Azione sul DNA della cocaina e induzione di neurodegenerazione

 

 

LUDOVICA R. POGGI & DIANE RICHMOND

 

 

NOTE E NOTIZIE - Anno XVII – 19 dicembre 2020.

Testi pubblicati sul sito www.brainmindlife.org della Società Nazionale di Neuroscienze “Brain, Mind & Life - Italia” (BM&L-Italia). Oltre a notizie o commenti relativi a fatti ed eventi rilevanti per la Società, la sezione “note e notizie” presenta settimanalmente lavori neuroscientifici selezionati fra quelli pubblicati o in corso di pubblicazione sulle maggiori riviste e il cui argomento è oggetto di studio dei soci componenti lo staff dei recensori della Commissione Scientifica della Società.

 

 

[Tipologia del testo: RECENSIONE]

 

La cocaina è uno stimolante psicomotorio in grado di indurre tossicità per assunzione sia acuta[1] che cronica[2], e soprattutto tossicodipendenza, con conseguenze per la fisiologia del cervello e di tutto l’organismo. L’assunzione in gravidanza determina sicuramente danni al cervello fetale: il rapido passaggio attraverso la placenta e la barriera ematoencefalica del prodotto del concepimento, consente alla cocaina di raggiungere i suoi bersagli molecolari nel cervello in formazione, causando difetti di maturazione sinaptica postnatale e alterazioni comportamentali a lungo termine[3]. La patologia molecolare da assunzione cronica di cocaina e i meccanismi molecolari della dipendenza sono oggetto di studio da decenni ed è stata prodotta una copiosa mole di dati e nozioni che forniscono le basi patologiche delle numerose manifestazioni cliniche legate all’assunzione cronica, e consentono di comprendere la gravità delle complicanze più subdole e spesso non diagnosticate, o rilevate e non attribuite all’alcaloide.

Ma il problema maggiore, in termini biologici, è dato dagli effetti dell’assunzione della cocaina sul DNA. Da tempo è noto che l’esposizione protratta alla cocaina induce persistenti alterazioni nelle reti di regolazione trascrizionali di tutto il genoma, attività di rimodellamento della cromatina e, infine, modifiche dei profili di espressione genica nel circuito a ricompensa del cervello. In particolare, sono stati rilevati patterns globali di destabilizzazione genomica nei neuroni del nucleo accumbens[4].

L’abuso di cocaina altera la biogenesi mitocondriale e induce modificazioni epigenetiche associate a disfunzioni delle cellule nervose. Le alterazioni epigenetiche della metilazione del DNA indotte da cocaina possono riguardare sia il DNA nucleare (nDNA) sia quello mitocondriale (mtDNA) e sono della massima importanza, perché la metilazione epigenetica degli acidi nucleici ha un ruolo essenziale nel mantenimento dell’integrità genomica nelle cellule del sistema nervoso centrale. Gli studi condotti finora per comprendere i processi molecolari che mediano questo effetto lesivo della cocaina non hanno ancora chiarito e definito l’impatto delle modificazioni epigenetiche causate dall’alcaloide sugli astrociti, ossia la popolazione cellulare più numerosa nel cervello. Un nuovo studio ha indagato questo aspetto e valutato la possibilità dell’impiego terapeutico del piracetam.

(Kalaiselvi Sivalingam & Thangavel Samikkannu, Neuroprotective Effect of Piracetam against Cocaine-Induced Neuro Epigenetic Modification of DNA Methylation in Astrocytes. Brain Sciences – Epub ahead of print doi: 10.3390/brainsci10090611, 2020).

La provenienza degli autori è la seguente: Department of Pharmaceutical Sciences, Irma Lerma Rangel College of Pharmacy, Texas A&M University, Kingsville, TX (USA).

Per introdurre all’argomento si riportano alcune nozioni di carattere generale:

“La cocaina (benzoilmetilecgonina, C17H21NO4) è un alcaloide estratto dalle foglie di coca, noto da lungo tempo come stimolante del sistema nervoso centrale con sede prevalentemente corticale, inibitore dell’appetito ed anestetico locale. È nozione farmacologica consolidata che le dosi basse e moderate di cocaina inducono incremento di attività, loquacità, euforia, sensazione di benessere, resistenza alla fatica e riduzione dell’assunzione di cibo[5]. Con il crescere delle dosi si ha induzione di attività motoria ripetitiva e comportamenti stereotipati; a dosi ancora maggiori si ha ipertermia, convulsioni, coma e morte[6].

È intensamente studiata per le gravi conseguenze che determina il suo consumo come sostanza psicotropa d’abuso. È, infatti, una reinforcing drug[7] che appartiene alla classe degli stimolanti psicomotori[8]. L’azione si esplica principalmente attraverso l’interazione con le proteine trasportatrici (DAT, SERT, NET) dei neurotrasmettitori monoamminici dopamina, serotonina e noradrenalina, con inibizione della ricaptazione ed aumento extracellulare del mediatore[9]. L’incremento della quota delle amine biogene che si possono legare al recettore post-sinaptico è determinato anche da altri effetti dell’alcaloide, fra cui l’internalizzazione del DAT.

L’iperstimolazione dei recettori delle monoammine porta ad una complessa cascata di eventi post-sinaptici che interessa molte regioni dell’encefalo e molti sistemi di neurotrasmissione: in sintesi, un adattamento neuronico implicante modificazioni dell’espressione genica di breve e lungo termine e variazioni funzionali temporanee (incluso lo sviluppo di LTP da parte di sinapsi eccitatorie sui neuroni dopaminergici della VTA). Questo adattamento implica importanti effetti sulla trasmissione glutammatergica, sia perché il glutammato ha un ruolo centrale nella plasticità sinaptica - e la compulsione è la conseguenza di una forma di plasticità alterata - sia perché, in molte regioni cerebrali ad innervazione dopaminica, la regolazione è determinata da inputs convergenti di glutammato e dopamina, con la catecolamina come neuromodulatore. La trasmissione dei sistemi a glutammato del nucleo accumbens ha un’importanza critica nel determinare il comportamento di ricerca della cocaina da parte del ratto reso sperimentalmente dipendente. Infine, ricordiamo che gli effetti psicomotori della cocaina più noti e studiati, sono mediati dalla segnalazione dei recettori della dopamina D1 e D2 via PKA”[10].

Anche se più sopra si è già accennato, è opportuno ricordare che l’esposizione ripetuta a cocaina, come nel caso dell’assuntore abituale e specificamente in condizione di tossicodipendenza, induce alterazioni persistenti nelle reti di regolazione trascrizionale di tutto il genoma, rimodellamento della cromatina e alterazione dei profili di espressione genica nei neuroni dell’area tegmentale ventrale (VTA) e del nucleo accumbens, ossia nel sistema cerebrale a ricompensa. In particolare, già da tempo è noto che la cocaina altera in maniera drammatica e dinamica la trimetilazione in lisina 9 dell’istone eterocromatico H3 (H3K9me3)[11].

Per valutare la reale portata nelle cellule dell’astroglia delle modificazioni epigenetiche indotte dalla cocaina nella metilazione del DNA, Kalaiselvi Sivalingam e Thangavel Samikkannu hanno indagato l’effetto neuroprotettivo del composto nootropo piracetam, presumibilmente esercitato attraverso un’interferenza con i processi indotti dall’alcaloide negli astrociti. A questo scopo, hanno sperimentato l’esposizione di cellule astrocitarie umane esclusivamente alla cocaina e, per confronto, hanno studiato anche l’esposizione combinata degli astrociti umani a piracetam più cocaina.

L’osservazione è stata così articolata: 1) esame dell’espressione delle DNA metil-trasferasi (DNMT) DNMT-1, DNMT-3A e DNMT-3B; 2) livelli di metilazione della 5-metilcitosina (5-mC) globali del DNA; 3) induzione degli enzimi TET (ten-eleven translocation) negli astrociti. Infine, è stata eseguita l’analisi della metilazione del DNA mitocondriale (mtDNA) mediante sequenziamento in parallelo o NGS (Next Generation Sequencing) del bisolfuro, ossia adottando un sistema tecnologico di alta efficienza[12] che consente di analizzare interi genomi in tempi ridotti, ossia di qualche settimana.

I dati rilevati, per il cui dettaglio si rimanda al testo del lavoro originale, forniscono una chiara evidenza che la cocaina danneggia l’attività delle DNMT e in tal modo determina l’impatto sulle molecole di mtDNA, probabilmente causando alterazioni che contribuiscono alla neurodegenerazione rilevata nelle persone che assumono cocaina. Gli esperimenti sugli astrociti esposti al piracetam, oltre che alla cocaina, dimostrano che gli effetti negativi su DNMT e mtDNA, con induzione di fenomeni neurodegenerativi, possono essere almeno in parte prevenuti dal farmaco nootropo, che sembra essere in grado di consentire, preservando gli astrociti, il mantenimento della funzione neuronica.

 

Le autrici della nota ringraziano la dottoressa Isabella Floriani per la correzione della bozza e invitano alla lettura delle recensioni di argomento connesso che appaiono nella sezione “NOTE E NOTIZIE” del sito (utilizzare il motore interno nella pagina “CERCA”).

 

Ludovica R. Poggi & Diane Richmond

BM&L-19 dicembre 2020

www.brainmindlife.org

 

 

 

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La Società Nazionale di Neuroscienze BM&L-Italia, affiliata alla International Society of Neuroscience, è registrata presso l’Agenzia delle Entrate di Firenze, Ufficio Firenze 1, in data 16 gennaio 2003 con codice fiscale 94098840484, come organizzazione scientifica e culturale non-profit.

 

 

 

 

 

 

 

 


[1] Note e Notizie 10-12-11 La cocaina induce microischemia corticale già a basse dosi.

[2] Si pensa in genere al temuto e tipico ictus cerebrale (in persone non anziane) o alle complicanze cardiache letali, ma praticamente nessun apparato è risparmiato nel consumo protratto nel tempo.

[3] Note e Notizie 15-10-11 La cocaina in gravidanza altera la maturazione cerebrale dopo la nascita.

[4] Note e Notizie 26-02-11 Destabilizzazione da cocaina del genoma cerebrale. Si invita anche a consultare la sezione “Note e Notizie” per le numerose recensioni di lavori sui meccanismi molecolari della dipendenza. La maggior parte degli studi è stata condotta su roditori ai quali era stata indotta dipendenza da cocaina.

[5] L’interferenza con i meccanismi fisiologici della fame può, in alcuni casi e in alcune circostanze, determinare l’effetto paradosso dell’iperfagia.

[6] A questi ben noti effetti acuti si devono aggiungere quelli cronici, che si identificano con i sintomi del danno causato ai vari distretti dell’organismo: ipersomnìa/insonnia, letargia, fame insaziabile, riduzione dell’attenzione, aumentato rischio di ictus cerebrale; rinorrea, congestione nasale, disturbi della voce, dispnea, broncospasmo, asma, emottisi; dolori anginoidi, aumentato rischio di infarto del miocardio, aumentato rischio di morte in cardiopatici, febbre, eosinofilia; abrasione dentale; disturbi cutanei associati a prurito.

[7] Per rinforzo si intende lo speciale effetto di “stamp in” collegato al piacere ed evolutosi per amplificare, attraverso la ripetizione, i comportamenti che portano ad ottenere una ricompensa sessuale o alimentare. La proprietà di rinforzare associazioni apprese di sostanze impiegate compulsivamente ed in grado di causare dipendenza ed effetti tossici alle dosi efficaci (tossicodipendenza) si attribuisce prevalentemente all’attivazione dei neuroni dopaminergici dei sistemi mesocorticolimbici (“sistema a ricompensa”). Tali neuroni dall’area tegmentale ventrale del mesencefalo (VTA) proiettano ad aree corticali e limbiche implicate nell’elaborazione della motivazione, della compulsione e di risposte emotive. Fra queste aree sembra avere un ruolo particolarmente importante per il rinforzo il nucleo accumbens, che funge da interfaccia fra le regioni limbiche e corticali implicate nella motivazione, da un canto, e i circuiti motori importanti per l’esecuzione di comportamenti motivati. Il rinforzo causato dalle sostanze d’abuso è conseguenza di un’interferenza artificiale con sistemi naturali che si sono evoluti per 1. conservare la specie, attraverso meccanismi di amplificazione dei comportamenti che favoriscono la riproduzione, e 2. conservare l’individuo, mediante l’amplificazione dei comportamenti che favoriscono l’assunzione di cibo.

[8] Classe alla quale appartengono anche i derivati dell’amfetamina.

[9] In passato si riteneva la cocaina un inibitore della ricaptazione della sola dopamina, poi, numerosi esperimenti con topi knockout per gli altri trasportatori, hanno dimostrato l’importanza, per il rinforzo, dell’inibizione anche di SERT e NET (si ricorda che l’acronimo deriva dalla “E” di epinephrine, equivalente di adrenaline).

[10] Note e Notizie 26-02-11 Destabilizzazione da cocaina del genoma cerebrale. Ripubblicato dall’Istituto Superiore di Sanità (ISS).

[11] La metilazione della lisina 9 sull’istone H3 porta alla formazione di un sito di legame per la proteina principale dell’eterocromatina, che induce impacchettamento e, quindi, silenziamento.

Si ricorda che sono descritti 5 tipi di istoni comuni: H1, H2a, H2b, H3 e H4. Per auto-aggregazione, H2a, H2b, H3 e H4 formano un ottamero detto ottamero istonico, intorno al quale si avvolge il DNA formando il nucleosoma. Per ulteriori e interessanti elementi molecolari si veda il già citato: Note e Notizie 26-02-11 Destabilizzazione da cocaina del genoma cerebrale.

[12] La tecnologia di impiego più frequente consente di leggere fino a 300 bp per frammento.