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Rilevanza degli studi sugli sfingolipidi per la ricerca sulla fibrosi cistica

8 Agosto 2018
Autore: Massimo Aureli, Dipartimento di Biotecnologie Mediche e Medicina Traslazionale. Università degli Studi di Milano; Maria Cristina Dechecchi, Laboratorio di Patologia Molecolare - Laboratorio Analisi. Dipartimento di Patologia e Diagnostica. Azienda Ospedaliera Universitaria Integrata di Verona

Ogni cellula è delimitata dalla membrana plasmatica, composta da fosfolipidi (lipidi contenenti ione fosfato) e altre molecole proteiche e lipidiche. Tra i fosfolipidi particolare importanza assumono gli sfingolipidi che, per le loro proprietà chimico-fisiche, sono considerati lipidi biologicamente attivi, con un ruolo chiave nella fitta rete d’interazioni all’interno della membrana, dove svolgono funzioni non solamente strutturali. Fanno parte degli sfingolipidi, molecole in genere complesse, due sfingolipidi semplici: ceramide e sfingosina, che sono cruciali nella patogenesi delle malattie polmonari, compresa la FC (1). Oggi si sa che la ceramide è direttamente coinvolta nella regolazione dei processi infiammatori e che può derivare dalla degradazione di sfingolipidi complessi (può essere prodotta a partire da composti base, per esempio dalla sfingosina stessa, che è un amino-alcol capace di generare ceramideNdr). Sembra oggi esservi un generale consenso sul fatto che accumuli di ceramide siano associati a una risposta infiammatoria esagerata e, in parallelo, riduzioni di sfingosina determinino una compromissione delle difese antibatteriche. A questo riguardo sono state raggiunte evidenze sperimentali in diversi modelli cellulari, animali e di pazienti FC (2). La strategia terapeutica mira dunque a ridurre gli accumuli di ceramide bloccando la sua produzione o inducendo la sua degradazione.

FFC ha finanziato diversi progetti di ricerca sugli effetti del Miglustat, un farmaco che è in uso in una grave malattia metabolica su base genetica, la malattia di Gaucher, dove esercita appunto azione di inibizione degli accumuli dannosi di ceramide. In fibrosi cistica è stato inizialmente proposto come correttore di CFTR con mutazione F508del (3), ma nei progetti sostenuti da FFC (vedi Progetti FFC #12/2008; #16/2010; #14/2012; #22/2015) sono stati conseguiti risultati che hanno dimostrato un effetto anti-infiammatorio del Miglustat, sia in modelli cellulari di epitelio bronchiale umano che in topi. È stato evidenziato che il Miglustat agisce inibendo l’enzima beta-glucocerebrosidasi GBA2, responsabile dell’idrolisi del glucosil-ceramide a ceramide e glucosio e quindi impedendo l’accumulo di ceramide (4-6). Purtroppo non ci sono dati sulla sua attività anti-infiammatoria in vivo nei pazienti, poiché questo aspetto non è stato valutato. Il Miglustat è stato utilizzato in trial clinici con l’obiettivo di valutarne l’efficacia come correttore in pazienti omozigoti per la mutazione F508del attraverso la misurazione del potenziale nasale. I risultati di questi trial sono stati piuttosto deludenti (7,8).

Dati più incoraggianti sembrano provenire dai trial clinici basati sull’utilizzo di Amitriptilina, un antidepressivo triciclico, inibitore della sfingomielinasi acida, coinvolta nella produzione di ceramide a seguito della degradazione di sfingomielina (9). Nonostante i miglioramenti della funzionalità respiratoria e l’incremento di peso, i risultati di questo trial vanno letti con cautela. Infatti non è possibile capire se i miglioramenti osservati siano stati tali da ridurre la condizione infiammatoria e le infezioni polmonari, dal momento che i pazienti erano comunque in terapia antibiotica e non si può escludere che l’incremento ponderale osservato nei pazienti FC sia analogo a quello dei pazienti in terapia per la depressione. In ogni caso sul sito della Fondazione Americana per la FFC, non è presente alcun trial in corso con l’Amitriptilina.

Un’altra strategia promettente è rappresentata dall’induzione di una degradazione forzata di ceramide, direttamente a livello bronchiale, mediante inalazione dell’enzima ceramidasi acida. Al momento non vi sono trialsattivi in pazienti FC, ma l’utilizzo di questo enzima in modelli cellulari in vitro e nel topo in vivo ha messo in evidenza un suo duplice effetto: da un lato la riduzione dei livelli di ceramide a carico dell’epitelio bronchiale con relativo abbassamento dello stato infiammatorio, dall’altro l’effetto battericida della sfingosina prodotta a seguito della degradazione forzata di ceramide (10).

Una diversa possibile modulazione di ceramide si può ottenere inibendone la produzione utilizzando, ad esempio, la Miriocina, una molecola estratta dai funghi e usata nella medicina tradizionale cinese. Ricerche finanziate dalla FFC (vedi Progetti FFC #22/2011; #20/2013; #11/2016) hanno messo in evidenza che la Miriocina favorisce il ripristino di una risposta infiammatoria adeguata all’infezione da P. aeruginosasia sia in modelli cellulari sia negli animali (11-13). Sono ora in corso studi per lo sviluppo di nano-carriers (nano trasportatori) per veicolare in modo altamente efficiente la Miriocina nei polmoni in vivo.

In generale, va sottolineato che tutti gli anti-infiammatori devono ripristinare un’adeguata risposta ma non devono abolirla, per non compromettere le difese del paziente. Questo particolare punto critico va tenuto presente, non solo per la Miriocina che è un immuno-soppressore, ma anche per tutte le altre molecole.

Oltre alla rilevanza nei processi infiammatori, gli sfingolipidi potrebbero avere un ruolo anche nel recupero funzionale della proteina CFTR. A questo proposito, un particolare sfingolipide, il ganglioside GM1, potrebbe contribuire a stabilizzare la CFTR in membrana (vedi FFC #9/2015).

In conclusione, poiché sta emergendo che la cura efficace in tutti i pazienti FC sarà raggiungibile combinando correttori e potenziatori con stabilizzatori e anti-infiammatori, la modulazione degli sfingolipidi rappresenta ancora un rilevante bersaglio terapeutico su cui finalizzare gli studi.

Bibliografia

  1. Sharma L and Prakash H. Sphingolipids Are Dual Specific Drug Targets for the Management of Pulmonary infections: Perspective. Immunol.2017; 8:378.
  2. Aureli M, Schiumarini D, Loberto N, Bassi R, Tamanini A, Mancini G, Tironi M, Munari S, Cabrini G, Dechecchi MC, Sonnino S. Unravelling the role of sphingolipids in cystic fibrosis lung disease.Chem Phys Lipids. 2016 Oct; 200:94-103.
  3. Norez C, Noel S, Wilke M, Bijvelds M, Jorna H, Melin P, DeJonge H, Becq F. Rescue of functional delF508-CFTR channels incystic fibrosis epithelial cells by the alpha-glucosidase inhibitor miglustat.FEBS Lett. 2006 Apr 3;580(8):2081-6.
  4. Dechecchi MC, Nicolis E, Norez C, Bezzerri V, Borgatti M, Mancini I, Rizzotti P, Ribeiro CM, Gambari R, Becq F, Cabrini G. Anti-inflammatory effect of miglustat in bronchial epithelial cells.J Cyst Fibros. 2008 Nov;7(6):555-65.
  5. Dechecchi MC, Nicolis E, Mazzi P, Cioffi F, Bezzerri V, Lampronti I, Huang S, Wiszniewski L, Gambari R, Scupoli MT, Berton G, Cabrini G. Modulators of sphingolipid metabolism reduce lung inflammation.Am J Respir Cell Mol Biol. 2011 Oct;45(4):825-33.
  6. Loberto N, Tebon M, Lampronti I, Marchetti N, Aureli M, Bassi R, Giri MG, Bezzerri V, Lovato V, Cantù C, Munari S, Cheng SH, Cavazzini A, Gambari R, Sonnino S, Cabrini G, and Dechecchi MC. GBA2-encoded beta-glucosidase activity is involved in the inflammatory response to Pseudomonas aeruginosa. PLoS One. 2014 Aug 20;9 (8): e104763.
  7. Leonard A, Lebecque P, Dingemanse J, Leal T. A randomized placebo-controlled trial ofmiglustat in cystic fibrosis based on nasal potential difference.J Cyst Fibros. 2012 May;11 (3):231-6.
  8. Leonard A, Lebecque P, Dingemanse J, Leal T. Miglustat effects on the basal nasal potential differences in cystic fibrosis.J Cyst Fibros. 2013 Jan;12(1):89.
  9. Adams C, Icheva V, Deppisch C, Lauer J, Herrmann G, Graepler-Mainka U, Heyder S, Gulbins E, Riethmueller J. Long-Term Pulmonal Therapy of Cystic Fibrosis-Patients with Amitriptyline. Cell Physiol Biochem. 2016;39(2):565-72.
  10. Becker KA, Riethmüller J, Seitz AP, Gardner A, Boudreau R, Kamler M, Kleuser B, Schuchman E, Caldwell CC, Edwards MJ, Grassmé H, Brodlie M, Gulbins E. Sphingolipids as targets for inhalation treatment of cystic fibrosis. Adv Drug Deliv Rev. 2018 Apr 24. pii: S0169-409X(18)30075-9.
  11. Caretti A, Bragonzi A, Facchini M, De Fino I, Riva C, Gasco P, Musicanti C, Casas J, Fabriàs G, Ghidoni R, Signorelli P. “Anti-inflammatory action of lipid nanocarrier-delivered myriocin: therapeutic potential in cystic fibrosis”. Biochim Biophys Acta. 2014 Jan;1840(1):586-94.
  12. Caretti A, Torelli R, Perdoni F, Falleni M, Tosi D, Zulueta A, Casas J, Sanguinetti M, Ghidoni R, Borghi E,Signorelli  Inhibition of ceramide de novo synthesis by myriocin produces the double effect of reducing pathological inflammation and exerting antifungal activity against A. fumigatus airways infection.Biochim Biophys Acta. 2016 Jun;1860(6):1089-97
  13. Caretti A, Vasso M, Bonezzi FT, Gallina A, Trinchera M, Rossi A, Adami R, Casas J, Falleni M, Tosi D, Bragonzi A, Ghidoni R, Gelfi C,Signorelli  Myriocin treatment of CF lung infection and inflammation: complex analyses for enigmatic lipids.Naunyn Schmiedebergs Arch Pharmacol. 2017 Aug;390 (8):775-790.