RICERCA ITALIANA     

Sindrome metabolica come fattore di rischio per l'ischemia-riperfusione: fasi sperimentali per nuove strategie terapeutiche contro il danno da infiammazione e da stress ossidativo.

Università degli Studi di Firenze

Abstract

Numerosi studi sperimentali e clinici hanno evidenziato un ruolo cruciale dello stress ossidativo e dell’infiammazione nel patogenesi della sindrome metabolica e delle sue complicanze cardiovascolari.
Il presente progetto è focalizzato alla identificazione di glicosoaminoglicani (GAGs) dotati di proprietà immuno-modulanti ed anti-infiammatorie che rendono queste molecole capaci di attenuare la disfunzione endoteliale e la migrazione cellulare nei tessuti sede di infiammazione. Inoltre saranno studiate in vitro le azioni delle bioGAGs su cellule mononucleate umane isolate dal sangue periferico di volontari, sulla produzione e sull’espressione genica di citochine coinvolte nel processo infiammatorio, al fine di selezionare la bioeparina più idonea per il proseguo degli esperimenti.
Sarà studiato se il deidroepiandrosterone (DHEA), uno steroide sintetizzato oltre che dalla surrene dal cuore e dal cervello, dotato di attività anti-ossidante, sia in grado di contrastare la condizione di insulino-resistenza e di ridurre lo stress ossidativo nella sindrome metabolica indotta nel ratto da un’alimentazione con dieta grassa. Verranno inoltre definiti i meccanismi molecolari alla base dell’effetto protettivo del DHEA.
Il composto bioGAG selezionato sarà studiato, in confronto a molecole analoghe, non dotate di attività anti-infiammatoria e con agonisti PPARgamma, già in uso clinico per il trattamento della sindrome metabolica, sulla risposta infiammatoria in modelli in vivo di ischemia cardiaca, cerebrale e renale.
Saranno definiti in vitro i meccanismi di azione delle molecole in studio, in particolare saranno studiati gli effetti delle bioeparine e del DHEA sull’integrità anatomo/funzionale delle cellule endoteliali e mesangiali e sull’interazione endotelio-leucociti, cellule mesangiali-leucociti in assenza o in presenza di ischemia e riperfusione e/o di sindrome metabolica. Saranno studiati, sia nelle cellule isoltate che nei tessuti degli organi sottoposti ad ischemia e riperfusione, i sistemi di traduzione coinvolti nella sintesi dei mediatori dell’infiammazione, e le interazioni con le molecole in studio.
Dal momento che il sistema EO/CO è noto ridurre lo stress ossidativo indotto dall’angiotensina II e correggere l’insulino-resistenza nel diabete di tipo II, saranno anche studiate le azioni dell’emina, nel controllo dell’iperglicemia e del danno da ischemia e riperfusione cardiaca in ratti diabetici e con un’alterazione della via EO/CO in confronto a ratti diabetici con sindrome metabolica. Per meglio definire il sistema EO/CO nell’infiammazione associata alla sindrome metabolica, saranno studiate molecole donatrici di CO (CO-RMs) sulla produzione di citochine infiammatorie nei macrofagi umani isolati da controlli sani e da pazienti con sindrome metabolica e nelle cellule endoteliali isolate dalla vena ombelicale, e sulla contemporanea espressione genica.
Il presente progetto porterà alla validazione di nuovi farmaci utili per il controllo dell’infiammazione, dell’insulino-resistenza, dello stress ossidativo e delle complicanze ischemiche della sindrome metabolica. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Emanuela Masini Università degli Studi di FIRENZE

Obiettivo del Programma di Ricerca

Numerosi studi sperimentali e clinici hanno evidenziato un ruolo cruciale dello stress ossidativo e dell’infiammazione nella patogenesi della sindrome metabolica e delle sue complicanze cardiovascolari. Strette interazioni esistono fra processo infiammatorio, trombosi e danno vascolare; pertanto gli antiossidanti e i tradizionali anti-infiammatori, interrompendo il segnale che induce l’automantenimento e l’amplificazione dell’infiammazione e del danno ossidativo sono perciò valorizzati come interventi farmacologici per il controllo della sindrome metabolica e delle sue complicanze ischemiche.
I glicosoaminoglicani (GAG) oltre alle proprietà anticoagulanti, sono dotati di un ampio spettro di proprietà immuno-modulanti ed anti-infiammatorie che rendono queste molecole capaci di attenuare la disfunzione endoteliale e la migrazione cellulare nei tessuti sede di infiammazione.
Il deidroepiandrosterone (DHEA), steroide secreto dalla corticale surrenale, ma sintetizzato de novo anche dal cuore e dal cervello, possiede attività antiossidanti ed è in grado di migliorare la sensibilità all’insulina nei pazienti pazienti affetti da diabete di tipo-2 e potrebbero essere efficaci nel migliorare il quadro clinico dei pazienti con sindrome metabolica. E’ noto che la maggior fonte endogena di CO è l’enzima eme ossigenasi ed è noto che l’eme ossigenasi controlla lo stress ossidativo indotto dall’angiotensina II e corregge l’insulino-resistenza, pertanto molecole substrato dell’eme ossigenasi come l’emina e/o farmaci donatori di CO (CORMs) potrebbero trovare un ruolo terapeutico per il trattamento del diabete e delle complicanze ischemiche della sindrome metabolica.
Pertanto, sulla base di quanto riportato ed avendo a disposizione i farmaci sopra riportati gli obiettivi finali del presente progetto sono i seguenti:
1) studiare in vitro le azioni delle bioGAGs su cellule mononucleate umane isolate dal sangue periferico di volontari sulla produzione e sull’espressione genica di citochine coinvolte nel processo infiammatorio per selezionare la molecola con la maggior attività anti-infiammatoria da studiare in modelli più integrati.
2) Valutare se il DHEA è in grado di contrastare la condizione di insulino-resistenza e di ridurre lo stress ossidativo nella sindrome metabolica indotta nel ratto da un’alimentazione con dieta grassa.
3) Definire i meccanismi molecolari alla base dell’effetto protettivo del DHEA
4) Valutazione del composto bioGAG selezionato, in confronto a molecole analoghe, non dotate di attività anti-infiammatoria e con agonisti PPARgamma, già in uso clinico per il trattamento della sindrome metabolica, sulla risposta infiammatoria in modelli in vivo di ischemia cardiaca, cerebrale e renale.
5) definizione in vitro dei meccanismi di azione delle molecole in studio, in particolare per studiare gli effetti sull’integrità anatomo/funzionale delle cellule endoteliali e mesangiali e sull’interazione endotelio-leucociti, cellule mesangiali-leucociti in assenza o in presenza di ischemia e riperfusione e di sindrome metabolica.
6) Il monossido di carbonio (CO) è prodotto endogenamente dall’enzima eme ossigenasi durante il metabolismo dell’eme. Questa via metabolica, oltre il CO produce biliverdina e bilirubina, sostanza ad azione anti-ossidante e ferro che induce la sintesi di ferritina, anch’essa anti-ossidante. In condizioni fisiologiche le isole pancreatiche producono monossido di azoto (NO) e CO che regolano la secrezione di insulina. Dal momento che il sistema EO/CO è noto ridurre lo stress ossiativo indotto dall’angiotensina II e correggere l’insulino-resistenza nel diabete di tipo II, un obiettivo finale del progetto è valutare le azioni dell’emina, nel controllo dell’iperglicemia e del danno da ischemia e riperfusione cardiaca in ratti diabetici e con un’alterazione della via EO/CO in confronto a ratti diabetici con sindrome metabolica.
7) Per meglio definire il sistema EO/CO nell’infiammazione associata alla sindrome metabolica, un ulteriore obiettivo sarà quello di studiare molecole donatrici di CO (CO-RMs) sulla produzione di citochine infiammatorie nei macrofagi umani isolati da controlli sani e da pazienti con sindrome metabolica e nelle cellule endoteliali isolate dalla vena ombelicale e sulla contemporanea espressione genica.
In sintesi l’obiettivo finale del progetto è focalizzato alla validazione di nuovi farmaci per il controllo dell’infiammazione e dello stress ossidativo nelle complicanze ischemiche associate alla sindrome metabolica. <<<

Risultati parziali attesi

I risultati che ci attendiamo di ottenere dalla presente ricerca possono essere così sintetizzati:
1) caratterizzazione ed identificazione di molecole bioGAGs dotate di elevata attività anti-infimmatoria per la brevettazione e lo sviluppo di nuovi farmaci anti-infiammatori.
2) Definizione delle azioni delle bioeparine sull’interazione cellule infiammatorie-endotelio
3) Definizione dell’attività dei glicosoaminoglicani biotecnologici (bioGAGs) nel processo infiammatorio durante l’ischemia e riperfusione, cardiaca, cerebrale e renale.
4) Definizione delle attività anti-infiammatorie ed anti-ossidanti dello steroide DHEA e suo possibile futuro uso terapeutico nella sindrome metabolica e nelle sue complicanze ischemiche. Tale molecola potrebbe risultare di grande utilità nel revertire l’insulino-resistenza nel paziente diabetico con sindrome metabolica.
5) Definizione dell’attività dei bioGAGs in pazienti con patologia cardiovascolare affetti o meno da sindrome metabolica.
6) Definizione del profilo di espressione genica dei fattori dell’infiammazione in cellule circolanti di pazienti con sindrome metabolica e patologie cardiovascolari. Questi dati forniranno informazioni utili alla comprensione del ruolo della variazione di espressione dei singoli geni ma anche delle loro interazioni e delle regolazioni transcrizionali.
7) Valutazione delle correlazioni esistenti tra il sistema dell’eme ossigenasi (EO), le concentrazioni di adiponectina ed il sistema renina-angiotensina e la sindrome metabolica al fine di validare nuove molecole interagenti con il sistema EO/CO per il controllo del diabete e delle sue complicanze vascolari

I risultati che deriveranno dalla ricerca in oggetto potranno portare alla brevettazione di nuove molecole utili per la terapia di alcuni aspetti della sindrome metabolica e porteranno un sicuro avanzamento delle conoscenze e saranno di sicuro interesse per il Sistema Sanitario Nazionale
I risultati saranno oggetto di pubblicazioni scientifiche ed avranno una potenzialità applicativa per lo sviluppo di nuovi farmaci. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Le malattie cardiovascolari (CVD) tra cui i processi trombotici, sono la principale causa di morbilità e di mortalità nel mondo industrializzato ed affliggono milioni di persone ogni anno. Le trombosi venose profonde, quelle arteriose e le loro complicanze sono causa ogni anno di un numero considerevole di decessi [1]. Nel 2001 il National Cholesterol Education Program Adult Treatment Panel III (ATP III) introduce la sindrome metabolica come fattore di rischio cardiovascolare [2-4]. Il termine "Sindrome Metabolica" è molto diffuso nella letteratura medica; tale sindrome è stata definita ed istituzionalizzata principalmente dalla World Health Organization (WHO) e dal National Cholesterol Education Program ATP III [5,6], sebbene con differenti definizioni. La dislipidemia, l'ipertensione arteriosa, il diabete, lo stato infiammatorio, lo stress ossidativo e la disfunzione endoteliale coronarica e periferica sono gli elementi costitutivi della sindrome metabolica e sebbene l'esatto meccanismo patogenetico che sottende la sindrome metabolica non sia pienamente conosciuto, la causa scatenante sembra essere l'intolleranza glucidica e l'insulino-resistenza [7], uno stato metabolico caratterizzato da una diminuzione della normale risposta degli organi bersaglio alle concentrazioni fisiologiche dell'ormone [8]. Oggi si ritiene che lo sviluppo della sindrome da insulino-resistenza sia dovuta a fattori genetici, non modificabili, ma anche a fattori comportamentali come la dieta ad alto contenuto di carboidrati e l'inattività fisica che promuovono, mantengono o peggiorano la sua espressione clinica. L'infiammazione gioca un ruolo fondamentale nell'aterogenesi [9], vi è associazione tra i markers di infiammazione e l'insulino-resistenza [10-17], come pure tra l'infiammazione e l'obesità [18-22]. E' stato dimostrato che, nei paziente diabetici, è presente un'elevata produzione di radicali liberi [23] ed un collegamento casuale è stato proposto tra iperglicemia ed attivazione delle vie metaboliche che inducono infiammazione e danno tissutale [24]. Lo stato pro-infiammatorio che si associa alla sindrome metabolica e alla patologia trombotica vascolare è caratterizzato dalla sintesi di numerose citochine pro-infiammatorie (IL-1, IL-8, TNFa), di molecole di adesione che promuovono la migrazione dei leucociti a livello dei tessuti e dall'attivazione di una rete di "signalling pathways" infiammatori che determinano stress ossidativo e danno cellulare.
In particolare, l'associazione tra sindrome metabolica ed aumento del rischio cerebro- e cardiovascolare può essere attribuita, almeno in parte, alle interazioni dell'integrità anatomica e funzionale dell'endotelio. Recentemente è stato evidenziato che il deidroepiandrosterone (DHEA), uno steroide secreto sopratutto dalla corticale del surrene, ma sintetizzato de novo anche dal cervello e dal cuore [25], può esercitare effetti che non sono mediati dall'attivazione di un recettore steroide [26,27]; tra questi effetti c'è una potente azione anti-ossidante descritta in numerosi modelli sperimentali [28-30]. Inoltre, un notevole contributo alla riduzione dello stato flogistico potrebbe venire dall'utilizzo di alcune bioeparine (glicosoaminoglicani, bioGAGs) già accreditate di bassa attività anticoagulante ma di elevata attività antinfiammatoria [31]. E'noto che l'eparina è in grado di interagire con il complemento, aumentando l'attività inibitoria della C1 esterasi, interferendo con il legame del C1q agli immuno-complessi ed inibendo l'interazione del C1 con il C2 ed il C4 [32]. L'eparina può avere un ruolo protettivo nell'infiammazione vascolare in quanto si lega alla L e P-selectin inibendo la trasmigrazione dei granulociti neutrofili nei tessuti [33], ed inibisce inoltre l'espressione e la produzione di citochine proinfiamatorie, ma non di quelle antinfiammatorie [34]. Anche il monossido di carbonio (CO), un mediatore gassoso prodotto ad opera dell'enzima eme ossigenasi (EO) durante il catabolismo dell'eme, in questi ultimi anni, è stato considerato, un agente anti-infiammatorio [35]. L'EO oltre al monossido di carbonio (CO) porta alla formazione di biliverdina e bilirubina, due sostanze con attività antiossidante, e di ferro che determina la sintesi di ferritina, carattezizzata anch'essa di proprietà antiossidanti [36-38]. In condizioni fisiologiche le isole pancreatiche produco monossido di azoto (NO) e di carbonio (CO) che regolano la secrezione di insulina. Mentre l'NO riduce la secrezione di insulina mediata dal glucosio, il CO prodotto dall'EO-2 ne aumenta la secrezione [39].
Pertanto l'utilizzo di nuovi tools terapeutici in grado di ridurre lo stato infiammatorio e di controllare l'insorgenza dell'insulino-resistenza potrebbe essere un utile mezzo per ridurre l'incidenza di complicanze cardiovascolari a cui la sindrome metabolica si accompagna. Poichè la componente fondamentale della sindrome metabolica è l'insulino-resistenza, argomento aperto allo studio è la valutazione se il DHEA, attraverso il suo effetto protettivo contro il danno ossidativo, sia in grado di modulare le vie intracellulari che sono alla base dell'aumentato rischio cardiovascolare che è presente nella sindrome. Recentemente in un modello animale di ipertensione essenziale e di insulino resistenza, la somministrazione di emina, un substrato dell'EO, determina un aumento della produzione di adiponectina e di insulina oltre all'abbassamento della pressione arteriosa [40], evidenziando che il sistema dell'EO può avere un ruolo critico nell'omeostasi glicidica. Anche l'angiotensina-II è una delle cause di diabete di tipo-2, e fattori come l'iperglicemia ed il deficit di adiponectina determinano un aumento dei livelli di angiotensina II [41,42] pertanto una insufficiente secrezione di adiponectina determina insulino-resistenza.
Alla luce di quanto riportato il presente progetto di ricerca è indirizzato allo studio delle attività antinfiammatorie, citoprotettive e di controllo per l'iperglicemia e la insulino-resistenza delle bioGAGs, del DHEA, dell'emina e di molecole donatrici di CO (CO-RMS) in modelli in vitro ed in vivo di infiammazione e di ischemia e riperfusione cardiaca, cerebrale e renale.

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