Giuseppe Valacchi
Alterazioni della bioenergetica, della dinamica e della morfologia mitocondriale supportano la teoria del coinvolgimento del danno ossidativo nel disturbo dello spettro autistico
Il disturbo dello spettro autistico (ASD) comprende una serie di disabilità del neurosviluppo caratterizzate dalla compromissione dell’interazione sociale, e comportamenti ripetitivi e stereotipati. L’incidenza dell’ASD è in aumento globale, si verifica in tutti i gruppi etnici ed è più comune nei maschi. Data la grande eterogeneità, è ampiamente accettata l’idea di un’eziologia multifattoriale. Le ipotesi proposte sulle cause dell’ASD comprendono l’interazione tra mutazioni genetiche, disfunzioni immunologiche e fattori ambientali. In questo contesto il ruolo dei mitocondri nei meccanismi fisiopatologici dell’ASD è centrale, essendo coinvolti in pathway redox e immunitari. Lo scopo dello studio è stato fornire nuove conoscenze sulla relazione tra squilibrio redox e disfunzione mitocondriale nell’ASD, utilizzando come modello ex vivo della malattia fibroblasti dermici primari.
Una prima indagine per verificare i danni ossidativi cumulativi ha rivelato un significativo incremento nella formazione di addotti proteici 4-idrossinonenale (4-HNE) nei fibroblasti dei pazienti ASD rispetto alle cellule di controllo (CTR). Questo dato testimonia la presenza di un ambiente cellulare ossidato, conseguenza di una maggiore produzione di ROS e/o un sistema antiossidante difettoso. Essendo gli enzimi di membrana NOX una fonte cellulare di H2O2 endogeno, è stata indagata la loro attività enzimatica. Il saggio ha mostrato negli ASD un’attività enzimatica NOX significativamente più elevata rispetto ai CTR. Inoltre, l’inibizione di NOX ha bloccato significativamente la produzione di superossido nei fibroblasti ASD, dimostrando il contributo di questo enzima come fonte endogena di ROS negli ASD. I mitocondri rappresentano un’altra fonte endogena di superossido, per questo ne sono stati esplorati i livelli mitocondriali. Le cellule ASD hanno mostrato livelli significativamente maggiori di superossido mitocondriale rispetto a quelle CTR, suggerendo anche il coinvolgimento dei mitocondri nello squilibrio redox osservato nell’ASD.
Dal momento che un aumento della produzione di superossido mitocondriale è associato principalmente a una catena di trasporto degli elettroni (ETC) difettosa, si è valutata la funzione e l’efficienza bioenergetica mitocondriale nell’ASD. La respirazione massima, la capacità respiratoria di riserva e la perdita di protoni sono risultati significativamente aumentati nei fibroblasti ASD rispetto a quelli di controllo. Inoltre, negli ASD sono stati osservati aumenti significativi della glicolisi basale, della glicolisi massima e della capacità di riserva glicolitica rispetto ai CTR. Questi risultati, da un lato, indicano una ridotta efficienza mitocondriale nelle cellule ASD e dall’altro, suggeriscono che la glicolisi possa tentare di compensare la diminuzione della produzione di ATP mitocondriale osservata negli ASD. In accordo con questi dati, la morfologia mitocondriale degli ASD è risultata anomala rispetto ai CTR, mostrando una matrice elettrondensa con creste poco visibili. Anche l’analisi molecolare dei principali componenti dei complessi ETC ha evidenziato uno squilibrio, in quanto tutte le subunità dei complessi I-V erano maggiormente espresse nei fibroblasti ASD rispetto ai CTR. Ciò indica un possibile adattamento metabolico a una maggiore domanda energetica nell’ASD. Per approfondire la componente mitocondriale sono stati indagati i modulatori coinvolti nella dinamica e nel controllo di qualità mitocondriale.
I risultati hanno mostrato nell’ASD uno spostamento verso la fusione mitocondriale che potrebbe servire come risposta per contrastare lo stress cellulare. Inoltre, le cellule ASD hanno manifestato una tendenza a trattenere i mitocondri danneggiati, piuttosto che promuovere la loro rimozione tramite mitofagia, avendo evidenziato anomalie nell’espressione delle proteine PINK1 e Parkin. Infine, sono stati investigati i principali meccanismi di difesa antiossidante. I saggi enzimatici hanno indicato nelle cellule ASD uno squilibrio nel rapporto delle attività enzimatiche tra Superossido Dismutasi (SOD) e Catalasi (CAT), il quale può essere responsabile dell’accumulo di H2O2 e dei danni ossidativi cellulari osservati. La difesa antiossidante aberrante è testimoniata anche dall’inferiore produzione della proteina Eme Ossigenasi-1 (HO-1) in condizioni basali. Inoltre, in seguito a stress indotto da H2O2 gli ASD, rispetto ai CTR, non sono stati in grado di indurre la traslocazione nucleare del fattore trascrizionale antiossidante Fattore 2 Correlato al Fattore Nucleare Eritroide 2 (Nrf2) e la sintesi di HO-1.
Questo studio, in conclusione, fornisce una nuova comprensione dei meccanismi fisiopatologici nell’ASD confermando lo squilibrio redox cellulare e dimostrando una chiara disfunzione mitocondriale associata a un’anomala risposta antiossidante.