Difference between revisions of "Dinamiche fisiologiche nelle malattie demielinizzanti: svelare relazioni complesse attraverso la modellazione al computer"

La discussione di cui sopra solleva il punto importante che, sebbene sia stato fatto molto rumore sui meccanismi immunitari, la loro connessione con i cambiamenti clinici è in gran parte correlazionale. Bisogna considerare gli effetti intermedi sulla funzione assonale, vale a dire i cambiamenti primari e secondari (compensativi) nell'eccitabilità degli assoni, per apprezzare come la funzione neurologica è alterata. Questi cambiamenti non sono conseguenze semplici e dirette della demielinizzazione ma, invece, suggeriscono che la stessa fisiologia assonale cambia in risposta alla demielinizzazione. Alcuni di questi cambiamenti sono adattivi mentre altri sono disadattivi, o forse i cambiamenti adattivi possono diventare disadattivi man mano che la situazione (stato di mielinizzazione) si evolve. Se i cambiamenti nella fisiologia assonale determinano la manifestazione di vari sintomi, la gestione dei sintomi ricadrà in gran parte su trattamenti che mirano a manipolare la fisiologia degli assoni. Lo sviluppo strategico di tali trattamenti richiede una profonda comprensione meccanicistica dell'eccitabilità assonale e della sua regolazione.

=== Patobiologia degli assoni ===

=== Cambiamenti strutturali e molecolari ===

Gli assoni sono profondamente influenzati dalla demielinizzazione. La morfologia dell'assone diventa irregolare o rigonfia, spesso con un aspetto a perline. Si osserva anche un accumulo focale di proteine (tramite trasporto assonale veloce). Nelle placche attive croniche, la perdita assonale del 20%-80% è evidente all'interno della sostanza bianca peri-placca e della normale sostanza bianca distante.<ref>Moll N.M., Rietsch A.M., Thomas S., Ransohoff A.J., Lee J.C., Fox R., Chang A., Ransohoff R.M., Fisher E. Multiple sclerosis normal-appearing white matter: Pathology-imagig correlations. Ann. Neurol. 2011;70:764–773. doi: 10.1002/ana.22521. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Nelle placche attive precoci e croniche, si ritiene che il danno sia causato da fattori infiammatori e immunitari rilasciati durante la demielinizzazione infiammatoria acuta. I mediatori proposti includono proteasi, citochine, eccitotossine e radicali liberi. Gli antigeni neuronali sono bersagli della reazione immunitaria che porta all'infiammazione del sistema nervoso centrale. Altri fattori che causano la disfunzione assonale o la morte includono una mancanza di supporto trofico da mielina e oligodendrociti, danni da fattori immunitari solubili o cellulari ancora presenti nella placca inattiva e insufficienza mitocondriale cronica nell'ambito di una maggiore richiesta di energia.<ref name=":7">Lucchinetti C., Brück W., Parisi J., Scheithauer B., Rodriguez M., Lassmann H. Heterogeneity of multiple sclerosis lesions: Implications for the pathogenesis of demyelination. Ann. Neurol. 2000;47:707–717. doi: 10.1002/1531-8249(200006)47:6<707::AID-ANA3>3.0.CO;2-Q. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Un ruolo critico per gli oligodendrociti e le cellule di Schwann nella sopravvivenza degli assoni è stato anche attribuito ai perossisomi, al metabolismo lipidico e alla disintossicazione delle specie reattive dell'ossigeno (ROS).<ref>Kassmann C.M., Nave K.A. Oligodendroglial impact on axonal function and survival— A hypothesis. Curr. Opin. Neurol. 2008;21:235–241. doi: 10.1097/WCO.0b013e328300c71f. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>

La rimielinizzazione è spesso osservata come placche ombra formate dal reclutamento di precursori di oligodendrociti indifferenziati che migrano e circondano le lesioni consentendo sottili strati di rimielinizzazione.<ref>Scolding N., Franklin R. Axon loss in multiple sclerosis. Lancet. 1998;352:340–341. doi: 10.1016/S0140-6736(05)60463-1. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Questo processo si verifica principalmente nelle placche attive acute, ma anche nelle fasi croniche. Questa osservazione ha innescato lo sviluppo di un nuovo anticorpo monoclonale diretto contro LINGO-1 (Anti-LINGO-1). Il legame di LINGO-1 ai recettori Nogo previene i processi di rimielinizzazione nel SNC; l'inibizione di questa interazione consente quindi una significativa rimielinizzazione negli animali con encefalomielite autoimmune sperimentale.<ref>Mi S., Miller R.H., Lee X., Scott M.L., Shulag-Morskaya S., Shao Z., Chang J., Thill G., Levesque M., Zhang M., et al. LINGO-1 negatively regulates myelination by oligodendrocytes. Nat. Neurosci. 2005;8:745–751. doi: 10.1038/nn1460. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>

Durante il processo patologico, i linfociti autoreattivi e i macrofagi possono attraversare la barriera ematoencefalica e accumularsi nel cervello e nel midollo spinale.<ref>Bittner S., Ruck T., Schuhmann M.K., Herrmann A.M., Maati H.M., Bobak N., Göbel K., Langhauser F., Stegner D., Ehling P., et al. 2013 Endothelial TWIK-related potassium channel-1 (TREK1) regulates immune-cell trafficking into the CNS. Nat. Med. 2013;19:1161–1165. doi: 10.1038/nm.3303. [PubMed] </ref> I linfociti regolatori (Tregs) non riescono a sopprimere le cellule effettrici, per lo più cellule CD8+ citotossiche.<ref>Viglietta V., Baecher-Allan C., Weiner H.L., Hafler D.A. Loss of functional suppression by CD4+CD25+ regulatory T cells in patients with multiple sclerosis. J. Exp. Med. 2004;199:971–999. doi: 10.1084/jem.20031579.[PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Il rilascio di citochine pro-infiammatorie recluta la microglia ingenua, che entra in contatto con un'unità oligodendrocita-mielina mediante interazioni con Fc e recettori del complemento. Un segnale citotossico che innesca la morte viene quindi trasmesso attraverso il fattore di necrosi tumorale α (TNFα)<ref>Zajicek J.P., Wing M., Scolding N.J., Compston D.A. Interactions between oligodendrocytes and microglia. A major role for complement and tumour necrosis factor in oligodendrocyte adherence and killing. Brain. 1992;115:1611–1631. [PubMed] [Google Scholar]</ref> legato alla superficie. Ciò si verifica in concerto con un esteso danno assonale.<ref name=":1" />

Lucchinetti el al.<ref name=":7" /> proposto quattro distinti immunopattern di formazione della placca riscontrati in pazienti in diversi stadi della malattia. Le placche di tipo I e II sono dominate dall'infiammazione dei linfociti T e dei macrofagi e si pensa che mimino rispettivamente i modelli di encefalomielite autoimmune a cellula T o a cellula T più anticorpi. La perdita di mielina nelle placche di tipo I può essere causata da fattori tossici rilasciati dai macrofagi attivati, mentre la deposizione di IgG e complemento suggerisce un ruolo degli anticorpi nelle placche di tipo II. Al contrario, i modelli III e IV mostrano una grande distrofia degli oligodendrociti. Si ritiene che il pattern III sia correlato alle lesioni indotte dall'ipossia che sono guidate da difetti nella funzione mitocondriale,<ref name=":8">Nikić I., Merkler D., Sorbara C., Brinkoetter M., Kreutzfeldt M., Bareyre F.M., Brück W., Bishop D., Misgeld T., Kerschensteiner M. A reversible form of axon damage in experimental autoimmune encephalomyelitis and multiple sclerosis. Nat. Med. 2011;17:495–499. doi: 10.1038/nm.2324. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> mentre le lesioni del pattern IV sono associate a morte profonda non apoptotica degli oligodendrociti nella sostanza bianca periplacca.

Barnett e Prineas<ref>Barnett M.H., Prineas J.W. Relapsing and remitting multiple sclerosis: Pathology of the newly forming lesion. Ann. Neurol. 2004;55:458–468. doi: 10.1002/ana.20016. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> hanno analizzato le lesioni dei pazienti subito dopo l'inizio di una ricaduta, durante la quale era in corso la formazione attiva della placca. I loro risultati suggeriscono che l'apoptosi degli oligodendrociti e l'attivazione gliale si verificano durante la formazione precoce della placca attiva in assenza di linfociti infiammatori o fagociti della mielina. Hanno proposto che la vulnerabilità degli oligodendrociti, descritta nel modello di tipo III di Lucchinetti, sia presente nelle prime fasi di tutta la formazione della placca ed è l'innesco per la successiva necrosi post apoptotica che avvia la fagocitosi della mielina da parte dei macrofagi nelle fasi successive. Le analisi in vitro di questo processo hanno implicato cascate del complemento, fattori di necrosi tumorale o secondi messaggeri gassosi.<ref>Van der Laan L.J., Ruuls S.R., Weber K.S., Lodder I.J., Döpp E.A., Dijkstra C.D. Macrophage phagocytosis of myelin ''in vitro'' determined by flow cytometry: Phagocytosis is mediated by CR3 and induces production of tumor necrosis factor-α and nitric oxide. J. Neuroimmunol. 1996;70:145–152. doi: 10.1016/S0165-5728(96)00110-5. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> Sebbene l'identificazione delle placche e il monitoraggio del loro progresso abbiano un importante valore clinico, esiste solo una modesta correlazione tra il carico della lesione demielinizzante determinato dalla risonanza magnetica convenzionale e la disabilità clinica dei pazienti con SM (vedi sopra).

==== Modifiche funzionali ====

I meccanismi di compromissione funzionale durante la demielinizzazione spesso includono l'interruzione degli ioni Na+, K+ e Ca2+ transmembrana, la dispersione dei canali ionici corrispondenti, una diminuzione dell'efficienza della conduzione AP e una conseguente crisi metabolica (Figura 3). La demielinizzazione può facilmente spiegare il fallimento della conduzione all'interno dell'assone interessato. Se la conduzione non fallisce completamente, la velocità di conduzione può comunque essere rallentata e il rallentamento differenziale tra diversi assoni può causare ritardi di conduzione variabili che si traducono in picchi desincronizzati.

La demielinizzazione consente inoltre agli assoni denudati di avvicinarsi strettamente, ponendo così le basi per le interazioni epatiche e il crosstalk.<ref name=":1" /> La riflessione può anche verificarsi a causa della mancata corrispondenza di impedenza tra le lunghezze mielinizzate e non mielinizzate dell'assone. D'altra parte, l'ipereccitabilità non può essere direttamente attribuita alla demielinizzazione; invece, i cambiamenti secondari nell'eccitabilità intrinseca devono essere invocati per spiegare fenomeni come la generazione di picchi ectopici e la post-dimissione (AD). Le alterazioni dell'eccitabilità rappresentano probabilmente cambiamenti compensatori volti a ripristinare la funzione in seguito all'interruzione causata direttamente dalla demielinizzazione, coerente con un processo denominato plasticità omeostatica,<ref>Wang G., Thompson S.M. Maladaptive homeostatic plasticity in a rodent model of central pain syndrome: Thalamic hyperexcitability after spinothalamic tract lesions. J. Neurosci. 2008;28:11959–11969. doi: 10.1523/JNEUROSCI.3296-08.2008. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> ma tale compensazione può evidentemente essere disadattativa. Ciascuno dei suddetti esiti, che non si escludono a vicenda, contribuisce a produrre diversi sintomi osservati nelle malattie demielinizzanti.

I sintomi parossistici caratterizzati dall'insorgenza improvvisa o dall'intensificazione di sintomi come spasmo o dolore lancinante derivano probabilmente dall'AD o da picchi di tipo burst inappropriati. Tali modelli di spiking suggeriscono interazioni altamente non lineari tra le correnti ioniche che contribuiscono <ref name=":9">Coggan J.S., Prescott S.A., Bartol T.M., Sejnowski T.J. Imbalance of ionic conductances contributes to diverse symptoms of demyelination. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010;107:20602–20609. doi: 10.1073/pnas.1013798107.[PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref name=":10">Coggan J.S., Ocker G.K., Sejnowski T.J., Prescott S.A. Explaining pathological changes in axonal excitability through dynamical analysis of conductance-based models. J. Neural Eng. 2011;8 doi: 10.1088/1741-2560/8/6/065002. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> e potrebbero, almeno in teoria, coinvolgere interazioni tra diverse regioni del neurone.<ref name=":11">Coggan J.S., Prescott S.A., Sejnowski T.J. Cooperativity between remote sites of ectopic spiking allows afterdischarge to be initiated and maintained at different locations. J. Comput. Neurosci. 2015;39:17–28. doi: 10.1007/s10827-015-0562-8. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref> A differenza di forme più generiche di ipereccitabilità (ad esempio, aumento della frequenza di scarica o soglia ridotta), questi modelli specifici sono limitati in termini di precisi meccanismi attraverso i quali potrebbero insorgere. Pertanto, l'identificazione dei cambiamenti del canale ionico alla base di quelle specifiche forme di ipereccitabilità può aiutare a limitare la ricerca dei cambiamenti del canale ionico responsabili delle forme associate, ma meno distintive, di ipereccitabilità.

L'interruzione dell'equilibrio energetico in un neurone potrebbe anche avere un impatto profondo sul benessere del neurone (Figura 3). In effetti, le modifiche compensative possono riuscire a ripristinare alcune funzioni ma, senza invertire il problema principale, possono sorgere altri problemi. Ad esempio, anche se il blocco di conduzione è impedito da un'appropriata variazione compensativa dell'eccitabilità (cioè, una che non si traduca in ipereccitabilità), il sistema può essere meno efficiente dal punto di vista energetico. La perdita del risparmio energetico offerto dalla conduzione saltatoria induce una produzione compensativa di energia mitocondriale che può provocare danni ossidativi e neurodegenerazione. <ref name=":8" /><ref name=":12">Aon M.A., Cortassa S., Akar F.G., Brown D.A., Zhou L., O’Rourke B. From mitochondrial dynamics to arrhythmias. Int. J. Biochem. Cell Biol. 2009;41:1940–1948. doi: 10.1016/j.biocel.2009.02.016. [PMC free article][PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref><ref name=":13">Su K., Bourdette D., Forte M. Mitochondrial dysfunction and neurodegeneration in multiple sclerosis. Front. Physiol. 2013;4doi: 10.3389/fphys.2013.00169. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]</ref>

Tenere traccia di questo lungo elenco di cambiamenti neurobiologici, comprendere le interrelazioni tra tali cambiamenti e, in definitiva, collegare tali cambiamenti con manifestazioni cliniche e applicare un trattamento efficace non è un compito facile. A tal fine, la modellazione computazionale è uno strumento prezioso. Le simulazioni non solo servono a organizzare le informazioni già note, ma identificano anche lacune cruciali nella conoscenza. L'uso giudizioso della modellazione computazionale può quindi consentire una comprensione più completa e facilitare l'applicazione più efficace di tale comprensione, come discusso di seguito.

=== Modellazione computazionale ===

Soprattutto se abbinata agli esperimenti tradizionali, la modellazione computazionale è indispensabile per dare un senso a dati incoerenti e meccanismi complessi. Questi benefici sono esemplificati dall'applicazione di simulazioni in altri campi, come l'epilessia.<ref>Soltesz I., Staley K.  Computational Neuroscience in Epilepsy. 1st ed. Elsevier; London, UK: 2008.  [Google Scholar]</ref> Qui esaminiamo parte della storia della modellazione computazionale di assoni, conduttanze ioniche, fisiologia della mielina e demielinizzazione, sistema immunitario, mitocondri e altri fattori biologici che sono fondamentali per comprendere le malattie demielinizzanti. La nostra recensione non è esaustiva, ma fornirà un'ampia introduzione agli sforzi passati, presenti e futuri in questo settore.