Il doppio ruolo dello zinco e del rame nella neurodegenerazione: un’analisi approfondita delle loro implicazioni fisiologiche e patofisiologiche

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SezioneConcetti chiaveDettagli
introduzioneImportanza di Zn e CuRuoli nella funzione cerebrale, plasticità sinaptica, formazione della memoria
Ruoli di Zn e Cu nel cervelloDistribuzione e funzioniZn nell’ippocampo, nell’amigdala, nella corteccia cerebrale; Cu nel talamo, nella substantia nigra, nello striato
Ruoli fisiologiciZn come cofattore, molecola segnalatrice; Cu nella sintesi dei neurotrasmettitori, omeostasi del ferro
Meccanismi di omeostasiTrasportatori di Zn (ZnT, ZIP), trasportatori di Cu (ATP7A, ATP7B, CTR1)
Condizioni patologicheNeurodegenerazione dopo ischemiaAccumulo di zinco, vie di morte cellulare
Patogenesi della VTDIncidenza, fattori di rischio, disfunzione cognitiva post-ictus
Neurotossicità indotta da ZnMeccanismi, modello cellulare GT1-7, stress ER, percorso SAPK/JNK, disfunzione mitocondriale
Neurotossicità da Zn potenziata da CuProduzione di ROS, sovraregolazione genica, ruolo degli antiossidanti
Coinvolgimento dell’omeostasi del CaInterruzione dell’omeostasi del Ca2+Effetti della depolarizzazione, inibitori dei canali del Ca2+
Schema ipoteticoPercorsi molecolariStress ER, percorso SAPK/JNK, insufficienza energetica mitocondriale, produzione di ROS, interruzione dell’omeostasi del Ca
Sostanze protettiveAgenti neuroprotettiviPiruvato di sodio, carnosina, seleno-L-metionina, regolatori dell’omeostasi del Ca
Direzioni futureRicerca e strategie terapeuticheMeccanismi di omeostasi di Zn e Cu, nuovi agenti neuroprotettivi, applicazioni cliniche

Sia lo zinco (Zn) che il rame (Cu) sono elementi essenziali per la maggior parte degli organismi e svolgono ruoli critici nella normale funzione cerebrale. Lo Zn è immagazzinato nelle vescicole presinaptiche dei neuroni glutamatergici e viene secreto da queste vescicole nelle fessure sinaptiche insieme al glutammato durante l’eccitazione neuronale. Lo Zn secreto agisce come un neuromodulatore endogeno per l’elaborazione delle informazioni; contribuisce alla plasticità sinaptica e alla formazione della memoria. Anche il Cu viene secreto nelle fessure sinaptiche e modula le informazioni neuronali, in modo simile allo Zn. Pertanto, sia lo Zn secreto che il Cu regolano l’eccitabilità neuronale complessiva; regolano anche l’omeostasi del calcio (Ca) in normali condizioni fisiologiche.

Tuttavia, nonostante la loro importanza, l’eccesso di Zn e Cu è neurotossico. Prove crescenti suggeriscono che la disomeostasi di questi metalli è coinvolta nella patogenesi di varie malattie neurodegenerative, tra cui il morbo di Alzheimer, le malattie da prioni, il morbo di Parkinson, la demenza con corpi di Lewy, la sclerosi laterale amiotrofica, la malattia di Wilson e la malattia di Menkes. In particolare, è ampiamente accettato che l’eccesso di Zn, che viene secreto nelle sinapsi in condizioni di ischemia globale transitoria, causi neurodegenerazione e possa innescare la patogenesi della demenza senile di tipo vascolare (VTD).

Questo articolo esamina i ruoli fisiologici e patofisiologici di Zn e Cu nella sinapsi e discute il coinvolgimento dell’omeostasi del Ca e di altri processi neurodegenerativi nella neurotossicità indotta da Zn potenziata da Cu, nonché il loro legame con la patogenesi della VTD.

Ruoli di Zn e Cu nel cervello

Lo Zn è il secondo elemento essenziale più abbondante nel corpo. Il corpo umano contiene circa 2 g di Zn, che è distribuito principalmente nel sangue, nei reni, nel fegato, nelle ossa e nel cervello. Lo zinco agisce come cofattore per più di 300 enzimi o metalloproteine ​​ed è coinvolto in importanti funzioni biologiche come la divisione cellulare mitotica, la crescita cellulare, le risposte immunitarie, la sintesi proteica e la sintesi di DNA/RNA. La carenza di zinco provoca vari sintomi avversi come risposte immunitarie compromesse, disturbi della pelle e ritardo della crescita. Inoltre, prove crescenti suggeriscono che lo Zn agisce come una molecola di segnalazione, simile al Ca. Le vie di segnalazione dello zinco sono state implicate in varie funzioni biologiche, tra cui le risposte immunitarie, la fecondazione e la divisione cellulare.

La segnalazione di Zn è osservata anche nel cervello. Zn è presente alle concentrazioni più elevate nell’ippocampo, nell’amigdala, nella corteccia cerebrale, nel talamo e nella corteccia olfattiva. Sebbene la maggior parte di Zn sia fortemente legata a metalloproteine ​​o enzimi, una quantità relativamente grande di Zn (circa il 10% o più) esiste nelle vescicole presinaptiche dei neuroni eccitatori del glutammato, sia come ioni Zn liberi (Zn2+) sia in forme debolmente legate. Durante l’eccitazione neuronale, lo Zn sinaptico viene secreto dalle vescicole presinaptiche nelle fessure sinaptiche insieme al glutammato. Questo Zn secreto si lega, secondo quanto riferito, ai recettori del glutammato di tipo N-metil-D-aspartato (NMDA) (NMDA-R) e ne inibisce le funzioni. Morabito et al. hanno riferito che lo Zn secreto modula le funzioni dendritiche tramite NMDA-R in modo dipendente dall’attività. Zn si lega anche ad altri recettori, tra cui i recettori del glutammato di tipo ammino-3-idrossi-5-metil-4-isoxazolopropionico (AMPA) (AMPA-R), i recettori dell’acido γ-amminobutirrico (GABA), i recettori della glicina e i recettori purinergici di tipo P2. Inoltre, Zhang et al. hanno dimostrato la comparsa di cambiamenti spontanei e sincroni nei livelli intracellulari di Zn2+ ([Zn2+]i) (vale a dire, picchi di Zn) nei neuroni ippocampali coltivati. I picchi di Zn sono correlati con cambiamenti oscillatori simili nei livelli intracellulari di Ca2+ ([Ca2+]i) (vale a dire, picchi di Ca2+), che regolano la maturazione delle sinapsi e la differenziazione neuronale. Pertanto, lo Zn sinaptico agisce come un neuromodulatore endogeno che fornisce informazioni spaziotemporali sulla plasticità neuronale ed è essenziale per la formazione della memoria. In effetti, lo Zn ippocampale è essenziale per l’induzione della potenzializzazione a lungo termine (LTP), una forma di immagazzinamento di informazioni sinaptiche che è diventata un paradigma ben noto per i meccanismi alla base della formazione della memoria. In linea con queste scoperte, la carenza di Zn nell’infanzia causa uno sviluppo mentale ritardato e difficoltà di apprendimento. Negli adulti, la carenza di Zn causa disturbi dell’olfatto, disturbi del gusto, disturbi del condizionamento della paura e attività emotiva correlata. Inoltre, la carenza di Zn può causare crisi epilettiche, epilessia o convulsioni. I livelli sierici di Zn sono segnalati come più bassi nei bambini con convulsioni febbrili.

Il Cu è il terzo elemento essenziale più abbondante nel corpo. Nel cervello, il Cu è localizzato nel talamo, nella substantia nigra, nello striato e nell’ippocampo. Il Cu agisce come cofattore di vari enzimi, tra cui il citocromo C, la lisil ossidasi, l’uricasi, la dopamina idrossilasi e la tirosinasi. Svolge anche un ruolo centrale nella sintesi e nella mielinizzazione dei neurotrasmettitori. Il Cu è coinvolto anche nell’omeostasi del ferro (Fe) poiché la ceruloplasmina, una proteina legante il Cu, agisce come una ferrossidasi che converte Fe2+ in Fe3+. Inoltre, sia Cu che Zn sono neuroprotettivi contro le specie reattive dell’ossigeno (ROS) perché entrambi gli elementi sono componenti della superossido dismutasi Cu/Zn. Simile allo Zn, il Cu è localizzato nella sinapsi e può essere secreto nelle fessure sinaptiche durante l’attivazione neuronale. Il Cu secreto regola l’eccitabilità neuronale legandosi a NMDA-R e AMPA-R.

Si suggerisce che Zn e Cu modulino l’eccitabilità neuronale in modo bifasico dose-dipendente. Delgado et al. ha rivelato le funzioni bifasiche di Zn e Cu, segnalando che i tassi di attivazione neuronale aumentano dopo l’esposizione a livelli nanomolari di Zn e Cu ma diminuiscono dopo l’esposizione a concentrazioni micromolari. I livelli di Zn e Cu nella sinapsi sono quindi critici. In particolare, le concentrazioni di Cu e Zn nel liquido cerebrospinale (CSF) negli individui sani sono inferiori a 1 µM. Tuttavia, la fessura sinaptica è un piccolo compartimento concettualizzato come un cilindro con un raggio di 120 nm e un’altezza di 20 nm, e si stima che il volume totale delle fessure sinaptiche rappresenti circa l’1% dello spazio extracellulare del cervello, che è simile al volume del liquido cerebrospinale. È quindi possibile che le concentrazioni di Cu e Zn nelle sinapsi siano molto più elevate di quelle del liquido cerebrospinale. Sebbene i livelli sinaptici di Zn e Cu rimangano controversi, Vogt et al. stimato che le concentrazioni di Zn nelle sinapsi siano 1–100 µM. Kardos et al. hanno riferito che circa 100 µM Cu vengono rilasciati nella fessura sinaptica utilizzando la spettroscopia di assorbimento atomico. Al contrario, uno studio utilizzando una sonda fluorescente sensibile al Cu ha dimostrato che circa 3 µM di Cu vengono rilasciati nella fessura sinaptica.

Nonostante la loro abbondanza nella sinapsi, l’eccesso di Zn e Cu è neurotossico. In particolare, l’eccesso di Cu produce ROS ed è altamente neurotossico perché il Cu è un metallo redox-attivo che esiste come Cu2+ ossidato e Cu+ ridotto. Pertanto, le concentrazioni di Zn e Cu devono essere controllate con precisione. L’omeostasi dello Zn è regolata dalle metallotioneine (MT) e dai trasportatori di Zn. Le MT possiedono sette siti di legame per Zn, Cu, cadmio (Cd) e altri metalli e regolano la detossificazione di questi elementi. Sebbene MT-1 e MT-2 siano ubiquitariamente presenti nel corpo, MT-3 è prevalentemente presente nei neuroni o nella glia. Esistono due tipi di trasportatori di Zn: il trasportatore ZnT e il trasportatore di proteine ​​simili a Zrt/Irt (ZIP). I trasportatori ZnT esportano Zn dal citosol allo spazio extracellulare, mentre i trasportatori ZIP controllano l’afflusso di Zn nelle cellule o negli organelli subcellulari. Dei 10 trasportatori ZnT nei mammiferi, ZnT-3 è fondamentale per l’accumulo di Zn nelle vescicole sinaptiche. Inoltre, ZnT-1 è ampiamente espresso in tutto il corpo; svolge un ruolo fondamentale nell’efflusso di Zn e protegge dalla tossicità di Zn. L’elevato livello di Zn causa la sovraregolazione di ZnT-1 e la traslocazione di ZnT-1 sulla membrana plasmatica. È interessante notare che ZnT-1 possiede altre funzioni neuronali oltre alla rimozione di Zn. ZnT-1 è localizzato nelle membrane postsinaptiche, dove si lega a NMDA-R e ne regola le funzioni. ZnT-1 si lega anche ai canali del Ca2+ voltaggio-dipendenti di tipo L (L-VGCC) e ne inibisce le funzioni. ZnT-1 attiva anche i canali del Ca2+ di tipo T. Nel frattempo, dei 14 trasportatori ZIP nei mammiferi, ZIP4 regola prevalentemente l’afflusso intracellulare di Zn nel cervello. Si dice che ZIP4 sia presente sia nei neuroni che nelle sinapsi.

L’omeostasi del Cu è controllata dai trasportatori del Cu come l’ATPasi che trasporta il rame alfa (ATP7A), l’ATPasi che trasporta il rame beta (ATP7B) e il trasportatore del rame 1 (CTR1). I disordini genetici dell’ATP7B causano un eccesso di Cu e innescano la patogenesi della malattia di Wilson, mentre i disordini genetici dell’ATP7A causano una carenza di Cu nella malattia di Menkes. ATP7A e ATP7B sono localizzati prevalentemente nell’apparato del Golgi e ATP7A è implicato nel trasporto assonale e nella sinaptogenesi. CTR1, che regola l’afflusso di Cu+, sarebbe localizzato nella sinapsi.

Studi recenti hanno suggerito che diverse proteine ​​correlate a malattie neurodegenerative sono localizzate nelle sinapsi e regolano l’omeostasi dei metalli. Si ritiene che l’accumulo di proteina β-amiloide e la neurotossicità ad esso associata svolgano un ruolo fondamentale nella patogenesi della malattia di Alzheimer. La sua proteina precursore, la proteina precursore dell’amiloide (APP), può legarsi a Zn, Cu e Fe e regolare l’omeostasi dei metalli. L’APP ha anche la capacità di ridurre Cu2+ a Cu+. Inoltre, la conversione conformazionale della proteina prionica cellulare normale (PrPC) nella sua forma patogena (PrPSC) è alla base della patogenesi delle malattie da prioni come la malattia di Creutzfeldt-Jakob, la scrapie e l’encefalopatia spongiforme bovina. La PrPC è una proteina legante i metalli che si lega a Cu, Zn e Fe ed è implicata nell’afflusso di Cu e Fe. È interessante notare che esiste una somiglianza evolutiva tra le sequenze PrPC e ZIP. Il PrPC è localizzato nelle membrane postsinaptiche, dove si lega con AMPA-R, agisce come un sensore di Zn nella sinapsi e regola l’afflusso di Zn. PrPC regola anche le funzioni di NMDA-R e AMPA-R in modo diverso in modo Cu-dipendente.

Questi risultati illustrano i possibili ruoli di Zn e Cu secreti nella sinapsi in normali condizioni fisiologiche. Zn e/o Cu vengono secreti nella fessura sinaptica durante l’eccitazione neuronale insieme al glutammato. Il glutammato, un neurotrasmettitore eccitatorio, si lega ai suoi recettori e induce l’afflusso di Ca nei neuroni postsinaptici. Lo Zn secreto inibisce l’NMDA-R, controlla la sovraeccitazione e mantiene i livelli di [Ca2+]i. Inoltre, livelli aumentati di Zn inducono la sovraregolazione di ZnT-1 e l’accumulo di ZnT-1 nelle membrane sinaptiche. Successivamente, ZnT-1 controlla NMDA-R e L-VGCC per sopprimere l’aumento di [Ca2+]i. Il Cu secreto si lega anche all’NMDA-R e ne inibisce la funzione. Inoltre, il Cu si lega alla PrPC e regola diversamente NMDA-R e AMPA-R. È anche possibile che MT-3 e carnosina (β-alanil istidina) si leghino a questi metalli e regolino l’omeostasi di Zn e Cu nella sinapsi. Sia il glutammato che lo Zn (o Cu) vengono simultaneamente secreti nelle fessure sinaptiche e si riversano diffusamente nelle sinapsi vicine e successivamente trasferiscono le informazioni sull’attivazione neuronale. Questo spillover di Zn e Cu può quindi inibire o attivare l’attivazione neuronale in modo bifasico, a seconda delle loro concentrazioni. È quindi possibile che Zn e Cu collaborino nella sinapsi per regolare l’eccitabilità complessiva e mantenere i livelli di Ca. Zn e Cu secreti possono essere rapidamente rimossi dalla sinapsi. ZIP4 ricapta lo Zn secreto, che viene poi trasferito alle vescicole presinaptiche tramite ZnT-3. Allo stesso modo, CTR1 ricapta il Cu secreto una volta che è stato ridotto a Cu+ dall’APP. È quindi improbabile che concentrazioni eccessive di Zn e Cu coesistano nella stessa sinapsi in condizioni normali.

Zn e Cu in condizioni patologiche

Si ritiene che l’eccesso di Zn svolga un ruolo centrale nella neurodegenerazione dopo un’ischemia globale transitoria e, infine, nella patogenesi della VTD. L’incidenza della demenza di tipo senile aumenta con l’età e si stima che colpirà più di sette milioni di persone in Giappone nel 2025, un numero che aumenta ogni anno. La VTD è responsabile di circa un terzo di tutti i casi di demenza di tipo senile. La VTD è una malattia cerebrovascolare degenerativa; i suoi fattori di rischio includono l’invecchiamento, il sesso (maschile), il diabete e l’ipertensione. Il tipo più comune di VTD è causato da una serie di piccoli ictus o ischemia. Dopo un’ischemia globale transitoria o un ictus, si verifica l’interruzione del flusso sanguigno e la conseguente deprivazione di ossigeno e glucosio, inducendo così una depolarizzazione di lunga durata della membrana su ampie regioni del cervello. Successivamente, l’eccessivo rilascio di glutammato nelle fessure sinaptiche provoca la sovrastimolazione dei suoi recettori e il conseguente ingresso di grandi quantità di Ca2+ nei neuroni sensibili al glutammato. Ciò innesca quindi la morte ritardata di popolazioni vulnerabili di neuroni nell’ippocampo o nella corteccia cerebrale. Lo sviluppo di un infarto e la conseguente disfunzione cognitiva segnano la patogenesi della VTD negli anziani. In particolare, circa il 30% dei pazienti affetti da ictus mostra sintomi di demenza entro 3 mesi dall’ictus iniziale.

Nel 1996 Koh et al. riferito che lo Zn si accumula all’interno dei corpi cellulari dei neuroni degenerati in seguito a un’ischemia globale transitoria. La somministrazione di acido Ca etilendiamminotetraacetico (Ca EDTA), un chelante Zn impermeabile alla membrana, protegge i neuroni dell’ippocampo dopo un’ischemia globale transitoria e riduce i volumi dell’infarto. In condizioni ischemiche, un aumento di [Zn2+]i (vale a dire, traslocazione di Zn) si verifica nei neuroni vulnerabili nelle regioni dell’ippocampo CA1 o CA3 prima dell’inizio della morte neuronale ritardata dopo un’ischemia globale transitoria. Questa traslocazione di Zn è l’evento principale nel percorso della morte neuronale indotta da Zn. Sensi et al. hanno utilizzato un colorante fluorescente sensibile allo Zn per rivelare le tre principali vie di traslocazione dello Zn nei neuroni corticali in coltura: L-VGCC, NMDA-R e recettori AMPA/kainite di tipo kainite permeabili al Ca2+ (Ca-A/KR). In condizioni fisiologiche normali, la maggior parte dei neuroni dell’ippocampo esprimono A/KR, che sono composti da quattro subunità (da GluR1 a GluR4) e sono scarsamente permeabili a Ca2+ e Zn2+. Tuttavia, in condizioni ischemiche, vi è una riduzione acuta dell’espressione della subunità GluR2 nell’ippocampo e l’AMPA-R privo di subunità GluR2 diventa più permeabile al Ca2+ e allo Zn2+ nei neuroni vulnerabili. Successivamente, la comparsa di canali Ca-A/K provoca un aumento della permeabilità del Ca2+ e ne aumenta la tossicità. La permeabilità del Ca2+ attraverso Ca-A/KR è maggiore di quella attraverso i canali NMDA-R o L-VGCC. Pertanto, l’espressione dei canali Ca-A/K – e l’ingresso di Ca2+ e Zn2+ attraverso questi canali – è un mediatore della morte neuronale ritardata dopo ischemia. Lo Zn è stato anche implicato nella regolazione trascrizionale dei canali Ca-A/K e il Ca EDTA può attenuare la downregulation indotta dall’ischemia del gene che codifica per GluR2. Queste interazioni di Zn e Cu nella sinapsi patologica sono illustrate nella Figura 1B.

In condizioni di ischemia globale transitoria, si verifica un’eccitazione neuronale diffusa e duratura nel cervello. Ciò determina la coesistenza di eccesso di Cu e eccesso di Zn nelle stesse sinapsi, sebbene ciò sia raro in normali condizioni fisiologiche a causa della rapida rimozione dalla sinapsi. Dato che il Cu aumenta la morte neuronale indotta da Zn, è possibile che Zn e Cu possano collaborare per causare la morte neuronale e, in ultima analisi, la patogenesi della VTD, in condizioni ischemiche. In linea con questa idea, si dice che il Cu sierico sia associato a ictus ischemico.

Caratteristiche della neurotossicità indotta da Zn e della neurotossicità da Zn potenziata da Cu

Comprendere i meccanismi molecolari della morte neuronale indotta da Zn è fondamentale considerando l’importanza di Zn nella patogenesi della VTD. A tal fine, è stato sviluppato un sistema modello in vitro che utilizza cellule GT1-7 (una linea cellulare neuronale ipotalamica immortalizzata). Le cellule GT1-7 sono state originariamente sviluppate da Mellon et al. prendendo di mira geneticamente la tumorigenesi dei neuroni ipotalamici del topo. Queste cellule possiedono caratteristiche neuronali come l’estensione dei neuriti, la secrezione dell’ormone di rilascio delle gonadotropine (GnRH) e l’espressione di proteine ​​o recettori specifici dei neuroni (tra cui la proteina 2 associata ai microtubuli, la proteina tau, il neurofilamento, la sinaptofisina, i recettori GABAA, i recettori della dopamina e i canali del Ca2+ di tipo L). Tuttavia, l’eccesso di glutammato non causa la morte delle cellule GT1-7 perché queste cellule mancano o hanno una bassa espressione dei recettori del glutammato. Al contrario, lo Zn causa la morte delle cellule GT1-7 in modo dose- e tempo-dipendente e le cellule GT1-7 degenerate presentano etichettatura terminale deossinucleotidil transferasi-mediata da biotinilato dUTP nick-end (TUNEL) e frammentazione del DNA. Inoltre, le cellule GT1-7 sono molto sensibili allo Zn rispetto ad altre cellule neuronali, inclusi i neuroni ippocampali coltivati ​​primari e le cellule PC12. Queste proprietà rendono la linea cellulare GT1-7 un eccellente sistema modello per indagare la neurotossicità indotta da Zn.

Sono state esplorate le caratteristiche dettagliate della morte indotta da Zn nelle cellule GT1-7. I risultati farmacologici hanno rivelato che diverse sostanze, tra cui il piruvato di sodio e l’o-fenantrolina (un chelante dello Zn), attenuano la vitalità delle cellule GT1-7 dopo l’esposizione allo Zn. Al contrario, gli antagonisti o gli agonisti dei neurotrasmettitori eccitatori (D-APV, glutammato e CNQX) o dei neurotrasmettitori inibitori (bicucullina, muscimolo, baclofene e GABA) non attenuano la vitalità delle cellule GT1-7. È stato valutato il coinvolgimento di altri ioni metallici nella neurotossicità indotta da Zn e la coesistenza di ioni Cu2+ o nichel (Ni2+) esacerba significativamente la neurotossicità indotta da Zn nelle cellule GT1-7. La Figura 2A mostra la curva dose-risposta della vitalità cellulare dopo 24 ore di esposizione a ZnCl2 con o senza 20 µM di CuCl2. Sebbene le cellule GT1-7 estendano i neuriti in condizioni di controllo, si possono osservare retrazione dei neuriti e cellule degenerate dopo l’esposizione a 30 µM di ZnCl2. Al contrario, l’esposizione a 20 µM di CuCl2 non influisce sulla vitalità o sulla morfologia cellulare. Tuttavia, la coesistenza di 20 µM di Cu e 30 µM di Zn esacerba notevolmente la tossicità e la maggior parte delle cellule è notevolmente degenerata. Sono stati ulteriormente esaminati i percorsi molecolari della neurotossicità indotta da Zn potenziata da Cu (neurotossicità Cu/Zn). In un’analisi completa del microarray del DNA, si è scoperto che diversi geni erano sovraregolati dopo la coesposizione a Cu e Zn rispetto a Zn o Cu da soli. È stata utilizzata la reazione a catena della polimerasi con trascrizione inversa (RT-PCR) per studiare l’espressione dettagliata di tali geni.

Dopo l’esposizione al solo Zn, l’espressione di geni legati ai metalli (ZnT1, MT1 e MT2), geni legati allo stress ER (proteina omologa della proteina legante il potenziatore CCAAT [CHOP], arresto della crescita e gene che induce il danno al DNA 34 [GADD34], fattore di trascrizione attivante 4 [ATF4], proteina legante le immunoglobuline [BIP], proteina α-mannosidasi-simile che potenzia la degradazione dell’ER [EDEM], proteina legante X-box spliced-1 [sXBP1], proteina regolata dal glucosio 94 [GRP94] e la proteina disolfuro isomerasi [PDI]) e i geni correlati alla plasticità sinaptica (proteina del citoscheletro correlata all’attività [Arc]) sono sovraregolati. Al contrario, l’esposizione al solo Cu2+ non induce cambiamenti significativi in ​​nessuno di questi geni. In particolare, le cellule coesposte a Cu e Zn mostrano un aumento sinergico dei livelli di espressione di ATF4, CHOP e GADD34. Questi risultati indicano che la via dello stress ER è coinvolta nella neurotossicità Cu/Zn. La via dello stress del RE, che compromette la funzione del RE e porta all’accumulo di proteine ​​spiegate o mal ripiegate, è stata implicata in molte malattie neurodegenerative, tra cui il morbo di Alzheimer, il morbo di Parkinson e l’ischemia cerebrale. Lo stress del RE è mediato da tre sensori incorporati nella membrana del RE: la chinasi eIF2a del reticolo endoplasmatico simile a PKR (PERK), l’inositolo che richiede l’enzima 1 (IRE1) e il fattore di trascrizione attivante 6 (ATF6). Dei tre assi della via dello stress ER, è possibile che l’asse ATF4/CHOP/GADD34 sia responsabile della neurotossicità Cu/Zn poiché i geni correlati al ramo PERK (ATF4, CHOP e GADD34) sono sovraregolati. Nel ramo PERK, ATF4 induce CHOP, che poi innesca un percorso apoptotico intrinseco, comprese le cascate di caspasi. Successivamente, CHOP induce la proteina GADD34 (subunità regolatrice 15A della proteina fosfatasi 1). Il dantrolene, un inibitore della via dello stress ER, attenua sia la neurotossicità Cu/Zn che la neurotossicità indotta da Zn. La carnosina attenua la neurotossicità indotta dallo Zn così come la neurotossicità causata dagli induttori di stress ER, come la tapsigargina e la tunicamicina.

Con la coesposizione di Cu e Zn, è stata osservata anche la sovraregolazione dei geni correlati al pathway di segnalazione della proteina chinasi attivata dallo stress/chinasi aminoterminale c-Jun (SAPK/JNK). Inoltre, la neurotossicità di Cu/Zn è attenuata da SP600125, un inibitore del pathway di segnalazione SAPK/JNK. Questo pathway di segnalazione svolge un ruolo importante nella morte cellulare apoptotica, nella necrosi e nell’autofagia.

È stato scoperto che il piruvato di sodio attenua sia la neurotossicità Cu/Zn che la neurotossicità Zn. L’acido piruvico sopprime il danno mitocondriale indotto da Zn nelle cellule GT1-7. L’acido piruvico è un importante acido organico coinvolto in vari percorsi metabolici, come la glicolisi e il ciclo dell’acido tricarbossilico. Si ritiene che l’acido piruvico abbia un effetto protettivo nelle cellule neuronali perché migliora i livelli di energia tramite nicotinamide adenina dinucleotide (NAD+) ossidato cellulare e ATP. In particolare, si è anche riferito che l’acido piruvico attenua la morte indotta da Zn nei neuroni corticali coltivati. L’acido piruvico attenua anche la morte neuronale indotta da ischemia globale transitoria in vivo.

Antiossidanti come la proteina di fusione tioredossina-albumina umana (HSA-Trx) e la seleno-L-metionina (Se-Met) possono attenuare la neurotossicità Cu/Zn. Il Cu è un metallo attivo redox che può esistere come Cu2+ o Cu+, mentre lo Zn è un metallo attivo non redox. Mentre l’esposizione a Cu2+ provoca un aumento intracellulare dei ROS nelle cellule GT1-7, l’esposizione a Zn2+ non produce ROS né influenza la produzione di ROS indotta da Cu. Coerentemente con questi risultati, HSA-Trx inibisce la produzione di ROS e attenua la neurotossicità di Cu/Zn. Inoltre, la seleno-L-metionina induce la glutatione perossidasi e sopprime la neurotossicità Cu/Zn.

Coinvolgimento dell’omeostasi del Ca nella neurotossicità di Cu/Zn

Considerata l’importanza dell’omeostasi del Ca2+ in vari percorsi neurodegenerativi, gli effetti delle sostanze che influenzano [Ca2+]i sono stati esaminati utilizzando cellule GT1-7. L’aggiunta di 150 mM di KCl, che causa la depolarizzazione delle cellule GT1-7 e aumenta [Ca2+]i, esacerba sia la neurotossicità indotta da Zn sia la neurotossicità da Cu/Zn. La nimodipina, un bloccante dei canali del Ca2+ di tipo L, attenua sia la neurotossicità da Cu/Zn sia la neurotossicità da Zn. Questi risultati sono coerenti con precedenti scoperte secondo cui la neurotossicità da Zn nelle cellule PC-12 è attenuata dalla nimodipina e potenziata da S(−)-Bay K 8644 (un attivatore dei canali del Ca2+ di tipo L).

Inoltre, l’aggiunta di ioni di alluminio (Al3+) e ioni di gadolinio (Gd3+) attenua sia la neurotossicità Cu/Zn che la neurotossicità Zn. L’esposizione a Zn provoca un aumento di [Ca2+]i nelle cellule GT1-7 utilizzando un sistema di imaging video multi-sito ad alta risoluzione. L’analisi dettagliata di [Ca2+]i indotto da Zn ha rivelato che il pretrattamento di Al3+ ha bloccato in modo significativo gli aumenti di [Ca2+]i indotti da Zn. Al3+ inibisce vari tipi di canali Ca2+ come i canali Ca2+ di tipo N-, P-, Q- e L-, e Gd3+ è un bloccante dei canali cationici non selettivi o dei canali Ca2+ voltaggio-dipendenti. Sebbene Al sia una neurotossina, Al non influenza la vitalità cellulare in questa condizione sperimentale, probabilmente perché Al3+ precipita facilmente e non penetra facilmente nelle cellule. Questi risultati suggeriscono che l’aumento di [Ca2+]i aumenta sia la neurotossicità Cu/Zn che quella Zn, mentre la diminuzione di [Ca2+]i inibisce questa neurotossicità e che la disomeostasi del Ca2+ è criticamente coinvolta nei meccanismi di entrambe le neurotossicità.

Il meccanismo degli aumenti di [Ca2+]i indotti da Zn è importante. Vander Jagt et al. hanno rivelato che un aumento di [Zn2+]i causa un aumento di Ca2+ nei dendriti dei neuroni piramidali CA1. Diversi studi hanno suggerito il coinvolgimento di Zn nell’omeostasi del Ca. Schulien et al. hanno riferito che Zn attiva i canali del Ca2+ di tipo rianodinico. Inoltre, Zn regola i canali del K+ voltaggio-dipendenti, modula l’eccitabilità neuronale tramite diversi canali del Ca2+ e attiva i canali cationici denominati canali attivati ​​dallo zinco (ZAC).

Schema ipotetico della neurotossicità di Cu/Zn

Sulla base di questi risultati, viene proposto uno schema ipotetico riguardante i percorsi molecolari della neurotossicità Cu/Zn. Almeno cinque percorsi sono probabilmente coinvolti nella neurotossicità Cu/Zn: percorso dello stress ER, percorso SAPK/JNK, insufficienza energetica mitocondriale, produzione di ROS e interruzione dell’omeostasi del Ca.

Dopo l’esposizione a Zn, Zn2+ viene traslocato tramite Ca-A/KR, NMDA-R e L-VGCC insieme a Ca2+. L’aumento di [Zn2+]i innesca quindi le vie di segnalazione dello stress ER e di SAPK/JNK, portando a diverse vie apoptotiche. Dantrolene, un inibitore dello stress ER, e SP600125, un inibitore della via di segnalazione SAPK/JNK, possono attenuare la neurotossicità di Cu/Zn. Lo Zn inibisce anche il NAD+ e causa danno mitocondriale e impoverimento energetico. Il piruvato influenza questi percorsi e attenua la neurotossicità.

Inoltre, lo Zn provoca un aumento di [Ca2+]i, che poi innesca numerose vie neurodegenerative. L’esposizione ad alte concentrazioni di KCl, che causa la depolarizzazione neuronale e aumenta la [Ca2+]i, aumenta sia la neurotossicità del Cu/Zn che quella dello Zn. Gli inibitori dei canali del Ca2+, inclusi nimodipina, Al3+ e Gd3+, possono attenuare la neurotossicità bloccando l’aumento di [Ca2+]i indotto da Zn.

Esistono diverse possibilità riguardo al ruolo del Cu nella neurotossicità indotta dallo Zn. L’esposizione al Cu produce ROS. È ampiamente noto che i ROS inducono la via dello stress ER e le vie SAPK/JNK. Pertanto, il Cu esacerba la neurotossicità dello Zn attraverso l’induzione di queste vie neurodegenerative. Antiossidanti come HSA-Trx e seleno L-metionina (Se-Met) possono inibire la produzione di ROS e attenuare la neurotossicità di Cu/Zn. È anche possibile che il Cu possa influenzare la disomeostasi del Ca. Secondo quanto riferito, il Cu migliora l’eccitabilità neurale. Secondo quanto riferito, sia Zn che Cu causano il rilascio di Ca dal reticolo sarcoplasmatico. Inoltre, esistono strette connessioni tra stress ossidativo e omeostasi del Ca2+. Li et al. hanno dimostrato che i ROS indotti da Cu causano stress al RE attraverso un aumento di [Ca2+]i. Gli aumenti di [Ca2+]i causano probabilmente la produzione di ROS e viceversa e quindi innescano processi neurodegenerativi. Pertanto, Zn e Cu potrebbero collaborare per indurre la morte neuronale dopo l’ischemia attraverso queste vie neurodegenerative, contribuendo in definitiva alla patogenesi della VTD. È anche possibile che l’interruzione dell’omeostasi di Zn, Cu e/o Ca possa innescare altre malattie neurodegenerative come le malattie da prioni e il morbo di Alzheimer.

Le sostanze protettive contro la neurotossicità di Cu/Zn possono sopprimere la neurodegenerazione dopo un’ischemia globale transitoria e possono portare allo sviluppo di farmaci per la prevenzione o il trattamento della VTD. Carnosina e Se-Met sono focalizzati come neuroprotettori endogeni. Inoltre, le sostanze che regolano l’omeostasi del Ca forniranno buoni candidati per tali farmaci. Sono necessarie ulteriori ricerche sui meccanismi alla base dell’aumento di [Ca2+]i indotto da Zn.

Conclusione

Questa revisione completa evidenzia il duplice ruolo dello zinco (Zn) e del rame (Cu) nel cervello, sottolineando il loro significato fisiologico e le conseguenze patologiche della loro disomeostasi. Zn e Cu sono vitali per la normale funzione cerebrale, agendo come neuromodulatori e svolgendo ruoli cruciali nella plasticità sinaptica e nella formazione della memoria. Tuttavia, il loro accumulo eccessivo porta alla neurotossicità, contribuendo alla patogenesi di varie malattie neurodegenerative, tra cui la demenza di tipo vascolare (VTD), il morbo di Alzheimer, le malattie da prioni, il morbo di Parkinson e altre.

Zn è immagazzinato principalmente nelle vescicole presinaptiche e rilasciato nelle fessure sinaptiche durante l’eccitazione neuronale, dove modula i recettori dei neurotrasmettitori e l’eccitabilità neuronale. Analogamente, Cu, localizzato nella sinapsi, regola le funzioni neuronali interagendo con i recettori dei neurotrasmettitori. La natura bifasica degli effetti di Zn e Cu sull’eccitabilità neuronale sottolinea l’importanza di mantenere la loro omeostasi.

In condizioni patologiche, come l’ischemia globale transitoria, livelli eccessivi di Zn e Cu contribuiscono alla neurodegenerazione. Lo zinco si accumula nei neuroni, portando alla morte cellulare attraverso vari percorsi, tra cui lo stress ER, la disfunzione mitocondriale, la produzione di ROS e l’omeostasi del Ca interrotta. Il Cu esacerba la neurotossicità indotta dallo Zn migliorando la produzione di ROS e attivando le vie neurodegenerative.

La comprensione dei meccanismi molecolari della neurotossicità indotta dallo Zn e potenziata dal Cu fornisce preziose informazioni sulle potenziali strategie terapeutiche. Sostanze protettive come piruvato di sodio, carnosina e seleno-L-metionina si sono dimostrate promettenti nel mitigare la neurotossicità prendendo di mira i percorsi chiave. Inoltre, la regolazione dell’omeostasi del Ca emerge come un approccio fondamentale per prevenire la morte neuronale e sviluppare trattamenti per le malattie neurodegenerative.

La ricerca futura dovrebbe concentrarsi sulla spiegazione dei meccanismi precisi alla base dell’omeostasi di Zn e Cu nel cervello, esplorando nuovi agenti neuroprotettivi e indagando le loro applicazioni cliniche. Avanzando le nostre conoscenze in questo campo, è possibile sviluppare terapie efficaci per prevenire e curare le malattie neurodegenerative associate alla disomeostasi di Zn e Cu.


link di riferimento: https://www.mdpi.com/2218-273X/14/7/773

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