Anche le commozioni cerebrali lievi causano disturbi gravi e duraturi nella capacità del cervello di purificarsi dalle tossine, e questo potrebbe seminare il morbo di Alzheimer, la demenza e altri problemi neurodegenerativi, rivela una nuova ricerca della University of Virginia School of Medicine.
La scoperta offre importanti spunti sulla lesione cerebrale traumatica (TBI), una condizione poco conosciuta che è diventata una delle principali preoccupazioni del pubblico, in particolare nello sport e per i militari.
I risultati aiutano a spiegare perché il trauma cranico è così dannoso e perché può avere effetti così a lungo termine. La ricerca suggerisce anche che alcuni pazienti corrono un rischio maggiore di un declino della funzione cerebrale più avanti nella vita e apre la strada a nuovi e migliori trattamenti.
“Questo fornisce alcune delle migliori prove finora che se non ti sei ripreso da una lesione cerebrale e vieni colpito di nuovo alla testa, avrai conseguenze ancora più gravi”, ha detto John Lukens, Ph.D., del Dipartimento di Neuroscienze UVA e del Center for Brain Immunology and Glia (BIG).
“Questo rafforza l’idea che devi dare alle persone l’opportunità di guarire. E se non lo fai, ti esponi a un rischio molto più elevato di conseguenze a lungo termine che potresti non vedere in un anno ma che potresti vedere in un paio di decenni “.
Nuova comprensione del trauma cranico
La ricerca di Lukens identifica una conseguenza precedentemente sconosciuta del trauma cranico che può avere effetti di lunga durata. Quando il cervello si gonfia, preme contro il cranio; intrappolati in mezzo ci sono minuscoli vasi linfatici che puliscono il cervello.
Questa pressione sui vasi, hanno scoperto i ricercatori UVA, causa una compromissione grave e duratura della capacità del cervello di liberarsi dalle tossine. Lavorando con topi da laboratorio, uno dei migliori modelli di trauma cranico disponibili, gli scienziati hanno scoperto che il danno potrebbe durare almeno due settimane – un tempo lungo per i topi – e forse molto di più.
Questi vasi linfatici sono stati identificati da Jonathan Kipnis, Ph.D., e dai suoi collaboratori presso UVA nel 2015. Fino ad allora, i libri di testo di medicina hanno insistito che i vasi non esistessero e che il cervello fosse “immunitario privilegiato”, il che significa che non interagiva con il sistema immunitario.
La scoperta di Kipnis ha cambiato tutto ciò e da allora ha stabilito che i vasi svolgono un ruolo importante sia nell’Alzheimer che nel declino cognitivo che deriva dall’età.
Ora emergono come un attore importante in TBI. “Sappiamo che le lesioni cerebrali traumatiche comportano un aumento del rischio per un sacco di problemi a lungo termine come demenza, morbo di Alzheimer e CTE [encefalopatia traumatica cronica] , e questo è stato reso pubblico extra grazie alla NFL”, ha detto il ricercatore Ashley C Bolte, un MD / Ph.D. alunno.
“Poi ci sono anche ansia, depressione, suicidio. I motivi per cui il trauma cranico si traduce in un aumento del rischio per questo non è del tutto noto e pensiamo che i nostri risultati potrebbero fornire un meccanismo sul perché “.
Le persone più a rischio
La ricerca suggerisce che le persone che hanno problemi preesistenti con il loro drenaggio cerebrale, sia da precedenti commozioni cerebrali o naturalmente, rischiano di subire conseguenze molto più gravi da trauma cranico.
Nei topi, questo ha portato a una maggiore infiammazione del cervello e risultati peggiori, inclusa la compromissione della memoria. “Se hai un nodo preesistente nei tubi e vieni colpito alla testa, allora tutto viene portato a un livello più alto: gli impatti sulla memoria, la neuroinfiammazione “, ha detto Lukens. “Ci sono molte implicazioni.”
La tecnologia di imaging emergente potrebbe alla fine consentire ai medici di identificare le persone che subiranno le maggiori conseguenze del trauma cranico.
Altre buone notizie: Lukens crede anche che un giorno i medici potrebbero essere in grado di ringiovanire i vasi linfatici danneggiati con farmaci per migliorare i risultati dei pazienti e possibilmente evitare conseguenze a lungo termine.
(Anche questo può rivelarsi utile nella battaglia contro il declino cognitivo che si verifica naturalmente con l’età.)
Inoltre, ha detto Lukens, alla fine potrebbe essere possibile per i medici valutare il drenaggio del cervello dopo un infortunio per determinare quando è più sicuro per i pazienti tornare all’azione.
“In questo momento, non sappiamo davvero cosa dire a questi ragazzi che vogliono tornare sul campo, o anche ai membri delle forze armate”, ha detto Lukens.
“Sarebbe importante avere test empirici per dire che puoi continuare o non fare mai più quelle cose.”
La lesione cerebrale traumatica (TBI) è una delle principali cause di morbilità e disabilità in tutto il mondo con un notevole carico socioeconomico.1 Circa 1,7 milioni di persone sperimentano TBI ogni anno negli Stati Uniti e fino al 75% di queste lesioni sono classificate come trauma cranico lieve (mTBI) .2 Il numero medio annuo di casi di trauma cranico in Cina è di 3-4 milioni.3 È stato stimato che il trauma cranico colpisce oltre 10 milioni di persone ogni anno portando a mortalità e ospedalizzazione in tutto il mondo.1, 4
Il trauma cranico, secondo l’Organizzazione mondiale della sanità (OMS), diventerà la principale causa di morte e disabilità entro il 2020.1 Il trauma cranico è stato associato a deficit cognitivi a lungo termine relativi alla neurodegenerazione indotta da traumi. Questi deficit a lungo termine includono memoria e attenzione compromesse, cambiamenti nella funzione esecutiva, instabilità emotiva e deficit sensomotori.5
Oltre alle condizioni di salute preesistenti (inclusi età, sesso, malattie, abuso di alcol / droghe e fattori genetici), l’eterogeneità della posizione della lesione, i meccanismi, la gravità e il politrauma contribuiscono alle differenze nel decorso e nell’esito del trauma cranico.6, 7 Il trauma cranico esacerba i disturbi preesistenti ed è un importante fattore di rischio per malattie neurologiche come il morbo di Alzheimer (AD), il morbo di Parkinson (PD), l’epilessia, l’ictus e l’encefalopatia traumatica cronica (CTE) .8, 9
CTE è una neurodegenerazione caratterizzata dall’accumulo anormale di proteina tau iperfosforilata misurata nel cervello post-mortem di giocatori di football americano, pugili professionisti e cavalieri con storie di traumi concussivi ripetitivi.10, 11, 12 Nonostante il miglioramento delle cure di supporto e riabilitative dei pazienti con trauma cranico, sfortunatamente, oltre 30 studi clinici sul trauma cranico devono ancora fornire un trattamento neuroprotettivo sicuro ed efficace.13, 14, 15, 16, 17, 18, 19
Recenti studi clinici per eritropoietina20, 21 e progesterone22, 23, 24 rientrano in questa categoria di fallimento, che è in contrasto con i solidi dati preclinici.25, 26, 27 Ulteriori studi sui processi post-traumatici cellulari e molecolari sono garantiti per un migliore comprensione della fisiopatologia del trauma cranico e per lo sviluppo di bersagli terapeutici per il trattamento del trauma cranico.
I modelli animali di trauma cranico sono essenziali per lo studio degli aspetti biomeccanici, cellulari, molecolari e comportamentali del trauma cranico umano, nonché per lo sviluppo e la caratterizzazione di nuovi interventi terapeutici che non possono essere affrontati direttamente in ambito clinico.6, 28, 29, 30 Sebbene animali più grandi con il cervello girencefalico sono più vicini per dimensioni e fisiologia agli esseri umani e sono stati sempre più utilizzati, 31, 32, 33 roditori lissencefalici sono più frequentemente utilizzati nella ricerca trauma cranico a causa del costo modesto, delle dimensioni ridotte, della facile manipolazione genetica e della disponibilità di misurazioni dei risultati funzionali standardizzati tra le altre ragioni.28
È impossibile imitare tutti gli aspetti del trauma cranico in un singolo modello animale e, pertanto, una varietà di modelli di trauma cranico è stata sviluppata in animali con varie età, tipo di lesione, livelli di gravità e comorbidità / politrauma per studiare diversi aspetti della patologia del trauma cranico osservata negli esseri umani .6, 28, 29, 34, 35
Tra questi, cinque modelli animali di trauma cranico sono ampiamente utilizzati: lesioni da percussione fluida (FPI), 36, 37 lesioni da impatto corticale (CCI), 38, 39 lesioni da caduta di peso / accelerazione dell’impatto, 40, 41 lesioni da arma da fuoco penetrante, 42, 43 e lesioni da esplosione.44,45 È probabile che gli impatti ripetuti della testa siano associati allo sviluppo dei disturbi neurodegenerativi, incluso il CTE.46
Negli ultimi decenni sono stati sviluppati numerosi modelli di roditori di mTBI ripetuto con adattamenti basati principalmente su questi modelli consolidati di trauma cranico per consentire una migliore modellazione delle forze meccaniche associate alla commozione cerebrale.47, 48, 49, 50 Sebbene modelli animali di L’mTBI utilizzando CCI e FPI nei roditori ha riprodotto con successo alcuni dei deficit cognitivi frequentemente esibiti dai pazienti con mTBI, la modellazione dei sintomi post-commozione cerebrale è impegnativa.49
L’uso recente di modelli animali di lesioni da esplosione e testa chiusa imita più da vicino l’mTBI clinico, 49, 51, 52, 53, 54 che farà avanzare la comprensione della fisiopatologia dell’mTBI e accelererà la traduzione clinica a beneficio delle persone affette da mTBI.
Nel trauma cranico, la lesione primaria si verifica al momento del trauma ed è il risultato diretto delle forze meccaniche esterne che producono la deformazione del tessuto cerebrale (contusione, danni ai vasi sanguigni e taglio assonale) e l’interruzione della normale funzione cerebrale. Il danno secondario è esteso e il danno duraturo è sostenuto da una complessa cascata di eventi tra cui danno ischemico e ipossico, edema cerebrale, aumento della pressione intracranica, idrocefalo e infezione6, 55 che sono indotti da una serie multifattoriale di eventi tra cui eccitotossicità da glutammato, perturbazione dell’omeostasi del calcio cellulare, depolarizzazione della membrana, disfunzione mitocondriale, infiammazione, aumento della generazione di radicali liberi e perossidazione lipidica, apoptosi e danno assonale diffuso.17, 56
Una volta che si verifica il trauma cranico, il danno neurologico immediato causato dalle forze traumatiche primarie potrebbe non essere curabile, mentre il danno neurologico secondario prodotto da una cascata di eventi secondari dopo che la lesione primaria si evolve da pochi minuti ad anni, e il profilo temporale esteso della lesione può fornire opportunità per interventi terapeutici.57
Neuroinfiammazione La
neuroinfiammazione in risposta al trauma cranico comporta l’attivazione della glia residente (microglia e astrociti), il rilascio di mediatori infiammatori all’interno del cervello e il reclutamento di cellule immunitarie periferiche (leucociti) .58 Il trauma cranico è una patologia multisistemica con complesse interazioni tra cervello, periferia e sistema immunitario.59
Sebbene tutti i tipi di cellule cerebrali (neuroni, astrociti, microglia, oligodendroglia e cellule endoteliali) possano produrre citochine proinfiammatorie, le microglia sono le principali cellule immunitarie residenti del cervello che si ritiene provengano da macrofagi / monociti dal midollo osseo all’inizio dell’embriogenesi. 60 I macrofagi periferici possono anche infiltrarsi nel cervello e trasformarsi in microglia in risposta al trauma cranico.61
La microglia svolge un ruolo fondamentale nella neuroinfiammazione come prima linea di difesa ogni volta che si verifica una lesione.62 La microglia nel cervello ferito produce mediatori antinfiammatori, detriti cellulari scavenger e orchestrano processi neurorestorativi per promuovere il recupero neurologico dopo TBI.62 Tuttavia, la microglia può produrre eccessivo mediatori proinfiammatori che esacerbano il danno cerebrale, ostacolano la riparazione del cervello e il recupero funzionale neurologico
Ad esempio, i livelli delle citochine proinfiammatorie interleuchina 1 beta (IL-1β), IL-6, IL-17, fattore di necrosi tumorale-α (TNF-α), interferone-γ (IFN-γ) e chemochine macrofagi chemiotattica proteina-1 (MCP-1), proteina infiammatoria dei macrofagi 2 (MIP-2), chemochina (motivo CC) ligando 5 (CCL5) sono significativamente aumentati mentre i livelli delle citochine antinfiammatorie IL-4, IL-10 , IL-13 e il fattore di crescita trasformante-β1 (TGF-β1) sono ridotti nel cervello ferito dei ratti TBI.62, 63, 64, 65, 66, 67
Le citochine antinfiammatorie hanno la capacità di contrastare e sottoregolare le reazioni infiammatorie e citotossiche.62, 64, 65, 66, 67, 68, 69 Le citochine proinfiammatorie sono prodotte principalmente dalla microglia, con alcune anche generate da astrociti, neuroni e cellule endoteliali, che a loro volta attivano le cellule gliali, inducendo ulteriore produzione di citochine e astrogliosi.68, 70 Pertanto, la neuroinfiammazione può essere dannosa e / o benefica dopo TBI.71, 72
Questi doppi ruoli della microglia possono essere spiegati dal loro stato di polarizzazione e dalle risposte funzionali dopo la lesione. Rapporti recenti suggeriscono che la microglia / i macrofagi non solo mostrano un fenotipo polarizzato M1 (uno stato pro-infiammatorio classico) o M2 (uno stato antinfiammatorio alternativo), ma anche un fenotipo misto nel tempo dopo TBI.73
In particolare, la microglia / i macrofagi esprimono marcatori fenotipici di tipo M1 e M2 nei topi subito dopo un trauma cranico moderato indotto da un impatto corticale controllato (CCI), ma che la sovraregolazione transitoria del fenotipo di tipo M2 è seguita da un tipo M1 predominante o transitorio fenotipo misto (Mtran) che esprime alti livelli di specie reattive dell’ossigeno che producono nicotinamide adenina dinucleotide fosfato ossidasi (NOX2) nella microglia reattiva nel sito della lesione, e questo è accompagnato da neurodegenerazione corticale e ippocampale in corso.74
L’inibizione dell’attività NOX2 nella microglia / macrofagi dopo TBI altera l’equilibrio di tipo M1 / M2 verso un fenotipo di tipo M2, che è associato a un ridotto danno ossidativo nei neuroni dopo la lesione.74 La risposta di M1 aumenta rapidamente nei ratti giovani dopo un CCI unilaterale, e Supera la risposta M2 iniziale.75 Un trattamento precoce in grado di modulare l’infiammazione, ridurre le cascate di lesioni secondarie e migliorare il recupero dopo il trauma cranico dovrebbe essere introdotto.
TBI compromette l’integrità della barriera emato-encefalica (BBB), una barriera fisica che separa il parenchima cerebrale dal sangue.76, 77, 78 Il danno BBB è un evento precoce che può persistere per molti mesi o anni dopo il trauma cranico negli animali79 o nell’uomo. 80 Il danno BBB indotto da lesioni consente l’infiltrazione di cellule immunitarie periferiche nel cervello per esacerbare la risposta neuroinfiammatoria.81
L’aumento della permeabilità del BBB dopo la lesione consente lo stravaso di proteine plasmatiche nel cervello.71, 82, 83 Una delle proteine plasmatiche è il fibrinogeno, una proteina di adesione plasmatica, e la sua deposizione nello spazio extravascolare induce neuroinfiammazione e formazione di cicatrici astrocitarie attivando la crescita trasformante percorso del segnale del fattore beta (TGF-β), 84, 85, 86 che fornisce la prova che la deposizione di fibrinogeno che fuoriesce nel cervello agisce attraverso TGF-β come collegamento molecolare tra la permeabilità vascolare e la formazione di cicatrici.85, 86
Sebbene la lesione primaria si verifichi in millisecondi durante il trauma cranico, uno stato di infiammazione prolungato dopo la lesione cerebrale può persistere per anni e predisporre i pazienti con trauma cranico a sviluppare altri disturbi neurologici, come AD 79, 87, 88, 89 L’attivazione microglia prolungata è fortemente associata al peggioramento patologia e risultati.87 Le alterazioni croniche nei neuroni con ridotta densità della colonna vertebrale dendritica che durano> 1 anno dopo il trauma cranico sono in parallelo con una risposta infiammatoria di lunga durata in tutto il cervello.90 La neuroinfiammazione persistente nei pazienti con trauma cranico può contribuire a disturbi progressivi e duraturi nelle loro prestazioni fisiche, cognitive, comportamentali e sociali.72, 91, 92
La lesione secondaria indotta dalla neuroinfiammazione dopo che il trauma cranico è stato collegato a malattie neurodegenerative croniche; tuttavia, gli agenti antinfiammatori non sono riusciti a migliorare gli esiti del trauma cranico negli studi clinici.65, 66, 72, 93, 94 I mediatori infiammatori non solo inducono lesioni secondarie e neurodegenerazione, ma promuovono anche la riparazione e la rigenerazione dopo il trauma cranico.
L’infiammazione precoce può preparare il terreno per una corretta rigenerazione neurale e recupero funzionale. L’inibizione di queste risposte benefiche aumenterà probabilmente il danno neurale e impedirà la risposta di riparazione al trauma cranico. Questo potrebbe spiegare perché i farmaci che attenuano il sistema immunitario (p. Es., Metilprednisolone e progesterone) non hanno ottenuto un beneficio clinico nei pazienti con trauma cranico umano quando somministrati subito dopo la lesione.95
Tuttavia, la neuroinfiammazione può diventare disadattiva nel tempo, soprattutto quando i macrofagi e la microglia rimangono in uno stato infiammatorio nel cervello per mesi o anni e acquisiscono funzioni anormali. Una manipolazione cronica della risposta infiammatoria, ma non una manipolazione acuta da sola, ha maggiori probabilità di provocare effetti terapeutici di lunga durata.
L’infiammazione cerebrale traumatica cronica manifestata da un’estesa attivazione microglia e astrogliale può essere la causa più importante di neurodegenerazione post-traumatica inclusa CTE.96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 104 La neuroinfiammazione è associata a una maggiore p-Tau patologia nella CTE.104 Il potenziale ruolo chiave dell’aumentata neuroinfiammazione nello sviluppo e nella progressione della CTE suggerisce che le molecole infiammatorie possono servire come importanti biomarcatori diagnostici o predittivi, nonché promettenti bersagli terapeutici nella CTE.104
Il cervello degli animali con mTBI ripetuto indotto da FPI laterale mostra una sostanziale perdita di neuroni e un aumento della microglia nell’ippocampo del cervello.105 Questi cambiamenti durano per diverse settimane dopo la lesione e sono associati a una diminuzione della memoria.105 Recentemente, uno studio su cadavere evidenzia la presenza di microglia attivate (cellule CD68-positive) vicino ai depositi di tau nel cervello con patologia CTE.104, 106, 107, 108
L’mTBI ripetitivo produce disturbi cognitivi e ansiogeni acuti e prolungati associati a cambiamenti infiammatori (astrocitosi e attivazione della microglia) nelle regioni cerebrali coinvolte nella memoria spaziale e nell’ansia nei topi dopo una lesione alla testa chiusa.109, 110 Acuta (iniziata 30 minuti dopo la lesione) o il trattamento ritardato (iniziato 9 mesi dopo l’infortunio) con anatabina che ha presunte azioni antinfiammatorie migliora la memoria spaziale a lungo termine e riduce le sequele patologiche a momenti tardivi nei topi dopo mTBI ripetitivo.111
Questi studi dimostrano che la neuroinfiammazione può essere un importante aspetto manipolabile del danno secondario negli animali75, 96, 97, 112 e trauma cranico umano.58, 113, 114 Tuttavia, l’uso di farmaci antinfiammatori generali non ha funzionato efficacemente per il trauma cranico.66 La chiave per lo sviluppo di futuri trattamenti antinfiammatori per il trauma cranico è ridurre al minimo gli effetti dannosi della neuroinfiammazione promuovendo al contempo i loro effetti benefici, creando così condizioni ottimali per la rigenerazione e la riparazione dopo un infortunio.66
Lo sviluppo di trattamenti efficaci di precisione è impegnativo, ma devono essere progettati in base alla gravità e al tipo di lesione cerebrale, all’età e al sesso del paziente, alle condizioni di salute e politrauma esistenti e ai profili infiammatori nel tempo a seguito di trauma cranico.
Nonostante il crescente apprezzamento del ruolo critico della neuroinfiammazione nella lesione cerebrale e nella neurodegenerazione nei roditori, si sa poco sulla reattività microglia acuta negli animali più grandi con lesione assonale diffusa. L’attivazione acuta della microglia converge sui rigonfiamenti assonali prossimali che subiscono un danno assonale diffuso nei suini a seguito di mTBI, un’interazione non precedentemente riconosciuta in letteratura.115
Utilizzando un modello suino di trauma cranico indotto dalla velocità di rotazione / accelerazione a testa chiusa che imita da vicino l’eziologia biomeccanica del trauma cranico inerziale negli esseri umani, Wofford et al. osservata una rapida reattività microglia entro 15 min di trauma cranico sia lieve che grave.116 Sorprendentemente, l’attivazione microglia era limitata alle regioni prossimali ai singoli neuroni feriti e la reattività microgliale attorno ai neuroni feriti era esacerbata a seguito di trauma cranico ripetitivo, suggerendo un’ulteriore amplificazione delle risposte neuroinfiammatorie acute.
I loro risultati suggeriscono che il trauma neuronale attiva rapidamente la microglia in modo altamente localizzato, il che può influenzare rapidamente la stabilità neuronale e / o la fisiopatologia dopo trauma cranico diffuso.116 La combinazione di trauma cranico suino e shock provoca un’attivazione immediata dei sistemi di coagulazione e complemento con conseguente endotelio spargimento, attivazione della proteina C e infiammazione. 117
Il trattamento con colloide artificiale e acido valproico, un inibitore dell’istone deacetilasi, migliora i parametri emodinamici, riduce il gonfiore e le dimensioni della lesione cerebrale e attenua la risposta infiammatoria nello shock emorragico suino combinato e nel modello TBI.118, 119, 120
Differenza di sesso nella neuroinfiammazione
TBI è una malattia eterogenea associata a diversi esiti che variano a seconda dell’individuo e del sesso.121 Sulla base dei dati demografici che il trauma cranico si verifica principalmente nei giovani maschi civili e militari.122, 123 Differenze di sesso nella mortalità e negli esiti funzionali esistono dopo TBI.124 Tuttavia, esistono controversie riguardo al ruolo del sesso nell’esito del trauma cranico e nella risposta ai trattamenti trauma cranico.125, 126, 127, 128, 129, 130, 131, 132 Il sistema nervoso maschile e femminile rispondono in modo diverso al trauma cranico e la ricerca preclinica lo riferisce differenza di neuroprotezione da ormoni sessuali femminili.133
Le microglia hanno ruoli sessualmente dimorfici nello sviluppo e nel mantenimento del cervello normale, 134 e hanno risposte e ruoli diversi nel trauma cranico tra maschi e femmine.124 Le microglia di topi femmine hanno uno stato infiammatorio inferiore rispetto ai topi maschi dopo l’occlusione dell’arteria cerebrale media.135 Microglia giocano un ruolo centrale nelle risposte proinfiammatorie e patologiche secondarie dopo trauma cranico, che porta alla rottura del BBB e all’aumento dell’edema cerebrale.124
Tuttavia, la stragrande maggioranza degli studi preclinici sul trauma cranico sulla risposta infiammatoria al trauma cranico è stata condotta in animali maschi. Le femmine rispondono in modo diverso al danno cerebrale a causa dei cambiamenti ormonali.125, 133 I meccanismi specifici alla base di queste differenze di sesso rimangono sfuggenti.
Le differenze temporali e spaziali nella microglia maschile / femminile e nella risposta dei macrofagi mostrano una divergenza completa nella fase subacuta post trauma con topi maschi che mostrano un’attivazione di microglia / macrofagi più rapida e più pronunciata e astrogliosi dopo trauma cranico da moderato a grave rispetto alle femmine.121 A Il profilo divergente dell’mRNA delle citochine in queste cellule dopo la lesione è associato alla morte precoce delle cellule neuronali e ad un volume di lesione maggiore nei primi giorni dopo la lesione nei topi maschi rispetto alle femmine.121
La delezione di un allele della chemochina fractalkine (CX3CL1) media le interazioni neurali / microgliali attraverso il suo unico recettore CX3CR1, limita l’infiltrazione delle cellule immunitarie periferiche e previene in gran parte la degenerazione cronica del cervello danneggiato e fornisce un migliore recupero funzionale nelle donne, ma non negli uomini , topi 90, 136
Uno studio recente suggerisce che la comorbilità del trauma cranico e il disturbo post-traumatico da stress (PTSD) in un campione di popolazione militare sono associati all’infiammazione, sottolineando la necessità di un intervento al fine di mitigare i rischi associati all’infiammazione.137 Le donne mostrano una maggiore incidenza di disturbi mentali correlati al trauma. disturbi della salute, incluso il disturbo da stress post-traumatico, rispetto ai loro omologhi maschi.138 Tuttavia, i dati in letteratura dimostrano che gli animali maschi sono significativamente più vulnerabili allo stress acuto e cronico, mentre le femmine sono molto più resistenti.139
Ciò è in netta contraddizione con i dati epidemiologici riguardanti la prevalenza di PTSD negli esseri umani.138 TBI porta a un profilo neuroinfiammatorio più aggressivo nei topi maschi rispetto alle femmine durante le fasi acute e subacute post-trauma.121 La caratteristica specifica del sesso della risposta infiammatoria secondaria può essere collegato a una diversa regolazione delle prostaglandine con un livello più alto nei maschi dopo TBI.140
È evidente che probabilmente esistono differenze di sesso, ma la natura e l’entità contrarie di tali differenze esistenti in letteratura non consentono di trarre conclusioni definitive.124 Al fine di sviluppare trattamenti personalizzati ed efficaci per il trauma cranico, è importante capire come il sesso influisce il decorso della neuroinfiammazione a seguito di lesione cerebrale. Gli interventi farmacologici che prendono di mira la cascata infiammatoria dovrebbero considerare le differenze di sesso come un fattore variabile significativo dopo il trauma cranico.
Ruolo dell’età nella neuroinfiammazione L’
incidenza di TBI raggiunge i picchi tra i 15 ei 24 anni e dopo i 75 anni di età.141 L’età alla lesione è un fattore chiave per il recupero funzionale acuto ea lungo termine e l’età avanzata è associata a un esito negativo dopo TBI, e l’età ha dimostrato di essere un determinante primario della sopravvivenza dopo TBI.141 isolato
I meccanismi alla base dello scarso esito degli individui anziani rispetto a quelli giovani possono essere il risultato di un danno cerebrale secondario più grave, di un aumento della neuroinfiammazione o di una ridotta plasticità di individui anziani per compensare i deficit neurologici.141, 142, 143 Uno studio recente indica che gli animali vecchi sono incline ad un aumento dei deficit funzionali e ad una forte infiammazione cerebrale omolaterale senza grandi differenze nel danno morfologico del cervello rispetto agli animali giovani.141
L’infiltrazione dei monociti periferici contribuisce in modo significativo all’eziologia delle sequele infiammatorie indotte da traumi nel cervello anziano.142 Un recente studio sul cervello anziano dimostra che vi è un aumento dell’accumulo di macrofagi del recettore 2 delle chemochine di derivazione periferica (CCR2 +) dopo TBI rispetto ai giovani animali, e il reclutamento eccessivo di questa popolazione di cellule è associato a una risposta infiammatoria aumentata negli animali TBI anziani.142 L’invecchiamento e le lesioni sono eventi di innesco infiammatorio, e uno può esacerbare l’altro.144
La delezione genetica di CCR2 riduce il numero di macrofagi dell’80% subito dopo il trauma cranico e migliora il recupero funzionale e la sopravvivenza neuronale nei topi giovani.145 L’antagonismo del CCR2 riduce significativamente l’accumulo di macrofagi e la disfunzione cognitiva 1 mese nei topi giovani dopo il trauma cranico.146 Trattamenti terapeutici per mirare al CCR2 (+) un sottoinsieme di monociti / macrofagi può fornire una nuova via di intervento clinico dopo TBI.
La produzione di citochine e chemochine indotta dal danno cerebrale è dipendente dall’età e regolata in modo differenziale dai canali Kv1.3 della microglia e dai recettori P2Y12.147 TBI causa lesioni più grandi associate a uno spostamento dell’equilibrio M1 / M2 con conseguente profilo pro-infiammatorio nell’ippocampo microglia di topi anziani rispetto a topi giovani adulti.148 Mentre la terapia cellulare sembra efficace per il trauma cranico, si osserva un’efficacia ridotta nei ratti anziani.149 Pertanto, ulteriori indagini sugli effetti dell’età al trauma e del post-trauma sulla neuroinfiammazione dopo trauma cranico e la terapia immunomodulante per il trauma cranico è garantita.
Ruolo delle vescicole extracellulari (EV) nella neuroinfiammazione
Le risposte infiammatorie locali (cerebrali) e sistemiche (periferiche) iniziate subito dopo il trauma cranico svolgono un ruolo chiave nei processi di lesione secondaria che portano alla morte neuronale e alla disfunzione neurologica a lungo termine.71, 82, 150 Tuttavia, i meccanismi responsabili della rapida espansione della neuroinfiammazione e della sua progressione a lungo termine devono ancora essere chiariti.
Il campo emergente dei veicoli elettrici fornisce un veicolo potenzialmente promettente per la comunicazione intercellulare.151 I veicoli elettrici sono suddivisi in tre categorie principali a seconda dei loro meccanismi di biogenesi o rilascio152, 153, 154, 155:
1) esosomi (30-150 nm di diametro) piccoli EV rilasciati dagli endosomi;
2) microvescicole / microparticelle (MPs) (100–1000 nm) germogliate direttamente dalla membrana plasmatica; e
3) corpi apoptotici (1000–5000 nm) si sono gonfiati dalle cellule durante la fase di esecuzione del processo apoptotico. Gli esosomi e gli MP sono secreti da quasi tutti i tipi di cellule inclusi neuroni, microglia, astrociti, cellule endoteliali e oligodendrociti nel sistema nervoso centrale (SNC) .156, 157
Gli esosomi e gli MP trasportano un carico di proteine, lipidi, metaboliti e acido nucleico dalle cellule donatrici e il rilascio di EV può facilitare la comunicazione intercellulare per contatto o per internalizzazione dei contenuti, sia per fusione con la membrana plasmatica che per endocitosi in cellule riceventi.158 EVs presentano una nuova forma di comunicazione intercellulare mediante azioni autocrine e paracrine, controllando più processi cellulari in sviluppo, proliferazione, migrazione e patologia.158
I veicoli elettrici possono indurre una neuroinfiammazione estesa e risposte immunitarie periferiche responsabili del danno secondario post trauma cranico.151, 153, 159, 160 Ad esempio, i parlamentari mediano la comunicazione intercellulare, con conseguenti lesioni secondarie come la coagulopatia sistemica e l’infiammazione dopo trauma cranico.161, 162 A questo proposito , I parlamentari fungono da mediatori funzionali per le lesioni indotte da trauma cranico e la loro progressione.
I parlamentari caricati con molecole pro-infiammatorie inizialmente rilasciate dalla microglia a seguito di un trauma possono attivare ulteriori microglia che possono contribuire alla progressiva risposta neuroinfiammatoria nel cervello danneggiato, nonché stimolare le risposte immunitarie sistemiche.163 Iniezione di MP isolati dalla microglia stimolata dai lipopolisaccaridi nel cervello di gli animali non feriti creano un’infiammazione progressiva sia nel sito di iniezione che eventualmente in siti più distanti.163
A causa della loro capacità di avviare in modo indipendente risposte infiammatorie, i MP derivati dalla microglia attivata possono fornire un potenziale bersaglio terapeutico per altri disturbi neurologici in cui la neuroinfiammazione può essere un fattore che contribuisce. È probabile che il targeting selettivo di veicoli elettrici da popolazioni di macrofagi / monociti sia utile nel ridurre l’impatto della risposta infiammatoria sistemica sull’esito del trauma cranico.151
Questo studio evidenzia la necessità di ulteriori lavori per chiarire sia le differenze nel profilo molecolare dei veicoli elettrici prodotti in risposta a lesioni, sia per determinare le vie esatte della loro comunicazione, dalla biogenesi all’assorbimento. Gli esosomi circolanti non solo rappresentano un mediatore centrale del microambiente pro-infiammatorio legato alla lesione cerebrale secondaria, ma la loro presenza nella circolazione periferica può servire da surrogato per le biopsie, consentendo la diagnosi e il monitoraggio in tempo reale della progressione neurodegenerativa.153
Gli esosomi circolanti sono una nuova piattaforma per la diagnosi e il monitoraggio del trauma cranico.153 La somministrazione di siRNA mediata da esosomi è anche un forte candidato per bloccare l’attivazione dell’inflammasoma a seguito di lesioni del SNC.164
Infiammazione classica e neurogena L’infiammazione
classica è una risposta secondaria ben caratterizzata a molti disturbi acuti del SNC.165 Una robusta risposta infiammatoria classica si sviluppa in modo acuto dopo il trauma cranico ed è caratterizzata dall’attivazione delle cellule residenti (microglia e macrofagi), dalla migrazione e dal reclutamento di leucociti periferici e rilascio di mediatori infiammatori.165
Agenti con proprietà antinfiammatorie note come il corticosterone metilprednisolone nello studio CRASH (randomizzazione dei corticosteroidi dopo un trauma cranico significativo), 166 progesterone nello studio SyNAPSE (Efficacy and Safety Study of Intravenous Progesterone in Patients With Severe Traumatic Brain Injury) e ProTECT III (The Progesterone for Traumatic Brain Injury, Experimental Clinical Treatment), 22, 167 e l’eritropoietina nello studio EPO-TBI (Erythropoietin in Traumatic Brain Injury) 20 non hanno mostrato alcun beneficio fino ad oggi. Tuttavia, le recenti analisi post-hoc indicano che il trattamento con eritropoietina può ridurre la mortalità a 6 mesi dopo TBI.168, 169
Inoltre, gli agenti antinfiammatori hanno spesso finestre terapeutiche ristrette identificate negli studi pre-clinici. Ad esempio, la minociclina appare più efficace quando viene somministrata entro la prima ora dopo l’infortunio, 170 con gli antagonisti dell’interleuchina-1 somministrati entro le ore dopo l’infortunio.171 Ciò può essere dovuto ai doppi effetti della risposta immunitaria dopo trauma cranico, con alcuni aspetti dell’infiammazione. risposta necessaria per promuovere la riparazione.172 Inoltre, questo può riflettere che l’infiammazione classica può essere parzialmente responsabile della fisiopatologia del trauma cranico.
Il ruolo dell’infiammazione neurogena nella fisiopatologia delle malattie neurologiche ha guadagnato una crescente attenzione, con una particolare attenzione ai suoi effetti sulla modulazione del BBB.165 L’infiammazione neurogena è l’infiammazione derivante dal rilascio locale da parte di neuroni afferenti di mediatori infiammatori come la sostanza P, neurochinina A (NKA), peptide correlato al gene della calcitonina (CGRP) ed endotelina-3 (ET-3) .165
Una volta rilasciati, questi neuropeptidi inducono il rilascio di istamina dai mastociti adiacenti.173 A sua volta, l’istamina evoca il rilascio maggiore di sostanza P e CGRP. È stato dimostrato che la sostanza neuropeptidica P aumenta la permeabilità al BBB a seguito di lesioni acute al cervello ed è associata a un marcato edema cerebrale.174, 175
È stato anche dimostrato che il rilascio della sostanza P modula l’infiammazione classica.165 Il blocco della via neurogena dell’infiammazione può fornire un nuovo trattamento alternativo per la lesione del SNC.174 Dopo il trauma cranico, l’attivazione di una risposta infiammatoria classica rappresenta solo una parte della risposta neuroinfiammatoria. Pertanto, la modulazione della neuroinfiammazione a seguito di trauma cranico può richiedere di affrontare sia l’infiammazione classica che quella neurogena prevenendo i loro effetti deleteri della risposta e facilitando la loro promozione della riparazione cerebrale.
Ruolo del sistema linfatico cerebrale nella neuroinfiammazione
Negli organi periferici, il drenaggio linfatico contribuisce sostanzialmente all’omeostasi del fluido tissutale e alla sorveglianza immunitaria mediante l’eliminazione dell’eccessivo liquido interstiziale (ISF), delle macromolecole e delle cellule immunitarie dall’interstizio nella circolazione sanguigna.176
Si pensava da tempo che il cervello mancasse di un sistema di drenaggio linfatico classico fino al 2015, quando due studi sui topi hanno fornito prove che il cervello ha il proprio sistema linfatico nella dura.177, 178
Una rete di veri vasi linfatici è presente all’interno della dura madre del topo e corre lungo i vasi sanguigni, in particolare i seni sagittali e trasversali superiori.177,178 Nel 2017 Absinta et al. ha riscontrato l’esistenza di vasi linfatici meningei in primati umani e non umani (scimmie uistitì comuni) che possono essere visualizzati utilizzando la risonanza magnetica clinica (MRI) ad alta risoluzione non invasiva con iniezione del colorante gadobutrolo a base di gadolinio.179
Questi risultati suggeriscono che il sistema linfatico è una caratteristica comune del cervello dei mammiferi e che il sistema immunitario periferico può interagire direttamente con il cervello.
La scoperta del sistema linfatico del SNC getta nuova luce sull’eziologia delle malattie neuroinfiammatorie e neurodegenerative associate alla disfunzione del sistema immunitario, 178 che possono essere coinvolte nella causa di malattie neurologiche compreso l’AD.180
È imperativo indagare se il trauma cranico altera il sistema linfatico cerebrale e in che modo l’aumento dei prodotti di scarto accumulati nel cervello ferito porta a neuroinfiammazione, danni cerebrali e deficit funzionali o causa un aumento del rischio di sviluppare malattie neurodegenerative, che apriranno la strada allo sviluppo di nuovi trattamenti per TBI.
Ruolo del sistema glicinfatico nella neuroinfiammazione
Lavori recenti hanno portato alla scoperta del sistema glicinfatico (la “g” aggiunta che si riferisce alle cellule gliali) nel cervello.181, 182, 183, 184, 185 All’interno del sistema glinfatico, il liquido cerebrospinale ( CSF) entra nel cervello attraverso gli spazi periarteriosi, passa nell’interstizio attraverso l’acquaporina astrocitica perivascolare4 (AQP4), e quindi guida il drenaggio ISF perivenoso ISF e i suoi soluti.181 Oltre all’eliminazione dei rifiuti, il sistema glicinfatico facilita anche la distribuzione a livello cerebrale di glucosio, lipidi, amminoacidi, fattori di crescita e neuromodulatori.181
L’interruzione del sistema glicinfatico funge da mediatore del trauma cerebrale e della CTE.186 La valutazione della funzione glicinfatica utilizzando la risonanza magnetica con mezzo di contrasto intratecale come tracciante del liquido cerebrospinale è stata applicata a roditori, 183, 184, 187, 188, 189 e pazienti con idrocefalo.190 Questo sistema è compromessa nella fase acuta successiva a mTBI, in parte a causa della rilocalizzazione dei canali APQ4 lontano dalle estremità dei piedi astrocitari, con conseguente riduzione del potenziale di rimozione dei rifiuti.186
Le conseguenze a lungo termine della disfunzione cronica all’interno di questo sistema nel contesto di mTBI ripetitivo e insonnia non sono state stabilite, ma potenzialmente forniscono un collegamento che collega mTBI ripetitivo con la successiva neurodegenerazione. Ad esempio, la tau extracellulare può essere eliminata in modo efficiente nei topi normali dal cervello lungo il sistema glicinfatico.191
Dopo il trauma cranico, la funzione della via glicinfatica è ridotta di circa il 60% e questa compromissione persiste per almeno 1 mese dopo l’infortunio.191 knock-out genetico del gene che codifica per il canale dell’acqua astrogliale AQP4, che è importantemente coinvolto nella clearance del soluto interstiziale paravascolare, esacerba la disfunzione della via glicinfatica dopo trauma cranico e promuove lo sviluppo di patologie neurofibrillari e neurodegenerazioni nel cervello post-traumatico.191
Il sistema glicinfatico lavora per rimuovere le tossine e i prodotti di scarto dal cervello mentre distribuisce il glucosio, i lipidi e gli amminoacidi di cui il cervello ha bisogno per funzionare correttamente.181 Questi risultati suggeriscono che la compromissione cronica della funzione della via glicinfatica dopo TBI può essere un fattore chiave che rende il cervello post-traumatico vulnerabile all’aggregazione tau e all’insorgenza della neurodegenerazione.
La compromissione funzionale del sistema glicinfatico è stata confermata in altre malattie neurologiche inclusi modelli animali di diabete, 187 demenza vascolare, 192, 193 emorragia subaracnoidea, 194 veglia prolungata, 195, 196 invecchiamento, 197 d.C., 198 e depressione corticale a diffusione il correlato neurale di aura emicranica.199 La disfunzione di questo sistema porta all’accumulo di prodotti di scarto, neuroinfiammazione e problemi cognitivi.200, 201 L’interruzione del sonno, che include una perdita di sonno e un sonno frammentato di scarsa qualità, segue spesso TBI.202, 203
Il sonno favorisce l’eliminazione dei prodotti di scarto neurotossici che si accumulano nel cervello sveglio.195, 204 L’interruzione del sonno indotta da trauma cranico può compromettere il funzionamento glicinfatico e aumentare il rischio di sviluppare patologie correlate alla CTE e conseguenti sintomi clinici a seguito di traumi cerebrali ripetitivi.186
La disfunzione all’interno di questa rete vascolare gliale, che è una caratteristica dell’invecchiamento e del cervello danneggiato, è un collegamento potenzialmente critico tra lesione cerebrale, neuroinfiammazione e sviluppo della neurodegenerazione cronica.201
Uno studio recente indica che il funzionamento volontario della ruota nei topi anziani aumenta l’efficienza della clearance glicinfatica, migliora l’espressione e la polarizzazione dell’AQP4 astrocitica, attenua l’accumulo di placche amiloidi e neuroinfiammazione e, infine, protegge i topi dalla disfunzione sinaptica e dal declino della cognizione spaziale.205
Il nostro lavoro mostra che la diminuzione dell’AQP4 e la disfunzione glicinfatica possono svolgere un ruolo importante nel danno assonale / della materia bianca e nei deficit cognitivi in un modello di microinfarto multiplo (MM) in ratti allevatori in pensione.192 Gliosi reattiva diffusa, inclusa la dislocalizzazione del canale dell’acqua astrocitico AQP4 persistono a lungo dopo la lesione in questo modello MM.206 La soppressione della clearance dell’ISF nell’ippocampo e nell’ipotalamo contribuisce ai deficit cognitivi nei ratti con diabete mellito di tipo 2.187
La risonanza magnetica dell’intero cervello fornisce uno strumento sensibile e non invasivo per valutare quantitativamente lo scambio di CSF e ISF nel diabete mellito di tipo 2 e possibilmente in altri disturbi neurologici, con potenziale applicazione clinica.187, 192 Gli anestetici sembrano attivare la microglia e aumentare l’assorbimento del farmaco -nanoparticelle caricate direttamente nella microglia dopo TBI.207 Farmaci che potrebbero ripristinare la funzione gliale e glicinfatica, consentire un efficiente drenaggio di rifiuti e liquidi dal cervello, possono ridurre efficacemente la neuroinfiammazione e migliorare il recupero dopo TBI.
Monitoraggio mediante imaging della neuroinfiammazione dopo trauma cranico La
risonanza magnetica può monitorare in modo non invasivo la risposta infiammatoria dopo trauma cranico.208, 209 La tomografia a emissione di positroni (PET) può rilevare la proteina del traslocatore del marker di infiammazione (TSPO) nei pazienti con trauma cranico in aree cerebrali senza cambiamenti MRI rilevabili visivamente.108, 209, 210 Inoltre, l’entità dell’aumento è significativamente diversa tra i pazienti con emorragia extra-assiale predominante, microemorragia o contusione.
Una limitazione del TSPO come biomarcatore è che è espresso sia nella microglia attivata che negli astrociti.108, 209, 210 L’espressione di TSPO astrocitica può riflettere un’infiammazione cronica piuttosto che acuta. Studi post-mortem riportano la presenza di microglia attivata che persistono anni dopo la lesione, 211 indicando l’utilità dell’imaging TSPO PET nella cura clinica dei soggetti con trauma cranico.
L’imaging PET può identificare i pazienti in cui la neuroinfiammazione post-traumatica è una componente significativa della risposta dei tessuti a una lesione che non può essere identificata dalla sola risonanza magnetica.212 Negli studi clinici sull’uomo, la risonanza magnetica non è stata impiegata per valutare direttamente la neuroinfiammazione, ma piuttosto per fornire indirettamente una misura della disfunzione BBB e dell’attivazione delle cellule endoteliali.94, 106
Segnali di risonanza magnetica multipla, flusso sanguigno cerebrale (CBF) e risonanza magnetica con trasferimento di protoni ammide (APTw) in particolare, sono biomarcatori sensibili per l’identificazione e la valutazione della neuroinfiammazione e dell’efficacia dei farmaci nel modello TBI.208, 213 L’uso di APTw MRI ha il potenziale per introdurre un nuovo approccio di neuroimaging molecolare per la rilevazione simultanea di ischemia, emorragia e neuroinfiammazione in TBI.213
Recentemente, l’imaging dell’espressione della molecola di adesione delle cellule vascolari-1 (VCAM-1) utilizzando particelle di ossido di ferro (MPIO) di dimensioni micron accoppiate con la risonanza magnetica ha dimostrato di essere un metodo altamente sensibile e specifico per rilevare e localizzare l’infiammazione in un modello di neuroinfiammazione di ratto .214 La popolazione di macrofagi localizzati può essere monitorata utilizzando nanoparticelle ultracompatte di ossido di ferro superparamagnetico (USPIO) potenziate in vivo MRI seriale in topi TBI.215
Comunemente, la spettroscopia di risonanza magnetica (MRS) viene utilizzata per misurare l’attività metabolica nel trauma cranico, ma è stata anche utilizzata per rilevare la neuroinfiammazione.106 Un recente articolo di revisione fornisce una panoramica delle tecniche all’avanguardia per l’imaging della neuroinfiammazione umana che hanno potenziale di impatto sulla cura del paziente nel prossimo futuro
Tecniche come l’imaging TSPO PET per l’attivazione della microglia / infiltrazione di monociti, la risonanza magnetica con particelle di ossido di ferro per l’etichettatura dei fagociti, i linfociti T geneticamente modificati per la PET, così come la mielina e la morte neuronale sono state tradotte e testate sugli esseri umani.106, 217 In Inoltre, metodi preclinici come la mieloperossidasi (MPO), le metalloproteinasi della matrice (MMP) e l’imaging delle molecole di adesione hanno migliorato la nostra comprensione della fisiopatologia di molte malattie neuroinfiammatorie.217
Biomarcatori della neuroinfiammazione
Varie molecole antinfiammatorie e pro-infiammatorie, come TNF-α, IL-1β, IL-6, IL-8 e IL-10, sono state considerate biomarcatori per la diagnosi e la prognosi del trauma cranico.218 Ci sono alcune limitazioni all’uso di citochine infiammatorie come biomarcatori per trauma cranico acuto e cronico.
Sebbene molti biomarcatori siano sensibili al trauma cranico da moderato a grave di fase acuta e cronica, la maggior parte di essi manca di specificità perché le citochine infiammatorie misurate nel sangue non sono specifiche per l’infiammazione centrale (anche le lesioni periferiche possono alterare questi marcatori) .218 Livelli di CSF di questi marcatori possono rivelare un’infiammazione centrale, ma la disfunzione BBB è un confondente per misurare con precisione la concentrazione CSF delle proteine infiammatorie.
Un quoziente del liquido cerebrospinale all’albumina plasmatica può essere utilizzato per quantificare meglio l’incidenza della disfunzione BBB.219 Inoltre, la disfunzione del sistema linfatico e del sistema glicinfatico può essere un importante fattore di confondimento per bassi livelli di biomarcatori ematici a causa della loro ridotta efficienza di eliminazione dopo trauma cranico, durante il trattamento la varianza indotta nella clearance linfatica e glicinfatica del cervello può essere responsabile del divario tra la scoperta del biomarcatore e la traduzione clinica.220, 221
La manipolazione clinicamente rilevante dell’attività glinfatica, inclusa la privazione del sonno e la cisternotomia, sopprime o elimina gli aumenti indotti da TBI della S100beta sierica, della proteina acida fibrillare gliale (GFAP) e dell’enolasi neurone specifica.221 La gestione di routine dei pazienti con trauma cranico può limitare l’utilità clinica del sangue a base di biomarcatori perché la gestione può alterare l’attività glicinfatica
I livelli ematici dei biomarcatori molecolari di TBI potrebbero non rappresentare veramente i loro livelli di CSF a causa della disfunzione della via glicinfatica che riduce i biomarcatori di trasporto TBI dal CSF al sangue. Al fine di fornire un indice di normalizzazione per i livelli dei biomarcatori del sangue e quindi migliorare le informazioni diagnostiche, prognostiche e terapeutiche fornite dalla misurazione dei biomarcatori del sangue, sarebbe necessario rilevare sia i biomarcatori del sangue che quelli del liquido cerebrospinale in combinazione con il monitoraggio MRI della funzione del sistema glicinfatico dopo TBI .
Lo stato funzionale del sistema glinfatico può essere misurato in modo non invasivo mediante risonanza magnetica e spettroscopia nel vicino infrarosso.184,188,190,222, 223, 224 Inoltre, il sistema glicinfatico è sorprendentemente delicato e può essere facilmente interrotto da lesioni cerebrali e influenzato da disturbi del sonno, invecchiamento e persino diverse posizioni del corpo.189 Di conseguenza, il livello di danno al sistema glicinfatico dovrebbe essere preso in considerazione quando si misurano i biomarcatori dopo TBI e con il trattamento.
Gli approcci neurorestorativi emergono come potenziale trattamento per il trauma cranico
Attualmente, la maggior parte della neuroprotezione è neurocentrica.17, 225 Le terapie neuroprotettive acute tentano di bloccare la cascata molecolare della lesione a seguito di trauma cranico. Sebbene la neuroprotezione sia una strategia importante per il trattamento del trauma cranico, ad oggi, non sono stati identificati agenti neuroprotettivi efficaci dagli studi clinici sul trauma cranico.
Studi preclinici da noi e da altri hanno rivelato che TBI non solo induce neuroinfiammazione, ma promuove anche molti processi neurorestorativi tra cui neurogenesi (generazione di nuovi neuroni), rimodellamento assonale (germinazione e potatura assonale), sinaptogenesi (formazione di nuove sinapsi), oligodendrogenesi (generazione di oligodendrociti maturi che generano la mielina) e angiogenesi (formazione di nuovi vasi sanguigni da cellule endoteliali preesistenti), che insieme possono contribuire al recupero funzionale spontaneo.226, 227, 228, 229, 230, 231, 232, 233, 234 , 235, 236, 237 Inoltre, è stato dimostrato che i trattamenti terapeutici che riducono la neuroinfiammazione e promuovono questi processi neurorestorativi migliorano il recupero funzionale negli animali dopo una lesione cerebrale.238
Terapia cellulare per TBI
Sebbene le cellule staminali embrionali umane (hESC) oi tessuti fetali siano fonti adatte per terapie cellulari, la loro applicazione clinica è limitata sia da considerazioni etiche che da altre sfide pratiche, tra cui vitalità cellulare, compatibilità antigenica e tumorigenicità.239 Pluripotente indotto le cellule staminali (iPSC) generate dalla riprogrammazione di cellule differenziate assomigliano a cellule staminali embrionali e possono essere potenzialmente applicate alla terapia cellulare per malattie umane.240
Questi iPSC evitano i problemi etici e rimuovono il principale ostacolo al rigetto immunitario associato all’uso clinico delle hESC, oltre a generare potenzialmente cellule specifiche del paziente per la terapia di sostituzione cellulare. Tuttavia, anche con i miglioramenti nelle tecnologie di riprogrammazione priva di virus e transgene, la sicurezza (principalmente la potenziale cancerogenicità) e le applicazioni terapeutiche delle iPSC e delle cellule derivate da iPSC devono essere rigorosamente testate in modelli animali appropriati prima di passare a qualsiasi sperimentazione clinica. 241
È stato dimostrato che la terapia cellulare riduce la neuroinfiammazione e migliora il recupero funzionale dopo TBI.63, 242 Tra le cellule impiegate terapeuticamente, le cellule staminali mesenchimali multipotenti (MSC), una popolazione cellulare mista che include cellule staminali e progenitrici, sono una fonte promettente di terapia basata su TBI perché possono essere facilmente isolati da molti tessuti ed espansi in coltura da pazienti senza problemi di rigetto etico e immunitario.243, 244 Il trattamento con MSC si mostra promettente per il trattamento di varie malattie comprese le lesioni neurali.243, 245, 246, 247 , 248, 249, 250, 251, 252, 253, 254 Le MSC hanno la capacità di modulare le cellule immunitarie associate all’infiammazione e le citochine nelle risposte infiammatorie cerebrali indotte da TBI.255
Il trapianto endovenoso di MSC dopo trauma cranico è associato a una ridotta densità di microglia / macrofagi e leucociti periferici infiltranti nel sito della lesione, livelli ridotti di citochine proinfiammatorie e aumento delle citochine antinfiammatorie; con la cascata antinfiammatoria possibilmente mediata da una maggiore espressione dei fattori correlati all’immunosoppressione del gene / proteina 6 stimolati dal TNF-α (TSG-6), che possono sopprimere l’attivazione della via di segnalazione del fattore nucleare-kappaB.63 MSC di ratto infuse sistematicamente migrano nel cervello di ratto ferito e sopravvivere dopo il trauma cranico.256
Alcune delle MSC impiantate esprimono marcatori cellulari per neuroni e astrociti.247 Il recettore del fattore 1 derivato dalle cellule stromali, il recettore 4 delle chemochine CXC, è espresso nelle MSC sia in vitro che in vivo.257 Espressione della chemochina stromale- il fattore 1 derivato dalle cellule è significativamente aumentato nella zona di confine della lesione dopo una lesione cerebrale.257 L’interazione del fattore 1 derivato dalle cellule stromali con il recettore 4 delle chemochine CXC può contribuire al traffico di MSC trapiantate nel cervello danneggiato. 257, 258 L’impianto diretto (6 ore dopo l’infortunio) di MSC migliora la neuroprotezione tramite l’attivazione dell’attività del fattore nucleare κB delle cellule staminali neurali residenti (NSC) che porta ad un aumento della produzione di interleuchina-6 e diminuzione dell’apoptosi.259
La somministrazione ritardata (24 ore o 1 settimana dopo la lesione) di MSC migliora anche significativamente l’esito funzionale nei roditori dopo TBI.243, 247, 256, 260, 261, 262 fattori secreti da MSC possono modulare l’infiammazione nel sito della lesione e attivare endogeni risposte riparatrici nel cervello ferito.63, 243, 263, 264
I significativi benefici terapeutici delle MSC non sono attribuiti alle poche MSC che si differenziano in cellule neurali.256 Le MSC migliorano il recupero mediante effetti paracrini, inclusa la secrezione di vari fattori di crescita, come il fattore neurotrofico derivato dal cervello (BDNF), il fattore di crescita endoteliale vascolare (VEGF ) e bFGF (fattore di crescita dei fibroblasti di base) e aumentare i livelli di questi fattori nel cervello.243, 248
Le MSC inducono anche le cellule parenchimali intrinseche a produrre questi fattori di crescita.248 Le MSC sembrano agire come generatori di fattori neurotrofici / di crescita e induttori per promuovere il recupero funzionale del cervello tramite angiogenesi, neurogenesi, sinaptogenesi e rimodellamento assonale.243, 265
Gli esosomi come mediatori della terapia cellulare del trauma cranico
Studi recenti indicano che un nuovo trattamento neurorestitativo con esosomi derivati da MSC migliora il recupero funzionale inducendo neuroplasticità e riducendo la neuroinfiammazione a lungo termine nei ratti TBI.266, 267, 268
Abbiamo dimostrato che gli effetti terapeutici delle MSC possono essere attribuiti alla loro robusta generazione di esosomi che alterano le cellule parenchimali, piuttosto che a un effetto di sostituzione cellulare.266, 267, 269, 270, 271, 272, 273, 274, 275, 276
Le MSC rilasciano in modo robusto esosomi, che contengono una pletora di costituenti molecolari tra cui proteine, lipidi e RNA dalle cellule parentali.275, 277, 278, 279, 280 Contenuti tra questi costituenti, sono piccole molecole di RNA non codificanti, microRNA (miRNA), che svolgono un ruolo chiave nella mediazione della funzione biologica a causa del loro ruolo preminente nella regolazione genica.269, 273, 281, 282 Le MSC trasferiscono i loro fattori terapeutici tramite esosomi, in particolare i miRNA, alle cellule riceventi e in esse alterano l’espressione genica e quindi promuovono la risposta terapeutica. 269, 273, 281, 282
I nostri dati recenti dimostrano che gli esosomi derivati da MSC somministrati per via endovenosa dopo la lesione migliorano il recupero funzionale e promuovono la neuroplasticità nei ratti dopo TBI267 e ictus.274 Gli esosomi generati da MSC migliorano efficacemente il recupero funzionale, almeno in parte, riducendo la neuroinfiammazione (astrociti GFAP + e CD68 + microglia / macrofagi) nel cervello danneggiato e promuovendo l’angiogenesi e la neurogenesi endogene nei ratti dopo TBI.267
I nostri dati mostrano che l’uso di una terapia a base di esosomi per il trauma cranico non compromette l’efficacia associata all’uso di agenti terapeutici complessi a base cellulare come le MSC.267 Lo sviluppo di una terapia a base di esosomi privi di cellule per il trauma cranico può aprire una varietà di mezzi per fornire geni regolatori (ad esempio, microRNA) per migliorare aspetti sfaccettati della neuroplasticità e per amplificare il recupero neurologico, potenzialmente per una varietà di lesioni neurali e malattie neurodegenerative. Abbiamo sviluppato esosomi “designer”, arricchiti in miRNA che amplificano il beneficio terapeutico nei ratti colpiti da ictus.270, 275, 276
Inoltre, abbiamo generato esosomi da MSC coltivate in 3D, che aumentano anche i benefici riducendo la neuroinfiammazione e migliorando la neuroplasticità.266 L’accumulo di prove precliniche ha rivelato che l’infiammazione periferica è un importante colpevole patologico e forse è un bersaglio terapeutico per le terapie cellulari come trattamento per TBI.242 gli esosomi derivati da MSC possono anche modulare l’infiammazione periferica attraverso la milza dopo TBI.242
La terapia con esosomi / miRNA regolando la neuroinfiammazione e molteplici percorsi terapeutici riparativi può superare i benefici delle terapie cellulari.160, 267, 283 Contrariamente alle MSC, gli esosomi di dimensioni nanometriche trasportano materiali genetici e proteine e passano facilmente attraverso il BBB, senza vascolare effetto ostruttivo e rischi di formazione di tumori 284
microRNA negli esosomi come possibili mediatori di anti-infiammazione e neuroplasticità
miRNA, piccoli RNA regolatori non codificanti (di solito da 18 a 25 nucleotidi), regolano l’espressione genica a livello post-trascrizionale legandosi a sequenze complementari sui trascritti di RNA messaggio bersaglio (mRNA) e causare la degradazione dell’mRNA o la repressione traduzionale e il silenziamento genico
Gli esosomi possono trasferire i miRNA al cervello e successivamente promuovere la neuroplasticità e il recupero funzionale dopo una lesione cerebrale. Ad esempio, i miRNA funzionali trasferiti dalle MSC alle cellule neurali tramite esosomi promuovono il rimodellamento dei neuriti e il recupero funzionale dei ratti colpiti da ictus.276
Come controllo degli esosomi, il trattamento con il liposoma mimico costituito dai componenti lipidici dell’esosoma (senza proteine e materiali genetici) non fornisce alcun beneficio terapeutico rispetto al trattamento ingenuo degli esosomi dopo TBI, 266 indicando che gli effetti terapeutici degli esosomi derivano dal contenuto di esosomi , comprese proteine e materiali genetici, come i miRNA. I nostri dati indicano che gli esosomi geneticamente modificati raccolti da MSC con sovraespressione di miR-133b migliorano la plasticità neurale e il recupero funzionale dopo l’ictus con il contributo di un rilascio secondario stimolato di esosomi che promuovono i neuriti dagli astrociti.271
Uno studio recente indica che il livello di miR-124-3p negli esosomi microgliali è apparentemente aumentato dalla fase acuta alla fase cronica del trauma cranico nei topi.285 Il miR-124-3p trasfettato nella microglia inibisce la neuroinfiammazione prendendo di mira il bersaglio dei mammiferi della rapamicina ( mTOR) e migliora il risultato neurologico nei topi TBI. Pertanto, gli esosomi microgliali manipolati da miRNA possono fornire una nuova terapia per il trauma cranico e altre malattie neurologiche.272, 273, 285
Cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) per il trattamento del trauma cranico
Il cervello dei mammiferi adulti possiede un potenziale rigenerativo attraverso la neurogenesi nelle regioni neurogeniche, compresa la zona subgranulare del giro dentato ippocampale e la zona subventricolare dei ventricoli laterali.286, 287, 288, 289, 290, 291, 292, 293 TBI induce neurogenesi che può contribuire al recupero cognitivo dopo un infortunio.98, 232, 294, 295, 296 Trattamenti che aumentano la neurogenesi e riducono la neuroinfiammazione promuovono il recupero funzionale dopo TBI.97, 266, 267
Tuttavia, la neurogenesi è limitata nel cervello adulto e non esiste neurogenesi nelle regioni non neurogeniche della corteccia. La riprogrammazione delle cellule gliali reattive in vivo ha il potenziale per generare neuroni in regioni non neurogeniche della corteccia. L’espressione mediata da retrovirali di quattro ben noti fattori di trascrizione (Oct4, Sox2, Klf4 e c-Myc) è in grado di riprogrammare in modo cooperativo cellule gliali reattive in iPSC nella neocorteccia adulta dopo TBI.297
Queste iPSC si differenziano ulteriormente in un gran numero di cellule staminali neurali, che si differenziano ulteriormente in neuroni e glia in situ, e riempiono la cavità tissutale indotta da TBI.297 I neuroni indotti mostrano una tipica morfologia neuronale con assoni e dendriti e mostrano azione potenziale.
Questa tecnologia innovativa per trasformare la glia reattiva in un gran numero di neuroni funzionali nel loro ambiente naturale di neocorteccia senza il coinvolgimento dell’embrione e senza la necessità di far crescere le cellule al di fuori del corpo e quindi innestarle nuovamente nel cervello offre speranza per terapie cellulari rigenerative personalizzate per la riparazione cervello danneggiato 297, 298
Invece di impiegare quattro fattori di trascrizione, se infettati da retrovirus che codificano per un singolo fattore di trascrizione NeuroD1, le cellule gliali reattive (sia astrociti che cellule NG2) possono essere riprogrammate in neuroni glutamatergici e gamma-aminobutirrici funzionali che si integrano nel circuito neurale dell’ospite nel topo adulto corteccia dopo una ferita da pugnalata cerebrale e in un modello AD 299, 300
Una volta attivate, molte cellule gliali reattive rimarranno nei siti della lesione e secerneranno fattori neuroinibitori per prevenire la crescita neuronale, formando infine cicatrici gliali all’interno del cervello. Questa rigenerazione in vivo di neuroni funzionali da cellule gliali reattive può ridurre la neuroinfiammazione e fornire un potenziale approccio terapeutico per ripristinare la funzione neuronale persa nel cervello ferito o malato. NeuroD1 istruisce la conversione neuronale da astrociti in astrociti non reattivi nel cervello e in un modello di lesione del midollo spinale.301, 302
Cocktail chimici di piccole molecole possono essere utilizzati per convertire direttamente i fibroblasti in astrociti funzionali senza transgeni.303, 304, 305, 306, 307 Un altro studio riporta che una combinazione di piccole molecole riprogramma direttamente i fibroblasti di topo in cellule staminali neurali senza manipolazione genetica.306 È importante utilizzare la strategia senza virus o con piccole molecole per ottenere la riprogrammazione in vivo per la medicina rigenerativa.
link di riferimento: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6034172/
Ulteriori informazioni: Ashley C. Bolte et al, La disfunzione linfatica meningea esacerba la patogenesi della lesione cerebrale traumatica, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038 / s41467-020-18113-4
