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ENERGIA E METABOLISMO CEREBRALE: LA FUNZIONE DEGLI ASTROCITI (TRATTO DALLE RICERCHE CONDOTTE DA GIOVANNI PELLEGRI E DAL GRUPPO DI RICERCA P.J. MAGISTRETTI DELL'ISTITUTO DI FISIOLOGIA DI LOSANNA) Di Alessandro Nutini Il fabbisogno energetico della rete cerebrale Il particolare utilizzo dell'ossigeno Introduzione Indubbiamente il cervello dei mammiferi è l'organo più complesso e stupefacente di tutto l'universo. Ha funzionalità che difficilmente si ritrovano in natura: è un vero e proprio miracolo. Su di esso, però, ancora poco sappiamo e, probabilmente poco sapremo ancora per molti anni. La ricerca Neurobiologica ha permesso di conoscere molto sulla sua funzionalità ed ha aperto nuove vie alla comprensione della strutturazione citoarchitettonica del complesso. La ricerca qui proposta (ed abilmente eseguita) è eccezionale e lo è per il semplice motivo che essa ha identificato funzionalità prima completamente estranee del complesso cellulare della Neuroglia (o Cellule della Glia) che vanno ben oltre la semplice "capacità di sostegno"; esse sono delle vere e proprie riserve energetiche che modulano la trasmissione delle attività sinaptiche. Questo rivoluziona completamente il concetto che noi comunemente abbiamo della Glia Nervosa e la semplice funzione strutturale appare adesso piuttosto "stretta". Alcuni dati esprimono la complessità dell'organo cerebrale: 600 milioni di sinapsi per millimetro cubo, 100-120 miliardi di cellule stimate, reti neurologiche espresse da queste relazioni; inoltre si pensi che il 90% delle cellule cerebrali sono cellule gliali ed il resto neuroni. Ecco palese che, per alimentare una rete del genere, occorre un dispendio energetico piuttosto elevato. Da questa relazione emerge che una particolare classe di queste cellule (che poi è la maggioranza) possiede delle funzioni sia trofiche che energetiche e di regolazione ionica nonché di sostegno alla conduzione degli impulsi. Questo superbo lavoro è opera del dott. Giovanni Pellegri, biologo del gruppo di ricerca di P.J.Magistretti dell'Istituto di Fisiologia di Losanna. Questa è la riprova che i giovani ricercatori italiani valgono molto e che nulla hanno da invidiare ai colleghi d'oltre oceano. Questa ottima intuizione sarà di sicuro aiuto anche nella comprensione delle varie patologie neurologiche. Il fabbisogno energetico della rete cerebrale Il cervello adulto pesa circa il 2% del peso globale corporeo e questo la dice lunga circa l'impegno energetico che richiede: il 50% dell'ossigeno umano viene da esso utilizzato così come il 10% del glucosio ematico. E' decisamente impressionante; ma esiste anche un'altra peculiarità: il consumo totale dell'ossigeno cerebrale e la produzione di anidride carbonica sono totalmente identici, questo significa che il glucosio, nel nostro cervello, viene usato solamente per un substrato energetico che i neuroni (anche se di numero inferiore rispetto al complesso cerebrale cellulare in toto) consumano in modo esclusivo. Questi ultimi hanno, poi, un altro "inghippo" da sostenere: la pompa sodio-potassio. Essa, per funzionare, vuole energia e deve necessariamente funzionare perché detiene la capacità di mantenere in vita la possibilità di generare impulsi elettrici e di trasmetterli lungo tutta la membrana neuronale. Da dove proviene l'energia di questa pompa ? Proviene dall'idrolisi dell'ATP (adenosintrifosfato; "moneta" energetica del corpo umano) e grazie ad essa espelle gli ioni sodio ed assorbe gli ioni potassio. L'impiego calorico per far funzionare questa pompa è massiccio: circa il 50% dell'energia cerebrale utilizzata è a carico di questa funzione; da qui risulta chiaro che le aree cerebrali più attive sono anche quelle che consumano più energia. C'è però un particolare che rende perplessi: nei neuroni i componenti energetici per la produzione di ATP sono praticamente inesistenti ! Occorre, allora, guardarci attorno per vedere eventuali "dipendenze" di tale produzione vitale. Gli Astrociti (rappresentanti maggioritari delle Cellule della Glia) possiedono riserve di glicogeno (polisaccaride di riserva energetica animale). Come può utilizzare, il neurone, le riserve energetiche di queste cellule ? Bisogna che all'Astrocita arrivino almeno dei segnali neuronali che permettano il rilascio del materiale energetico richiesto. Gli Astrociti, se visti attentamente, possiedono molti recettori di membrana proprio specifici per i neurotrasmettitori; questi ultimi sappiamo essere responsabili della trasmissione sinaptica tra due neuroni per cui, una loro ricezione dallo spazio sinaptico a carico dei recettori postsinaptici della cellula ricevitrice dello stimolo, consente il passaggio dell'impulso nervoso. Per ora, quindi, niente di nuovo, ma solo ulteriori conferme di ciò che già sapevamo. Quindi: la presenza di neurotrasmettitori nello spazio sinaptico indica la presenza di neuroni attivi. Ma ecco qualcosa di nuovo: diversi studi condotti presso l'Instituto di Fisiologia di Losanna dal gruppo di ricerca di Pierre Magistretti hanno dimostrato che gli Astrociti rispondono alla presenza dei neurotrasmettitori e modulano, in tal modo, il loro metabolismo energetico. Un esempio di questo ? La noradrenalina aumenta la presenza di AMP ciclico (una proteina che funge da "messaggero secondario" all'interno delle cellule e consente l'avvenimento di determinate attività intracellulari) dentro gli Astrociti ed in quella maniera attiva delle protein-cinasi e meccanismi di fosforilazione che consentono la glicogenolisi e contemporaneamente l'assorbimento di glucosio sempre da parte della medesima cellula. Anche altri trasmettitori permettono attività similari come per esempio il VIP (polipeptide vasoattivo intestinale) presente in molte giunzioni neurologiche. La glicogenolisi è molto rapida: nell'ordine di secondi; parallelo, però, esiste un effetto opposto ma ritardato nel tempo indotto pure dalla noradrenalina e dal VIP. L'effetto ritardato consiste (grazie anche all'appoggio di un'attivazione della trascrizione genica) nella sintesi maggiore di glicogeno poche ore dopo la sua degradazione; una prova di questo è stata data dalla scoperta per cui la noradrenalina attiva la trascrizione del gene della glicogeno-sintetasi (enzima che produce il glicogeno). Gli Astrociti possono, in tal modo, riconoscere l'attività dei neuroni registrando la presenza dei relativi neurotrasmettitori negli spazi extracellulari; queste ultime molecole provocano una serie di reazioni quasi "a cascata" dentro le cellule in oggetto che consentono una rapida degradazione del materiale energetico ed una sua relativa mobilitazione. Contemporaneamente, per non minimizzare drasticamente le riserve di glicogeno, i neurotrasmettitori provvedono pure ad un aumento della sua sintesi tramite la trascrizione delle proteine relative (abbiamo già visto la glicogeno-sintetasi) nelle zone attive cerebrali. Tutto questo meccanismo è bellissimo ed apparentemente perfetto, ma c'è un altro piccolo "neo": gli Astrociti non possiedono riserve di glicogeno enormi, ma anzi piuttosto limitate. Il tessuto cerebrale umano possiede circa 110 mg di glicogeno ogni 100 gr propri: è piuttosto "poco" se pensiamo che occorrono almeno 120 gr di glucosio quotidiano per far funzionare il tutto perfettamente. L'apporto supplementare, quindi, può essere fornito solo dalla circolazione sanguigna. Questa interazione è un nuovo paragrafo aperto nella Neurobiologia.
La Tomografia ad
Emissione di Nel 1977 un'eccezionale scoperta venne effettuata in termini diagnostici; Louiss Sokoloff del National Institute of Mental Health mise a punto una nuova tecnica basata sul "metodo del 2 DG", ovvero del 2 desossiglucosio. Tale sostanza è assorbita a livello cellulare come il glucosio, solamente che non viene metabolizzato e rimane in tal modo chiuso nelle cellule. Effettuando misurazioni con il 2DG radioattivo notiamo quali parti cerebrali assorbono più glucosio e, quindi,sono potenzialmente più attive. Tecniche come la TEP (Tomografia ad Emissione di Positroni) o la fRMI (Risonanza Magnetica funzionale) hanno pure connesso il flusso cerebrale ematico maggiorato proprio in relazione ad un aumento dell'attività cerebrale stessa. Questo ha consentito il poter scrivere una "mappa" delle zone cerebrali legate a determinate elaborazioni. La TEP combinata con la fRMI e l'uso del 2DG ha consentito lo studio delle zone che assorbono maggior glucosio. E' chiaro che queste tecniche non misurano direttamente l'attività cerebrale, ma effettuano una sorta di "registrazione" dei segnali relativi all'intensità del metabolismo cerebrale, la fRMI consente di notare i cambiamenti che si verificano nell'ossigenazione del sangue arterioso. Resta evidente, quindi, che questi meccanismi nulla dicono circa i meccanismi della genesi delle immagini (della funzionalità cerebrali) oppure di come il glucosio sia utilizzato. Sia la TEP che la fRMI sono tutt'oggi oggetto di dibattito. L'orientamento attuale, però, sembra connettere queste due metodiche diagnostiche con l'assorbimento di glucosio da parte dei neuroni attivi; la TEP registrerebbe, secondo l'opinione comune, un accumulo del 2DG nei neuroni eccitati mentre la fRMI una diminuzione dell'afflusso di ossigeno nel contenuto ematico cerebrale nelle zone considerate attive. Da ciò si deduce che alla base di tutto il ragionamento sta il fatto dato per certo che il glucosio sia il fondamento energetico esclusivo dei neuroni. Insomma: più le cellule sono attive (e più è grande è il numero delle stesse) e maggiore è il contenuto di glucosio utilizzato. Oggi questa ipotesi, che ha "sostenuto" più di dieci anni di Neurobiologia, è stata messa in discussione! Punto primo: i dati in possesso dell'autore della presente ricerca sostengono che ben poco glucosio (ottenuto dalla circolazione sanguigna) passa direttamente nei neuroni. Citoarchitettonicamente e funzionalmente gli Astrociti sembrano essere il luogo dove il glucosio viene assorbito in maggior parte. I "piedi astrocitari" (prolungamenti degli stessi Astrociti) rivestono interamente la superficie dei capillari cerebrali e praticamente "obbligano" il passaggio dello zucchero in questione verso di loro. Secondo punto: il glucosio captato dagli Astrociti non passa indenne sino ai neuroni; esso viene trasformato in lattato al loro interno ed è tale composto che diviene il principale elemento energetico dei neuroni. La sezione delle cellule Astrocitarie è importante per il metabolismo cerebrale; essa dovrà rispondere all'aumentato fabbisogno metabolico con una modulazione sia di acquisizione del glucosio dai vasi, sia dell'immissione del lattato nei neuroni. Tutto questo meccanismo complesso è regolato dalla presenza di un'altra sostanza, il glutammato, negli spazi extracellulari. Esso interagisce proprio con tali cellule della Nevroglia provocandone una risposta metabolica. Esso infatti aumenta l'assorbimento di glucosio. La presenza di glutammato negli spazi extracellulari, quindi, comunica agli Astrociti che nelle vicinanze esistono una o più cellule neurologiche attive ed implica allora un aumento dell'assorbimento del glucosio. Se poi analizziamo fisicamente il tessuto Astrocitario, troviamo che appare il più adatto, tra tutti i tessuti cerebrali, a registrare ogni più piccola variazione neuronale; infatti l'organizzazione strutturale delle cellule appartenenti a tale tessuto consta di due poli: un polo circonda i vasi assumendo rilevanza nei confronti dell'assorbimento di glucosio ematico, mentre l'altro "avvolge" le sinapsi verificando sia la presenza di neurotrasmettitori sia, quindi, l'attività cerebrale. Quando gli Astrociti percepiscono il glutammato (il 90% dei neuroni riescono ad emetterlo) si attivano ed iniziano ad assorbire glucosio dalla circolazione. Ecco che, quindi, più neuroni sono attivi, più glucosio viene assorbito dagli Astrociti. Ma come avviene l'assorbimento del glucosio e la sua elaborazione ? Tramite una serie di eventi "a cascata". Il primo stadio è costituito dalla liberazione di glutammato da parte dei neuroni nelle sinapsi a seguito dell'impulso nervoso. Esso, poi, si lega ai recettori della membrana post-sinaptica (del neurone post-sinaptico) modificandone l'eccitabilità. Successivamente (come secondo passo di questa serie di reazioni) il glutammato viene rimosso dalla sua sede extracellulare grazie a delle proteine trasportatrici site essenzialmente sugli Astrociti. Tali proteine, in realtà, sono "specifiche di membrana" di queste ultime cellule e, una volta che il glutammato è penetrato dentro di esse, viene trasformato in glutammina grazie ad un enzima noto come glutammina-sintetasi tipico ed esclusivo di queste cellule. Le reazioni che seguono portano la glutammina a disposizione dei neuroni che, con una serie di reazioni inverse a quelle descritte, vanno a costituire vescicole sinaptiche di glutammato. Questo trasporto di glutammato viene eseguito parallelamente a quello di sodio che gli Astrociti liberano per impedire un accumulo: funzionalità espletata dalla pompa sodio-potassio presente anche per questa categoria cellulare. Essa si attiverà (consumando energia) ogni volta che viene captato il glutammato. Anche la pompa sodio-potassio è un segnale che indica la presenza di neuroni attivi. Perché anch'essa funzioni necessita di glucosio ottenuto dalla gicogenolisi (si serve dell'ATP) per cui il glucosio inizia il suo processo di catalisi sin dall'Astrocita ove viene trasformato in lattato (in assenza di ossigeno) producendo due molecole di ATP: una utilizzata per la pompa sodio-potassio, l'altra per trasformare il glutammato in glutammina. Riassumendo: un neurone libera glutammato che stimola la produzione di lattato negli Astrociti; quest'ultimo sarà poi catturato dai neuroni stessi che, tramite la catena respiratoria, lo utilizzeranno per produrre energia. In queste cellule della Glia, quindi, avremo la produzione di due molecole di ATP per ogni glucosio assorbito, mentre il neurone assorbe due molecole di lattato per ogni molecola di glucosio assorbita dalle cellule Gliali stesse; da queste molecole di lattato il neurone ricava, poi, ben 34 molecole di ATP !! Insomma: le due molecole di ATP sono un prezzo minimo da pagare per una modulazione efficiente e perfetta di un tale sistema. Appare chiaro che vi sono vari stadi che connettono attivazione neuronale e assorbimento di glucosio (coupling) il cui intero processo è detto "navetta del lattato Astrocita-neurone" (Astrocyte-neuron laccate shuttle); il glutammato nelle sinapsi eccitatorie induce due effetti: 1) modula l'eccitazione del neurone post-sinaptico, 2) stimola l'entrata del glucosio negli Astrociti. Da qui la produzione di lattato e gli effetti visti. Che quest'ultimo prodotto sia un buon "carburante cerebrale" è stato reso noto già 10 anni fa in un esperimento condotto su cellule cerebrali ippocampali di topo in cultura il cui liquido di coltivazione conteneva lattato invece di glucosio: le proprietà elettrofisiologiche neuronali erano immutate (Laboratori of University of Kentucky, A. Shurr & coll.). Un ulteriore fatto importante è costituito dalla presenza di proteine cerebrali, nei mammiferi adulti, capaci di trasportare ed utilizzare il lattato: questo è semplicemente incredibile visto che la barriera emato-encefalica impedisce sia l'entrata che l'uscita dal cervello di tale sostanza. Consideriamo anche la presenza cerebrale degli enzimi di sintesi e degradazione e quella degli RNA messaggeri per i due enzimi di trasporto del lattato medesimo (MonoCarboxylateTransporter, ovvero MCT1 ed MCT2) che ci suggeriscono una sorta di produzione endogena lattagena cerebrale ! E' stata anche localizzata la LDH (Latticodeidrogenasi) che catalizza la sintesi di degradazione e sintesi del nostro componente energetico; questo riprova quanto detto sopra. La LDH esiste in 5 diverse forme (isoenzimi) che derivano da varie combinazioni (all'interno delle stesse forme) delle due subunità che la costituiscono e che differiscono per differenti proprietà cinetiche. Il tessuto produttore di lattato contiene l'isoenzima LDH5 che, nell'ambito delle azioni effettuabili, trasforma il lattato stesso in piruvato. Dopo vari studi istologici (anticorpi monoclonali diretti contro isoenzimi LDH) è stata dimostrata la presenza di LDH5 negli Astrociti mentre l'LDH1 nei neuroni (l'isoenzima LDH1 è tipico per il consumo del lattato). Astrociti come "produttori" e neuroni come "consumatori". Questo descritto è il coupling tra Astrocita e neurone nelle sezioni cerebrali attive, ma potrebbe benissimo esprimere il meccanismo alla base di TEP e di fRMI.
Il particolare utilizzo dell'ossigeno Uno strano paradosso venne evidenziato tramite TEP: il flusso sanguigno nelle zone attive cerebrali aumenta così come il consumo di glucosio, ma la stessa cosa non vale per l'ossigeno. Per molto tempo tale evidenza fu un vero e proprio mistero tanto che venne ipotizzato un funzionamento del tessuto neurologico simile a quello del tessuto muscolare: nelle situazioni di attività intensa lavora in anaerobia (assenza di ossigeno) anche se è molto strano visto che di ossigeno nel cervello ve ne è a sufficienza. Tutta questa situazione può essere spiegata completamente tramite la relazione Astrocita-neurone. In effetti l'uso dell'ossigeno è differente da quello del glucosio; quest'ultimo infatti viene trasformato subito in lattato in assenza di ossigeno all'interno degli Astrociti, successivamente il lattato viene trattato nelle vie aerobiche neuronali.. A conferma del quadro descritto, tempo addietro, venne notato un picco di lattato proprio nelle regioni attive cerebrali: visto che la barriera emato-encefalica blocca sia l'accesso che l'uscita di tale sostanza nel e dal cervello, significa che essa deve essere prodotta all'interno dell'apparato cerebrale (del lattato, tramite osservazione con trattamento a microcannule, già era stato notato dentro le sinapsi delle cellule cerebrali di ippocampo di topo in un esperimento). Importante è il fatto che l'inibitore al trasporto del glutammato inibisca susseguentemente anche la produzione di lattato (conferma ulteriore di quanto sin'ora scritto). Questi meccanismi di produzione già avevano fatto il loro ingresso in esperimenti condotti sia alla Yale University (relazione tra glutammato in glutammina e consumo di glucosio) ed oggi hanno trovato una giusta collocazione. Per molto tempo la presenza di lattato nel sistema nervoso è stata scambiata per una sofferenza del medesimo che avrebbe provocato danni permanenti (come realmente avviene nelle ischemie); ma il lattato ha anche un ruolo positivo. E' molecola di scambio Nevroglia - neuroni e la sua presenza in un cervello sano è il frutto di un corretto funzionamento. Risultati ottenuti con esperimenti "in vitro" e con mezzi quali TEP e fRMI hanno confermato come tutte queste evidenze siano necessarie per una futura completa comprensione dei meccanismi del metabolismo cerebrale. Cade oggi una credenza che voleva i neuroni connessi intimamente al glucosio, adesso è corretto dire i neuroni attivi ricevono il lattato dagli Astrociti che è il principale elemento per la produzione energetica dei neuroni stessi. Chiaramente anche questo non è assolutamente un "principio base", ma solo un'intuizione che eleva l'Astrocita ad elemento fondamentale nella trasmissione dell'impulso nervoso.
Il lattato penetra tramite i due MCT e viene trasformato in Piruvato tramite LDH1, poi segue produzione di energia, glutammato, aspartato o GABA. Il ciclo è capillare - Astrociti (glucosio, piruvato, lattato) - neurone (lattato, piruvato, energia e glutammato).
Questa è veramente un'ottima ricerca. Giovanni Pellegri ha illustrato un meccanismo che sicuramente illuminerà la comprensione dei meccanismi neurobiologici che regolano il metabolismo cerebrale. Questa evidenza è di un'importanza incredibile, il capire come funziona il nostro apparato cerebrale significa anche e soprattutto capirne il funzionamento metabolico e quali sostanze vengono impiegate. Inoltre, qui, è evidenziata una nuova dimensione in cui inquadrare una categoria di cellule: gli Astrociti. Questi ultimi sono sempre stati considerati come "supporto strutturale" del sistema nervoso, adesso sappiamo che hanno anche una funzionalità importantissima circa la trasmissione nervosa e la sua modulazione. Tutto questo è necessario per fare passi avanti perché l'uomo comprenda se stesso. Giovanni Pellegri è stato premiato dalla rivista scientifica "Le Scienze" (concorso indetto per i 30 anni di attività della stessa) per questa ricerca (pubblicata sul numero di Settembre della rivista prima citata) ed ha dimostrato che i giovani ricercatori italiani non hanno nulla da invidiare ad altri; il sistema nazionale italiano dovrebbe seriamente valutare di più questo profilo di sviluppo culturale (la ricerca) perché nei tempi odierni essa non è considerata e chi se ne occupa non ha affatto vita facile. Ogni tanto forse sarebbe opportuno investire sui giovani e soprattutto in quei settori ove essi realmente possono contribuire a migliorare la vita umana e lo stato sociale. La ricerca si pone al primo posto tra le varie candidate a far questo. Purtroppo sembra che manifestazioni particolari con un carattere piuttosto futile oggi siano considerate molto di più rispetto a ciò che la cultura possa apportare all'uomo. E' ora di cambiare. Giovanni Pellegri: laureato in Biologia nel 1989 all'Università di Losanna, dalla Facoltà di Scienze ha ricevuto una licenza premio per gli ottimi risultati ottenuti. E' nel gruppo di ricerca di P.J.Magistretti presso l'Istituto di Fisiologia di Losanna ove ha conseguito il dottorato in Neurobiologia Molecolare. Lucca, lì 10/10/1999 |
