Il ruolo dell’endotossemia metabolica nelle malattie neurodegenerative: una revisione completa

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L’endotossiemia metabolica (ME) si riferisce alla condizione in cui l’endotossina batterica, in particolare i lipopolisaccaridi (LPS), dall’intestino entrano nel flusso sanguigno e raggiungono il cervello, causando un’infiammazione sistemica . Studi recenti hanno collegato la ME alla neurodegenerazione, evidenziato da elevati livelli di endotossine nel sangue e nel tessuto cerebrale di pazienti con malattie neurodegenerative. Il ruolo dell’endotossina nella neuroinfiammazione è supportato dal fatto che si tratta di uno degli antigeni batterici proinfiammatori più conosciuti, facilmente accessibile e abbondante nel microbiota intestinale umano. Inoltre, le moderne tecniche di ricerca consentono ora di determinare in dettaglio la composizione e il numero dei batteri che colonizzano il corpo umano e i metaboliti che producono. Recentemente, i cambiamenti nella composizione del microbiota intestinale, chiamati disbiosi, sono stati associati a numerose malattie umane, comprese malattie cardiovascolari, renali e cutanee, nonché alla neurodegenerazione.

Tuttavia, l’endotossina compare spesso nel sangue di individui sani, ad esempio dopo pasti ricchi di grassi, senza causare effetti collaterali. Allo stesso modo, sebbene associata a numerose malattie, la disbiosi intestinale non sempre aumenta il rischio di neuroinfiammazione. Non è inoltre chiaro se l’endotossina presente nel sangue possa penetrare la barriera emato-encefalica (BBB) ​​per raggiungere il sistema nervoso centrale (SNC) . Ci sono ancora molte incognite che richiedono un’indagine dettagliata sul ruolo della ME nella neurodegenerazione. Sfortunatamente, questi studi sono ostacolati dalla mancanza di un buon modello di ricerca per l’endotossemia cronica che dura mesi o addirittura anni. Nonostante queste sfide, l’importanza di comprendere il ruolo dell’endotossina nella neurodegenerazione non può essere sopravvalutata.

Questo articolo esamina la letteratura disponibile sull’impatto dell’endotossina sulle malattie neurodegenerative e traccia le fasi successive della migrazione di questo antigene dall’intestino al cervello. Pertanto, questo articolo approfondisce la natura complessa della ME nel contesto del suo potenziale impatto sul sistema nervoso centrale, evidenziando i fattori più critici che contribuiscono al suo sviluppo. Approfondiremo quindi il modo in cui l’endotossina si infiltra nel flusso sanguigno dall’intestino e la complessa risposta immunitaria che suscita. L’articolo esplora anche il complicato meccanismo di trasmissione dell’endotossina attraverso la BBB e la successiva attivazione della microglia. Inoltre, presentiamo dati sul profondo impatto dell’attivazione microgliale indotta da endotossine nelle malattie neurodegenerative prevalenti e sui conseguenti cambiamenti epigenetici nella microglia. Questa ricerca è fondamentale per far progredire la nostra comprensione della complessa relazione tra intestino e cervello e potrebbe portare a nuove strategie terapeutiche per le malattie neurodegenerative.

Endotossiemia metabolica

La ME è caratterizzata da livelli di endotossine nel sangue aumentati di 2-3 volte e da un’infiammazione sistemica di basso grado senza infezione apparente. Negli individui obesi, la ME è solitamente accompagnata da sindrome metabolica che, oltre all’endotossemia, comprende dislipidemia, ipertensione e resistenza all’insulina, noti collettivamente come il quartetto di Norman Kaplan. La sindrome metabolica è una causa significativa di malattie cardiovascolari ed è stata collegata a disturbi neurologici.

Il livello di endotossina nel sangue di individui sani è molto basso (10 ± 20 pg/mL) ma aumenta nelle malattie neurodegenerative, suggerendo il suo ruolo nei processi patologici nel cervello. L’infiammazione sistemica indotta dall’endotossiemia e le citochine associate che colpiscono il SNC sono i fattori più comunemente segnalati che influenzano il comportamento simile alla depressione. Numerosi studi sperimentali hanno dimostrato che gli esseri umani sottoposti a stimolazione con endotossina (0,4-0,8 ng/kg) sviluppano sintomi depressivi, come umore basso, tristezza, irritabilità, affaticamento, anedonia e perdita di appetito, correlati alla dose di endotossina. Inoltre, disturbi del sonno, diminuzione dell’appetito e deterioramento della memoria a lungo termine, accompagnati da attivazione della microglia e infiammazione sistemica, confermati da citochine pro-infiammatorie, tra cui TNFα e IL-6, sono stati osservati in individui sottoposti a stimolazione con endotossina.

Secondo Yirmiya e Goshen, l’applicazione periferica di endotossina può influenzare la plasticità sinaptica e l’apprendimento e la memoria dipendenti dall’ippocampo. D’altro canto, van der Boogaard ha dimostrato in volontari giovani e sani che, sebbene la somministrazione di endotossina a 2 ng/kg abbia provocato un’infiammazione sistemica con alti livelli di citochine e livelli di cortisolo aumentati, ha portato sporadicamente al deterioramento transitorio e lieve della funzione cerebrale senza una correlazione clinica. Kullmann et al., dopo la somministrazione endovenosa di endotossina a 0,4 ng/kg a volontari, hanno anche osservato un aumento del livello di citochine e una diminuzione dell’umore nei soggetti . Tuttavia, il test Reading the Mind in the Eyes eseguito sui volontari testati ha mostrato un’ulteriore attività neurale alterata dopo la somministrazione di endotossina, che, secondo gli autori, rifletteva risposte aumentate nel giro fusiforme, nella giunzione temporoparietale, nel giro temporale superiore e nel precuneo. Queste risposte neurali aumentate correlate al compito dopo la sfida dell’endotossina potrebbero riflettere una strategia compensatoria o una maggiore elaborazione cognitiva sociale in funzione della malattia.

Dopo la somministrazione sistemica di endotossina sono stati osservati cambiamenti comportamentali anche nei roditori. Secondo Quin et al., una singola iniezione intraperitoneale di endotossina ha causato un’attivazione acuta della microglia nel cervello dei topi, persistendo per almeno dieci mesi e provocando la perdita di neuroni dopaminergici nella substantia nigra diversi mesi dopo. Zhao et al. hanno dimostrato che l’iniezione intracerebroventricolare di endotossina nei topi, anche a basse dosi, induceva un deterioramento cognitivo attraverso l’attivazione della neuroinfiammazione. Kurita et al., che hanno studiato gli effetti della ME dopo un ictus sperimentale con occlusione transitoria dell’arteria cerebrale media (MCAO) in un modello murino di diabete di tipo 2, hanno dimostrato che i topi presentavano maggiori volumi di infarto e livelli di espressione più elevati di endotossina, TLR4 e agenti infiammatori citochine nel cervello ischemico, nonché disturbi neurologici più gravi e tassi di sopravvivenza ridotti dopo MCAO. Tuttavia, quando agli animali sono stati somministrati antibiotici per prevenire la ME riducendo i livelli di endotossine, gli esiti dell’ictus e la riduzione della neuroinfiammazione nel cervello ischemico sono stati influenzati.

Molti fattori, come una dieta povera, antibiotici e altri farmaci, mancanza di attività fisica e fattori ambientali, possono contribuire alla disbiosi intestinale e, di conseguenza, allo sviluppo della ME.

Fattori che promuovono lo sviluppo della ME

Dieta ricca di grassi

Uno dei fattori più critici che contribuiscono allo sviluppo della ME è una dieta ricca di grassi (HFD) , la cosiddetta dieta obesogena, povera di alimenti non trasformati, come frutta e verdura cruda, cereali e semi, che sono una fonte di carboidrati non fermentabili, mentre è abbondante in zuccheri semplici e grassi saturi. Sebbene la dieta HFD sia stata a lungo considerata una dieta malsana, associata a numerose malattie metaboliche e cardiovascolari, solo di recente è stato osservato che i livelli di endotossine aumentano temporaneamente dopo pasti ricchi di grassi. Tra i pasti e durante i periodi di fame, i livelli circolanti di endotossine negli individui sani scendono a livelli non rilevabili, suggerendo che i pasti ricchi di grassi sono una fonte di endotossiemia.

Ciononostante, gli studi di intervento sugli effetti di una dieta obesogenica sull’endotossiemia nell’uomo presentano risultati contrastanti. Lyte et al., in soggetti giovani sani che consumavano un HFD contenente acidi grassi saturi o insaturi, hanno mostrato un aumento dei livelli di endotossine, che, tuttavia, non era accompagnato da un aumento dei marcatori infiammatori nel sangue, cioè IL-6 e Proteina C-reattiva. Allo stesso modo, Kallio et al. non hanno osservato una relazione tra l’assunzione di grassi e i livelli di endotossiemia a digiuno misurati nei soggetti magri. D’altra parte, Herieka et al., analizzando i risultati di 57 studi sui marcatori proinfiammatori postprandiali e sull’endotossiemia nelle persone sottoposte a HFD, hanno dimostrato che la maggior parte degli studi hanno riscontrato endotossiemia e un aumento della conta leucocitaria nei partecipanti allo studio, supportando l’ipotesi che un HFD è associato a cambiamenti proinfiammatori postprandiali nel sangue. Tuttavia, gli autori hanno notato che i gruppi di studio variavano ampiamente in termini di età, indice di massa corporea e stato della malattia, il che avrebbe potuto influenzare i risultati dell’analisi.

Ghanim et al., studiando un gruppo di soggetti sani di età compresa tra 20 e 50 anni, con un BMI < 25, che ricevevano una dieta ricca di carboidrati e grassi, hanno dimostrato che l’endotossiemia indotta dalla dieta aumentava i livelli di radicali liberi, l’attivazione di NFκB, TLR2, e l’espressione del soppressore della segnalazione delle citochine-3 (SOCS-3), a differenza dei soggetti che ricevono una dieta ricca di fibre con frutta. Secondo uno studio di Pendyal et al., una dieta occidentale di quattro settimane aumenta i livelli plasmatici di endotossine del 71%. Allo stesso modo, la dieta occidentale negli animali esenti da germi porta all’obesità, alla resistenza all’insulina e all’infiammazione sistemica.

Acidi grassi

Successivamente, è stato dimostrato che l’ME è modellato più dal tipo di grasso consumato che dalla quantità. Una revisione sistematica di Candido et al. hanno confermato che il profilo dei grassi del pasto determina le fluttuazioni dell’EM e dell’endotossemia postprandiale associate alla lipemia. Gli acidi grassi insaturi, ad esempio i PUFA, non inducono endotossiemia postprandiale e addirittura la riducono di circa il 50% negli individui obesi. L’effetto benefico degli acidi grassi insaturi nel ridurre l’endotossiemia è associato alla capacità di specifici acidi grassi, ad esempio, l’acido docosaesaenoico (DHA) e l’acido eicosapentaenoico (EPA), di aumentare la depurazione dei chilomicroni e ridurre le concentrazioni sieriche di lipoproteine ​​a densità molto bassa. VLDL), una fonte significativa di trigliceridi. Al contrario, gli acidi grassi saturi (SFA) , come stearico e palmitico, aumentano i livelli di endotossine nel sangue di circa il 60%. Nei topi, gli SFA potenziano l’endotossiemia e aumentano la mortalità, mentre l’acido palmitico induce una risposta iperinfiammatoria a lungo termine all’endotossina negli animali alimentati con SFA. Negli studi in vitro, l’acido palmitico ha amplificato significativamente le risposte infiammatorie delle cellule endoteliali aortiche umane all’endotossina. Allo stesso modo, la forma dei grassi consumati e la composizione del pasto determinano i livelli di endotossiemia post-pasto. I grassi emulsionati inducono livelli più elevati di endotossina e stimolano il fegato a sintetizzare gli acidi biliari. Il grasso della dieta viene emulsionato dai sali biliari nell’intestino in micelle, incorporando facilmente l’endotossina. L’emulsificazione dei grassi consente alla lipasi pancreatica di idrolizzarli in acidi grassi liberi e monogliceridi, che vengono facilmente assorbiti dagli enterociti. Inoltre, l’aggiunta di cibi sani, come verdure, frutta e noci, a un pasto ricco di grassi riduce l’endotossemia metabolica. Deopurkar et al. hanno evidenziato che il consumo di succo d’arancia con un pasto ricco di grassi e ricco di carboidrati previene l’endotossemia postprandiale, probabilmente a causa delle fibre contenute nel succo d’arancia e del polifenolo resveratrolo, che riducono la lipemia. La fibra alimentare, resistente alla digestione da parte degli enzimi alimentari, come i polifenoli vegetali e i flavonoidi, riduce l’assorbimento di grassi e carboidrati da parte dell’intestino.

D’altra parte, secondo Mo et al., sebbene sia ampiamente riconosciuto che una HFD influenza l’aumento dell’assorbimento dell’endotossina dall’intestino nel flusso sanguigno e porta alla ME, essenzialmente, il meccanismo dell’infiammazione sistemica associata a una HFD è sconosciuto e non dipende necessariamente dall’endotossina. Gli studi condotti da questi ricercatori suggeriscono che gli SFA, attraverso le loro interazioni con i recettori TLR4/2 su monociti e macrofagi, possono indurre infiammazione sistemica senza coinvolgimento di endotossine.

Microbiota intestinale

Indipendentemente dal coinvolgimento di un HFD nell’endotossiemia, una dieta obesogena ha sicuramente un impatto significativo sul microbiota intestinale. Le proporzioni quantitative disturbate e l’impoverimento della diversità delle specie batteriche osservate nella disbiosi intestinale nelle persone sottoposte a HFD determinano un aumento del rilascio di metaboliti batterici, antigeni e tossine, che esercitano i loro effetti tossici sul corpo ospite per settimane e mesi, in ultima analisi. portando a disturbi omeostatici e allo sviluppo di malattie. Quindi, l’obesità indotta dalla ME sembra derivare da uno squilibrio della flora intestinale. Il microbiota intestinale negli individui obesi è caratterizzato da una ridotta diversità e da numerosi taxa batterici. Si osserva una diminuzione dell’abbondanza di Bacteroidota, Bifidobatteri e Lactobacilli benefici per il mantenimento della barriera intestinale, e un aumento di batteri potenzialmente patogeni, cioè Firmicutes e Gammaproteobacteria, che sono la fonte di endotossina, che fuoriesce dall’intestino nell’intestino. il flusso sanguigno.

Inoltre, secondo Zhang et al., gli individui obesi ospitano gruppi batterici produttori di H2 unici, in particolare membri della famiglia Prevotellaceae che coesistono nei tratti gastrointestinali di soggetti obesi con un numero relativamente elevato di Archaea metanogeni ossidanti H2. L’aumento della metanogenesi ossidante H2 aumenta la conversione dei polisaccaridi vegetali in acidi grassi a catena corta (SCFA), principalmente acetato. Al contrario, il rapido utilizzo di H2 accelera la fermentazione dei polisaccaridi, aumentando l’assorbimento di energia negli individui obesi. Inoltre, i cambiamenti nel profilo del microbiota intestinale attivano il sistema endocannabinoide, diminuendo l’integrità dell’epitelio intestinale. Gli acidi grassi provenienti dalla dieta distruggono anche la barriera intestinale direttamente inducendo cascate di segnali proinfiammatori o indirettamente attraverso l’aumento delle citochine che distruggono la barriera, cioè il TNFα. Nascimento et al., utilizzando un modello murino, hanno dimostrato che i riarrangiamenti della struttura delle giunzioni strette (TJ) indotti da HDF (cioè, diminuzione delle claudine-1, -2, 3 e ZO-1) negli epiteli del digiuno. Secondo Candido et al., dopo una singola esposizione ad un carico elevato di grassi, che ha avuto un lieve deterioramento della funzione barriera in pazienti non obesi, i soggetti obesi hanno dimostrato un aumento più significativo della permeabilità dell’intestino tenue. Ciò suggerisce che gli SFA possono alterare la permeabilità paracellulare danneggiando direttamente le giunzioni strette, facilitando il trasferimento dell’endotossina dall’intestino nel flusso sanguigno insieme ai chilomicroni e infine inducendo endotossiemia. Una maggiore abbondanza di Firmicutes fermentanti i carboidrati contribuisce all’aumento della biosintesi degli SCFA, che forniscono energia aggiuntiva per l’ospite e vengono immagazzinati come glucosio e lipidi nel tessuto adiposo. L’eccesso di cibo negli individui obesi e l’assenza di periodi di digiuno portano ad una ridotta espressione del fattore adiposo indotto dal digiuno (FIAF) nel tessuto adiposo, un inibitore circolante della lipoproteina lipasi (LPL) che aumenta l’accumulo di grasso nelle proteine ​​del tessuto adiposo. Un’altra conseguenza dell’alterazione del profilo del microbiota intestinale è l’attivazione del sistema endocannabinoide intestinale, già menzionata, e il suo effetto sull’aumento della permeabilità della barriera epiteliale intestinale, che facilita il trasferimento dell’endotossina alla membrana plasmatica, nonché l’adipogenesi. A causa dell’aumento della concentrazione sierica di endotossine negli individui con ME e dell’effetto dimostrato del cibo ingerito sull’afflusso di endotossine nel sangue, una HFD e l’obesità esistente hanno l’impatto più significativo sul suo sviluppo.

Obesità

Un altro fattore importante che determina l’effetto della dieta sulla ME è l’indice di massa corporea (BMI) . L’assunzione frequente di pasti ricchi di carboidrati e grassi da parte di individui obesi determina una ridotta secrezione di FIAF, inibendo l’attività circolante dell’LPL. La ridotta secrezione di FIAF induce ipertrigliceridemia, iperlipidemia e ipercolesterolemia, un aumento dell’assorbimento cellulare degli acidi grassi e un aumento dell’immagazzinamento dei lipidi nei tessuti. I cambiamenti nell’espressione di FIAF e LPL influenzano i segnali periferici e centrali che regolano l’assunzione di cibo, portando alla sindrome metabolica e all’obesità. Secondo uno studio di Backhet et al., il fegato contiene l’enzima indipendente AMPK, che controlla lo stato energetico cellulare e attiva gli enzimi vitali dell’ossidazione degli acidi grassi mitocondriali. La flora intestinale disturbata negli individui obesi sembra regolare l’attività dell’AMPK e la sua ridotta attivazione si traduce in una diminuzione dell’ossidazione dei lipidi e una riduzione del dispendio energetico.

Un HFD, ricco di acidi grassi saturi e disbiosi intestinale, abbassa la barriera epiteliale dell’intestino, aumentando la permeabilità intestinale e consentendo ai metaboliti batterici, inclusa l’endotossina, di fuoriuscire nel flusso sanguigno.

Trasferimento di endotossine dall’intestino alla circolazione

Un singolo strato di cellule epiteliali polarizzate collegate da giunzioni strette fornisce una barriera altamente selettiva che impedisce il passaggio di contenuti nocivi nel lume intestinale consentendo al tempo stesso l’assorbimento di nutrienti alimentari essenziali, elettroliti e acqua dal lume intestinale alla circolazione. Lo strato di mucine che ricopre l’epitelio intestinale prodotto dalle cellule caliciformi e di Paneth fornisce un’ulteriore barriera meccanica che impedisce agli antigeni batterici luminali, inclusa l’endotossina, di entrare in contatto con l’epitelio intestinale. Inoltre, le cellule epiteliali intestinali producono fosfatasi alcalina (IAP), che, già nel lume intestinale, inattiva l’endotossina mediante la sua defosforilazione. Inoltre, l’endotossina nel lume intestinale stimola le cellule di Paneth ad aumentare la secrezione di peptidi antimicrobici (AMP). A sua volta, l’interazione dell’AMP con TLR4 inibisce la risposta infiammatoria. Inoltre, un normale epitelio ileale umano esprime a malapena TLR4, riducendo al minimo il riconoscimento dell’endotossina; quindi, grandi quantità di endotossine luminali sono generalmente ben tollerate da un intestino sano. Tuttavia, quantità insignificanti di endotossina possono comparire temporaneamente nel sangue di individui sani, soprattutto dopo aver consumato pasti ricchi di grassi, che facilitano il trasferimento dell’endotossina dall’intestino al flusso sanguigno.

L’endotossina attraversa la barriera epiteliale intestinale tramite trasporto intercellulare e transcellulare.

Traslocazione transcellulare di endotossine attraverso l’epitelio intestinale

Studi di microscopia elettronica indicano che l’endotossina come molecola anfipatica può formare micelle che vengono internalizzate dagli enterociti attraverso percorsi mediati da clatrina, zattera lipidica-caveolae, tramite passaggi associati alle cellule caliciformi (GAP) o mediante diffusione transcellulare passiva. L’endotossina assorbita dagli enterociti entra nel citosol della cellula, bypassando gli endosomi. Inoltre, i batteri Gram-negativi spesso esfoliano le vescicole della membrana esterna (OMV) contenenti endotossina, tra gli altri antigeni, che vengono assorbiti dalle cellule tramite endocitosi, bypassando così il compartimento lisosomiale. Portata nel citosol della cellula, l’endotossina viene riconosciuta dalla famiglia di recettori simili a NOD, un dominio pirinico contenente 3 inflammasomi (NLRP3). Gli inflammasomi sono complessi citoplasmatici multiproteici composti da proteine ​​sensore e caspasi proinfiammatorie che riconoscono stimoli esogeni (PAMP, modelli molecolari associati al patogeno) ed endogeni (DAMP, modelli molecolari associati al danno). L’attivazione dell’inflammasoma induce l’attivazione enzimatica della caspasi-1 canonica, con conseguente secrezione di IL-1β e IL-18 e morte cellulare per piroptosi in modo dipendente dalla gasdermina D (GSDMD), che è un potenziatore della piroptosi. Inoltre, l’endotossina può innescare l’attivazione dell’inflammasoma non canonico, che determina l’attivazione della caspasi-4 e della caspasi-5. In entrambi i casi, tuttavia, si verificano piroptosi e rilascio di IL-1β e IL-18 a causa dell’attivazione secondaria dell’inflammasoma canonico NLRP3. Inoltre, l’attivazione della caspasi-4 e della caspasi-5 produce la proteina 1 del gruppo ad alta mobilità (HMGB1) e IL-1α. Pertanto, l’attivazione non canonica dell’inflammasoma guida principalmente la morte cellulare indotta dall’endotossina, mentre l’attivazione canonica dell’inflammasoma porta a una risposta infiammatoria.

La via transcellulare, e principalmente la via GAPs, rappresenta la via principale per il trasporto delle endotossine alle cellule dendritiche della lamina basale, dove, attraverso una via TLR4-dipendente, l’endotossina può aumentare la permeabilità dell’epitelio intestinale, consentendo il trasporto paracellulare dell’endotossina nel sangue. Un’altra via di trasporto transcellulare dell’endotossina dal lume intestinale al sangue avviene attraverso i chilomicroni. Le cellule epiteliali intestinali internalizzano l’endotossina dalla superficie apicale e la trasportano

l’apparato di Golgi, dove si trovano i chilomicroni neoformati. L’elevata affinità dell’endotossina per i chilomicroni ne garantisce l’internalizzazione e la secrezione basolaterale insieme ai chilomicroni. Pertanto, la maggior parte dell’endotossina assorbita dall’intestino è presente nei residui dei chilomicroni. Pertanto, l’endotossina può attraversare l’epitelio dell’intestino tenue in condizioni fisiologiche senza indurre cambiamenti nella permeabilità della barriera epiteliale intestinale. Inoltre, la formazione di chilomicroni favorisce il trasporto delle endotossine attraverso i linfonodi mesenterici. Questo tipo di trasporto di endotossine può verificarsi in condizioni fisiologiche in individui sani dopo aver consumato pasti ricchi di grassi.

Trasporto di endotossine paracellulari attraverso l’epitelio intestinale

La traslocazione intercellulare dell’endotossina avviene in caso di ridotta integrità dell’epitelio intestinale mantenuta da desmosomi, giunzioni aderenti (AJ) e TJ situate nelle giunzioni laterali di picco delle membrane delle cellule vicine e lungo le membrane laterali. Il trasporto paracellulare avviene attraverso la via dei pori o attraverso la via delle perdite. Il percorso dei pori serve a trasportare ioni, acqua e piccole particelle, indipendentemente dalla loro carica. È regolato dalla famiglia delle proteine ​​claudine e dai trasportatori selettivi di aminoacidi, elettroliti e zuccheri. Il percorso delle perdite trasporta particelle più grandi, indipendentemente dal loro carico, ed è regolato dal percorso dei pori. Il trasporto delle vie di perdita è influenzato dalle citochine legate all’infiammazione, come TNFα e IL-13, che colpiscono le giunzioni strette. Nighthot et al. su cellule Caco-2 e topi C57BL/6 con TLR-4 e MyD88 knockout hanno mostrato che l’endotossina a concentrazioni clinicamente ottenibili (da 0 a 2000 pg/mL) ha indotto un aumento della permeabilità paracellulare epiteliale intestinale, che è stata preceduta dall’attivazione di trasformando il fattore di crescita-β-attivazione della chinasi-1 (TAK-1) e le vie canoniche di NFκB (p50/p65). L’effetto è stato inibito da un inibitore farmacologico di TAK-1, oxozeaenolo, confermando che l’attivazione di TAK-1 era necessaria per l’aumento della permeabilità intestinale indotto dall’endotossina. Ciò indica che l’endotossina, anche a basse concentrazioni, può aumentare la permeabilità epiteliale intestinale attraverso un aumento dell’espressione della proteina effettrice TJ miosina-catena leggera chinasi (MLCK), che induce l’apertura della barriera TJ attivando la catena leggera della miosina (MLC) fosforilazione e la contrazione Mg+2/miosina ATPasi-dipendente dei filamenti perigiunzionali di actina e miosina, che a sua volta genera tensione meccanica e allontanamento centripeto della barriera TJ.

Tuttavia, la presenza di endotossina nel sangue non comporta necessariamente conseguenze cliniche a causa dei meccanismi di difesa dell’organismo che la rimuovono rapidamente dalla circolazione.

Neutralizzazione delle endotossine nel sangue

L’endotossina che entra nella vena porta dall’intestino viene rapidamente rimossa dagli epatociti del fegato con i sali biliari nell’intestino. Il legame dell’endotossina ai chilomicroni ne accelera l’assorbimento epatico e la rimozione dalla circolazione. Sia i chilomicroni che i sali biliari leganti le endotossine inibiscono l’attività pirogenica dell’endotossina. Oltre alla disintossicazione dalle endotossine nel fegato, durante la circolazione, l’endotossina viene legata efficacemente da numerose proteine, ad esempio LBP, sCD14, lipoproteine ​​plasmatiche, adiponectina, amiloide sierica P, lectine, gelsolina ed emoglobina. LBP, un membro delle proteine ​​della fase acuta, è essenziale per rimuovere l’endotossina dalla circolazione, i cui livelli aumentano durante la fase acuta dell’infiammazione. LBP facilita il trasferimento dell’endotossina nelle cellule immunitarie e la sua degradazione e catalizza il trasferimento dell’endotossina ai chilomicroni e alle lipoproteine ​​ad alta densità (HDL), che promuove la sua disintossicazione nel fegato. Le proteine ​​plasmatiche cationiche, la proteina battericida che aumenta la permeabilità (BPI) e la lattoferrina, secrete dai neutrofili durante l’infiammazione, inibiscono l’attività endotossica dell’endotossina. I peptidi antimicrobici (AMP), prodotti nel sito dell’infiammazione ed essenziali per i meccanismi immunitari innati, svolgono una funzione simile. Gli AMP ricchi di amminoacidi cationici e idrofobici legano e neutralizzano la carica negativa della molecola di endotossina. Inoltre, gli AMP interferiscono con il sistema di riconoscimento TLR4, che inibisce la produzione di citochine in risposta all’endotossina. Inoltre, gli AMP modulano la risposta delle cellule immunitarie all’endotossina e riducono i livelli di NO e TNFα indotti dall’endotossina, prevenendo danni ai tessuti. Tra le lipoproteine ​​plasmatiche leganti l’endotossina, cioè LDL, HDL, VDL, trigliceridi e chilomicroni, che ne riducono l’attività biologica, le LDL sembrano svolgere il ruolo più cruciale, neutralizzando l’endotossina. L’endotossina legata alle lipoproteine ​​plasmatiche non si lega ai macrofagi ed è da 100 a 1000 volte meno attiva nell’attivazione dei monociti rispetto alle molecole di endotossina libera.

Nonostante i numerosi meccanismi di neutralizzazione delle endotossine, livelli transitori elevati di endotossine nel sangue durante le infezioni acute, simili alle basse concentrazioni che accompagnano la ME, possono indurre una cascata di reazioni immunitarie.

La struttura dell’endotossina determina la risposta immunitaria dell’ospite

L’endotossina, come componente della membrana esterna dei batteri Gram-negativi, viene rilasciata nel lume intestinale durante la crescita o la degradazione batterica. Sebbene la microflora delle mucose della bocca, delle vie respiratorie e della pelle comprenda batteri Gram-negativi, l’endotossina rilasciata dalla microflora intestinale, che contiene circa il 50% di batteri Gram-negativi nella sua composizione, è comunemente considerata la fonte della ME . La flora intestinale può produrre 2-50 mg di endotossina al giorno. Gli esseri umani sono particolarmente sensibili all’endotossina, la cui dose endovenosa letale è compresa tra 1 e 2 μg. D’altra parte, livelli di endotossina fino a 5 pg/mL vengono rilevati nel plasma di individui sani senza causare alcun sintomo clinico. L’endotossina che entra in circolo in concentrazioni elevate (>10 ng/mL) induce una risposta immunitaria acuta risolutiva. Al contrario, basse concentrazioni di endotossina (1-100 pg/mL) causano un’infiammazione cronica non risolvibile, contribuendo, tra gli altri, a malattie cardiache croniche, diabete, artrite reumatoide e allo sviluppo di disturbi neurodegenerativi e psichiatrici. Sebbene alte dosi di endotossina inducano la sintesi e la secrezione di citochine proinfiammatorie, stimolano contemporaneamente la secrezione pendolare di citochine antiinfiammatorie, portando alla risoluzione dell’infiammazione e allo sviluppo di una tolleranza all’endotossina. Piccole dosi di endotossina hanno l’effetto opposto, poiché potenziano principalmente la risposta proinfiammatoria, denominata impatto di priming dell’endotossina, ovvero stimolano le cellule immunitarie a produrre livelli più elevati di citochine proinfiammatorie rispetto a dosi più elevate di endotossina. I topi trattati con quantità inferiori di endotossina mostrano una mortalità più elevata rispetto ai topi a cui sono state somministrate dosi più elevate. Tuttavia, i meccanismi di questo fenomeno sono poco conosciuti.

L’endotossina è un glicolipide anfipatico presente nella membrana esterna dei batteri Gram-negativi, composto da lipide tossico A e da una regione di carboidrati. Il lipide idrofobo A, che ancora la molecola dell’endotossina alla membrana esterna batterica, è costituito da uno scheletro di glucosamina fosforilata con catene aciliche attaccate da un legame estere o ammidico. Nella regione dei carboidrati dell’endotossina si distinguono due aree: l’oligosaccaride centrale e l’antigene O. L’oligosaccaride centrale è relativamente conservato tra le diverse specie batteriche. L’antigene O è costituito da copie multiple di unità di carboidrati ripetute con altre strutture. L’attività tossica e immunogenica dell’endotossina è determinata dal numero di catene aciliche nel lipide A, che varia a seconda della specie e persino del ceppo batterico.

Le cellule in costante contatto con l’endotossina producono uno stato di tolleranza che si traduce in un’immunosoppressione specifica che protegge l’ospite dal danno tissutale indotto dalle citochine e dalla risposta sistemica; quindi, l’esposizione ripetuta delle cellule all’endotossina ne abolisce anche l’effetto pirogenico. Nell’interazione delle più comuni molecole di endotossina del lipide A esaacilato con TLR4, le prime cinque catene aciliche sono sepolte nella cavità idrofobica della molecola adattatrice di TLR-4 MD-2, mentre la sesta catena droga il legame con TLR-4 (il precognizione per la segnalazione intercellulare mediata da TLR4). Al contrario, le molecole di endotossina in cui il lipide A contiene cinque o quattro catene aciliche hanno una capacità drasticamente ridotta di attivare la segnalazione mediata da TLR-4 e, quindi, la capacità di indurre una risposta infiammatoria. I ligandi penta o epta acile sono 100 volte meno attivi, mentre gli analoghi tetra acile sono inattivi. Su questa base, le molecole di endotossina che possiedono il lipide A esaacilato e che inducono una robusta risposta infiammatoria sono denominate agonisti TLR4. Al contrario, le molecole di endotossina contenenti 5 o 4 catene aciliche sono indicate come agonisti o antagonisti deboli del TLR-4. Il lipide A, privo della sesta catena acilica, ha effetti proinfiammatori inadeguati o assenti. Pertanto, le molecole di endotossina che sono antagonisti del TRL-4, mentre bloccano ma non attivano la cascata di segnalazione del TLR-4, possono esercitare effetti benefici inibendo la risposta immunitaria bloccando questo recettore per le molecole di endotossina esaacilata. Si ritiene che il rapporto tra molecole di endotossina agonista (tossica) e antagonista (altamente tossica) nell’intestino svolga un ruolo fondamentale nella regolazione dell’omeostasi. La prevalenza di specie di batteri Gram-negativi che presentano endotossine altamente tossiche nel microbioma intestinale può promuovere la risposta TH1/TH17 e indurre infiammazione, abbassando la barriera intestinale e la fuoriuscita di endotossina proinfiammatoria nel flusso sanguigno. A sua volta, la fuoriuscita postprandiale di una miscela di particelle di endotossina ad alta e bassa tossicità dall’intestino può portare al blocco della risposta infiammatoria indotta dall’endotossina ad alta tossicità legandosi al TLR-4 dell’endotossina a bassa tossicità. Di conseguenza, il tipo di molecola di endotossina del lipide A che entra nel sangue determinerà le conseguenze dell’endotossiemia metabolica, cioè la mancanza di risposta immunitaria o infiammazione.

Oltre alle catene aciliche, anche il numero di gruppi fosfato influenza le proprietà immunogeniche del lipide A. La maggior parte delle molecole di lipide A hanno due gruppi fosfato legati a residui di zucchero accoppiati a glucosammine. La perdita di uno o entrambi i gruppi inattiva cento volte l’attività endotossica dell’endotossina. La defosfoendotossina si lega ancora al TLR4, ma in questa forma agisce come un antagonista. Pertanto, la riduzione della tossicità dell’endotossina attraverso la defosforilazione del lipide A inibisce la segnalazione intracellulare, l’attivazione di NFκB e la secrezione di marcatori proinfiammatori. Tuttavia, alcuni agenti patogeni non producono deliberatamente residui di fosfato nel lipide A, evitando così una risposta immunitaria.

Endotossina come potente induttore della risposta proinfiammatoria

L’endotossina che entra in circolo, se non neutralizzata, induce infiammazione, anche a piccole dosi. Nella circolazione, le prime cellule che riconoscono l’endotossina come molecole PAMP sono le cellule fagocitiche, cioè monociti/macrofagi, neutrofili e cellule dendritiche, che presentano una famiglia di recettori per il riconoscimento di pattern (PRR), ad esempio TLR4, recettori NOD-like (NLR), RABBIA e TREM1. L’endotossina è riconosciuta anche dai recettori presenti sui macrofagi, come CD14, recettori scavenger dei macrofagi (SR) e integrine leucocitarie β2 (CD11a/CD18, CD11b/CD18 e CD11c/CD18). I recettori TRL4 e CD11/CD18 possono avviare una cascata di risposta proinfiammatoria nei macrofagi. Al contrario, le SR agiscono tipicamente come proteine ​​accessorie per facilitare il legame e l’inattivazione delle endotossine. Il recettore SR-A1 lega l’endotossina e il lipide A facilita l’internalizzazione dell’endotossina attraverso la via del lipid-raft e, attraverso l’interazione con l’attivazione di TLR4 e NFκB, partecipa alla risposta immunitaria adattativa. Il recettore SR-B1 presentato dalle cellule epatiche facilita il legame delle endotossine dal sangue e la sua neutralizzazione. Al contrario, il recettore di superficie SR-J/RAGE (recettore per il prodotto finale della glicazione avanzata) si lega all’esterno della proteina HMGB1, che, come ligando RAGE, partecipa all’attivazione indotta dall’endotossina della risposta infiammatoria nei macrofagi. I RAGE sono principalmente coinvolti nell’infiammazione cronica.

L’endotossina, un potente agonista, svolge un ruolo fondamentale nell’attivazione del recettore TLR4. Questo recettore, l’unico recettore TLR che attiva due vie di segnalazione distinte, cioè MyD88-dipendente e TRIF-dipendente, viene attivato tramite il reclutamento di proteine ​​adattatrici, vale a dire la proteina legante l’endotossina della fase acuta (LBP) e la proteina ancorata al glicosilfosfatidilinositolo proteina di membrana (CD14, un cluster di differenziazione-14) che trasferisce l’endotossina in tasche idrofobiche all’interno dell’MD2 (differenziazione mieloide 2) legate a TLR4. Il CD14 è espresso sulla superficie dei macrofagi e dei leucociti. Nelle cellule CD14-negative, ad esempio, le cellule endoteliali, il CD14 solubile presente nel siero sostituisce funzionalmente il CD14 legato alla membrana. Il complesso TLR4/MD2 viene attivato in seguito al legame dell’endotossina, avviando un segnale che porta all’omodimerizzazione di TLR4 tramite la proteina adattatrice TIRAP contenente il dominio del recettore toll-interleuchina-1 (TIR). Questo processo provoca cambiamenti conformazionali nella molecola TLR4. Nella via di segnalazione dipendente da MyD88, il trasduttore del segnale MyD88 (fattore di differenziazione mieloide 88) viene reclutato attraverso il TIRAP (noto anche come Mal, simile all’adattatore MyD88). Il reclutamento di MyD88 porta alla sua interazione con un complesso di chinasi correlate al recettore IL-1R, cioè IRAK1, IRAK2 e IRAK4, che si legano a MyD88 tramite domini di morte omofili (DD). Il complesso MyD88/IRAKs recluta il fattore 6 associato al recettore del fattore di necrosi tumorale E3 dell’ubiquitina ligasi (TRAF6) per formare il complesso Myddosome. Il complesso fosforilato IRAK/TRAF6 si dissocia dal recettore e forma un nuovo complesso con la chinasi attivata dal fattore di crescita trasformante β (TGF-β) (TAK1) legata alle proteine ​​TAB-1 e TAB2, che fosforilano TAK1. TAK1, a sua volta, fosforila l’inibitore di NFκB, il complesso della chinasi IkΒ (IKK) e la chinasi attivata dal mitogeno (MAPK) chinasi 3 e 9 (MKK3 e MKK9). La fosforilazione di IkΒ consente ai fattori di trascrizione nucleare NFκB (p50 e p65) di traslocare nel nucleo e legarsi alle regioni del promotore per esprimere citochine e chemochine infiammatorie, ovvero TNFα, IL-1, IL-6, IL-8, IL-12 e COX-2. A loro volta, MKK3 e MKK9 fosforilano p38; ERK, una MAPK della chinasi N-terminale c-jun (JNK); e attivare i fattori di trascrizione della proteina attivatrice-1 (AP-1), che controllano diversi processi cellulari, come la differenziazione, la proliferazione e l’apoptosi, e attivano l’espressione genica infiammatoria nel nucleo.

La via di segnalazione indipendente da MyD88, nota anche come via dipendente dal TRIF, coinvolge il dominio TRIF (adattatore contenente dominio TIR che induce IFNβ) e la molecola adattatrice correlata al TRIF TRAM, che collega TRIF a TLR4. L’inizio della via di segnalazione dipendente dal TRIF richiede l’endocitosi TLR4 indotta dall’endotossina, supportata dal CD14. L’internalizzazione di TLR4 viene avviata dalla diminuzione dei livelli di fosfatidilinositolo 4,5-bifosfato PI (4,5) P2, che induce la traslocazione di TIRAP alla membrana cellulare. La via di segnalazione dipendente dal TRIF viene avviata dall’interazione del TRIF con TRAF6, che recluta la proteina 1 interagente con il recettore della chinasi (RIP-1), che a sua volta interagisce con il complesso TAK1, attivando NFκB e MAPK e l’induzione di citochine infiammatorie. Inoltre, TRIF promuove l’attivazione TRAF3-dipendente della chinasi TANK-binding chinasi 1 (TBK1) e IKKi correlata a IKK, insieme a NEMO (IκB chinasi γ) per la fosforilazione e la dimerizzazione del fattore di trascrizione che induce IFN fattore regolatore IFN 3 (IRF3). L’omodimero IRF3 si trasloca nel nucleo per regolare l’espressione dei geni dell’IFN di tipo I e di altri mediatori dell’infiammazione, tra cui RANTES e CXCL10, una proteina 10 inducibile dall’IFNγ. La via indipendente da MyD88 attiva anche la produzione e la secrezione di TNFα, portando a tardiva -attivazione di NFκB attraverso la secrezione di IRF3 e TNFα. Alla fine, l’endosoma viene degradato dalla lisosoma, il che pone fine alla risposta infiammatoria. Pertanto, la segnalazione indipendente da MyD88 è essenziale per l’induzione della risposta immunitaria adattativa e rappresenta la maggior parte delle risposte alle endotossine. Le vie di segnalazione dipendenti da MYD88 e dipendenti da TRIF (indipendenti da MYD88) vengono attivate consecutivamente.

La capacità dell’endotossina di attivare una serie di vie di segnalazione, che portano all’infiammazione, così come la presenza di endotossina nel sangue, non ne consente necessariamente il trasferimento al sistema nervoso centrale, protetto da strette barriere strutturali e immunologiche in condizioni di salute.

L’endotossina può attraversare la barriera emato-encefalica?

Le cellule endoteliali che formano la BBB sono strutturalmente e funzionalmente diverse dalle cellule endoteliali (EC) che rivestono i vasi sanguigni periferici. Innanzitutto, l’endotelio nei vasi sanguigni cerebrali presenta giunzioni molto più strette formate da TJ e AJ, che impediscono il passaggio delle particelle polari attraverso la BEE. Inoltre, le EC che formano la BBB mancano di canali transcellulari e fenestrazioni a differenza delle EC periferiche. Inoltre, gli EC nella BBB sono caratterizzati da un’attività pinocitica bassa e lenta, che limita il passaggio transcellulare, che è ulteriormente strettamente regolato da sistemi di trasporto attivi, rendendo la barriera estremamente selettiva. La struttura della BBB è ulteriormente rinforzata dalla lamina basale formata prevalentemente da collagene di tipo IV, laminina e proteoglicano eparan solfato, contenente metalloproteinasi che regolano la funzione della BBB. La membrana basale dei capillari endoteliali è circondata da sporgenze di cellule gliali, astrociti e periciti capaci di fagocitosi, garantendo la precisa regolazione della composizione dell’ambiente che circonda i neuroni. Questa specifica struttura BBB impedisce il passaggio di sostanze nocive e tossiche nel tessuto neurale del cervello. Tuttavia, la BEE cambia attorno agli organi circumventricolari (CVO) situati adiacenti al terzo e al quarto ventricolo del cervello. I CVO presentano capillari fenestrati con sporgenze astrocitiche vagamente collegate, consentendo alle molecole di viaggiare liberamente tra il sangue e il tessuto CVO e rendendo i neuroni più suscettibili ai segnali periferici. Tuttavia, i CVO sono protetti da taniciti che presentano proteine ​​di giunzione stretta, che formano una barriera a guardia degli organi ventricolari e controllano la diffusione delle sostanze trasportate dal sangue al liquido cerebrospinale.

Oltre ad essere una barriera fisica neuroprotettiva selettiva, la BEE svolge un ruolo vitale nella risposta immunitaria del sistema nervoso centrale a fattori interni ed esterni. Le cellule endoteliali della BBB producono numerose citochine, chemochine e fattori di crescita, il cui ruolo è reclutare linfociti e monociti e regolare la risposta immunitaria locale. Le cellule BBB presentano anche molecole di adesione cellulare intracellulare e vascolare coinvolte nell’adesione e nella trasmigrazione dei leucociti al sistema nervoso centrale. Pertanto, le funzioni neuroprotettive della BEE possono essere compromesse dall’infiammazione sistemica indotta da infezioni o metaboliti tossici. La BBB risponde all’infiammazione sistemica in diversi modi, ad esempio, cambiamenti nella segnalazione, aumento del traffico cellulare, aumento della permeabilità dei soluti e danno diretto.

La molecola di endotossina, classificata come un grande polimero oligosaccaridico con lipide A caricato negativamente e idrofobico, non può attraversare la BBB intatta. Inoltre, la bassa espressione dei recettori TLR4 nella microglia e negli astrociti fornisce una protezione specifica per il cervello contro l’infiammazione indotta dalle endotossine. Tuttavia, diversi studi sugli animali hanno dimostrato che l’endotossina marcata radioattivamente somministrata per via endovenosa ai topi ha attraversato la BBB legandosi in modo reversibile alle cellule endoteliali del cervello. Iniezioni ripetute di endotossina non hanno aumentato l’assorbimento dell’endotossina o il suo passaggio nel cervello, suggerendo che è improbabile che una dose di endotossina sufficiente a indurre la neurodegenerazione possa passare nel cervello. Allo stesso modo, la somministrazione intraperitoneale di basse dosi di endotossina non ha compromesso la BEE né ha indotto una risposta immunitaria innata nel modello di cervello di ratto neonatale. Studi opposti sugli animali hanno dimostrato che l’endotossina si infiltra nel cervello in condizioni fisiologiche attraverso un meccanismo di trasporto mediato dalle lipoproteine ​​e viene rilevata nelle strutture cerebrali, come CVO, plesso coroideo, cellule meningee, astrociti, taniciti e EC.

L’endotossina viene rilevata anche post mortem nel cervello di esseri umani affetti da malattie neurodegenerative, suggerendo che la molecola, in particolari circostanze, può penetrare nella BBB. Zhan et al. hanno dimostrato livelli elevati di endotossina di E. coli nel parenchima cerebrale e nei vasi nei pazienti con AD rispetto ai cervelli di controllo. La presenza di endotossine è stata confermata anche nella neocorteccia, nell’ippocampo e nel lobo temporale superiore dei cervelli affetti da AD. Vengono presi in considerazione molteplici meccanismi di penetrazione delle endotossine attraverso la BBB e molte di queste vie sono state confermate in studi in vitro. Innanzitutto, l’endotossina nel flusso sanguigno è legata alla proteina di fase acuta LBP, che può consentire il passaggio dell’endotossina al sistema nervoso centrale attraverso i recettori presenti sugli EC della BEE, come i recettori TLR4, i recettori scavenger di classe B tipo 1 (SR-B1) , recettore 2 dell’apolipoproteina E (ApoER2) o recettore delle lipoproteine ​​a bassa densità (LDLr). In secondo luogo, l’infiammazione sistemica indotta dalle endotossine stimola la secrezione di citochine proinfiammatorie e l’espressione di molecole di adesione sulle cellule endoteliali della BBB, consentendo l’infiltrazione della barriera da parte delle cellule immunitarie periferiche che trasportano l’endotossina. In terzo luogo, l’endotossina può attraversare la BEE all’interno delle vescicole della membrana esterna (OMV), esfoliate dalla superficie dei batteri Gram-negativi, che agiscono come messaggeri, trasportando gli antigeni batterici nell’ambiente esterno e nelle cellule ospiti. Nonaka et al. ha dimostrato che gli OMV di Porphyromonas gingivalis sono internalizzati dalla linea cellulare endoteliale cerebrale umana (hCMEC/D3) e distruggono TJ, ZO-2 e proteine ​​occludina. Risultati simili sono stati riportati da Ha et al., che hanno confermato il trasporto degli OMV di Aggregatibacter actinomycetemcomitans attraverso la BEE. Allo stesso modo, gli OMV contenenti endotossine possono essere assorbiti dalle EC della BBB, attivando gli inflammasomi e inducendone la piroptosi, aprendo così la strada all’endotossina. Sebbene il carico di OMV vari e dipenda dalla specie del microrganismo, l’endotossina è il fattore di virulenza più comune trasportato dagli OMV dei batteri Gram-negativi.

Questi dati indicano che l’endotossina può penetrare nel sistema nervoso centrale, ma solo nel caso di una BBB interrotta. Ma la ME e i bassi livelli di endotossine nel sangue possono contribuire alla perdita di BBB?

L’impatto dell’endotossina sulla barriera emato-encefalica

Gli EC dell’interfaccia BBB tra il sangue e il sistema nervoso centrale sono esposti alle endotossine e alle citochine circolanti durante la ME. Le citochine periferiche possono disturbare direttamente la BBB, influenzando le EC e attivandole per secernere chemochine proinfiammatorie, ovvero la proteina chemioattrattiva monocitaria-1 (MCP-1), la proteina 10 indotta dall’interferone gamma (IP-10) e le molecole di adesione, ovvero VCAM -1 e ICAM-1, reclutando leucociti e aumentando la permeabilità transcellulare della BBB. I leucociti attratti che incontrano le EC inviano segnali che dirigono il riarrangiamento giunzionale per allentare la barriera endoteliale. Questi segnali innescano un aumento dei livelli di calcio intracellulare, causando l’attivazione della catena leggera della miosina chinasi (MLCK), che porta alla retrazione delle cellule endoteliali, facilitando il passaggio dei leucociti.

Le citochine meglio studiate prodotte durante l’endotossemia e che influenzano la permeabilità della BBB includono TNFα e IL-1β. Entrambe queste citochine inducono cambiamenti a lungo termine nelle cellule endoteliali microvascolari cerebrali umane (hCMEC), come l’aumento dell’espressione sulla superficie cellulare di molecole chiave di adesione dei leucociti, ovvero CD62E, VCAM-1 e ICAM-1, la secrezione di un pannello di chemochine, fattori di crescita, molecole di adesione solubili e recettori, che contribuiscono alla riduzione della BBB in modo concentrazione e tempo-dipendente. È interessante notare che la resistenza della barriera è aumentata nel corso dei giorni, indicando che la risposta degli hCMEC a entrambe queste citochine ha rafforzato la loro integrità. In un modello animale, Browyer et al. hanno dimostrato che l’iniezione sottocutanea di endotossina attivava la microglia nell’ippocampo e nella corteccia, ma senza infiammazione patologica. Tuttavia, i processi allungati prossimali delle cellule microgliali erano strettamente associati al sistema vascolare cerebrale, suggerendo che il danno vascolare innesca la migrazione delle microglia per riparare i vasi colpiti. D’altra parte, secondo gli autori, deviare le interazioni microgliali dal rimodellamento sinaptico e altre interazioni microgliali con i neuroni possono influenzare negativamente la funzione neuronale. Si tratta di un’intuizione cruciale che potrebbe guidare la ricerca futura in questo settore. Inoltre, non è noto se gli effetti a lungo termine e plurimestrali della ME e dell’endotossina sulla BBB abbiano un impatto simile sull’ambiente infiammatorio nella microglia.

L’endotossina circolante durante la ME può anche interrompere la BBB attraverso il recettore TLR4 sulle cellule endoteliali della BBB. L’attivazione di TLR4 negli hCMEC porta alla sintesi e alla secrezione di mediatori proinfiammatori, interrompendo i TJ e aumentando la permeabilità della BBB. Qin et al. hanno evidenziato che l’endotossina, attraverso l’attivazione di TLR4, aumenta la fosforilazione delle chinasi p38MAPK e JNK e diminuisce i livelli di mRNA dell’occludina migliorando al contempo l’espressione della metalloproteinasi-2 (MMP-2). Le endopeptidasi MMP scindono la maggior parte dei componenti della matrice extracellulare, tra cui fibronectina, laminina, proteoglicani e collagene di tipo IV, influenzando la regolazione dell’espressione della proteina TJ.

Inoltre, l’endotossina può interrompere la BBB stimolando la produzione di ROS nelle EC che rivestono la barriera. Lo stress ossidativo, aumentando i livelli intracellulari di Ca+2, attiva le MAP chinasi, responsabili della fosforilazione dei TJ e della loro ridistribuzione.

Questi risultati, che sottolineano l’intricata relazione tra la BBB e la risposta microgliale, sono profondamente significativi nel far avanzare la comprensione delle condizioni neurologiche. Pertanto, è essenziale comprendere gli effetti della ME e dell’endotossina sulla microglia.

Attivazione della microglia correlata all’endotossemia metabolica

Anche se la ME è caratterizzata da un basso livello di endotossine nel sangue, la sua concentrazione può aumentare significativamente dopo pasti ricchi di SFA attraverso i chilomicroni carichi di endotossine. Pertanto, il livello di endotossina nella ME è soggetto a fluttuazioni significative da livelli bassi a livelli molto alti. Inoltre, nella ME, livelli variabili di endotossina sono continuamente presenti nel sangue per molti mesi o anni, rendendo difficile studiarne gli effetti sui modelli molecolari microgliali in vitro e in vivo su modelli animali. Tuttavia, negli studi sulle malattie neurodegenerative, l’endotossina, in quanto antigene microbico comune e facilmente disponibile, rimane considerata la causa primaria che induce la reazione infiammatoria alla base della patogenesi di queste malattie. Due principali linee di ricerca dominano lo studio del ruolo dell’endotossiemia nello sviluppo e nella progressione delle malattie neurodegenerative.

Il primo filone di studi è legato alla teoria dell’infiammazione fisiologica o tolleranza immunitaria, che presuppone che una serie di reazioni immunitarie fisiologiche portino al mantenimento dell’omeostasi e al recupero dall’infiammazione patologica. Secondo questa idea, il precondizionamento della microglia con endotossina a basso dosaggio induce risposte immunitarie benefiche piuttosto che infiammazione patologica, contribuendo così alla neuroprotezione. Sono stati intrapresi diversi studi per rivelare il meccanismo neuroprotettivo dell’endotossina condizionando la microglia con basse dosi di endotossina per indurre la loro trasformazione antinfiammatoria e la tolleranza del fenotipo microgliale.

Ribadendo i risultati chiave, la seconda linea di studi dimostra che innescare la microglia con stimoli ripetuti, anche lievi, può promuovere microglia addestrate e una risposta infiammatoria potenziata, giocando un ruolo cruciale nella progressiva riduzione della sostanza bianca, dell’autoimmunità e del declino cognitivo. Questi risultati forniscono una comprensione completa della risposta immunitaria microgliale all’endotossina, che è dose-dipendente. A dosi elevate, l’endotossina innesca una “tempesta di citochine”, una sindrome da risposta infiammatoria sistemica (SIRS) potenzialmente mortale. Dosi più basse (nell’intervallo 1–100 ng/mL) possono indurre uno stato di tolleranza alle successive dosi tossiche di endotossina. Tuttavia, dosi estremamente basse (nell’ordine di 0,05–0,5 ng/mL) hanno l’effetto opposto, preparando il sistema immunitario a una risposta ancora più violenta alle sfide successive. Sulle cellule microgliali derivate da un cervello di topo neonatale, Lajqi et al. hanno dimostrato che un priming prolungato della microglia con dosi di endotossina ultra basse ma crescenti (da 1 fg/mL a 100 ng/mL) provocava un’immunità addestrata con un aumento della produzione di marcatori pro-infiammatori. La reazione opposta, cioè la tolleranza della microglia, è stata osservata quando le cellule microgliali sono state trattate con dosi sempre maggiori di endotossina (da 1 fg/mL a 1 µg/mL) per 24 ore. La risposta infiammatoria della microglia indotta dalle endotossine può anche essere responsabile della perdita ritardata ma progressiva dei neuroni dopaminergici nel SN del cervello. È stato dimostrato che l’applicazione di un mezzo condizionato da colture di microglia attivate da endotossine ai neuroni primari dell’ippocampo induce la perdita di sinapsi.

Allo stesso modo, l’infiammazione periferica può portare ad una maggiore risposta della microglia o all’inibizione della sua attività, esacerbando o alleviando la patologia nel cervello del topo. In un modello murino adulto, è stato dimostrato che l’infiammazione periferica mediata dalle endotossine causa cambiamenti a lungo termine nella risposta della microglia, nonostante l’apparente ritorno all’omeostasi tra gli stimoli.

Ruolo dell’endotossina nelle malattie neurodegenerative

L’incidenza di malattie neurodegenerative incurabili (NDD), come l’AD, il morbo di Parkinson (PD), la sclerosi laterale amiotrofica (SLA), la demenza frontotemporale (FTD) e la malattia di Huntington (HD), è in costante aumento. Attualmente colpisce circa il 15% della popolazione mondiale. La probabilità di sviluppare malattie neurodegenerative aumenta con l’età. Pertanto, l’invecchiamento della popolazione è considerato il principale fattore che causa l’aumento dell’incidenza di queste malattie. Sebbene la patogenesi della maggior parte delle NDD sia stata più o meno chiarita, i meccanismi patogenetici di queste malattie devono ancora essere completamente rivelati. È ampiamente accettato che la patogenesi della neurodegenerazione sia multifattoriale e comprenda fattori infiammatori, genetici ed epigenetici. Anche se ogni NDD ha un decorso clinico diverso e marcatori correlati alla malattia unici, la caratteristica comune è la neuroinfiammazione cronica che colpisce neuroni specifici distinti in particolari regioni del sistema nervoso centrale.

L’ipotesi del ruolo dell’endotossina nella neurodegenerazione è supportata principalmente dall’aumento delle concentrazioni di endotossina nel sangue di pazienti con PD, AD, SLA e HD. Numerosi studi in vitro su linee cellulari neuronali primarie e studi in vivo su roditori hanno confermato che l’endotossina è un efficace stimolante della neuroinfiammazione attraverso l’attivazione della microglia all’interno del sistema nervoso centrale. È stato scoperto che innesca un aumento della produzione, dell’accumulo e dell’iperfosforilazione di Aβ della proteina tau e dell’α-sinucleina.

Endotossina nella malattia di Alzheimer (AD)

Le placche amiloidi e i grovigli di proteina tau sono segni patologici dell’AD, che portano a deficit cognitivi e di memoria e perdita sinaptica e neuronale. Secondo molti studi, i livelli di endotossine sono aumentati nel cervello dei pazienti con AD e possono influenzare la neurodegenerazione attraverso l’infiammazione o un impatto diretto sulla deposizione della placca amiloide. Utilizzando un modello di ratto, Wang et al. hanno dimostrato che l’endotossiemia causa neuroinfiammazione, espressa come aumento dei livelli di IL-1β, IL-6 e TNFα nel sangue e nel cervello degli animali. L’aumento dell’espressione di iNOS e COX-2 delle proteine ​​infiammatorie nel cervello dei topi dopo stimolazione con endotossine è stato riportato anche da Lee et al. Zhan et al. nei cervelli di AD evidenziata con Western blot, sequenziamento del DNA e immunochimica, la colocalizzazione dell’endotossina da E. coli K99 con Aβ1-40/42 nelle placche amiloidi e Aβ1-40/42 attorno ai vasi. Inoltre, Ganz et al. hanno dimostrato che, nei topi transgenici portatori di geni mutati associati all’AD familiare, la somministrazione endovenosa di endotossina provoca la morte neuronale nella corteccia, a differenza dei topi selvatici. Inoltre, la neurodegenerazione nella corteccia frontale ricca di microglia nei topi AD ha influenzato direttamente l’esposizione alle endotossine senza indurre la deposizione di Aβ, il segno distintivo dell’AD e della microgliosi. L’endotossiemia è stata anche associata ad un aumento dei depositi diffusi di Aβ solubile e Aβ nel cervello del topo, che persistevano per tutto il periodo di osservazione di 7-9 giorni. Inoltre, l’endotossina ha indotto un aumento della densità della microglia. Allo stesso modo, Kahn et al. hanno dimostrato che iniezioni multiple di endotossina hanno provocato un aumento dei depositi di Aβ1-42 nell’ippocampo e deficit cognitivi nei topi. Secondo Ahne et al., l’induzione cronica di TLR4 da parte dell’endotossina può aumentare i livelli citosolici di Ca2+, portando all’apoptosi e impedendo il riconoscimento e l’eliminazione di Aβ42, suggerendo che l’endotossemia cronica asintomatica associata alla disbiosi intestinale può accelerare la neurodegenerazione nell’AD.

Endotossina nella malattia di Parkinson (PD)

Una progressiva perdita di neuroni dopaminergici del mesencefalo, che si traduce in disturbi motori, è stata osservata nella malattia di Parkinson, una comune malattia neurodegenerativa che colpisce circa il 2% delle persone di età superiore ai 65 anni nei paesi sviluppati. Il cambiamento patologico critico nel sistema nervoso centrale in questi pazienti è la presenza di aggregati intraneuronali di α-sinucleina fibrillare, noti come corpi di Lewy e neuriti di Lewy. Il ruolo dell’endotossina nello sviluppo della malattia di Parkinson, almeno in un sottogruppo di pazienti, è confermato da numerosi studi che indicano la disbiosi intestinale e l’endotossiemia come possibili cause. Peter et al., in uno studio di coorte retrospettivo, hanno dimostrato che l’incidenza della malattia di Parkinson tra i pazienti con malattia infiammatoria intestinale (IBD) era superiore del 28% rispetto al numero di controlli abbinati non affetti. Inoltre, la terapia anti-TNFα per le IBD è correlata con una riduzione del 78% del tasso di incidenza della PD, confermando il ruolo dell’infiammazione sistemica nella patogenesi della malattia. Wijeyekonn et al. hanno evidenziato un aumento dei livelli di endotossina nei sieri di pazienti con malattia di Parkinson ad alto rischio di demenza precoce, accompagnati da cambiamenti nei marcatori di superficie cruciali dei monociti periferici innati, cioè α-sinucleina e caspasi-1. Forsyth et al. hanno rivelato un aumento della permeabilità intestinale rispetto ai controlli sani nei pazienti con malattia di Parkinson di nuova diagnosi; inoltre, il livello di permeabilità intestinale di questi pazienti era correlato con a-sinucleina, stress ossidativo e batteri Gram-negativi. Successivamente, de Waal et al., utilizzando la fluorescenza diretta nel plasma povero di piastrine di pazienti con malattia di Parkinson, hanno mostrato un aumento dei livelli di endotossina tramite anticorpi monoclonali anti-endotossina di topo associati a coagulazione anormale. Nelle colture mesencefaliche primarie dei ratti, Gayle et al. hanno dimostrato la citotossicità dell’endotossina sui neuroni della dopamina, causata direttamente dall’aumento dei livelli di TNFα e IL-1β indotti dall’endotossina. La degenerazione dopaminergica innescata dalle endotossine è stata parzialmente abolita con specifici anticorpi anti-citochine. Secondo uno studio di Bronstein et al., l’endotossina ha ucciso il 70% dei neuroni della dopamina in colture miste neuronali-gliali in un modello in vitro della malattia di Parkinson. A sua volta, Bodea et al. hanno dimostrato in vivo che un’esposizione sistemica ripetuta ai topi per quattro giorni consecutivi con endotossina batterica ha mantenuto un elevato fenotipo infiammatorio microgliale e ha indotto la perdita di neuroni dopaminergici nella substantia nigra (SN). Inoltre, l’analisi del trascrittoma dell’intero cervello ha rivelato che 60 geni, principalmente geni correlati al sistema immunitario, ad esempio componenti del complemento, recettori Fc e molecole MHC, erano selettivamente sovraregolati dopo ripetuti test con endotossine. Inoltre, l’analisi KEGG ha dimostrato che la cascata del complemento era la via infiammatoria comune più vitale derivante dall’esposizione di topi con endotossina singola e ripetuta, con il complemento C3 come molecola intermedia essenziale nella perdita di neuroni dopaminergici innescata dall’applicazione sistemica e ripetuta di endotossina.

Endotossina nella sclerosi laterale amiotrofica (SLA)

L’impatto diretto dell’endotossina sulla patogenesi è ben documentato anche nella sclerosi laterale amiotrofica (ASL), che è una malattia neurodegenerativa mortale dell’adulto caratterizzata da una progressiva perdita di funzione dei motoneuroni nel cervello e nel midollo spinale. I pazienti affetti da SLA mostrano un’infiammazione sistemica cronica di basso grado con livelli elevati di IL-6, IL-1β e TNFα nel sangue, che è correlato al grado di disabilità clinica, alla progressione della malattia e ai marcatori infiammatori, ovvero la proteina C-reattiva (CRP) ), proteina legante l’endotossina (LBP) e molecole di CD14 secrete (sCD14). Secondo la ricerca di Keizman et al., sebbene il livello di endotossine nel siero dei pazienti affetti da SLA abbia mostrato una tendenza in aumento, non è stata raggiunta una differenza significativa con il livello di endotossine nelle persone sane, al contrario dei livelli di LBP e sDC14, che erano significativamente aumentati nella SLA, soprattutto nei soggetti con la forma rapidamente progressiva della malattia. Tuttavia, livelli aumentati di proteine ​​leganti le endotossine, cioè LBP e sCD14, in questi pazienti rispetto ai controlli sani potrebbero essere responsabili di bassi livelli di endotossine nel siero dei pazienti con SLA. Al contrario, Zhang et al. hanno riscontrato livelli significativamente aumentati di endotossine nel sangue di pazienti con SLA sporadica (sALS) rispetto ai controlli sani, che erano correlati al livello di attivazione dei monociti/macrofagi.

Endotossina nella malattia di Huntington (HD)

I disturbi cognitivi, motori e psichiatrici sono associati a rare malattie ereditarie della MH caratterizzate da una mutazione autosomica responsabile di un aumento del numero di ripetizioni CAG nel gene dell’huntingtina (HTT). La mutazione porta ad un’espansione anormalmente lunga della poliglutammina nella forma della proteina Huntingtina mutata (mHTT) che diventa neurotossica. Nella microglia, mHTT attraverso la regolazione positiva della via di segnalazione NFκB induce il rilascio di numerosi marcatori infiammatori, come IL-1β, IL-6, TNFα e IL-8, tra gli altri. È interessante notare che l’attivazione proinfiammatoria della microglia è rilevabile nei pazienti MH presintomatici, suggerendo che l’mHTT gioca un ruolo vitale nello sviluppo della malattia. D’altra parte, Steinberg et al. su modelli di topi mHD knock-in (Q140) e wild-type (Q7) hanno dimostrato che trigger esterni, ad esempio endotossine o segnali proinfiammatori, sono necessari per l’attivazione della microglia nella MH. Tuttavia, una disfunzione cellula-autonoma che colpisce la capacità delle microglia della MH di acquisire tolleranza potrebbe contribuire a stabilire la neuroinfiammazione nella MH. In precedenza, Donley et al. ha rivelato che mHTT altera le risposte immunitarie della microglia a seconda della natura degli stimoli infiammatori. Il loro studio ha mostrato che le cellule mutanti che esprimono l’huntingtina avevano un NF-kB basale più elevato, che aumentava dopo la stimolazione di IL-6. In questo contesto, sembra che, non necessariamente l’endotossina, ma qualsiasi stimolante infettivo possa indurre infiammazione periferica, aumentando il rilascio di mediatori proinfiammatori che attivano la microglia cerebrale. Inoltre, l’evidenza dell’infiammazione periferica indotta dalle endotossine che contribuisce all’attivazione della microglia è stata presentata da Batista et al., che hanno dimostrato che YAC128 di 12 mesi

topi transgenici (che esprimono la proteina Huntingtina mutante umana) sottoposti per quattro mesi a basse dosi di endotossina iniettate perifericamente hanno mostrato alterazioni microgliali potenziate e disfunzione vascolare nella BBB. Gli autori hanno anche osservato che l’esposizione alle endotossine causava un aumento della localizzazione nucleare di p65, una subunità NF-κB, negli astrociti e nella microglia nella corteccia dei topi transgenici, contribuendo alla neuroinfiammazione. È interessante notare che recentemente l’attenzione è stata attirata sulla disbiosi intestinale e sui disturbi correlati, come perdita di peso, carenza di nutrienti e disturbi nella struttura intestinale, nella motilità e nella permeabilità, nei pazienti con MH. Gubert et al. su un modello murino hanno dimostrato che gli interventi sulle fibre alimentari possono avere un potenziale terapeutico nella MH ritardando l’esordio clinico, suggerendo che la permeabilità intestinale e l’endotossemia possono influenzare indirettamente la progressione della MH attraverso l’infiammazione sistemica.

Regolazione epigenetica indotta da endotossine del fenotipo microgliale

La regolazione epigenetica dell’espressione genica alterando l’attività trascrizionale senza modificare la sequenza del DNA comprende la metilazione del DNA, le modifiche degli istoni e gli RNA non codificanti. Prove emergenti hanno evidenziato che i meccanismi epigenetici influenzano l’espressione e la soppressione dei geni che codificano per proteine ​​biologicamente attive che controllano molti processi cellulari, portando alla comparsa di caratteristiche e funzioni desiderate o indesiderate. Ciò può portare allo sviluppo di caratteristiche e funzioni sia desiderabili che indesiderabili. La neurodegenerazione è un processo complesso in cui interagiscono numerosi fattori genetici e ambientali e i meccanismi epigenetici sono considerati un fattore di accoppiamento. La neurodegenerazione è un processo complesso influenzato da fattori genetici e ambientali, con meccanismi epigenetici che agiscono come fattore di collegamento. Prove recenti suggeriscono che i fattori ambientali, come la dieta e lo stile di vita, possono modificare le funzioni cellulari, inclusa l’espressione genetica. Pertanto, è chiaro che i meccanismi epigenetici sono altamente significativi nello sviluppo delle malattie neurodegenerative. Un numero crescente di prove indica che, a livello genetico, le modificazioni epigenetiche influenzano i processi cerebrali, come la memoria, la cognizione e le funzioni motorie. Inoltre, questi cambiamenti sono spesso associati a fenotipi microgliali, che proteggono o inducono cambiamenti neurodegenerativi nel cervello. Attivazione della microglia, associata al rimodellamento morfologico, molecolare e funzionale in risposta a sfide cerebrali (p. es., infiammazione, misfolding e aggregazione delle proteine, come Aβ e tau nell’AD, α-sinucleina nel PD e la proteina 43 legante il DNA TAR in SLA), è considerato un fattore primario che contribuisce all’insorgenza e alla progressione della neurodegenerazione. Pertanto, i fattori che favoriscono un’eccessiva attivazione microgliale, tra cui lo stress ossidativo e l’infiammazione sistemica, possono contribuire alla neurodegenerazione. Dunn et al. hanno dimostrato che particolari polimorfismi genetici interagiscono con l’esposizione a fattori ambientali, come il fumo di sigaretta, i pesticidi o il caffè, influenzando in modo differenziale il rischio di neurodegenerazione nell’AD e nel PD. Allo stesso modo, le varianti genetiche possono anche influenzare la regolazione epigenetica differenziale delle risposte immunitarie innate all’endotossina. Dati recenti indicano che la memoria immunitaria innata dipende in modo critico dalla riprogrammazione epigenetica, migliorando la capacità delle cellule immunitarie di rispondere adeguatamente alla stimolazione. Il potenziale impatto della comprensione di come questi meccanismi di regolazione epigenetica diventano disfunzionali nei casi di infiammazione cronica associata alla ME è immenso, considerando il numero crescente di individui obesi nei paesi sviluppati. Ulteriori ricerche in questo settore potrebbero aprire la strada a nuovi interventi terapeutici.

I seguenti esempi illustrano il potenziale ruolo dell’endotossina nell’indurre cambiamenti epigenetici nella microglia.

Metilazione del DNA

Una modifica epigenetica rappresentativa che influenza profondamente l’espressione genica è la metilazione del DNA, un processo cruciale per il corretto sviluppo, ad esempio, il silenziamento degli elementi retrovirali, la regolazione dell’espressione genica tessuto-specifica, l’imprinting genomico e l’inattivazione del cromosoma X, ed è coinvolto nel meccanismo patogenetico di diverse malattie. compresi quelli associati alla neurodegenerazione. Nel DNA dei mammiferi, la metilazione avviene principalmente sulle citosine all’interno dei dinucleotidi CpG e circa il 60% dei promotori dei geni umani contiene gruppi di CpG denominati isole CpG. La metilazione del DNA è catalizzata da enzimi della famiglia delle DNA metiltransferasi (DNMT), che trasferiscono il gruppo metilico dalla S-adenil metionina (SAM) alla posizione 5′ dell’anello pirimidinico dei residui di citosina adiacenti alle guanine nel genoma (dinucleotidi CpG) per formare 5-metilcitosina (5mC). La metilazione del DNA modifica la struttura della cromatina, sopprimendo il legame dei fattori di trascrizione e infine silenziando l’espressione genica. I 5mC possono inoltre subire un’ossidazione enzimatica nella forma ossidata di 5-idrossimetilcitosina (5hmC) e altri derivati ​​ossidativi tramite metilcitosina diossigenasi TET (dieci-undici traslocazioni) responsabili di modelli di metilazione finemente sintonizzati. Mentre 5mC è associato all’inibizione dell’espressione genica, 5hmC è stato associato ad una maggiore espressione genica ed è coinvolto nei processi cellulari, come la differenziazione, lo sviluppo e l’invecchiamento. La metilazione accelerata del DNA, che promuove una maggiore attivazione microgliale, è un segno distintivo dell’invecchiamento, ma si trova anche nelle malattie neurodegenerative come PD, HD e AD. La capacità diretta dell’endotossina di metilare il DNA delle cellule microgliali deve ancora essere ampiamente studiata. Tuttavia, come agonista del TLR4, l’endotossina può avere un impatto sull’epigenetica della microglia inducendo risposte infiammatorie e produzione di citochine. È stato dimostrato che l’espressione di TLR4 aumenta nella microglia dei pazienti con AD e nella microglia che circonda le placche amiloidi. L’attivazione di TLR4 da parte di PAMP e DAMP porta alla traslocazione di NFκB nel nucleo cellulare e alla produzione di fattori proinfiammatori, come citochine, chemochine e ossido nitrico. I livelli di IL-10, IL-6, IL-8 e TNFα sono sostanzialmente associati ai modelli di metilazione del DNA nelle cellule mononucleate del sangue periferico. La stimolazione delle cellule mononucleari del sangue periferico con l’endotossina diminuisce la metilazione del DNA mitocondriale ed è fortemente correlata all’espressione di IL-6 e IL-10. Tuttavia, è necessario determinare se queste citochine, pur presenti in circolazione o prodotte localmente nella microglia, possano influenzare i modelli di metilazione del DNA nelle cellule microgliali. D’altra parte, è stato dimostrato un effetto diretto dell’endotossina sulla metilazione del DNA nella microglia nei topi C57BL/6 adulti (4-6 mesi). La stimolazione della microglia primaria murina con l’endotossina ha ridotto la metilazione del promotore di IL-1β, contribuendo ad un aumento dell’espressione genica di IL-1β e della produzione intracellulare di IL-1β,il che suggerisce che la ME, soprattutto negli anziani, può disturbare la metilazione del DNA di IL-1β, portando a disfunzione microgliale.

MicroRNA

I microRNA (miRNA) sono piccoli RNA non codificanti che regolano l’espressione genica riconoscendo sequenze affini e interferendo con i processi trascrizionali, traslazionali o epigenetici. Sono brevi molecole di RNA di lunghezza compresa tra 19 e 22 nucleotidi che svolgono un ruolo cruciale nel silenziamento genico posttrascrizionale prendendo di mira più geni situati all’interno della stessa via di segnalazione cellulare. I miRNA influenzano molti processi neurobiologici, come la crescita e la proliferazione cellulare, l’apoptosi, la differenziazione dei tessuti e lo sviluppo embrionale, e si prevede che regolino fino al 90% dei geni umani. Prove crescenti indicano che i miRNA sono regolatori essenziali che mediano l’attivazione, la polarizzazione e l’autofagia della microglia e, quindi, possono influenzare la neuroinfiammazione. I miRNA possono regolare la neuroinfiammazione mediata dalla microglia prendendo di mira le vie di segnalazione cellulare rilevanti, e esempi degni di nota coinvolti nell’attivazione microgliale e più fortemente associati alle vie proinfiammatorie includono miR-155, miR-146a, miR-124 e miR689. Al contrario, MiR-711 e miR-145 mediano fortemente le vie antinfiammatorie nella microglia. L’effetto dell’endotossina sulla regolazione dei miRNA nella microglia è ben evidenziato, sebbene riguardi principalmente la regolazione dei miRNA nella polarizzazione di microglia e macrofagi. Diversi miRNA regolano la segnalazione delle cellule immunitarie in seguito alla sfida con endotossine. È stata dimostrata la sovraregolazione di miR146a indotta dall’endotossina NFκB-dipendente nei monociti umani, fondamentale per la tolleranza immunitaria indotta dall’endotossina. A sua volta, miR-155 è sovraregolato nelle cellule microgliali, che passano dallo stato di riposo allo stato innescato dopo il trattamento con endotossina. miR-155 prende di mira e sopprime diversi mediatori TLR4 a valle, regolando l’infiammazione e la tolleranza alle endotossine nelle cellule microgliali BV2. Allo stesso modo, le cellule microgliali N9 stimolate con l’endotossina entrano nello stato innescato, confermato da una fagocitosi potenziata, dall’attivazione dell’inflammasoma NLRP3, da miR-155 e miR-146a sovraregolati e da miR-124 sottoregolati. È interessante notare che il processo è replicato negli esosomi derivati ​​dalle cellule N9, contribuendo probabilmente alla regolazione della risposta infiammatoria delle cellule riceventi e ai processi di diffusione.

Modifiche degli istoni

Le proteine ​​istoniche sono bobine attorno alle quali si avvolge il DNA, creando un’unità nucleosoma strutturale. Ciascuna unità comprende due copie degli istoni canonici H3, H4, H2A, H2B6 e il linker istonico H1/H5. Gli istoni possono essere soggetti a modifiche, come acetilazione, metilazione, ubiquitinazione, fosforilazione, sumoilazione, adenilazione e glicosilazione, che svolgono un ruolo essenziale nell’insorgenza e nella progressione della neurodegenerazione. L’acetilazione degli istoni, supervisionata dalle istone acetiltransferasi (HAT), riduce l’affinità tra i filamenti di DNA e gli istoni, causando l’allentamento della struttura della cromatina e facilitando il legame dei fattori di trascrizione al DNA, attivando infine la trascrizione genica. Al contrario, la deacetilazione degli istoni, effettuata dalle deacetilasi degli istoni (HDAC), si basa sulla rimozione dell’acetile

gruppi dagli istoni, restringendo la struttura della cromatina e inibendo la trascrizione genetica. Entrambi questi processi forniscono plasticità sinaptica, funzioni cognitive ed elaborazione della memoria. L’acetilazione dell’istone indotta da endotossine nella linea cellulare microgliale murina BV2 fornisce feedback e attenua le risposte infiammatorie indotte dalle citochine. Inoltre, la sfida con endotossina ha indotto l’espressione del gene soppressore della segnalazione delle citochine 3 (SOCS-3) attraverso l’acetilazione dell’istone H3 e H4 di SOCS-3, promuovendo la rapida attivazione delle vie di segnalazione MAPK (ERK1/2, p38 e JNK) , l’induzione di IL-10 e la successiva attivazione di STAT-3.

Modifiche istoniche indotte da endotossine e risposte infiammatorie risultanti

Le modifiche degli istoni, in particolare l’acetilazione e la metilazione, sono essenziali per la regolazione dell’espressione genica e della struttura della cromatina. L’acetilazione dell’istone, governata dalle istone acetiltransferasi (HAT), facilita la trascrizione genetica allentando la struttura della cromatina, rendendola più accessibile per i fattori di trascrizione. D’altra parte, le deacetilasi istoniche (HDAC) rimuovono i gruppi acetile, restringendo la struttura della cromatina e reprimendo la trascrizione genetica. L’equilibrio tra HAT e HDAC è cruciale per il mantenimento di modelli di espressione genica e funzioni cellulari adeguati.

Acetilazione degli istoni

È stato dimostrato che l’endotossina influenza l’acetilazione degli istoni nelle cellule microgliali. Ad esempio, nella linea cellulare microgliale murina BV2, l’esposizione all’endotossina porta all’acetilazione degli istoni H3 e H4 nella regione del promotore del gene soppressore della segnalazione delle citochine 3 (SOCS-3). Questa acetilazione promuove l’espressione di SOCS-3, che a sua volta attenua le risposte infiammatorie indotte dalle citochine. L’induzione di SOCS-3 da parte dell’endotossina comporta la rapida attivazione delle vie di segnalazione MAPK, inclusi ERK1/2, p38 e JNK, nonché la successiva attivazione del fattore di trascrizione STAT-3. Questo meccanismo di regolazione evidenzia la complessa interazione tra la segnalazione dell’endotossina e le modifiche epigenetiche, che possono avere implicazioni significative per la risposta infiammatoria e la neurodegenerazione.

Metilazione degli istoni

La metilazione degli istoni, un’altra modifica critica, è regolata dalle istone metiltransferasi (HMT) e dalle demetilasi. La metilazione può attivare o reprimere la trascrizione genica a seconda dello specifico residuo istonico che viene metilato. L’esposizione all’endotossina può anche influenzare i modelli di metilazione degli istoni, influenzando così l’espressione genica e le risposte cellulari. Ad esempio, l’attivazione della microglia indotta dall’endotossina può portare a cambiamenti nella metilazione dell’istone H3 alla lisina 27 (H3K27me3), un segno associato alla repressione genica. Questa modifica può influenzare l’espressione dei geni coinvolti nell’infiammazione e nella neurodegenerazione, evidenziando ulteriormente il ruolo dei meccanismi epigenetici nell’attivazione microgliale indotta dall’endotossina.

Conclusione

La complessa interazione tra endotossiemia metabolica (ME) e neurodegenerazione è un processo sfaccettato che coinvolge vari fattori, tra cui la dieta, il microbiota intestinale, l’infiammazione sistemica e le modificazioni epigenetiche. La ME, caratterizzata da un aumento dei livelli di endotossine nel sangue, può avere un impatto significativo sul sistema nervoso centrale (SNC) promuovendo l’infiammazione sistemica e la neuroinfiammazione. Il trasferimento dell’endotossina dall’intestino al flusso sanguigno e la sua successiva interazione con la barriera ematoencefalica (BBB) ​​possono portare ad un aumento della permeabilità e dell’infiammazione, contribuendo ai processi neurodegenerativi.

L’endotossina, in quanto potente molecola proinfiammatoria, può attivare la microglia, le cellule immunitarie residenti del sistema nervoso centrale, portando alla produzione di citochine e chemochine proinfiammatorie. Questa attivazione è influenzata da vari fattori, tra cui la dieta, la composizione del microbiota intestinale e l’infiammazione sistemica. L’impatto dell’endotossina sull’attivazione microgliale è ulteriormente modulato da meccanismi epigenetici, come la metilazione del DNA, le modifiche degli istoni e i microRNA, che possono influenzare l’espressione genica e le risposte cellulari.

Comprendere l’intricata relazione tra ME, endotossina e neurodegenerazione è cruciale per lo sviluppo di nuove strategie terapeutiche volte a mitigare l’impatto dell’infiammazione sistemica sul sistema nervoso centrale. I potenziali interventi potrebbero includere modifiche della dieta, trattamenti probiotici per ripristinare l’equilibrio del microbiota intestinale e agenti farmacologici mirati a specifici percorsi infiammatori e regolatori epigenetici.

Sono necessarie ulteriori ricerche per chiarire i meccanismi precisi attraverso i quali l’endotossina e la ME contribuiscono alle malattie neurodegenerative e per identificare nuovi bersagli terapeutici. La crescente prevalenza di disturbi metabolici e malattie neurodegenerative sottolinea l’importanza di affrontare le cause alla base dell’infiammazione sistemica e il suo impatto sulla salute del cervello. Migliorando la nostra comprensione di queste complesse interazioni, possiamo aprire la strada a trattamenti più efficaci e misure preventive per combattere la crescente ondata di malattie neurodegenerative in una popolazione che invecchia.


link di riferimento: https://www.mdpi.com/1422-0067/25/13/7006

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