RICERCA ITALIANA     

Progettazione, sintesi e valutazioni bio-farmacologiche preliminari di ligandi utili allo sviluppo di farmaci per le patologie neurodegenerative del S.N.C. - Un approccio multirecettoriale.

Università degli Studi di Catania

Abstract

Il programma di Ricerca concerne la Progettazione, la sintesi, la caratterizzazione strutturale e lo studio delle proprietà farmaco-biologiche di ligandi e modulatori dei recettori del S.N.C. coinvolti nei processi patologici che portano alla sindrome di Alzheimer e in genere ai processi degenerativi e nei processi ischemici. Si tratta di uno studio finalizzato all'identificazione di strumenti farmacologici per lo studio delle patologie citate, trovando fondamento nelle ricerche di base condotte negli anni precedenti da tutte le unità coinvolte e che ora consentono un approccio da diverse prospettive. Tali ricerche sono sempre state cofinanziate dal MIUR (1999, 2001 e 2003). Le conoscenze acquisite sui requisiti strutturali dei ligandi dei recettori del sistema glutammatergico, oppioide e sigma, dei cannabinoidi e della melatonina, insieme a quelli colinergici e serotoninergici hanno portato allo sviluppo di composti chimici di elevata selettività e affinità per i recettori citati e quindi in grado di modulare in maniera efficace i diversi sistemi contribuendo allo sviluppo di candidati farmaci per il trattamento di patologie di grande impatto sociale e derivanti da un malfunzionamento della trasmissione nervosa centrale.
Nel progetto sono coinvolte cinque unità locali comprendenti ricercatori con una grande esperienza per l'attività di ricerca svolta in Italia e all'estero, sia in Università che nell'Industria, e tutti con legami fortissimi con prestigiosi centri di ricerca internazionali in Europa e negli Stati Uniti in special modo. Tutte mantengono rapporti di stretta collaborazione reciproca come evidenziato dalla partecipazione ai precedenti progetti PRIN e hanno pubblicazioni scientifiche in comune.
Scopo del progetto è anche quello di sviluppare ulteriormente le ricerche sulle conoscenze dei sistemi recettoriali coinvolti in tali patologie.
La caratterizzazione del ruolo fisiologico di tali sistemi recettoriali, in condizioni patologiche e non, ha portato infatti allo sviluppo di composti di notevoli selettività e affinità che possono essere utilizzate per sviluppare drug candidati in grado di ridurre l'impatto o ritardare l'insorgere di diverse patologie.
L'unità di Catania è in grado di effettuare i saggi preliminari di binding e diversi studi su modelli animali. Tutte le unità hanno collaborazioni scientifiche attive con centri di ricerca farmacologica prestigiosi sia in Italia che all'estero, come si evince dalle pubblicazioni scientifiche riportate altrove. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Giuseppe RONSISVALLE Università degli Studi di CATANIA

Obiettivo del Programma di Ricerca

La Chimica Farmaceutica italiana ha assunto un ruolo leader a livello internazionale nello studio dei sistemi recettoriali contribuendo in maniera rilevante alla comprensione del ruolo fisiologico dei recettori del SNC. Basti pensare che sulla prestigiosa rivista Journal of medicinal Chemistry pubblicata dall'American Chemical Society il numero di lavori pubblicato annualmente dai ricercatori italiani è secondo solo a quello dei ricercatori statunitensi. Lo scopo del progetto è quello di mettere a frutto tali competenze di base sviluppando molecole selettive per i diversi sistemi recettoriali coinvolti nelle patologie neurodegenerative, arrivando possibilmente alla identificazione di drug candidates per patologie quali l'Alzheimer, il Parkinson ecc. Il ruolo dei diversi sistemi recettoriali nell'insorgenza e nello sviluppo di tali patologie è infatti fortemente legato allo sviluppo di tools farmacologici dotati delle proprietà di affinità e selettività opportune.
Il ruolo cruciale che sta assumendo il recettore sigma nel modulare effetti e comportamenti di diversi sistemi recettoriali coinvolti nelle patologie neurodegenerative si evidenzia nel fatto che quattro delle cinque unità di ricerca hanno attualmente in corso progetti già finanziati dal MIUR (COFIN/PRIN 1999, 2001 e 2003) che hanno consentito la definizione dei requisiti farmacoforici del ligando sigma e che hanno portato alla comprensione di processi che nel passato, mancando molecole selettive, erano erroneamente valutati. Ricerche sulle malattie neurodegenerative non possono essere complete senza lo studio dei sistemi della melatonina e degli endocannabinoidi, oltre che del sistema glutammatergico e nicotinico.
Tutte le unità pertanto si propongono di identificare molecole ad alta affinità recettoriale con il profilo di selettività opportuno per una corretta modulazione del sistema nel suo intero. Il Drug Design e la modellistica molecolare sono strumenti a disposizione di tutte le unità di ricerca. La sintesi chimica e la sperimentazione farmacologica preliminare verranno condotte di pari passo onde sempre ottimizzare la progettazione alla luce di attuali correlazioni struttura-attività. La sperimentazione finale viene svolta in collaborazione con centri di ricerca internazionali e riguardera i lead compounds o eventuali drug candidates. L'unità di ricerca di Catania è attrezzata per gli studi farmacologici preliminari. E' prevedibile che già alla fine del primo anno di ricerca si avrà un numero sufficiente di molecole con le caratteristiche farmacologiche necessarie per un processo di raffinazione dei leads, per la sintesi di tali composti e per la sperimentazione più avanzata. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La possibilità di progettare farmaci per curare le diverse patologie del S.N.C. è legata allo sviluppo delle conoscenze del ruolo dei neurotrasmettitori e dei neuromodulatori dei diversi sistemi recettoriali coinvolti e alla possibilità che l'attivazione di alcuni sistemi porti a neuroprotezione, ritardando l'insorgere delle patologie stesse. Agonisti recettoriali sigma-1 hanno mostrato proprietà anti-amnesiche in modelli di amnesia indotta da antagonisti colinergici o dall'antagonista non competitivo per il recettore NMDA MK-801, attenuando il learning impairements in senescence-accelerated mice. Diversi ligandi sigma-1 si sono altresì mostrati capaci di alleviare il deficit di apprendimento e di memoria in topi trattati con il frammento attivo 25-35 della proteina Beta-amiloide. In aggiunta a ciò, alcuni sigma-1 agonisti, come l'igmesina e il PRE-084, sono stati descritti come putativi farmaci antidepressivi, con limitati effetti marginali sulle ammine biogene, presentando una accresciuta efficacia nella depressione indotta da beta-AP(25-35). I recettori sigma sono in grado di modulare diversi sistemi neurotrasmettitori quali il sistema NA, GLU, D e sono altresì coinvolti in numerosi processi fisiologici (meccanismi neuroprotettivi) e patologici (alterazioni motorie e di tipo psicotico). Le potenziali applicazioni terapeutiche dei ligandi sigma-1 potrebbero essere pertanto le patologie neurodegenerative, i disordini neuropsichiatrici come la schizofrenia, i disordini affettivi e comportamentali come la depressione, nonché la demenza senile o la malattia di Alzheimer, soprattutto per alleviare i sintomi legati alla depressione e alla perdita di memoria. Recentemente la sequenza aa del recettore sigma-1 è stata individuata per clonazione da diversi organi (fegato, rene, cervello) di animali da laboratorio, nonché da placenta e da cervello nell'uomo e nel ratto. Lo studio di un frammento di cDNA ha individuato una sequenza comune di 223 aa, a dimostrazione dell'elevato grado di analogia tra i recettori sigma-1 di organismi animali e tessuti diversi. La proteina inoltre risulta molto simile anche ad una C8-C7 sterol isomerasi fungina, che partecipa ai processi di sintesi degli steroli. Pertanto, steroidi potrebbero essere ipotizzati quali ligandi endogeni dei recettori sigma-1, i quali pertanto avrebbero un ruolo nel metabolismo dei neurosteroidi mediando alcuni aspetti dei disturbi mentali e quindi svolgendo probabilmente un ruolo di neuroprotezione. A conferma di ciò è stato dimostrato che steroidi endogeni neuroattivi, quali il pregnenolone e il deidroepiandrosterone interagiscono effettivamente con la proteina sigma-1 attivandola, mentre il progesterone è un potente inattivatore. Il pretrattamento con agonisti oppioidi kappa selettivi è in grado di fornire neuroprotezione nei confronti di processi ischemici conseguenti a ischemia focale transiente. Recentemente è stato anche dimostrato che BRL 52537, un agonista del recettore k-oppioide, dà una forte neuroprotezione ischemica con una lunga opportunità terapeutica (almeno 6h) senza che si alteri l'efflusso, indotto dall'ischemia, di dopamina e dei suoi metabolici nello striato durante l'ischemia e la riperfusione. Un approccio alternativo a quello sopra descritto, che permette di ottenere agenti utilizzabili nella neuroprotezione, prende in considerazione i trasportatori dell'acido glutammico. E' noto che in condizioni fisiologiche i trasportatori degli aa eccitatori rimuovono i substrati dalla fessura sinaptica interrompendo così la trasmissione eccitatoria. In condizioni di deficit energetico, quale la mancanza di ossigeno che occorre in una forma ischemica, i suddetti trasportatori operano in senso inverso riversando nella fessura sinaptica quantità tossiche di neurotrasmettitori che provocano la morte cellulare. Pertanto, agenti che non interferiscano con il normale funzionamento di tali trasportatori, ma che siano in grado di bloccarne l'attività in condizioni patologiche, si configurano come interessanti farmaci anti-ischemici e neuroprotettivi. Recentemente, una unità di questo progetto ha scoperto due composti che possiedono una limitata finestra terapeutica all'interno della quale sono in grado di bloccare il rilascio di glutammato senza interferire sulla sua ricaptazione. Questo risultato costituisce un interessante punto di partenza che merita ulteriori approfondimenti e che può portare ad agenti dotati di un profilo farmacologico più favorevole. L'acido glutammico è il principale neurotrasmettitore a struttura amminoacidica del sistema nervoso centrale. Le vie glutamatergiche sono coinvolte in processi patologici che costituiscono la base del morbo di Alzheimer e del Parkinson e costituiscono quindi un bersaglio di interventi terapeutici. L'acido glutammico attiva una serie eterogenea di recettori che sono stati suddivisi in una classe di recettori accoppiati a proteine G (mGluR) e in una di recettori a canale ionico (iGluR). E' dimostrato che antagonisti dei recettori del gruppo I o agonisti dei recettori dei gruppi II e III potrebbero svolgere un ruolo nel trattamento sintomatico di molte patologie neurologiche e quindi essere utili presidi terapeutici nella neuroprotezione.
L' acido glutammico è il principale neurotrasmettitore eccitatorio nel sistema nervoso centrale dei mammiferi, dove svolge un importante ruolo fisiologico nella mediazione della plasticità sinaptica e nei processi di apprendimento e della memoria. La trasmissione sinaptica glutammatergica è mediata da recettori metabotropi e da recettori ionotropi. I recettori ionotropi vengono classificati in tre categorie in base all' agonista selettivo: recettori per l'acido N-metil-D-aspartico (NMDA), recettori per l'acido 2-amino-3-(3-idrossi-5-metilisossazol-4-il)propionico (AMPA) e quelli per l'acido kainico (KA), mentre i recettori metabotropi vengono classificati in recettori mGlu I, mGlu II e in mGlu III. Numerosi dati sperimentali mettono in evidenza l'esistenza di una stretta correlazione tra un'eccessiva attivazione del sistema glutammatergico e la neurodegenerazione associata con ischemia, epilessia, e morbo di Parkinson, mentre un'ipofunzionalità di tali recettori, in particolare di quelli AMPA/KA, sembra essere correlata con la schizofrenia, l'insorgenza e la progressione del morbo di Alzheimer e a deficit nei processi cognitivi. Assume pertanto considerevole importanza la sintesi di composti in grado di potenziare selettivamente le correnti indotte da AMPA e KA come potenziali agenti in grado di migliorare i processi cognitivi e la memoria. Tra le classi di composti in grado di potenziare le risposte mediate dai recettori per il glutammato figurano due derivati benzotiadiazinici, la ciclotiazide e la 7-cloro-3-metil-3,4-diidro-2H-1,2,4-benzotiadiazina 1,1-diossido (IDRA 21), che potenziano le correnti indotte da AMPA riducendo la desensitizzazione e rallentando la disattivazione del recettore. La ciclotiazide si è rivelata il composto più attivo in vitro, mentre IDRA 21 presenta proprietà chimico-fisiche tali da consentirle di attraversare la barriera ematoencefalica e studi comportamentali ne hanno evidenziato le proprietà nootrope in vivo. Studi recenti hanno inoltre permesso di evidenziare l' importanza della sostituzione in posizione 3, 6 e 7 dell' anello benzotiadiazinico sull' attività di questi composti. Infatti variando opportunamente questi sostituenti è possibile non solo ottenere dei modulatori allosterici positivi o negativi dei recettori AMPA/KA, ma anche variare la selettività nei confronti dei diversi recettori ionotropi del glutammato. Recentemente è stato inoltre dimostrato che IDRA 21 agisce anche sui recettori NMDA, riducendo in modo non competitivo le correnti indotte da NMDA. Per la depressione e lo stroke cerebrale, condizioni patologiche per le quali non sono ancora disponibili farmaci soddisfacenti, sono emersi recentemente approcci terapeutici finalizzati al controllo di tali malattie e basati sull'attivazione dei recettori con cui interagiscono la melatonina e gli endocannabinoidi. La melatonina (MLT) ha una alta affinità per due recettori accoppiati a proteina G (GPCRs) e denominati MT1 e MT2. Il ruolo di questi due recettori non è ancora ben chiarito anche se è ormai accertato il ruolo dei recettori MT1 nella regolazione del ciclo sonno/ veglia. Nel caso della melatonina (MLT) è emersa la possibilità di impiegare agonisti MT1/MT2 come antidepressivi ed uno di questi prodotti (agomelatonina) è attualmente in Phase II. Non è ancora chiaro come la MLT eserciti questa sua azione antidepressiva, ed è stato proposto che questo avvenga attraverso una interazione con i recettori NMDA e nel caso della Agomelatonina con quelli 5HT2c oltre che con quelli della MLT. Rimane sempre aperto il problema della sintesi di ligandi veramente selettivi per i due recettori. Le proprietà psicotrope dei cannabinoidi si manifestano attraverso l'azione che alcune sostanze, siano esse di sintesi o endogene, manifestano in seguito a interazione con specifici recettori (CB1 e CB2) accoppiati alla proteina G. I recettori CB1 sono espressi principalmente in alcune aree del cervello e in tessuti periferici e i CB2 sono presenti in particolare nel sistema immunitario. I vari effetti mediati dai recettori CB1 presenti in varie regioni del cervello e prodotti dai principî attivi di sintesi o naturali ma non endogeni, come il Delta9-THC (2) , hanno portato nel corso degli ultimi anni ad un progressivo aumento degli studi sul "sistema endocannabinoidico", e delle sue relazioni con altri sistemi quali quello opioide e quello Gabaergico/Glutamatergico. Al fine di evitare la stimolazione indiscriminata dei recettori cannabinoidei, prodotta dai cannabinoidi esogeni, molte ricerche sono state direzionate all'ottenimento di inibitori specifici degli enzimi deputati al trasporto ed alla inattivazione dei cannabinoidi endogeni (endocannabinoidi) in modo da regolare localmente il tono del sistema ed evitare gli effetti collaterali connessi all'attivazione indiscriminata dei recettori CB, quale quella che si verifica nel caso della somministrazione di cannabinoidi esogeni. La arachidoniletanolammide (AEA) è al momento l'endocannabinoide più studiato. I recettori per la serotonina (5-HT) rappresentano una popolazione eterogenea e, in base a studi funzionali, analisi della sequenza degli amminoacidi e meccanismi di trasduzione, possono essere classificati in almeno 14 diversi sottotipi. Durante l'ultimo decennio, i recettori 5-HT1A sono stati uno dei principali target della ricerca neurologica e per lo sviluppo di nuovi farmaci. Un numero consistente di composti, appartenenti a classi chimiche diverse, mostrano affinità per questo tipo di recettori e molti di essi sono agonisti o agonisti parziali. Antagonisti per i recettori presinaptici o postsinaptici sono ancora rari. Agonisti e agonisti parziali sono stati dimostrati essere efficaci nella depressione e negli stati ansiosi e molto più recentemente studi preclinici suggeriscono un loro potenziale uso come farmaci neuroprotettivi. Per quanto riguarda gli antagonisti una possibile applicazione terapeutica sembra essere il trattamento nelle malattie cognitive, come è stato dimostrato in recenti studi. I recettori nicotinici neuronali (nAChR) formano una famiglia eterogenea di canali ionici che sono diversamente espressi nel sistema nervoso centrale ed in quello periferico. Questi diversi sottotipi recettoriali, che hanno proprietà farmacologiche e biofisiche caratteristiche, presentano una struttura pentamerica che consiste di combinazioni omomere ed eteromere di 12 diverse subunità (alfa2-alfa10,beta2-beta4). Rispondendo al neurotrasmettitore endogeno acetilcolina, gli nAChR contribuiscono ad un vasto insieme di attività cerebrali ed influenzano svariate funzioni fisiologiche. La necessità di individuare nuovi agonisti nicotinici selettivi per i sottotipi recettoriali centrali ha dato origine ad una vasta ricerca di prodotti di variazione strutturale della nicotina e della epibatidina, due agonisti nAChR. Altri derivati a struttura piridinica sono l'ABT-544 (un cloropiridiletere), il TC-2559 con marcata selettività per i recettori nicotinici centrali, attivo p.o., e selezionato per una ulteriore valutazione quale potenziale agente terapeutico per malattie neurodegenerative ed il TC-1734, anch'esso attivo p.o., agonista dei recettori nicotinici neuronali alfa4beta2 potenzialmente utile per il miglioramento delle capacità mnemoniche. Fra i derivati non piridinici si segnala il SIB-1553A, tioetere fenolico, agonista selettivo per i recettori centrali alfa4beta4 e con debole attività anche sugli alfa3beta4 e alfa7. La citisina, altro potente agonista nicotinico, si propone come un valido modello per la realizzazione di analoghi strutturali in grado di attivare direttamente (o allostericamente) uno o più sottotipi recettoriali. Dall'attivazione selettiva di questi recettori potrebbero derivare attività in ambito di patologie che interessano il S. N. C., quali neurodegenerazione, Alzheimer, depressione, ansietà, ecc. Sostanze inibenti la formazione di specie ossigeno reattive, potenzialmente utili ne'AD. La malattia di Alzheimer (AD), ha inizio come disordine delle funzioni sinaptiche causate in parte da aumentati livelli della proteina beta-amiloide (Abeta42). Alle disfunzioni sinaptiche fanno seguito morte neuronale e gravi danni cerebrali. E' stato dimostrato che livelli subletali di Abeta42 inibiscono, in colture cellulari di ippocampo, l'attivazione del meccanismo cAMP/PKA/CREB che si pensa essere coinvolto nei processi di apprendimento e memoria. Il rolipram è in grado di ripristinare questo meccanismo. Recentemente, ricercatori della Columbia University hanno confermato, in un modello animale (topo) di malattia di Alzheimer (che riproduce parzialmente i deficit cognitivi riscontrabili nei pazienti di AD) che il rolipram inverte l'effetto soppressore del meccanismo cAMP/PKA/CREB causato da Abeta42. Queste osservazioni inducono a ritenere che il trattamento con inibitori delle PDE4 possa essere un nuovo promettente approccio terapeutico per i disturbi cognitivi dell'AD. Inizialmente il rolipram fu studiato essenzialmente come antidepressivo, anche a livello clinico, ma le notevoli speranze iniziali furono deluse a causa dei notevoli effetti collaterali riscontrati. Le maggiori conoscenze sulla natura delle PDE4 (di cui sono attualmente noti quattro sottotipi) e sulla struttura dei siti recettoriali cui gli inibitori si legano hanno dato un nuovo impulso allo studio degli inibitori delle fosfodiesterasi quali agenti antidepressivi, tenuto anche conto di recenti studi, effettuati su modelli animali di depressione, che hanno evidenziato interessanti risultati avutisi somministrando imipramina in associazione al rolipram. Un altro approccio terapeutico per il trattamento del morbo di Alzheimer riguarda l'impiego di farmaci antiinfiammatori non steroidei. E' risaputo infatti che i cambiamenti neurodegenerativi nel cervello dei malati di Alzheimer sono accompagnati da reazioni infiammatorie del SNC che comprendono una fase acuta causata dagli effetti delle citochine IL-1 e IL-6, l'attivazione della cosiddetta "cascata del complemento" con produzione di anafilatossine e l'attivazione della microglia. Importanti mediatori dell'infiammazione sono le prostaglandine e i leucotrieni che si generano dall'acido arachidonico attraverso le ciclossigenasi e le lipossigenasi. Sulla base di queste considerazioni alcuni noti farmaci antiinfiammatori non steroidei già da tempo sono entrati nella fase III di sperimentazione clinica per il trattamento del morbo di Alzheimer. Tra questi i più noti sono l'ibuprofen e il naprossene). D'altra parte è stata avanzata anche l'ipotesi che i FANS potrebbero intervenire direttamente sulla patologia amiloide nel cervello riducendo i livelli dei peptidi amiloidi Abeta42. <<<