Riassunto analitico
La malattia di Alzheimer (AD) è una patologia cronica caratterizzata da una progressiva neurodegenerazione associata a declino cognitivo e deficit comportamentali. La genesi dell’Alzheimer ha origine in alcune regioni cerebrali come corteccia e ippocampo, dove presenilina-1 e presenilina-2 (PS-1 e PS-2, componenti del complesso γ-secretasi), e β-secretasi processano la proteina precursore dell'amiloide (APP) generando depositi fibrillari di β-amiloide extra-cellulare (placche di Aβ) e accumuli intra-neuronali composti da proteina tau iperfosforilata. Successivamente si attiva la risposta infiammatoria ed eccitotossica neuronale, disfunzione sinaptica, neurodegenarazione e marcata perdita neuronale causata da morte apoptotica. L’ idrogeno solforato (H2S) è un gas incolore e solubile ed è il terzo gas endogeno con un probabile ruolo protettivo. Le acque delle Terme di Tabiano ne sono particolarmente ricche. L‘H2S può avere un ruolo benefico in patologie del sistema nervoso centrale e periferico. In precedenza è stato dimostrato che la sintesi cerebrale di H2S è notevolmente diminuita nei pazienti con AD, e che i suoi livelli nel plasma sono negativamente correlati con la gravità della malattia. Quindi, lo scopo del nostro lavoro è stato valutare le potenzialità di un trattamento a lungo termine con un donatore di H2S (NaHS) e con acque termali di Tabiano, nel contrastare la progressione dell’Alzheimer e valutare un possibile ruolo di neuroprotezione. Per questo studio sono stati impiegati topi transgenici 3xTg-AD (co-esprimono tre geni umani mutanti, rispettivamente APP, PS1 e proteina tau) e topi wild-type dello stesso ceppo, di 3, 6, 12 mesi di età all’inizio dello studio. In questi modelli abbiamo analizzato le capacità di apprendimento e di memoria, le alterazioni morfologiche del cervello, la cascata amiloide e della proteina tau, l’eccitotossicità nonché le risposte infiammatorie e apoptotiche. Il miglioramento delle prestazioni comportamentali indotto da H2S e dall'acqua termale di Tabiano si associa a ridotti depositi ippocampali di Aβ e livelli inferiori di PS1, fosforilazione di APP e proteina tau, riduzione dei danni morfologici e calo della morte neuronale. Lo stress ossidativo e nitrosativo indotto dall'eccitotossicità è stato neutralizzato dal trattamento con acqua termale di Tabiano, con riduzione dei livelli di MDA e di nitriti nella corteccia cerebrale. Dopo il trattamento, nell'ippocampo si è verificata anche la riduzione dell’attività delle MAPK (JNK, p38 e ERK) aventi un ruolo importante non solo nella fosforilazione della proteina tau, ma anche nell'infiammazione e nell'apoptosi. Coerentemente, l'acqua termale di Tabiano ha inoltre indotto nell’ippocampo una riduzione dei fattori proinfiammatori TNF-α e BAX e un aumento della citochina antiinfiammatoria Bcl-2; essa si è mostrata inoltre altrettanto efficace nell'inibire l'attivazione dell’enzima proapoptotico caspasi-3. Questi promettenti risultati suggeriscono che un appropriato trattamento con un donatore di H2S o acque termali ricche di H2S potrebbe rappresentare un approccio innovativo per rallentare la progressione dell’AD nell’uomo.
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Abstract
Alzheimer’s disease (AD) is a chronic disorder characterized by progressive neurodegeneration associated with cognitive decline and several behavioral deficits.
In some regions of AD brains (cortex and hippocampus) presenilin-1 (PS1) and presenilin-2 (PS2), members of the γ-secretase complex, and β-secretases process the amyloid precursor protein (APP) to generate extra-cellular β-amyloid (Aβ) fibrillar deposits (Aβ plaques); moreover, intraneuronal tau neurofibrillary tangles composed of hyperphosphorylated tau protein develop. Both these hallmark lesions trigger pathophysiological pathways that lead to synaptic dysfunction, neurodegeneration and marked neuronal loss with consequent impairment in cognitive functions. Furthermore, inflammatory, apoptotic and excitotoxic response play an important role in the above mentioned pathophysiological pathways.
Hydrogen sulfide (H2S), a water-soluble gas, is the third endogenous gas, produced also in the brain, probably with a neuromodulatory role. Tabiano’s spa-waters are particularly rich in H2S. H2S is increasingly being considered as an important signaling molecule in various body systems and accumulating evidence demonstrates that H2S donor compounds exert significant beneficial effects in several animal models of inflammation and ischemia/reperfusion injury. It has been previously reported that brain H2S synthesis is severely decreased in AD patients, and plasma H2S levels are negatively correlated with the severity of AD. Recent data showed that the H2S donor sodium hydrosulfide reduces Aβ generation in cultured cells, and Aβ-induced cognitive impairment in rats, as detected in a short-term study. The aim of my research project has been to evaluate the possible neuroprotective effects of a long-term treatment with sodium hydrosulfide -an H2S donor- and Tabiano’s spa-water, rich in H2S, to counteract the progression of AD.
An AD mouse model, harboring human transgenes APPswe, PS1M146V, tauP301L (3xTg-AD mice) at the age of 3, 6 and 12 months at the start of the study, was used. Animals were treated for 3 months with sodium hydrosulfide (NaHS) and Tabiano’s spa-water, intraperitoneally, at doses of 0.5 mg/Kg and 12 ml/Kg respectively. In this study we investigated learning and memory, amyloid/ tau cascade, excitotoxic, inflammatory and apoptotic responses. Animals were significantly protected against impairment in learning and memory by treatment with H2S and spa-water. This improvement in behavioral performance was associated with the hippocampus size of Aβ plaques and the preservation of brain morphology. Furthermore, lowered concentration/phosphorylation levels of APP, PS1, Aβ1-42 and phosphorylated tau were detected in 3xTg-AD mice treated with spa-water. These proteins are considered the central events in AD pathophysiology. Likewise, in 3xTg-AD mice at the age of 3 months at the start of the study treated with spa-water, the levels of malondialdehyde and nitrites were decreased, showing that oxidative and nitrosative stress were counteracted. In the hippocampus of all treated mice, we found a reduction of activity of c-jun N-terminal kinases, extracellular signal-regulated kinases and p38, which have an important role not only in phosphorylation of tau protein but also in inflammation and apoptosis. Consequently, levels of tumor necrosis factor-α (TNF-α) were decreased, while Bcl-2 was up-regulated and BAX and caspase-3 were down-regulated in the hippocampus of 3xTg-AD mice treated with Tabiano’s spa-water, suggesting the ability to modulate inflammation and apoptosis. These favorable results would suggest that appropriate treatments with H2S donors or spa waters rich in H2S might represent an innovative approach to slow down AD progression in humans.
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