ASD e alterazioni della trasmissione cerebrale
Il disturbo dello spettro autistico o ASD è un disturbo dello sviluppo che di solito si manifesta nella prima infanzia. Sebbene i risultati clinici varino notevolmente da caso a caso, l’autismo è caratterizzato sia da un interesse limitato per l’interazione sociale che da un comportamento ripetitivo. Ciò coincide con le interruzioni nella connettività cerebrale mostrate dall’imaging della tensione di diffusione. Gli studi hanno dimostrato che diversi processi di sviluppo neurologico possono essere influenzati nell’ASD, tra cui la neurogenesi, la migrazione neurale, la ricerca del percorso degli assoni e la formazione sinaptica, che possono interrompere l circuito neurale. Dati recenti suggeriscono che la dopamina svolge un ruolo cruciale nello sviluppo neurale. In un nuovo studio, i ricercatori hanno dimostrato il legame tra la segnalazione della dopamina interrotta nello sviluppo e l’ASD.
I loro risultati sottolineano l’importanza di studiare i percorsi di segnalazione dello sviluppo per comprendere l’eziologia dell’ASD, aprendo la strada a potenziali interventi mirati. I ricercatori hanno studiato la segnalazione dopaminergica interrotta nell’eziologia dell’ASD integrando l’analisi del trascrittoma del sequenziamento dell’RNA del cervello umano e un modello di pesce zebra. Per analizzare sistematicamente i deficit dello sviluppo nell’ASD, sono stati recuperati due grandi set di dati pubblicamente disponibili dal database NCBI Gene Expression Omnibus e dati di sequenziamento dell’RNA da Arkinglab. L’analisi del trascrittoma del cervello umano ha rivelato correlazioni significative tra i cambiamenti nelle vie di segnalazione dopaminergica e la segnalazione dello sviluppo neurale nei pazienti con autismo. Ciò suggerisce un potenziale legame tra la segnalazione interrotta della dopamina nello sviluppo e la patologia autistica.
Per esplorare questo collegamento, altri ricercatori hanno utilizzato il modello del pesce zebra per studiare gli effetti della segnalazione dopaminergica interrotta sullo sviluppo dei circuiti neurali. Hanno scoperto che le perturbazioni nella segnalazione dopaminergica dello sviluppo portavano ad anomalie dei circuiti neurali e fenotipi comportamentali che ricordavano l’autismo nelle larve di pesce zebra. Lo studio ha inoltre scoperto un potenziale meccanismo mediante il quale la dopamina influisce sulle specifiche neuronali attraverso la modulazione delle integrine. Non sarebbe una novità in senso stretto, dato che i ricercatori sanno che i recettori accoppiati a proteine G, proprio come quello della dopamina o della serotonina, possono dialogare con recettori più grandi, come quelli per i fattori di crescita, delle citochine e le molecole di adesione, proprio come le integrine.
Per esempio, ci sono dati di come questo dialogo avvenga a livello della retina, dove i fenomeni cellulari collegati ai ritmi circadiani dipendono da un dialogo complesso fra integrine, recettori della serotonina e il subtipo D2 dei recettori per la dopamina. Una cosa analoga succede a livello della mucosa intestinale nelle cellule immunitarie, dove è stato dimostrato un dialogo molecolare fra integrine, recettore immunitario CCR9 e il subtipo D5 del recettore dopaminergico, che serve alla ritenzione locale dei linfociti nelle loro stazioni linfonodali. Quindi, se questo fenomeno esiste nell’età adulta, è verosimile che avvenga anche in fase embrionale o fetale per regolare i complessissimi aspetti della relativa biologia, senza contare quelli biochimico-metabolici. Le molecole di adesione cellulare non solo regolano l’adesione e la migrazione cellulare, ma anche la specificazione dei neuroni.
La dopamina può migliorare l’espressione delle molecole di adesione cellulare nelle cellule staminali mesenchimali, il che è in linea con la scoperta che l’attenuazione della segnalazione della dopamina riduce i livelli delle molecole di adesione. Le integrine, un’importante famiglia di molecole di adesione, sono recettori transmembrana composti da molteplici isoforme di subunità α e β. Sebbene lo studio sopradetto abbia dimostrato che un agonista integrinico beta-1 può correggere i difetti nella specificazione neuronale indotti dall’antagonista dopaminergico, l’integrina specifica coinvolta in questo processo deve ancora essere identificata. Il dato essenziale, comunque, è che ’inibizione della segnalazione dopaminergica in una fase iniziale ha interrotto la specificazione neuronale.
Il modello CDR
Ricerche precedenti hanno identificato marcatori metabolici e biochimici per l’ASD nei bambini e negli adulti, che variano in base all’età, al sesso e alla gravità dei sintomi. Molti di questi markers sono coinvolti nella struttura e nella funzione del cervello, del sistema immunitario, del sistema nervoso autonomo e del microbioma. Il modello di risposta al pericolo cellulare (CDR) descrive le vie metaboliche che collegano i fattori di stress ambientali e genetici allo sviluppo alterato e all’ASD. Il CDR scorre dal punto di impatto del fattore di stress verso l’esterno, seguendo vari cambiamenti nelle risposte metaboliche, infiammatorie, autonomiche, endocrine e neurologiche a queste lesioni o stress. È più probabile che l’ASD segua la CDR quando i fattori di stress operano nella vita intrauterina o nella prima infanzia. Questi hanno un impatto su quattro aree che fanno parte del CDR: mitocondri, lo stress ossidativo, l’immunità innata e il microbiota.
L’adenosina trifosfato extracellulare (eATP) è il regolatore fondamentale di tutte le vie CDR: fuori la cellula esso funziona come una molecola segnale. A tal fine, l’eATP si lega ai recettori sensibili alle purine sulla cellula per avvisare del pericolo, del metabolismo alterato e indurre una risposta CDR generalizzata. Il metabolismo disregolato delle purine e la segnalazione purinergica in risposta all’ATP sono stati identificati in studi sperimentali e sull’uomo sull’ATP e confermati in analisi multi-omiche. Il ruolo dell’eATP è fondamentale per molteplici aspetti dello sviluppo neurologico alterati nell’ASD, come la neuroplasticità. I mitocondri generano ATP e sono fondamentali per l’elaborazione dei dati, fornendo allarmi adeguati e avviando risposte tempestive ai cambiamenti ambientali. Operano centinaia di reazioni metaboliche come quelle coinvolte nello sviluppo e nella differenziazione cellulare, nell’adattamento allo stress e l’invecchiamento, oltre la metà delle quali sono regolate dall’ATP.
Un ultimo studio di metabolomica
La disfunzione mitocondriale cronica nell’ASD compromette le vie metaboliche e l’espressione genica, interrompendo così le traiettorie dello sviluppo neurologico. Paragonando soggetti fino a 5 anni di età con ASD, i neonati nei gruppi pre-ASD o con sviluppo tipico (TID) non hanno mostrato alcuna differenza nella loro esposizione a fattori ambientali durante la gravidanza e l’infanzia. Circa il 50% dei bambini nel gruppo pre-ASD ha mostrato una regressione dello sviluppo in uno o più punti rispetto al 2% nel gruppo TID. L’età media alla diagnosi di ASD era di 3,3 anni. I metaboliti erano aumentati al di sopra del livello medio nella coorte di neonati ASD e continuavano ad aumentare di oltre la metà entro cinque anni rispetto alla coorte di neonati. Questi metaboliti includevano molecole di stress e la purina 7-metilguanina che serve alla stabilizzazione dell’RNA messaggero appena formato.
Nei neonati, l’aumento più significativo è stato osservato con quattro sfingolipidi, con una corrispondente diminuzione delle sfingomieline, le loro molecole fonte. Allo stesso modo, la 7-metilguanosina è aumentata e la guanina è diminuita. Al contrario, i metaboliti che erano diminuiti nella coorte di neonati erano ridotti del 120% in più entro i cinque anni di età. Questi includevano antiossidanti, neurotrasmettitori come la dopamina e intermedi a un solo atomo di carbonio (forse donatori di gruppi metilici). Tra i bambini di cinque anni, diversi fosfolipidi erano aumentati, mentre le cardiolipine coinvolte nella produzione di membrane mitocondriali erano diminuite. I livelli di 7-metilguanina sono rimasti elevati, mentre diverse vitamine e serotonina erano ridotte.
Differenziare i neonati con ASD e TID
Diverse importanti classi di metaboliti hanno cambiato la loro traiettoria tra la nascita e i cinque anni. Gli acidi biliari, la fosfatidilserina, la fosfatidilcolina e le sfingomieline diminuivano con l’età, mentre i livelli di ossidazione delle purine e degli acidi grassi non erano influenzati. In confronto, i livelli di purine per il capping del mRNA e diversi lipidi, come l’acetil-carnitina e la linoleil-carnitina, sono aumentati. La segnalazione neuronale dell’acido γ-aminobutirrico (GABA) in genere si inverte da nettamente eccitatoria alla nascita a inibitoria a due o tre anni di età. Ciò si accompagna ad una ridotta vulnerabilità ai fattori ambientali e ad una concomitante riduzione del rischio di ASD. Le correlazioni negative con le purine si perdevano con il tempo nei centri ceramide e fosfolipidi. L’hub eicosanoide ha mostrato correlazioni positive quattro volte più elevate e correlazioni negative tre volte più elevate nell’ASD rispetto al TID.
Nonostante rapporti di correlazione positivo-negativo simili, c’erano differenze qualitative nell’hub dell’ipercorrelatore ASD tra i gruppi di studio. Ad esempio, l’asparagina, che media le vie di segnalazione mitocondriale per la crescita cellulare, era correlata negativamente con gli i biolipidi chiamati eicosanoidi in più punti. L’hub dell’ipercorrelatore TID ha mostrato diverse correlazioni positive e negative. I lipidi rappresentavano 13 dei 15 principali metaboliti nell’hub dell’ipercorrelatore TD, ma hanno perso il 90% delle loro correlazioni nel metaboloma ASD. Il presente studio ha identificato i cambiamenti più importanti nei bambini che hanno sviluppato ASD entro i cinque anni di età, poiché interessano gruppi specifici di lipidi complessi. Circa l’80% dello spostamento metabolico era riconducibile a 14 percorsi metabolici osservati sia nei neonati pre-ASD che nelle coorti ASD di 5 anni.
I tipi di segnali intracellulari sono tutto: speculazioni
Le ceramidi sono lipidi che possono causare la morte cellulare (apoptosi) e la perdita della funzione mitocondriale. La perdita di correlazioni negative tra ceramidi e purine porta al loro accumulo nell’ASD. Il risultato è la disfunzione mitocondriale e l’apoptosi di molte cellule, anche senza esposizioni a concentrazioni letali. L’impatto primario di questa correlazione si rifletteva in una minore attività antinfiammatoria, una minore riserva antiossidante e una maggiore attività di risposta allo stress, che aumentavano con l’età. L’attivazione ripetuta della CDR potrebbe causare un aumento dell’utilizzo di ossigeno nei mitocondri. Con una maggiore quantità di ossigeno disciolto nella cellula, le membrane cellulari subiscono un danno ossidativo. Sebbene questa risposta consenta di sequestrare l’ossigeno eccessivo, irrigidisce anche le membrane, limita la funzione mitocondriale e la sinaptogenesi e ritarda le risposte ai fattori di stress ambientali nell’ASD.
Da notare che la ceramide è una molecola che interviene anche nel processo di maturazione e differenziamento cellulare, sia nell’età embrionale che adulta. Tutto è una questione di dosi prodotte dai segnali cellulari: se il segnale è temporaneo e controllato, la cellula arresta la sua proliferazione e matura; se se ne produce troppa, si innesca il programma genetico di eliminazione cellulare. Generalmente i recettori accoppiati a proteine G si connettono alla produzione di secondi messaggeri che stimolano la replicazione (DAG, liso-PC, acido fosfatidico, GMP ciclico) oppure il differenziamento (es. AMP ciclico, sfingosina). Sono molto rari i casi di recettori ormonali che producono direttamente ceramide per degradazione enzimatica della sfingomielina di membrana. Questo è più comune da osservare con recettori specifici (Fas/APO-1), o recettori per citochine infiammatorie (TNF-alfa o IL-1) oppure qualche fattore di crescita (TGF-beta).
Il fatto che la metabolomica indichi che nell’ASD c’è un difetto del metabolismo degli sfingolipidi, lascia speculare che c’è realmente un problema di maturazione cellulare alla base di questa condizione. La ceramide prodotta dalla sfingomielinasi neutra di membrana (NSMase 1), in questo caso potrebbe derivare da fattori interferenti di tipo ormonale (es. glucocorticoidi), farmacologico (come alcuni farmaci inopportunamente assunti durante la gravidanza), ambientale (esposizione inavvertita a pesticidi con attività di tipo interferente endocrina). Si possono perciò verificare due casi: o l’eccessiva produzione di ceramide elimina popolazioni cellulari che avrebbero dovuto essere “sfoltite”, e che vengono invece ridotte “ai minimi termini”; oppure si eliminano popolazioni che non avrebbero dovuto essere influenzate e che, al contrario, vengono impoverite. In ambo i casi, le connessioni cellulari e sinaptiche future risultano alterate.
- A cura del Dr. Gianfrancesco Cormaci, PhD, specialista in Biochimica Clinica.
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