Alzheimer-immagine: tomografia a emissione di positroni (PET) in un giovane adulto sano rivela elevate concentrazioni di neuroni colinergici nel cervello profondo (in bianco) e le loro proiezioni in tutta la corteccia. Kate M. Onuska e Taylor W. Schmitz/Inca Lab
A metà degli anni ’70, un ricercatore di psichiatria di nome Raymond Bartus riunì un gruppo di macachi rhesus anziani, esemplari da riproduzione in pensione provenienti da laboratori di tutti gli Stati Uniti, per testare una nuova e affascinante ipotesi sulle origini della malattia di Alzheimer.
Una serie di ricerche condotte negli Stati Uniti e nel Regno Unito ha individuato un ruolo nel sistema colinergico del cervello, costituito da neuroni che producono una sostanza chimica chiamata acetilcolina. Sebbene questo neurotrasmettitore sia normalmente diffuso in tutto il cervello, studi autoptici hanno rilevato una misteriosa carenza di acetilcolina nel cervello dei pazienti affetti da Alzheimer. I ricercatori hanno anche segnalato gravi danni al nucleo basale di Meynert, situato in una regione profonda del cervello chiamata prosencefalo basale, da cui i neuroni colinergici proiettano segnali verso aree importanti per la memoria e l’apprendimento.
Nel campus del Michigan della casa farmaceutica Parke-Davis, Bartus ha testato le sue scimmie utilizzando un complesso congegno da lui stesso progettato, in cui gli animali potevano ottenere un pezzo di cibo ricordando correttamente in quale delle nove finestre avevano visto lampeggiare una luce. Ha scoperto che la memoria a breve termine delle scimmie anziane si deteriorava in modi che rispecchiavano fedelmente i primi sintomi nei pazienti affetti da Alzheimer. Le loro prestazioni miglioravano, tuttavia, quando somministrava loro la fisostigmina, un farmaco isolato da un fagiolo africano che impedisce la degradazione dell’acetilcolina. Al contrario, le scimmie giovani faticavano nel test di memoria proprio come gli animali più anziani quando veniva loro somministrata la scopolamina, un farmaco che blocca la segnalazione colinergica.
In qualità di scienziato di un’azienda farmaceutica, Bartus operava a distanza dai neurologi e patologi accademici che conducevano gli studi sull’uomo. Ma “nessuno comunicava con gli altri”, ricorda, così decise di raccogliere autonomamente le prove accumulate e di integrarle con le sue scoperte sulle scimmie. Il suo articolo del 1982 su Science fu il primo a formulare “l’ipotesi colinergica della disfunzione mnemonica geriatrica”. Sosteneva che la perdita di neuroni colinergici nel prosencefalo basale provocasse la perdita di memoria legata all’età e che l’Alzheimer potesse essere concepito come un fallimento più drastico dello stesso sistema.
Nessuno aveva ipotizzato che la disfunzione colinergica fosse l’unico fenomeno cerebrale in atto durante la malattia di Alzheimer. Certamente non spiegava le lesioni caratteristiche – le placche senili appiccicose e i filamenti proteici aggrovigliati – presenti nel cervello di chi moriva a causa della malattia. Tuttavia, l’ipotesi offriva un bersaglio terapeutico intuitivo in un momento in cui i ricercatori avevano iniziato a sospettare che la perdita di neurotrasmettitori potesse essere alla base delle malattie neurodegenerative. Nei primi anni ’70, la Levodopa, un farmaco che sostituiva la dopamina persa nella malattia di Parkinson, si rivelò rivoluzionaria per i pazienti, alleviando i tremori e ripristinando la mobilità. Sembrava solo questione di tempo prima che farmaci simili venissero sviluppati per il trattamento dell’Alzheimer.
Ben presto ci riuscirono, ma gli stimolatori dell’acetilcolina non ebbero mai lo stesso successo della Levodopa. L’ipotesi colinergica aveva appena dieci anni quando si trovò ad affrontare un rivale formidabile: l’idea che la beta-amiloide, la proteina appiccicosa che forma placche nella corteccia cerebrale, gli strati più esterni del cervello, fosse la probabile causa principale della malattia. “La ricerca colinergica “stava già passando di moda prima ancora che i primi farmaci venissero approvati“, lamenta Bartus.
Una generazione dopo, l’ipotesi amiloide e i trattamenti che ne sono derivati hanno incontrato difficoltà, mentre le prove a sostegno del ruolo dei neuroni colinergici si sono rafforzate. Ora, la ricerca sta riscoprendo l’ipotesi che aveva accantonato. “Le persone stanno tornando ad altre idee, ad altri tipi di cellule, ad altri cambiamenti cellulari che influenzano la cognizione“, afferma il neuroscienziato Hongkui Zeng dell’Allen Institute.
L’articolo di Bartus fu fonte d’ispirazione per Ezio Giacobini, un farmacologo italiano che lavorava negli Stati Uniti. Negli anni ’80, Giacobini fu un pioniere nello sviluppo di molecole che inibiscono un enzima che degrada l’acetilcolina, preservando così una maggiore quantità di questa sostanza chimica essenziale nel cervello delle persone i cui neuroni colinergici del prosencefalo basale stavano morendo. A partire dagli anni ’90, una serie di farmaci di questa classe, noti collettivamente come inibitori della colinesterasi, divennero i primi trattamenti per l’Alzheimer approvati dalla Food and Drug Administration (FDA) statunitense, e tre di essi – Donepezil, Rivastigmina e Galantamina – sono ancora oggi ampiamente utilizzati. Tuttavia, non sono molto efficaci né di lunga durata. Persino Bartus, da sempre sostenitore di questi farmaci, si premurò di definirli “palliativi”.
Un’esperienza vissuta all’inizio degli studi di Giacobini ne evidenziò i limiti. Si assunse una dose del composto che aveva rivitalizzato le scimmie smemorate di Bartus: la fisostigmina, nota in Africa occidentale per il suo utilizzo come veleno. “Mezz’ora dopo, stavo vomitando”, ricorda Giacobini. “Era troppo violento, troppo violento”. L’acetilcolina agisce su molti sistemi corporei, provocando sudorazione, salivazione e disturbi gastrointestinali quando i suoi livelli aumentano. I farmaci che sviluppò erano più blandi, ma a dosi sufficientemente elevate da fare la differenza, gli effetti collaterali erano comunque notevoli.
Bobo, una scimmia cappuccino di 47 anni, è stata protagonista dell’articolo di Raymond Bartus del 1982 che svelava l’ipotesi colinergica della malattia di Alzheimer. REGINALD DEAN, MARC ABEL E RAYMOND BARTUSUna delle debolezze percepite dell’ipotesi colinergica era l’incapacità di spiegare perché i neuroni del prosencefalo basale iniziassero a morire. L’emergente ipotesi amiloide, d’altro canto, suggeriva una catena causale: nelle famiglie con forme ereditarie di Alzheimer, mutazioni genetiche favorivano l’accumulo di proteina amiloide appiccicosa nel cervello, creando le premesse per una complessa cascata di danni. Anche i topi geneticamente modificati per portare queste mutazioni sviluppavano problemi di memoria e placche, convincendo molti ricercatori che, se si fosse potuto arrestare l’accumulo di amiloide, si sarebbe potuta arrestare anche la malattia.
“A dire il vero, se fossi stato al loro posto in quel momento, probabilmente avrei detto anch’io: ‘Cavolo, abbiamo risolto il problema’“, afferma Taylor Schmitz, neuroscienziato della Western University che studia la funzione colinergica negli esseri umani e nei topi.
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Negli anni ’90, l’età d’oro dei neurotrasmettitori stava cedendo il passo alla fascinazione per le proteine patogene – la beta-amiloide e la proteina tau, responsabile della formazione di grovigli neurofibrillari – e per le aree della corteccia cerebrale che mostravano i primi danni associati a queste proteine. Bartus iniziò a sentirsi un “invitato d’obbligo” ai Congressi. Abbandonò la sua ricerca colinergica nel 2000, ma non prima di aver avvertito in un articolo che, sebbene le scoperte sull’amiloide fossero entusiasmanti, sarebbero potuti passare anni o decenni prima che si traducessero in terapie. Nel frattempo, sosteneva, era necessario perfezionare e migliorare i farmaci colinergici, ovvero quelli già in uso.
Al contrario, le case farmaceutiche persero interesse, accantonando farmaci con meccanismi d’azione innovativi che si erano dimostrati molto promettenti nelle sperimentazioni cliniche. I medici continuarono a prescrivere gli inibitori della colinesterasi perché erano gli unici disponibili.
“Alcuni tentativi forzati di fondere le ipotesi amiloide e colinergica non hanno fatto altro che alimentare le polemiche”, afferma il neuroscienziato Marsel Mesulam della Northwestern University, che per primo identificò il nucleo basale di Meynert come centro dei neuroni colinergici. “La ricerca colinergica è stata percepita “come una sorta di spettacolo secondario” nella ricerca sull’Alzheimer”, afferma, “il che è un peccato”.
Ciò non significa che l’interesse si sia completamente spento. I patologi pubblicarono le prime mappe digitali del prosencefalo basale, consentendo a molte più persone di studiarlo. I ricercatori notarono una perdita di neuroni colinergici del prosencefalo basale nelle persone affette da demenza dovuta al morbo di Parkinson e alla malattia a corpi di Lewy, suggerendo che il loro malfunzionamento potesse essere una caratteristica più generale della neurodegenerazione. (Gli inibitori della colinesterasi sono ora utilizzati per trattare entrambe le patologie). Mesulam scoprì la proteina tau anomala all’interno dei neuroni colinergici nelle persone decedute con deficit cognitivi, un indizio che le proteine patogene potessero avere un ruolo nell’indebolimento di tali neuroni.
Inoltre, gli inibitori della colinesterasi sembravano contribuire a preservare la struttura cerebrale e il flusso sanguigno cerebrale nei pazienti affetti da Alzheimer, suggerendo che i farmaci potessero avere effetti che andavano oltre le semplici cure palliative. Mesulam pubblicò periodicamente articoli di revisione, riprendendo l’ipotesi ormai superata e incorporando eventuali nuove e interessanti scoperte.
Schmitz era uno studente di dottorato negli anni 2010 quando iniziò a leggere gli articoli di Mesulam. “Marsel è uno scienziato molto competente, ma scrive anche in modo eccellente”, afferma. Ciò che Schmitz lesse lo convinse che quanto accaduto nel campo della ricerca sull’Alzheimer – il brusco passaggio dalle strutture cerebrali sottocorticali alla corteccia, dai neurotrasmettitori all’amiloide e alla proteina tau – “era un po’ tragico”. Lungo il percorso si era persa di vista la questione di dove avesse inizio l’Alzheimer nel cervello. La teoria convenzionale indicava ormai una regione chiamata corteccia entorinale, dove si osserva per la prima volta l’accumulo della 2
Nel 2016, Schmitz e il neuroscienziato Nathan Spreng hanno coraggiosamente messo in discussione questa ipotesi con i dati dell’Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative, uno studio a lungo termine che utilizza la risonanza magnetica e la tomografia a emissione di positroni (PET) per osservare lo sviluppo della malattia in persone viventi. Hanno riportato che la degenerazione nel prosencefalo basale prediceva un danno successivo nella corteccia entorinale, e non viceversa.
La scoperta, a dir poco sorprendente, è arrivata proprio mentre i primi studi clinici non mostravano alcun beneficio dai farmaci antiamiloidi sperimentali, progettati per eliminare le placche nel cervello. Sembrava che mancasse un elemento essenziale all’ipotesi amiloide. Altri studi, tuttavia, riportavano l’attenzione sui neuroni colinergici del prosencefalo basale: la manipolazione di queste cellule con la luce in topi transgenici ha rivelato quanto potentemente e precisamente influenzino la percezione e l’apprendimento. Nuovi traccianti PET hanno permesso ai ricercatori di valutare la funzione colinergica in tempo reale in persone sane e malate. E metodi di imaging innovativi hanno finalmente consentito agli scienziati di osservare questi neuroni in tutta la loro imponente estensione.
«Ecco qui: il nucleo basale di Maynert», afferma la neuropatologa Melissa Murray della Mayo Clinic Florida, scartando una sezione di cervello umano conservato e indicando un puntino marrone poco appariscente. «È un nucleo minuscolo. Eppure ha un potere enorme perché invia proiezioni colinergiche in tutta la corteccia».
Patologi come Murray sanno da decenni che questi neuroni specializzati sono lunghi. Ma nel 2014, quando un gruppo della Johns Hopkins University ha iniziato a utilizzare una tecnica chiamata marcatura genetica sparsa per visualizzare i singoli neuroni colinergici del prosencefalo basale nel cervello del topo, persino i veterani del settore sono rimasti sorpresi dall’estensione delle loro ramificazioni. Nei topi, gli assoni di ciascuna cellula misurano circa 50 centimetri se distesi in linea retta. Gli assoni di una cellula umana, disposti allo stesso modo, hanno un totale di 100 metri di proiezioni, hanno calcolato i ricercatori.
Distaccato e fragile
Ancorato nella parte basale del prosencefalo di un topo, un singolo neurone colinergico invia ramificazioni attraverso la corteccia, raggiungendo regioni chiave per le emozioni, l’attenzione e la memoria. Cellule come questa sono tra le prime a morire nell’Alzheimer e in altre malattie neurodegenerative. Gli scienziati ritengono che le loro dimensioni considerevoli e l’elevato fabbisogno energetico le rendano, insieme alle aree cerebrali che innervano, vulnerabili ai danni legati all’età.
Le loro dimensioni sbalorditive hanno offerto indizi sul perché queste cellule potrebbero essere selettivamente vulnerabili nell’Alzheimer e in altre malattie neurodegenerative. “È come se i corpi cellulari si trovassero in una stazione di controllo a terra a Houston, in Texas, e le loro terminazioni assoniche in orbita terrestre bassa“, afferma Schmitz. Ciò significa che richiedono quantità straordinarie di energia per trasmettere segnali in modo efficace. E sono naturalmente più esposte: rispetto ad altri neuroni, hanno meno mielina, un rivestimento lipidico che isola e protegge le cellule. A giugno, Schmitz e i suoi colleghi hanno pubblicato un’ampia analisi delle numerose pressioni evolutive e dello sviluppo che, a loro avviso, predispongono questi neuroni al malfunzionamento.
Non sono gli unici neuroni a lunga proiezione che preoccupano i ricercatori sull’Alzheimer. Murray studia anche cellule fusiformi che producono il neurotrasmettitore norepinefrina e che hanno origine in una struttura cerebrale profonda distinta chiamata locus coeruleus. Ha collegato specifici schemi di sintomi dell’Alzheimer al danno al locus coeruleus e al nucleo basale di Meynert. “La questione non è se queste aree e i loro neuroni speciali siano importanti”, afferma. “È perché vengono devastati?”.
Schmitz ritiene che non esista un fattore scatenante universale. Qualsiasi alterazione della capacità del cervello di assorbire glucosio, inclusi i cambiamenti vascolari legati all’età che riducono il flusso sanguigno, potrebbe indebolire queste cellule già sovraccaricate e distruggere le loro reti ramificate nella corteccia. Fattori di rischio noti per l’Alzheimer, come il fumo, i disturbi del sonno, l’infiammazione cronica e il diabete, potrebbero tutti innescare il processo. Anche le alterazioni del metabolismo lipidico causate da geni noti per il rischio di Alzheimer, come l’APOE4, potrebbero indirizzare i neuroni a lunga proiezione verso la degenerazione.
Ma non è ancora chiaro perché alcune persone riescano a resistere a questi attacchi mentre altre sviluppano la demenza. “È su questo aspetto che la ricerca deve concentrarsi”, affermano Schmitz e Murray. “Se il cervello è dotato di meccanismi endogeni di resilienza, come si può intervenire farmacologicamente?“, si chiede Schmitz. “Piuttosto che limitarsi a intervenire e ripulire la patologia?”.
Giacobini era uno scolaro a Torino quando, nel 1936, gli fu conferito il Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina per i suoi studi pionieristici sull’acetilcolina. A 97 anni continua a pubblicare e recentemente ha avuto il piacere di vedere confermata la validità del lavoro di una vita sui farmaci colinergici.
All’inizio di quest’anno, durante una Conferenza a Copenaghen, Giacobini e lo psichiatra Lon Schneider dell’Università della California del Sud hanno presentato un’analisi dei risultati cognitivi di studi randomizzati sulle principali classi di farmaci per l’Alzheimer: gli inibitori della colinesterasi e i più recenti anticorpi anti-amiloide. Gli anticorpi sono definiti “modificanti la malattia” per i loro effetti di riduzione dell’amiloide, mentre i farmaci colinergici sono considerati trattamenti “sintomatici”. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che i loro effetti erano pressoché comparabili. “Mostriamo la stessa entità dell’effetto, solo che l’effetto degli inibitori della colinesterasi è più duraturo“, afferma Giacobini. Se un farmaco modifica la cognizione per anni, “non si può forse definire modificante la malattia?”.
Di fronte ai limiti dei farmaci antiamiloidi, i ricercatori sembrano prendere più seriamente in considerazione gli agenti colinergici. Quest’anno, le terapie per il “potenziamento cognitivo”, un’etichetta che include la maggior parte dei farmaci che agiscono sul sistema colinergico, sono state la categoria in più rapida crescita nella pipeline dei farmaci per l’Alzheimer. Alcuni studi clinici le stanno testando in combinazione con altri farmaci, tra cui un anticorpo antiamiloide. “Qualunque cosa accada nella terapia dell’Alzheimer“, afferma Mesulam, “i farmaci colinergici faranno parte del cocktail”.
Alcuni gruppi di ricerca stanno lavorando su farmaci che stimolano specifici recettori sui neuroni colinergici, noti per influenzare le funzioni cognitive, anziché inondare il sistema di acetilcolina. Il chimico farmaceutico Abraham Fisher, Presidente di AD/PD, una conferenza annuale sulla ricerca sull’Alzheimer e il Parkinson, ha sviluppato uno di questi agenti, NSC001, attualmente in fase 2 di sperimentazione clinica per il trattamento di persone affette da Alzheimer in fase lieve-moderata. Poiché i recettori a cui agisce sono generalmente preservati anche nelle fasi avanzate della malattia, Fisher ritiene che NSC001 potrebbe essere efficace anche in pazienti con malattia in stadio più avanzato.
La Xanomelina, un farmaco che attiva due tipi di recettori colinergici, è stata testata negli anni ’90 per migliorare le funzioni cognitive nei pazienti affetti da Alzheimer. Sembrava essere efficace, ma fu accantonata a causa degli effetti collaterali a livello gastrointestinale. I ricercatori l’hanno quindi combinata con un secondo farmaco per bloccare tali effetti e, nel 2024, la combinazione ha ottenuto l’approvazione della FDA per il trattamento della schizofrenia, dopo che gli studi clinici avevano dimostrato la sua efficacia anche nel trattamento della psicosi. Attualmente, la Xanomelina è in fase di sperimentazione per il trattamento dei sintomi psichiatrici e cognitivi nei pazienti affetti da Alzheimer, e i primi risultati della fase 3 sono attesi per la fine di quest’anno.
Fonte: Science