degli organuli nelle sinapsi e, allo stesso tempo, è la tappa iniziale dei processi di apoptosi in diverse cellule, tra cui i neuroni.
Un’ alterazione di questi meccanismi di fissione e di fusione mitocondriale è alla base perciò dei processi neurodegenerativi e si è visto anche che la diminuzione dei livelli di RNA, che codificano per proteine che mediano la fissione e la fusione, possono essere responsabili di molte malattie.
Ci sono anche altri meccanismi che conducono a malattie neurodegenerative, tra cui l’ipereccitazione.
Il glutammato è il neurotrasmettitore eccitatorio più diffuso nel sistema nervoso centrale e la sua interazione con specifici recettori, gli N-metil-D-aspartato (NMDA), è responsabile di molte funzioni neurologiche, compreso l’apprendimento e la memoria.
L’eccessivo rilascio di glutammato provoca però eccitotossicità, infatti oltre al trasporto di sodio, i recettori NMDA sono implicati anche nel trasporto del calcio, portando di conseguenza ad un’alterata omeostasi e morte cellulare per necrosi.
L’alterazione del potenziale di membrana del calcio nella matrice mitocondriale provoca anche l’apertura del poro di transizione mitocondriale, portando alla produzione di specie reattive. L’ossigeno è fondamentale per soddisfare le esigenze energetiche dei tessuti, in quanto permette, tramite la fosforilazione ossidativa, la produzione di ATP, garantendo una riserva energetica per le cellule.
La diminuzione delle concentrazioni di O2 perciò produce specie radicaliche che possono causare un
danno massiccio alle componenti cellulari e ai tessuti.
Le specie reattive dell’ossigeno (ROS), generate da molte cause, come la neurotrasmissione persistente (per esempio glutammato, serotonina e dopamina), la disfunzione mitocondriale e la produzione delle cellule gliali, possono danneggiare, a seconda delle specie radicaliche e della localizzazione, gli acidi nucleici, le proteine o i lipidi.
Lo stress ossidativo può anche alterare la funzione mitocondriale, portando alla deplezione di ATP e alla diminuzione della capacità antiossidante e inoltre, insieme ai ROS, possono essere generate anche specie reattive dell’azoto (RNS), in condizioni patologiche del sistema nervoso centrale.
25 Diversi eventi cellulari perciò, come la mancanza di regolazione dell’omeostasi del calcio, la
deplezione di ATP e lo stress ossidativo, possono alterare la funzione del reticolo endoplasmatico portando così all’accumulo di proteine ripiegate in modo non corretto e determinando l’insorgenza di malattie neurodegenerative [20].
Una delle conseguenze dei danni del sistema nervoso centrale è la gliosi reattiva.
L’ astrogliosi reattiva è l’accrescimento degli astrociti all’interno del sistema nervoso centrale e questo evento è dovuto all’upregulation di alcuni geni, compresa la proteina gliale fibrillare acida (GFAP), che è una componente fondamentale dei filamenti degli astrociti e che porta queste cellule a proliferare, a migrare e, in caso di severo danno neurale, alla formazione di cicatrici gliali.
La formazione di cicatrici gliali sembra proteggere il tessuto neuronale circostante da ulteriori danni, ma impedisce al tratto neuronale di rigenerarsi, e inoltre, gli astrociti reattivi possono produrre anche diversi fattori, come citochine, chemochine e fattori neurotrofici che aggravano il danno cerebrale.
Le cellule della microglia invece sono tipi di cellule gliali diverse dagli astrociti, fanno parte del sistema nervoso centrale e sono responsabili del pruning sinaptico.
La capacità della microglia di monitorare il microambiente circostante e di reagire ai cambiamenti neuronali mostra la loro importanza nella neurodegenerazione.
Le cellule della microglia sono suddivise in due tipologie: gli M1 e gli M2.
Le risposte degli M1 sono di natura proinfiammatoria e possono portare al danneggiamento del sistema nervoso centrale, attraverso il rilascio di ROS/ RNS e di citochine proinfiammatorie, come ad esempio l’interleuchina IL-1ß, mentre le risposte degli M2 sembrerebbero servire per la riparazione. I recettori Sigma sono capaci di modulare una varietà di processi cellulari coinvolti nella
neurodegenerazione
I recettori Sigma-1, come si è visto, sono localizzati nella membrana del reticolo endoplasmatico e soprattutto nella membrana associata ai mitocondri, ma esistono anche altre localizzazioni che sono: 1) il DNA nucleare e mitocondriale e le membrane plasmatiche; 2) altri tipi di cellule del SNC
(astrociti, microglia e oligodendrociti) e 3) tessuto immunitario ed endocrino legato al SNC.
Tutti questi siti fanno capire la molteplicità d’azione di questi recettori che possono spostarsi tra le diverse membrane degli organuli in risposta al legame con particolari ligandi.
Dopo l’attivazione del ligando, questi agiscono attraverso la traslocazione e le interazioni proteina-proteina per modulare l’attività dei vari canali ionici e molecole segnale.
Gli agonisti Sigma-1, come la pentazocina, hanno azione neuroprotettiva, in quanto regolano l’omeostasi del calcio, attenuano il rilascio di glutammato, inibendo anche in particolari condizioni i recettori NMDA, e possono ridurre, inoltre, l’accumulo di specie reattive dell’ossigeno e dell’azoto.
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La diminuzione dei livelli di ROS, dovuta agli agonisti Sigma-1, sembra essere dovuta all’upregulation dei geni che codificano per proteine antiossidanti, che sono la chinone ossidoreduttasi 1 (NQO1) e la superossido dismutasi 1 (SOD1).
L’attenuazione del rilascio di glutammato, conseguente all’ischemia, può avvenire tramite
un’interazione diretta con specifiche subunità dei recettori NMDA o tramite effetti indiretti dovuti alla modulazione di un altro canale ionico.
Si è visto anche che trattamenti con gli agonisti Sigma-1 attenuano la gliosi reattiva, aumentando i livelli di citochine antinfiammatorie e riducendo invece quelle proinfiammatorie e inoltre sembra che possano portare a ricrescita neuronale [20].
Come ulteriore prova è stata trovata una variante mozzata del recettore Sigma-1 (Sigma-1S) che, invece, destabilizza l’omeostasi del calcio portando ad un’alterata produzione di ATP e all’apoptosi.
27
2.5 Malattie neurodegenerative
La neurodegenerazione è caratterizzata dalla progressiva perdita dell’integrità neuronale, sia dal punto di vista strutturale che funzionale, e l’Alzheimer e il Parkinson sono le malattie
neurodegenerative più comuni, che colpiscono circa il 10% delle persone sopra ai 60 anni [20]. Le cure attuali mirano al trattamento sintomatico e perciò sarebbe importante trovare una terapia per proteggere e conservare l’integrità neuronale.
2.5.1 Alzheimer
L’Alzheimer è una malattia neurodegenerativa che va a colpire soprattutto la sfera cognitiva del soggetto, coinvolgendo maggiormente i neuroni colinergici.
Questa malattia è causata dalla formazione del β amiloide, un particolare peptide transmembrana, facente parte di una proteina più complessa, chiamata APP.
Il sistema enzimatico delle secretasi agisce in punti specifici di questa proteina, portando così alla formazione di diversi peptidi a seconda del punto d’azione e si è visto che, in condizioni patologiche, il peptide che si forma è proprio il β amiloide.
Possono essere presenti anche polimorfismi nel gene che codifica per l’APP e ciò sta a significare che esistono anche forme familiari di Alzheimer.
Un’importante scoperta è stata che la pentazocina poteva attenuare i deficit di memoria [22]. Il primo approccio per la cura dell’Alzheimer era stato l’utilizzo di inibitori dell’acetilcolinesterasi e comunque si è visto che il donepezil, non solo inibiva l’acetilcolinesterasi ma attivava anche i recettori Sigma-1, contribuendo agli effetti neuroprotettivi.
Due farmaci approvati perciò, che sono il donepezil e la memantina, agiscono anche sui recettori Sigma-1 oltre ai loro target farmacologici principali.
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DONEPEZIL
MEMANTINA
Questi effetti sono confermati anche dal fatto che in alcuni studi è stata rilevata una bassa densità di questi recettori nel cervello di alcuni pazienti nelle prime fasi dell’Alzheimer e, inoltre, si è visto che un polimorfismo genetico di questi recettori può rappresentare un fattore di rischio per questa malattia.
L’attivazione dei recettori Sigma-1, perciò, può migliorare i sintomi clinici dell’Alzheimer e proteggere dai cambiamenti neuropatologici associati alla malattia, proteggendo dalla tossicità dovuta al β amiloide e prevenendo i deficit di memoria.
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2.5.2 Parkinson
Anche nei primi stadi del Parkinson è stata rilevata una downregulation dei recettori Sigma-1 [20] Il Parkinson è caratterizzato da una diminuzione della produzione di dopamina nel cervello, dovuta a neuroinfiammazione e alla generazione di specie reattive dell’ossigeno, portando successivamente a danni degenerativi nei neuroni dopaminergici.
La zona più colpita è quella della substantia nigra e delle strutture vicine a questa, come l’amigdala, l’ippocampo, suggerendo perciò anche un coinvolgimento della componente affettiva, e inoltre è coinvolto anche il tubercolo olfattorio.
In queste zone c’è una funzione dopaminergica che viene controllata anche dal sistema colinergico: il sistema è abbastanza complesso perché la regolazione è reciproca, infatti la liberazione del
mediatore dopamina è suscettibile all’azione inibente dell’acetilcolina, in quanto esistono dei recettori presinaptici colinergici che frenano questa liberazione.
Questa zona appartiene al sistema extrapiramidale ed è perciò coinvolta nella regolazione del movimento volontario, i sintomi iniziali, infatti, sono la discinesia, poi tremori, fino ad arrivare, a volte, nella fase tardiva della malattia, ad acinesia.
La discinesia e l’acinesia, perciò, sono dovute alla mancanza di dopamina, che porta a progressiva perdita di movimento.
Sono presenti anche recettori presinaptici dopaminergici che regolano il rilascio di acetilcolina e, perciò, in questa situazione di carenza di dopamina, si verifica un’esasperata liberazione di acetilcolina, portando come conseguenza il tremore, che è tipico di questa malattia.
La mancanza di dopamina porta a tossicità neuronale, attraverso processi infiammatori, produzione di radicali liberi, attivazione della risposta da parte delle cellule della microglia M1 e apoptosi[20]. Si è visto che, oltre alla diminuzione di dopamina, anche la perdita dei recettori Sigma-1, è coinvolta nei danni neuronali e, perciò, trattamenti con agonisti dei recettori Sigma-1 possono essere un valido aiuto nella prevenzione e nell’attenuazione dei danni neurodegenerativi.
Un trattamento con PRE084, agonista Sigma, può essere utile, in quanto aumenta la produzione del fattore neurotrofico cerebrale (BDNF) e del fattore neurotrofico derivante dalle cellule gliali (GDNF), ristabilendo così la connessione sinaptica e attenuando anche le risposte delle cellule della microglia M1.
Gli agonisti Sigma-1 inoltre bloccano l’apoptosi innescata dalla mancanza di dopamina e quindi possono essere un valido approccio nelle malattie come il Parkinson.
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2.5.3 Degenerazione della retina
Il glaucoma, la retinopatia diabetica, la degenerazione maculare e la retinite pigmentosa, nonostante la loro differente eziologia, sono tutte caratterizzate dalla perdita dei neuroni della retina, portando conseguentemente a cecità [20].
La degenerazione della retina può anche essere secondaria ad altre condizioni neurodegenerative, come ad esempio l’ictus e l’Alzheimer, e i recettori Sigma-1 sono stati trovati in vari tipi di cellule dell’occhio, dalle cellule del ganglio retinico (RGCs) ai segmenti interni dei fotorecettori alle cellule dell’epitelio pigmentato retinico [23].
Le cause della degenerazione della retina, così come le altre malattie neurodegenerative, sono l’infiammazione, lo stress ossidativo e l’attivazione di vie apoptotiche [24].
Si è visto che la fosforilazione dei recettori Sigma-1 porta all’incremento della produzione dei ROS, diminuendo così l’attività di questi recettori.
Gli agonisti Sigma-1 possono attenuare l’apoptosi delle cellule del ganglio retinico attraverso la modulazione di diversi target molecolari e di vie che comprendono l’omeostasi del calcio
intracellulare, l’attenuazione della eccitotossicità, la degradazione della caspasi e delle proteine di risposta allo stress del reticolo endoplasmatico, la produzione di citochine antinfiammatorie e l’inibizione delle specie reattive dell’ossigeno.
Tutti questi effetti neuroprotettivi sono dimostrati dalla pentazocina, mentre, al contrario, gli antagonisti bloccano questi effetti.
Oltre alla pentazocina anche altri agonisti, come SA4503, possono avere effetti neuroprotettivi nelle cellule della retina.
Gli agonisti Sigma-1 possono anche alleviare il danno alla retina causato dal danno ischemico da riperfusione.
Si è visto che i topi knockout dei recettori Sigma-1 accelerano la morte delle cellule del ganglio retinico e sono presenti anche in alcune persone affette da glaucoma e diabete.
La perdita dei recettori Sigma-1, nei ratti diabetici, porta ad una diminuzione delle cellule del ganglio retinico, un maggior numero di cellule positive per la caspasi 3, un aumento della pressione
intraoculare e un deficit nella risposta scotopica.
Oltre agli effetti sulla retina, la pentazocina ha anche effetti positivi sulle cellule della microglia della retina, infatti oltre ad intervenire nei processi infiammatori e nella generazione dei radicali liberi, interviene anche nella inibizione di fattori immunitari delle cellule della microglia.
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2.5.4 Sclerosi laterale amiotrofica (SLA)
La sclerosi laterale amiotrofica (SLA) è caratterizzata dalla perdita progressiva dei motoneuroni nel midollo spinale, nel tronco cerebrale e nella corteccia motoria, portando alla paralisi e infine alla morte [20].
Sebbene la fisiopatologia della SLA sia ancora sconosciuta, le caratteristiche patologiche includono: la mancata regolazione dell’omeostasi del calcio, l’eccitotossicità, l’infiammazione neuronale,
l’accumulo di proteine non ripiegate in modo corretto e di radicali liberi, la mancanza di fattori di crescita neurotrofici e la disfunzione delle cellule della glia [25].
Tutti questi eventi portano alla degenerazione dei motoneuroni.
Tra le cause scatenanti questa malattia, abbiamo anche una mutazione genetica ereditaria, dovuta soprattutto ai geni SOD1.
I neuroni motori sono ricchi di recettori Sigma-1 e, in pazienti affetti da alcune forme di SLA, sono state rilevate alcune mutazioni nel gene che codifica per questi recettori.
I motoneuroni dei pazienti affetti da SLA presentano degli aggregati insoliti di proteine, che danneggiano progressivamente le cellule nervose.
Nei motoneuroni alfa dei pazienti affetti da SLA è stato riscontrato un accumulo di recettori Sigma-1 e questo aumento, vicino a questi aggregati di proteine anomale, può rappresentare un tentativo di liberarsi da queste proteine mal ripiegate e perciò gli agonisti, legandosi a questi recettori, possono modulare l’infiammazione a favore della risposta rigenerativa e possono inibire la progressione della malattia.
Si è visto che l’agonista PRE084 rallenta la progressione dei sintomi della SLA e prolunga la
sopravvivenza in pazienti non aventi la mutazione SOD1 [26], inoltre, la somministrazione giornaliera di questa sostanza, dalle 8 alle 16 settimane, migliora la funzione dei motoneuroni spinali,
preservando le connessioni neuromuscolari e quelle dei motoneuroni nel midollo spinale, migliorando anche la performance motoria [27].
Il trattamento cronico con PRE084, inoltre ha mostrato di ridurre l’immunoreattività nelle cellule della microglia, ma purtroppo non ha mostrato nessun effetto su pazienti con mutazione nel gene SOD1 [25].
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PRE084
2.5.5 Malattia di Huntington
La malattia di Huntington invece è un disordine genetico caratterizzato da un deficit motorio e cognitivo progressivo, causato da una perdita neuronale selettiva, in particolar modo nella corteccia striata e cerebrale [20].
In particolare, il nucleo caudato si atrofizza e i neuroni nel corpo striato degenerano.
La malattia è causata da una mutazione dominante autosomica nel gene huntingtina, in cui una regione
ripetitiva CAG, che è normalmente costituita da meno di 25 ripetizioni, si espande, per un errore di replicazione, a 35 o più ripetizioni.
La tripletta CAG codifica per l’amminoacido glutammina e perciò questa malattia è caratterizzata da una coda terminale di poliglutammina.
Tanto maggiore è il numero della tripletta CAG, tanto più precoce è l’esordio della malattia e più grave la sintomatologia.
Gli eventi patologici sono anche in questo caso: il danno ossidativo, l’aumentata attivazione degli astrociti e delle cellule della microglia, il danneggiamento e la perdita neuronale, l’alterazione del folding proteico e delle vie di segnalazione intracellulare associate al reticolo endoplasmatico [28]. Si è visto che in presenza del gene huntingtina si verifica una diminuzione dei recettori Sigma-1 e la somministrazione dell’agonista PRE084 riequilibra i deficit dei recettori.
33 Non si è riscontrato nessun cambiamento nei livelli di mRNA tradotti in recettori Sigma-1 e questo sta a significare, perciò, che sono presenti processi post-trascrizionali per riequilibrare l’espressione di questi recettori.
PRE084 inoltre diminuisce anche l’apoptosi andando ad agire sulla caspasi, attenua lo stress ossidativo, andando anche ad aumentare la produzione di proteine antiossidanti, e partecipa alla neuroprotezione.
2.6 Ictus
Una delle cause che contribuiscono all’ictus è la tossicità per eccessivo rilascio di glutammato [29] e si è visto che gli agonisti dei recettori Sigma-1 diminuiscono proprio questo rilascio e bloccano il sovraccarico di calcio intracellulare conseguente all’ischemia [30].
La diminuzione del rilascio di glutammato è dovuta alla capacità di modificare l’espressione e l’attività dei recettori NMDA [20].
Gli agonisti Sigma-1 sembra che diminuiscano il danno cerebrale andando anche ad attenuare la produzione di specie radicaliche ed inibendo l’infiammazione neuronale.
Altri processi su cui vanno ad agire gli agonisti Sigma-1 sono: l’attenuazione della gliosi reattiva, la riduzione di citochine infiammatorie e l’aumento invece di quelle antinfiammatorie.
Oltre ai meccanismi neuroprotettivi sembra che gli agonisiti Sigma possano intervenire sulla ricrescita neuronale.
2.7 Uso dei farmaci che si legano ai recettori Sigma-1
Alcuni studi perciò hanno dimostrato che mutazioni dei recettori Sigma-1 possono contribuire alla patogenesi delle malattie neurodegenerative e inoltre è stato riscontrato un accumulo di questi recettori vicino a proteine intracellulari anomale, probabilmente come possibile tentativo di una risposta adattiva ad alcune malattie neurodegenerative [20].
L’attivazione dei recettori Sigma-1 si è visto che porta alla clearance di aggregati di specifiche proteine e allevia lo stress del reticolo endoplasmatico esercitato da questi aggregati.
34
L’aloperidolo agisce su questi recettori però questo composto ha anche affinità nanomolari con altri target, che sono i recettori della dopamina, della serotonina e alfa adrenergici, rendendo perciò difficile attribuire l’antagonismo verso il recettore Sigma-1 come meccanismo protettivo dei neuroni. La maggior parte di studi infatti indica che sono gli agonisti Sigma-1 a conferire l’azione
neuroprotettiva.
Sebbene gli studi preclinici abbiano dimostrato che i ligandi Sigma-1 siano efficaci nel trattamento delle malattie neurodegenerative, l’Agenzia per gli Alimenti e i Medicinali non ha ancora approvato finora nessun agonista Sigma-1 come medicinale per uso umano, perché non si hanno ancora dati sufficienti per dimostrarne l’efficacia clinica.
L’uso solamente di un agonista Sigma-1 nel trattamento delle malattie neurodegenerative, comunque, potrebbe essere limitativo e, data la complessità di queste malattie, potrebbe essere utile un trattamento multiplo.
Attraverso studi preclinici si è visto che composti come ad esempio la fluvoxamina, DHEA-S,
donepezil e memantina esercitano effetti neuroprotettivi, dovuti in parte proprio all’attivazione dei recettori Sigma-1 [31].
Devono essere svolti perciò ulteriori studi per lo sviluppo di nuovi farmaci Sigma-1, selettivi o non selettivi, come trattamento aggiuntivo nelle malattie neurodegenerative.
Una caratteristica importante dei ligandi Sigma-1 è il loro profilo di sicurezza favorevole, dovuto al fatto che sembrano avere attività solo in condizioni patologiche, limitando così gli effetti collaterali [20].
La (+)-pentazocina infatti prolunga il legame del recettore Sigma-1 con alcune proteine in condizioni di stress del reticolo endoplasmatico, ma in condizioni normali non ha alcun effetto.
Malattie neurodegenerative, come l’ictus, il Parkinson, l’Alzheimer, la degenerazione della retina, la SLA e l’Hutington, condividono meccanismi cellulari e vie molecolari comuni, che comprendono l’eccitotosicità, la disregolazione del calcio, lo stress ossidativo/e nitroso, lo stress del reticolo endoplasmatico e la disfunzione mitocondriale.
Anche la disfunzione delle cellule gliali può contribuire alla neurodegenerazione e perciò i ligandi dei recettori Sigma 1, come si è visto, possono modulare diversi aspetti dei processi neurodegenerativi, che interessano i neuroni così come le cellule gliali.
Nonostante vi sia la necessità di ulteriori conferme, i recettori Sigma-1 sono dei target promettenti per lo sviluppo di nuovi farmaci per il trattamento delle malattie neurodegenerative.
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2.8 Depressione
I recettori Sigma-1 sono anche coinvolti nella fisiopatologia della depressione, infatti si è visto che, in condizione di sottoespressione del recettore, viene sviluppato un comportamento tipo depressivo [22].
Gli agonisti Sigma-1 hanno proprietà antidepressive e tra questi farmaci abbiamo alcuni
antidepressivi triciclici, come l’imipramina, e alcuni inibitori selettivi del reuptake della serotonina, come la fluoxetina.
Un’ulteriore conferma è data dal fatto che modelli sperimentali di topi knockout di recettori Sigma-1 sviluppavano un comportamento di tipo depressivo [32].
La loro interazione con i recettori Sigma-1 contribuisce all’effetto antidepressivo e inoltre, dopo il trattamento ripetuto con imipramina e fluoxetina, si verifica una downregulation dei recettori Sigma-1 nello striato, nell’ippocampo e nella corteccia cerebrale.
36
2.9 Schizofrenia
I recettori Sigma-1 hanno anche attività sulle psicosi, infatti è stato visto che farmaci come
l’aloperidolo si comportano da antagonisti verso questi recettori, esercitando un’azione antipsicotica [22].
Si è visto che un polimorfismo nel gene che codifica per il recettore Sigma-1 determina l’aumento del rischio di sviluppo della schizofrenia.
Negli ultimi dieci anni si stanno testando cinque antagonisti Sigma-1 per il trattamento della schizofrenia e questi sono panamesina, eliprodil, rimcazolo, BMY14802 e DuP734.
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2.10 Delirio
Il delirio è un disturbo mentale che implica perdita di consapevolezza e cognizione, allucinazioni, anormalità nel comportamento psicomotorio e disturbi del sonno.
Il delirio si può manifestare in persone anziane e dopo interventi chirurgici.
Secondo alcuni studi la contemporanea somministrazione di sertralina e paroxetina, due inibitori del reuptake della serotonina, è associata allo sviluppo di delirio [33, 34].
Il delirio si manifestava anche dopo il trattamento con citalopram e di alcuni inibitori del reuptake della noradrenalina, come venlafaxina e duloxetina [35], al contrario invece, la fluvoxamina era efficace nel trattamento di questo disturbo nei malati di Alzheimer, negli anziani e in persone che manifestavano delirio postoperatorio.
Il meccanismo d’azione della fluvoxamina nel trattamento dei sintomi del delirio sembravano dovuti al suo agonismo sui recettori Sigma-1 [36].
2.11 Dipendenza
I recettori Sigma-1 sono implicati anche nelle forme di dipendenza [22].
L’alta densità di questi recettori gioca un importante ruolo nel potenziare gli effetti di dipendenza da sostanze, come ad esempio la metamfetamina, la cocaina e l’etanolo e, dopo la somministrazione cronica di queste sostanze, è stata riscontrata un’upregulation di questi recettori.
38
Metamfetamina
L’esistenza di recettori eteromerici Sigma-1 e recettori per la dopamina D1 confermano l’ipotesi del coinvolgimento dei recettori Sigma-1 nella dipendenza da sostanze.
Un’ulteriore conferma è dovuta al fatto che gli effetti comportamentali dovuti alla metamfetamina possono essere inibiti dall’antagonista dei recettori Sigma-1 MS-377.
La cocaina perciò si lega con alta affinità ai recettori Sigma-1, comportandosi da agonista, mentre gli antagonisti bloccano questi effetti.
L’antagonista BD1047 diminuisce gli effetti comportamentali dovuti all’etanolo, mentre l’agonista PRE084 aumenta le risposte di dipendenza.
2.12 Ipertrofia cardiaca
È stato scoperto che questi recettori sono espressi anche nei cardiomiociti e ciò ha portato a un’importante scoperta, ossia che alcuni ligandi, attraverso l’interazione con questi recettori, possono migliorare l’ipertrofia cardiaca.
Gli inibitori del reuptake della serotonina (SSRI), perciò, possono essere usati nel trattamento della depressione in pazienti che hanno subìto infarto del miocardio [37].
39 serotonina, si legano con alta affinità ai recettori Sigma-1, suggerendo perciò che l’attività
cardioprotettiva è dovuta a questa stimolazione.
Fluvoxamina Sertralina
È stata osservata anche una diminuzione dei livelli del recettore Sigma-1 nel ventricolo sinistro soggetto a ipertrofia cardiaca.
Ulteriori trattamenti con un differente agonista Sigma-1, che è il neurosteroide
deidroepiandrosterone (DHEA), antagonizzano in modo significativo il sovraccarico di pressione nel cuore e nelle arterie toraciche.
La fluvoxamina, attraverso la stimolazione dei recettori Sigma-1 presenti nel cuore, provoca un effetto antiipertrofico sui cardiomiociti, riducendo anche l’ipertrofia indotta dall’angiotensina II, mentre, al contrario, la perdita di questi recettori annulla questo effetto.
L’esposizione prolungata all’angiotensina II porta a una minor produzione di ATP, con conseguente stress ossidativo, che conduce a degradazione mitocondriale.
La degradazione mitocondriale innesca l’apoptosi o la mitofagia, evento che si verifica quando l’ipertrofia progredisce a insufficienza cardiaca.
Il trasporto di Ca++ ai mitocondri gioca un ruolo importante nella produzione di ATP e gli agonisti Sigma-1 modulano questo trasporto nei cardiomiociti.
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La stimolazione del recettore aumenta infatti il trasporto di Ca++ dal reticolo endoplasmatico ai mitocondri, attivando così il ciclo degli acidi tricarbossilici e anche le attività degli enzimi
mitocondriali implicati in questo ciclo, come la glicerofosfato deidrogenasi, la piruvato deidrogenasi, l’isocitrato deidrogenasi e l’ossoglutarato deidrogenasi, sono regolati dalla concentrazione di Ca++ mitocondriale.
Il trattamento con cutamesina (SA4503), agonista dei recettori Sigma-1, aumenta la mobilizzazione di Ca++ all’interno dei mitocondri, ripristinando così i livelli di ATP e portando alla stabilizzazione del mitocondrio e delle membrane del reticolo sarcoplasmatico nei cardiomiociti.
Cutamesina (SA4503)
Il trasporto di Ca++ mitocondriale e la seguente produzione di ATP, seguenti al trattamento con cutamesina, sono fondamentali perciò al fine di mantenere la scorta di energia richiesta per la giusta contrazione e distensione cardiaca.
Tutto ciò permette quindi di ridurre il danno ossidativo evitando lo sviluppo di ipertrofia cardiaca. Il trattamento con cutamesina inibisce perciò l’aumento cellulare, dose dipendente, indotto dall’angiotensina II, mentre la somministrazione di NE-100, antagonista del recettore Sigma-1, annulla questo effetto.
41 NE-100
Recenti studi hanno dimostrato che proteine specifiche e chaperoni avevano la funzione di collegare i mitocondri al reticolo endoplasmatico e tra queste abbiamo la mitofusina 1 e la proteina che regola il glucosio (GRP75), che si trovano principalmente nelle membrane mitocondriali, e la mitofusina 2, che si trova sia nelle membrane del reticolo endoplasmatico che del mitocondrio [38].
Si è visto che una downregulation del recettore Sigma-1 è associata alla riduzione dei livelli delle proteine di collegamento mitofusina 2 e GRP75.
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Figura 5:Rappresentazione schematica del meccanismo cardioprotettivo mediato dai recettori Sigma-1. L’interazione di questi recettori con la fluvoxamina promuove un afflusso mitocondriale di Ca++ a cui segue poi la produzione di ATP, mantenendo così l’energia cellulare.La figura è tratta da [38].
Attraverso queste osservazioni perciò può essere studiata una nuova strategia terapeutica al fine di combattere l’ipertrofia cardiaca attraverso la stimolazione dei recettori Sigma-1.
2.13 Dolore
Un altro meccanismo in cui è coinvolto il recettore Sigma è quello del dolore e infatti si è visto che la combinazione di analgesici oppioidi con antagonisti Sigma-1, permette la riduzione della dose di oppioide, mantenendo sempre una forte efficacia analgesica ma, allo stesso tempo, riducendo gli effetti collaterali dovuti a questi farmaci [22].
L’effetto analgesico, dovuto agli oppioidi, è anche favorito dalla downregulation dei recettori Sigma-1 e si è visto che gli antagonisti Sigma-1 possono essere utili in vari tipi di dolore neurogenico.
43 Anche l’allodinia, prodotta dagli analgesici oppioidi è inibita dagli antagonisti Sigma-1.
La prova dell’effetto analgesico degli antagonisti Sigma-1 è dovuta anche al fatto che gli agonisti Sigma-1 esercitano l’effetto contrario, ossia inibiscono l’effetto analgesico.
Uno dei più studiati antagonisti Sigma-1, che esercita forte attività analgesica, è l’S1RA.
Questo composto è studiato con l’intento di potenziare perciò l’effetto analgesico e di ridurre invece gli effetti collaterali dei farmaci oppioidi.
Questa ricerca è molto importante, in quanto, negli ultimi anni, si stanno studiando composti nuovi che consentano di conservare l’effetto analgesico della morfina e degli altri composti oppiacei, ma cercando di minimizzare il più possibile gli effetti collaterali di queste sostanze, come ad esempio la dipendenza, la possibilità di overdose e la depressione respiratoria.
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3 Recettori Sigma-2
3.1 Differenze tra i recettori Sigma-1 e Sigma-2
Attraverso alcuni studi si è visto che i recettori Sigma sono suddivisi in due classi: Sigma-1 e Sigma-2 [39].
Questo è stato scoperto dopo aver visto che, confrontando due ligandi Sigma, ossia il [3H]DTG e la pentazocina, quest’ultima si legava con un’affinità 1000 volte più bassa ad alcuni tipi di recettore Sigma rispetto all’[3H]DTG nelle cellule del feocromocitoma [22].
È stata scoperta quindi una proteina di 25 kDa, che è il recettore Sigma-1, a cui si legano principalmente i benzomorfinani, e una proteina di 21.5 kDa, che è il recettore Sigma-2, a cui si legano soprattutto composti come il [3H]azido-DTG [40].
Nonostante la caratterizzazione dei recettori Sigma-2 non sia così recente, si sa ancora poco su questa tipologia di recettori.
3.2 Ruolo dei recettori Sigma-2
Alcune evidenze farmacologiche, comunque, hanno dimostrato che il recettore Sigma-2 è un biomarcatore della proliferazione cellulare in cellule tumorali e, infatti, un’alta densità di questi recettori è espressa in linee cellulari tumorali.
Nell’adenocarcinoma, la densità dei recettori Sigma-2 è dieci volte maggiore nelle cellule in attiva proliferazione rispetto alle corrispondenti cellule tumorali in stato quiescente.
Queste scoperte hanno portato allo sviluppo di ligandi Sigma-2 come potenziali agenti terapeutici per il trattamento del cancro.
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Figura 6:Ligandi Sigma-2 in via sperimentale.
Nel tumore al seno, i ligandi Sigma-2 CB-64D e CB-184 inducono l’apoptosi caspasi dipendente e, inoltre, altri agonisti Sigma-2, tra cui anche CB-64D, producono un immediato e transitorio rilascio di calcio nelle cellule del neuroblastoma SK-N-SH [41].
In un altro studio si è visto che basse concentrazioni di CM572, agonista parziale dei recettori Sigma-2, attenuano il rilascio del calcio, impedendo così la morte cellulare innescata dall’agonista CB-64D [42].
I ligandi Sigma-2 perciò possono causare citotossicità attraverso l’eccessivo rilascio di calcio e attraverso alcuni meccanismi presenti nel reticolo endoplasmatico.
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Figura 7:Strutture degli agonisti dei recettori Sigma-2.
L’agonista CB-184 porta ad un incremento di ceramidi e ad una concomitante diminuzione di sfingomielina nelle cellule tumorali del seno [43].
Le ceramidi sono sfingolipidi che funzionano da secondo messaggero e che, a seconda del tipo cellulare, possono essere coinvolte nella proliferazione cellulare o nell’apoptosi.
I recettori Sigma-2 possono perciò regolare, attraverso la via cellulare degli sfingolipidi, la crescita cellulare e l’apoptosi.
