Lezioni di Neuropatologia

Neuropatologia Modulo I (3 CFU)

Neurobiologia e neuropatologia delle malattie neurodegenerative

Le malattie neurodegenerative si caratterizzano per degenerazioni progressive e inarrestabili di una o più aree cerebrali, spesso colpendo popolazioni neuronali specifiche. A seconda dell’area colpita, si manifestano diversi quadri clinici con sintomi motori, cognitivi o entrambi.

Le malattie più frequenti

• Malattia di Alzheimer
• Malattia di Parkinson
• Sclerosi laterale amiotrofica
• Malattia di Huntington

La malattia di Alzheimer è il disturbo neurodegenerativo più frequente nella popolazione generale.

• Oltre 26 milioni di persone colpite in tutto il mondo.
• La forma più comune di demenza irreversibile.
• L'età è il principale fattore di rischio per questa malattia: la probabilità di sviluppare AD dopo i 65 anni raddoppia quasi ogni cinque anni.

La malattia di Parkinson è la seconda malattia neurodegenerativa più comune.

• È il disordine del movimento prototipico.
• Come in AD, l'età è il principale fattore di rischio per PD.

AD e PD: malattie della terza età

• AD colpisce circa il 2-3% della popolazione con età >65 anni e arriva al 15% degli over 85;
• PD colpisce circa l’1% della popolazione con età >65 anni e arriva al 3-5% degli over 85.

In una popolazione che tende costantemente ad invecchiare, l’incidenza di queste due malattie è destinata ad aumentare progressivamente.

Concetti di epidemiologia

Due concetti di epidemiologia da introdurre sono:

• Prevalenza: è la proporzione di “eventi” presenti in una popolazione in un dato momento (es. % di soggetti con AD, rispetto al totale della popolazione, oggi in Italia: misura statica).
• Incidenza: è la proporzione di nuovi casi che si verificano in una popolazione in un dato lasso di tempo (es. % di soggetti che hanno sviluppato AD rispetto al totale della popolazione, nel 2016: misura dinamica).

Malattia di Parkinson: generalità

La malattia di Parkinson (Parkinson’s disease) viene descritta per la prima volta nel 1817 da James Parkinson, medico londinese, che conia il termine di “shaking palsy” o “paralysis agitans” (non più utilizzato).

Si ha un progressivo invecchiamento della popolazione e a ciò corrisponde ad una maggiore frequenza della malattia.

Epidemiologia della malattia di Parkinson

È una malattia tipica delle aree industrializzate.

Sintomi motori (classici)

• Tremore: a riposo, inizialmente unilaterale;
• Rigidità: colpisce tutti i distretti muscolari; resistenza plastica alla mobilizzazione passiva;
• Bradicinesia: deambulazione a piccoli passi, micrografia, facies ipomimica, ipofonia;
• Instabilità posturale: difficoltà a mantenere l’equilibrio (rischio cadute);
• Atteggiamento “camptocormico” dal greco kamptos: piegare e kormos: tronco, cioè piegamento del tronco.

A questi vanno aggiunti sintomi non legati al movimento, alcuni anche predittivi. In particolare, la costipazione colpisce fino all'80% dei pazienti con PD e può precedere l'insorgenza dei sintomi motori per anni. La costipazione idiopatica è uno dei più forti fattori di rischio per la malattia di Parkinson. I corpi di Lewy possono anche essere trovati nel tratto gastrointestinale.

Il Parkinson può essere considerata una malattia sistemica?

• PD è una malattia sporadica (nessun altro caso in famiglia);
• Tuttavia, il 5-10% dei casi è collegato a specifiche mutazioni genetiche: PD familiare (monogenico);
• Prima mutazione identificata nel 1997: gene α-sinucleina (SNCA) PARK1;
• Il Parkinson è una malattia genetica? Nella maggior parte dei casi no;
• Esiste un 10-15% di forme familiari legate a mutazioni di geni specifici.

"... Le varianti polimorfiche in SNCA, MAPT, LRRK2 e le mutazioni di perdita delle offese nel GBA stanno emergendo come fattori di suscettibilità per la PD sporadica".

La malattia di Parkinson è una malattia complessa, dal punto di vista della sintomatologia, molto più varia ed articolata di quanto si pensasse fino a pochi anni fa. Il Parkinson è una malattia progressiva, che tende a complicarsi col passare del tempo.

PD: patologia dei nuclei della base

• Anatomia funzionale e sistemi di neurotrasmissione
• Ipotesi patogenetiche e meccanismi di danno neuronale
• Aspetti neuropatologici della malattia
• Terapia
• Modelli sperimentali e nuove ipotesi

1° elemento patognomonico: lesione anatomo-patologica. Degenerazione progressiva della substantia nigra (pars compacta): scomparsa dei neuroni dopaminergici contenenti melanina. La SNc invia proiezioni dopaminergiche al corpo striato. Entrambi fanno parte del circuito dei nuclei della base, che insieme al talamo motorio ed alla corteccia motoria regolano la corretta esecuzione dei movimenti volontari. La degenerazione della SNc provoca un deficit nigro-striatale di dopamina (Ehringer & Hornykiewicz, 1960), cui fa seguito una cascata di alterazioni funzionali che conduce all’espressione dei sintomi motori.

2° elemento patognomonico: presenza di inclusioni citoplasmatiche (c. di Lewy)

I corpi di Lewy

Morfologia

Inclusioni sferiche, diametro 8–30 μm, eosinofile.

• Core: parte densa, costituito da aggregati granulari di proteine ubiquitinate;
• Alone periferico: α-sinucleina fibrillare e neurofilamenti.

Biochimica

I corpi di Lewy sono aggregati proteici composti da: α-sinucleina, torsinA, sinfilina-1, neurofilamenti, componenti del sistema di degradazione proteica ubiquitina-proteasoma (ubiquitina, parkina, subunità proteasomiche ed attivatori del proteasoma), heat shock proteins, quali HSP70 ed HSP90, implicate nei processi di “folding”, trasporto e degradazione proteica.

α-sinucleina: passaggio dal "vecchio" al "nuovo" PD

L’α-sinucleina è una piccola proteina (140 aa), struttura dell'α-elica, abbondante nel citoplasma e terminali presinaptici dei neuroni dopaminergici. L'α-sinucleina può essere "trasmessa" ai neuroni vicini: vari meccanismi possono mediare il trasferimento da cellula a cellula dell'α-sinucleina. La presenza dei c. di Lewy non è limitata alla via nigro-striatale, ma interessa numerose aree non dopaminergiche, con una progressione ascendente (staging) che inizia in fase precoce (pre-sintomatica), a livello bulbare (man mano che la malattia progredisce i corpi di Lewy si trovano sempre più in alto) - Studi effettuati da Braak.

Si tratta di una malattia complessa: il deficit dopaminergico comporta dei sintomi motori che, però, rappresentano solo la punta dell’iceberg dei sintomi della malattia di Parkinson.

Il fattore età

Si iniziano a perdere i neuroni SNc con l'età, ma i sintomi della PD non si manifestano fino a quando la perdita neuronale non supera il 70-80% dei neuroni dopaminergici totali. Ipoteticamente, se vivessimo tutti 120 anni, tutti svilupperebbero la PD.

PD: patologia dei nuclei della base

I gangli della base si trovano nel telencefalo basale e sono costituiti da 5 nuclei interconnessi: il nucleo caudato, il putamen, il globus pallidus, la substantia nigra e il nucleo subtalamico.

Caudato-putamen o Striato

Nei primati, il nucleo caudato e il putamen sono parzialmente separati dalla capsula interna, ma diversi ponti di cellule collegano i due nuclei, che sono simili in termini di caratteristiche anatomiche e funzionali. Pertanto, le due strutture insieme sono generalmente indicate come corpo striato o striato. Nei roditori lo striato si presenta come una struttura anatomicamente omogenea. Le popolazioni neuronali che li caratterizzano sono: neuroni spinosi di proiezione (95% delle cellule striatali totali) che usano l'acido gamma-amino-butirrico (GABA) come neurotrasmettitore. Il GABA può essere colocalizzato, in alternativa, con la sostanza P/dinorfina, nei neuroni che esprimono i recettori D1, o con l'encefalina nei neuroni che esprimono i recettori D2: queste due sottopopolazioni sono costituite da neuroni di proiezione. Il rimanente 5% è rappresentato da interneuroni aspinosi, principalmente contenenti acetilcolina.

Globo pallido

Due segmenti nei primati: globus pallidus mediale (interno) e globus pallidus laterale (esterno). Nei roditori:

• Globo pallido mediale = nucleo entopeduncolare;
• Globo pallido laterale = globo pallido.

Entrambi i segmenti pallidali sono popolati da neuroni GABAergici (co-localizzazione con encefaline).

Substantia nigra

È costituita da due strutture distinte:

1. Un'area densamente popolata, pigmentata (melanizzata, con melanina) chiamata substantia nigra pars compacta. I neuroni SNc usano principalmente la dopamina come neurotrasmettitore;
2. Una porzione adiacente di cellule sparse, situata ventralmente, denominata sostantia nigra pars reticulata. Neuroni GABAergici.

Nucleo subtalamico

È popolato da neuroni glutammatergici ed è l'unico nucleo eccitatorio del circuito dei gangli della base. La corteccia riceve segnali dal talamo motorio, questi vengono poi incanalati nello striato.

Si distinguono due vie:

• Via diretta
• Via indiretta

Nel Parkinson lo striato rimane privato della dopamina. Il nucleo subtalamico diventa iperattivo ed essendo un nucleo eccitatorio, iper-eccita i nuclei in uscita: pallido mediale e pars reticolata. Questi però sono nuclei inibitori, che, essendo iper-attivati, iper-inibiscono il talamo motorio, rendendo gli input motori che arrivano alla corteccia molto deboli.

L-DOPA e dopamina

Esiste una terapia farmacologica sostitutiva. La L-DOPA (3,4-diidrossi-l-fenilalanina o levodopa) viene somministrata in associazione con un inibitore periferico della DOPA decarbossilasi (benserazide o carbidopa) per bloccarne il catabolismo periferico. Una volta nel cervello, viene trasformata in dopamina ed utilizzata dai neuroni nigrostriatali superstiti.

Terapia (dopamino-agonisti + L-Dopa)

Spesso alla L-DOPA vengono associati farmaci in grado di stimolare direttamente i recettori per la dopamina: i dopamino-agonisti, meno potenti della L-DOPA.

Effetti collaterali a lungo termine:

• Efficacia ridotta ("logoramento");
• Fluttuazioni del motore ("on / off");
• Movimenti involontari (discinesie).

C’è la necessità di trovare terapie alternative alla L-DOPA, in grado di modificare il decorso della malattia agendo sui meccanismi di morte neuronale: neuroprotezione o qualsiasi terapia che modifichi il decorso della malattia (disease modifying therapy).

Patogenesi del Parkinson: principali ipotesi

• Neuroinfiammazione
• Stress ossidativo
• Deficit mitocondriale

Genetica e ambiente influenzano tutte queste condizioni.

M. di Parkinson e tossine ambientali

Si è ipotizzato che la via nigrostriatale potrebbe essere il bersaglio preferenziale di una serie di tossine ambientali. "... numerose classi di pesticidi furono introdotte nel corso del ventesimo secolo. Sebbene il PD esistesse molto prima dell'introduzione di questi pesticidi, l'idea è che l'esposizione ai pesticidi abbia contribuito all'aumento dell'incidenza della malattia.".

M. di Parkinson e ambiente

Epidemiologia

Si pensa che:

• Residenza in aree rurali
• Agricoltura
• Consumo acqua di pozzo

Possano rappresentare un fattore di rischio per la malattia di Parkinson.

Nell’ambito della malattia di Parkinson è importante:

• Individuazione di target per trattamenti volti a modificare (rallentare, arrestare, ripristinare) la progressione della degenerazione neuronale;
• Migliorare i trattamenti sintomatici;
• Identificazione dei marker per la diagnosi precoce;
• Identificazione di test per una misurazione affidabile della progressione della malattia.

I modelli sperimentali (sia in vivo che in vitro) possono aiutarci a soddisfare queste esigenze.

Modelli animali della malattia di Parkinson

Il modello PD "perfetto" dovrebbe riprodurre:

1. Caratteristiche patologiche PD
   • Perdita cellulare nel SNc;
   • Aggregati citoplasmatici di α-sinucleina, eventualmente diffondendosi da una cellula all'altra.
2. Evoluzione progressiva del danno neuronale e della neuroinfiammazione
3. Sintomi motori PD
4. Sintomi non motori del PD
5. Risposta ai farmaci anti-PD

Un tale modello non esiste, esistono, però, vari ordini di approssimazione.

Modelli animali (mammiferi) del morbo di Parkinson

Tre gruppi principali:

• Neurotossici
• Transgenici
• Prion-like

Neuroni dopaminergici nella malattia di Parkinson: la vittima principale

Molecular imaging of PD - [18F] FPCIT PET (DAT presinaptico)

• Controllo: assorbimento normale
• Paziente PD, stadio iniziale: riduzione unilaterale
• Paziente PD, stadio avanzato: riduzione bilaterale

Il tracciante marcato si lega al trasportatore presinaptico della dopamina (DAT), in questo modo permette di valutare la densità di dopamina nel terminale sinaptico. Nel corpo striato in uomo e scimmia si distinguono bene caudato e putamen. I colori indicano la forza di legame con il tracciante. In un paziente con Parkinson in fase iniziale si nota un coinvolgimento unilaterale. Con questa metodica non si effettua la diagnosi ma si può accompagnare ad altri esami clinici (riduzione dopaminergica, corpi di Lewy) che si basano più che altro su studi probabilistici.

Patogenesi del Parkinson: principali ipotesi

Perché ad un certo punto i neuroni iniziano a degenerare così velocemente? Il Parkinson è per definizione una malattia multifattoriale, è un concetto trasversale a tutte le malattie neurodegenerative. Le cause principali, per cui vi sono dimostrazioni sperimentali, sono:

• Neuroinfiammazione
• Deficit mitocondriali
• Stress ossidativo

Patogenesi del Parkinson: deficit mitocondriali

Deficit del complesso I nella SNc di pazienti Parkinsoniani (Parker, 1989; Schapira, 1990) La disfunzione mitocondriale è un evento precoce in praticamente tutte le malattie neurodegenerative comuni, tra cui il morbo di Parkinson, il morbo di Alzheimer, malattia di Huntington, sclerosi laterale amiotrofica. Nel caso del Parkinson, gli studi si sono concentrati sul complesso I della catena di trasporto elettronica. Perché? MPTP di per sé non è tossica, convertito in MPT che è la vera e propria tossina, entra nei neuroni dopaminergici perché ha un’alta affinità per DAT, entra nei mitocondri, lega il complesso I, blocca la produzione di energia e la cellula muore.

MPTP viene utilizzato per creare modelli sperimentali di PD: inibitori del complesso enzimatico mitocondriale I, come MPTP e rotenone, causano degenerazione nigrostriatale e sintomi di PD negli animali.

In immunoistochimica si valuta l’immunoreattività della tirosina idrossilasi nello striato (A) e SNc (B) di un MPTP trattato scimmia, seguendo a destra, iniezione intracarotide o in striato e SNc di un topo trattato, per 5 settimane, con rotenone sistemico. Il concetto di compromissione mitocondriale nel PD si è evoluto da quando è diventato chiaro che i mitocondri sono organelli dinamici. I mitocondri hanno la capacità di miccia (fusione), divisione (fissione) e migrazione per fornire energia in tutti gli estesi processi neuronali. La fissione mitocondriale è richiesta nelle cellule in divisione per garantire l'ereditarietà di mitocondri da cellule figlie, ma è anche importante durante la differenziazione, in risposta a nuove richieste energetiche. La fissione mitocondriale è anche un processo normale in cellule post-mitotiche come i neuroni. La fusione mitocondriale serve a mantenere una rete mitocondriale tubolare e ottimale funzione mitocondriale. Una rete mitocondriale interconnessa può facilitare il trasferimento del potenziale della membrana mitocondriale da cellulare ricco di ossigeno a povero di ossigeno regioni. Il fabbisogno energetico di assoni e terminali nervosi dipende dalla corretta distribuzione e funzionamento mitocondriale. A livello terminale, i mitocondri sono fondamentali per il buffering del calcio e l'energia per il mantenimento del pool vescicolare. I difetti di fusione/fusione limitano la motilità mitocondriale, diminuiscono la produzione di energia, promuovono lo stress ossidativo, portano alla delezione del mtDNA e compromettono il buffering di Ca²⁺. Tutte queste condizioni possono portare alla morte neuronale.

Praticamente tutte le proteine coinvolte nella forma genetica del Parkinson sono associate ai mitocondri.

• LRRK2 (PARK8, forma dominante più frequente) e α-sinucleina (PARK 1/4) sono stati trovati associati alla membrana esterna dei mitocondri.
• DJ-1 (PARK7): proteina citosolica che può traslocare ai mitocondri in caso di stress antiossidante.
• PINK1 (PARK6): chinasi mitocondriale, può localizzarsi sia al citoplasma che ai mitocondri;
• Parkin (PARK2, forma recessiva più frequente) è una proteina citosolica (ubiquitina ligasi), ma può traslocarsi nei mitocondri dopo la fosforilazione di PINK.

Il pathway PINK1/Parkin regola il controllo della qualità mitocondriale promuovendo la fissione mitocondriale e, ...