Riassunto analitico
Alcune malattie mentali, come la depressione, sembrano legate a un'alterazione nel funzionamento dei tre sistemi: immunitario, nervoso ed endocrino. In particolare alterati livelli di alcune citochine come l'interferone alfa (IFN-a) possono determinare profondi cambiamenti di tali sistemi e determinare la comparsa di sintomatologie tipiche di patologie psichiatriche. Ciò avviene in modo particolare nei meccanismi che regolano la neuroinfiammazione, come quella che deriva da un'eccessiva esposizione a radicali liberi, che attraverso l'induzione di stress ossidativo può portare all'attivazione di apoptosi neuronale. Ad oggi i meccanismi molecolari attraverso cui le citochine regolano l'omeostasi dei tre sistemi rimangono da chiarire. Negli ultimi anni l'attenzione dei ricercatori si è rivolta alla via catabolica del triptofano. Questo amminoacido essenziale va incontro a diverse vie metaboliche che possono essere alternativamente responsabili di meccanismi trofici o tossici. In condizioni fisiologiche il metabolismo del triptofano porta alla formazione di metaboliti che contribuiscono, in modo determinante, a mantenere la corretta omeostasi. La presenza di uno stato infiammatorio o di elevati livelli di alcune citochine, come l'interferone, può provocare un cambiamento funzionale con sovrapproduzione di metaboliti tossici che possono contribuire allo sviluppo di malattie mentali. Uno di questi prodotti è la 3-idrossichinurenina (3-HK) responsabile di danni mediati da stress ossidativo, eccitotossicità e quindi apoptosi. In questo contesto, scopo della mia ricerca è stata la caratterizzazione degli effetti tossici dell’IFN-α e della 3-HK in un modello, diffuso e ben caratterizzato, in vitro di neuroni umani, le cellule SH-SY5Y. In queste cellule abbiamo dimostrato che IFN-a provoca in modo dose e tempo dipendente, dopo un'esposizione di 72 ore, un aumento della produzione di specie reattive dell'ossigeno (ROS) e dell'apoptosi. Anche la 3-HK induce tossicità dopo 72 ore di esposizione, diminuisce la densità cellulare e induce l'apoptosi. Un'analisi mediante HPLC ci ha permesso di dimostrare che il trattamento con la tossina è in grado di alterare sia i livelli dei vari metaboliti della via delle chinurenine sia i livelli di alcuni neurotrasmettitori (NT, dopamina, serotonina, acetilcolina). Infine abbiamo utilizzato gli stessi modelli sperimentali per lo screening di molecole in grado di prevenire gli effetti neurotossici. La tossicità dell’IFN-a, viene contrastata dalla N-acetil-cisteina (NAC), un precursore dell’antiossidante glutatione. La tossicità della 3-HK viene contrastata dalla co-somministrazione di ascorbato (ASC), un potente antiossidante. L'azione protettiva dei due composti è specifica per ciascun danno. Noi ipotizziamo che la prevenzione del danno dovuto all’IFN-α è dovuta alle proprietà antiossidanti della NAC che attiva la via ciclica di ossidazione-riduzione del glutatione, degrada i ROS, previene l'induzione di Bax e regola l'apoptosi; nel modello di 3-HK sono probabilmente coinvolti altri meccanismi. Infatti l’ASC, oltre all'azione antiossidante, in vivo interagisce ed è dotato di altre attività; in particolare interferisce con diversi sistemi neurotrasmettitoriali (monoaminergico e con i recettori NMDA). L'efficacia di ASC può essere dovuta alla sua azione neuromodulatoria, facilitando il rilascio di alcuni NT e/o inibendo il legame di altri ai recettori. Restano comunque da chiarire i meccanismi molecolari alla base degli effetti osservati. I nostri risultati dimostrano meccanismi diversi attraverso cui le molecole possono agire per prevenire la neurotossicità. Il nostro studio può contribuire allo sviluppo di nuove strategie farmacologiche per prevenire o ridurre l'insorgenza e la progressione dei danni associati alle malattie mentali.
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Abstract
The development of mental disorders, such as depression or schizophrenia, seems to be related to an imbalance in the communication between the three major systems: the immune, nervous and endocrine system. In particular, altered levels or changes in functionality of certain cytokines, such as interferon alpha (IFN-a), can cause profound changes of these systems and determine symptoms characteristic of psychiatric disorders. This occurs in the onset of neuroinflammation, that results from excessive exposure to free radicals, which through the induction of oxidative stress can lead to activation of apoptosis and neuronal death. Despite the great efforts of neurobiology, the molecular mechanisms by which cytokines regulate the homeostasis of the three systems remain to be clarified. Nowadays the attention of researchers turned to the catabolic pathway of tryptophan. This essential amino acid undergoes various metabolic pathways that can be responsible of trophic or toxic mechanisms. In physiological conditions, tryptophan metabolism leads to the formation of metabolites that contribute to maintain the proper homeostasis. The presence of an inflammatory state or high levels of certain cytokines, such as interferon, may cause a functional change with overproduction of toxic metabolites that may contribute to the development of mental disorders. One such product is the 3-hydroxykynurenine (3-HK) that has neurotoxic effects mediated by induction of oxidative stress, excitotoxicity and then apoptosis. In this context, our purpose was the characterization of the toxic effects of IFN-a and 3-HK in an in vitro model of human neurons, the SH-SY5Y cells, often used in studies of neurotoxicity and neuroprotection. In these cells we showed that IFN-a reduces in a dose and time dependent manner the cell number, increases the production of reactive oxygen species (ROS) and induces apoptosis after an exposure of 72 hours. Even the 3-HK induces toxicity after 72 hours of exposure, decreases the cell density and induces apoptosis. By means HPLC analyses we demonstrate that treatment with 3-HK is able to alter both the levels of various metabolites in the kynurenine pathway both the levels of certain neurotransmitters (NT; dopamine, serotonin, acetylcholine). Finally, we used the same experimental models for the screening of molecules capable of preventing the neurotoxic effects. The toxicity of IFN-a is counteracted by N-acetyl-cysteine (NAC), a precursor of the antioxidant glutathione. The toxicity of 3-HK is counteracted by the co-administration of ascorbate (ASC), a powerful antioxidant. The protective action of the two compounds is specific for each damage. We hypothesize that the prevention of IFN-a-induced damage is due to the antioxidant properties of NAC, which activates the glutathione redox-cycling pathway, degrades ROS, prevents Bax induction and regulates apoptosis; in the model of 3-HK other mechanisms are probably involved. In fact ASC, in addition to antioxidant action, in vivo interacts and has other activities, in particular interferes with different neurotransmitter systems (monoaminergic and NMDA receptors). The effectiveness of ASC may be due to its neuromodulatory action, facilitating the release of certain NTs and/or inhibiting the binding of other to receptors. Nevertheless, it is necessary to clarify the molecular mechanisms underlying the effects observed. Our results demonstrate different mechanisms through which molecules can act to prevent neurotoxicity. Our study may contribute to the development of new pharmacological strategies to prevent or reduce the onset and progression of damage associated with mental diseases.
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