Terapie emergenti della malattia di Alzheimer: l’insulinoresistenza come target terapeutico.

Daniela Ceccarelli Ceccarelli, Bruno Solerte
Università degli studi di Pavia, Dipartimento di medicina e terapia medica,
Scuola di specializzazione in Geriatria.

La relazione tra insulinoresistenza periferica, insulinoresistenza cerebrale e malattia di Alzheimer (DA) rappresenta attualmente un intenso ambito di ricerca. Il diabete mellito di tipo 2 (DMT2) e la DA sono tra le principali cause di morbilità e mortalità a livello globale. Fino a dieci anni fa la relazione tra le due patologie si limitava alla maggiore incidenza di eventi cerebrovascolari.

Oggi una crescente evidenza epidemiologica e molecolare suggerisce meccanismi fisiopatologici comuni, primo fra tutti l’instaurarsi di insulinoresistenza. Quest’ultima e’ stata identificata come elemento patogenetico chiave nel DMT2 decadi fa, ma solo recentemente si è osservato che l’insulinoresistenza cerebrale di associa alla DA anche in assenza di concomitante DMT2.

L’insulinoresistenza nel SNC rappresenta un promettente target terapeutico nel trattamento della DA e un potenziale marker di diagnosi precoce mediante utilizzo di tecniche di neuroimaging quali la FDG-PET.

Nel diabete tipo I la distruzione autoimmune delle cellule β pancreatiche causa insufficiente secrezione insulinica. Il diabete tipo II è causato da insulinoresistenza nei tessuti periferici e si associa all’invecchiamento, alla familiarità, all’obesità, alla sedentarietà e a uno stato di iperinsulinemia e iperglicemia mediata dalla riduzione dei recettori dell’insulina (IR). Nella DA, anche definita diabete tipo III, sono presenti insulinoresistenza e alterato signaling insulinico a livello cerebrale.

Azioni dell’insulina e del IGF a livello cerebrale.

Il metabolismo energetico del tessuto cerebrale, mediante i trasportatori del glucosio GLUT 1 e GLUT 3, e’ stato a lungo considerato completamente indipendente dall’insulina fino a quando studi radioimmunoassays hanno mostrato elevati livelli di insulina nel SNC fino a 50 volte i livelli circolanti, trasportata prevalentemente per endocitosi. L’insulina può anche essere prodotta de novo in regioni con molte cellule piramidali quali l’ippocampo, la corteccia prefrontale, la corteccia entorinale e nel bulbo olfattivo, suggerendo un ruolo dell’insulina in memoria e apprendimento.

I recettori dell’insulina (IR) sono espressi sia dai neuroni che dalle cellule della glia. Sono largamente presenti nell’ippocampo, nell’ipotalamo, nella corteccia cerebrale e nel bulbo olfattivo e contribuiscono a plasticità sinaptica, memoria e apprendimento. Dopo il legame dell’insulina ai suoi recettori, l’enzima fosfatidilinositolo-3-chinasi (PI3K) si unisce al substrato associato al recettore dell’insulina (IRS-1) attraverso il dominio SH2 e, una volta attivato, converte il lipide di membrana fosfatidilinositolo 4,5-bifosfato (PIP2) in fosfatidilinositolo trifosfato (PIP3) che attiva la proteina chinasi B (PKB).

Tra le proteine bersaglio della PBK c’è la glicogeno-sintasi-chinasi 3 (GSK3), questa, quando è fosforilata, viene inattivata. È stata dimostrata una relazione tra iperattività della GSK3, insulinoresistenza nel SNC e patogenesi della DA sia nei casi sporadici che familiari. Da qui nasce “l’ipotesi patogenetica del GSK3” secondo cui l’iperattività della GSK3, conseguenza dell’insulinoresistenza, è responsabile dell’ iperfosforilazione della tau, dell’aumentata produzione delle placche amiloidi e della risposta infiammatoria disregolata da parte della microglia attivata.1 È stato, inoltre, osservato che i neuroni sono più vulnerabili allo stress ossidativo in un contesto di alterato signaling insulinico e l’insulinoresistenza centrale innesca ulteriore produzione di ROS in un circolo vizioso che favorisce l’accumulo di tau iperfosforilata e amiloide.1 Per queste ragioni, diversamente dall’azione single target degli inibitori dell’ Ach esterasi e delle strategie di immunizzazione anti amiloide, i farmaci antidiabetici, ripristinando un’adeguata sensibilità insulinica nel SNC, andrebbero ad influenzare più fasi della patogenesi della DA.

Fig.1 Relazione tra diabete, insulino-resistenza e DA 1

Con il termine insulinoresistenza del SNC o insulinoresistenza centrale possiamo definire un’incapacità delle cellule cerebrali, in particolare i neuroni, a rispondere adeguatamente all’insulina. Questa inadeguata risposta è secondaria alla down regulation degli IR, ad un alterato legame substrato – recettore e a difetti della trasduzione del segnale o signaling insulinico.

Fattori di rischio associati a sviluppo di insulinoresistenza del SNC sono alterato metabolismo glucidico e diabete materno durante lo sviluppo fetale, mutazioni a carico dei geni FTO e MC4R (associati anche all’obesità) e una dieta proinfiammatoria (iperlipidica e iperglucidica). 2

Insulinoresistenza centrale e β amiloide.

Il peptide Aβ è composto da 39-43 aminoacidi e deriva dal taglio proteolitico del precursore della β-amiloide APP tramite β-secretasi o γ-secretasi. La produzione di oligomeri a partire dal peptide Aβ e la formazione di placche amiloidi extracellulari è una caratteristica essenziale, sebbene non specifica, nella diagnosi post-mortem di DA. In condizioni fisiologiche, l’insulina stimola l’adeguata clearance della Aβ tramite l’insulin degrading enzyme (IDE). L’insulinoresistenza cerebrale, diminuendo l’attività’ dell’IDE, diminuisce la clearance della Aβ. A sua volta, un eccesso di Aβ diminuisce l’espressione dei recettori dell’insulina nel SNC aggravando l’insulinoresistenza in un meccanismo feed-forward che esita in DA conclamato. A supporto dell’ipotesi di un ruolo centrale dell’IDE nella clearance dell’amiloide, si è osservato che nei soggetti portatori dell’allele APO ε4 l’espressione dell’IDE nell’ippocampo è notevolmente ridotta. 2

Insulinoresistenza centrale e tau iperfosforilata.

La proteina Tau fa parte delle proteine associate ai microtubuli e nella sua forma nativa è solubile e stabilizza i microtubuli e l’architettura assonale. Diversamente, la tau iperfosforilata insolubile forma aggregati neurofibrillari intracellulari tipici della DA. L’insulinoresistenza causa un’iperattività della chinasi GSK-3B responsabile dell’iperfosforilazione della tau. L’azione dell’insulina sulla fosforilazione della Tau è stata studiata in vitro e sembra essere bifasica. L’esposizione acuta e a breve termine di neuroni corticali murini o di cellule del neuroblastoma umano causa una rapida iperfosforilazione della tau mentre l’esposizione prolungata a insulina ne diminuisce la fosforilazione. 2

Crosstalk tra sindrome metabolica, fenomeni neurodegenerativi e neuro inflammaging.

Nei pazienti con sindrome metabolica si innesca una costante risposta infiammatoria sistemica di tipo cronico. I lipidi alimentari innescano una cascata infiammatoria a partire dal Toll-like receptor 4 (TLR4) con rilascio di citochine quali il TNF-α, IL-1β e IL-6. Elevati livelli circolanti di acidi grassi (FFA) si legano alle cellule endoteliali della barriera ematoencefalica (BEE) aumentandone la permeabilità. Le citochine periferiche che raggiungono i neuroni attraversando l’alterata BEE, contribuiscono ulteriormente all’ effetto neurotossico.

In questo contesto di alterata omeostasi cerebrale, le cellule della microglia si attivano amplificando ulteriormente i fenomeni neuroinfiammatori. Un’altra caratteristica comune al diabete e alla DA sono gli advanced glycation end-products (AGEs), prodotti della glicazione non enzimatica di proteine e lipidi in presenza di iperglicemia. È stato osservato che i recettori degli AGE (RAGE) , quando attivati, promuovono la produzione di placche amiloidi, la fosforilazione tau, la distruzione dell’architettura sinaptica e il danno della BEE . Contrariamente, la down regulation della via di trasduzione RAGE-dipendente nelle cellule della microglia è in grado di proteggere struttura e funzione sinaptica e arrestare la produzione locale di citochine. Riassumendo, la dislipidemia e l’iperglicemia, hallmark della sindrome metabolica, causano alterata permeabilità’ della BEE e uno stato proinfiammatorio nel SNC.

Insulinoresistenza nel SNC e malattia di Alzheimer: potenziale ruolo neuroprotettivo dei farmaci antidiabetici.

Biguanidi. In alcuni studi la metformina ha mostrato azioni neuroprotettive prevenendo la morte neuronale per apoptosi. In pazienti con DMT2, il trattamento con metformina per 6 anni ha mostrato riduzione del declino cognitivo. La metformina influenza la via delle MAPK, riduce la risposta infiammatoria, riduce l’attività dell’acetilcolinesterasi, contrasta la formazione delle placche amiloidi ed esplica effetto antiossidante.

Sulfaniluree. L’attivazione aberrante di PI3K/mTOR si osserva sia nel diabete che nella DA. Le sulfaniluree agiscono inibendo l’attivazione del secondo messaggero mTOR. In uno studio prospettico di 8 anni la combinazione di sulfoniluree e metformina era in grado di ridurre il rischio di sviluppare demenza del 35%.

Tiazolidinedioni. Il rosiglitazone e il pioglitazone, agonisti del PPAR-γ, incrementano la biogenesi mitocondriale e la clearance delle placche amiloidi, riducono la fosforilazione della proteina tau e migliorano la plasticità’ sinaptica. Uno studio prospettico di coorte ha dimostrato che pazienti diabetici in terapia con pioglitazone hanno rischio ridotto di sviluppare demenza. Una metanalisi suggerisce che gli agonisti del PPAR-γ, in particolare il rosiglitazone, possano essere vantaggiosi nel DA di grado lieve-moderato. In un RCT il rosiglitazone ha dimostrato di poter rallentare il declino cognitivo indipendentemente dalla concentrazione di beta amiloide. In un altro RCT si e’ osservato che il pioglitazone si associa a un miglioramento del punteggio AD assessment scale (ADAS) in pazienti con DA o MCI.3 Il rosiglitazone esercita anche un effetto antinfiammatorio diminuendo i livelli di Nf kB.

Agonisti del GLP-1. Nella recente review Liraglutide and its Neuroprotective Properties: Focus on Possible Biochemical Mechanisms in Alzheimer’s Disease and Cerebral Ischemic Events 4 sono stati riassunti i principali studi che hanno dimostrato effetti neuroprotettivi della liraglutide sia nelle DA che e negli eventi ischemici cerebrovascolari.

La liraglutide trova indicazione sia nel trattamento del DMT2 che dell’obesità; ha un effetto anti apoptotico esplicato aumentando l’espressione delle proteine Bcl-2 e Bcl-xl e riducendo quella delle proteine Bax e Bad. È in grado di ridurre la concentrazione di fattori pro apoptotici tra cui l’ NF-κB (Nuclear Factor-kappa β), l’ ICAM-1 (Intercellular Adhesion Molecule 1) e la caspasi-3.

La liraglutide, legandosi al recettore del GLP-1 e attivando la via di trasmissione intracellulare PI3K/MAP, favorisce la clearance dell’Aβ aumentando le proteine trasportatrici dell’amiloide nel LCR. Un recente studio di Sun et al. 5 ipotizza che lo squilibrio tra la trasmissione GABAergica e glutammatergica impedisca la neurogenesi e la sinaptogenesi e di conseguenza i processi di memoria e apprendimento. La liraglutide sembra in grado di ripristinare l’equilibrio tra la trasmissione GABAergica e glutammatergica riducendo la neuro eccitotossicità da glutammato. Batista et al. (2018) hanno dimostrato azione neuroprotettiva mediata dall’attivazione dei pathway cAMP/PKA. L’attività’ della PKA e’ diminuita nella DA a causa della presenza di Aβ. Il trattamento con liraglutide per una settimana si è dimostrato sufficiente a limitare gli effetti negativi degli oligomeri di Aβ sull’attività’ enzimatica della PKA e in grado di limitare la formazione di placche. E’ stato dimostrato che la tau iperfosforilata è il risultato di alterati processi metabolici tra cui una down regulation delle fosfatasi e upregulation del GSK3B. La liraglutide ha dimostrato di migliorare la sensibilità insulinica nel SNC inibendo la GSK-3B e l’iperfosforilazione della tau.

Insulina. Diversi studi hanno esplorato modi di somministrare l’insulina per favorirne la biodisponibilità centrale senza causare effetti sistemici indesiderati quali l’ipoglicemia. L’insulina intranasale non causa ipoglicemia e aumenta i livelli di insulina nel LCR entro i 60 minuti successivi alla somministrazione. In un RCT in fase II con 20 UI di insulina intranasale per 4 mesi e’ stato dimostrato un miglioramento delle performance cognitive sebbene tale risposta non sia stata osservata nei portatori dell’allele APOE-4. Dosi maggiori (40 UI) non hanno mostrato alcun effetto positivo; tuttavia esiste uno studio in cui pazienti con l’allele APOE-4 hanno evidenziato miglioramento cognitivo con l’insulina Detemir (a dosaggio 40 UI).2

Insulinoresistenza e MCI: marker radiologici predittivi di DA.

Lo sviluppo di insulinoresistenza nel SNC precede il declino cognitivo di almeno 10 anni rappresentando un potenziale strumento di diagnosi precoce al neuroimaging, in particolare con la positron emission tomography (PET). La DA è caratterizzata da un ipometabolismo in specifiche aree corticali che si evidenzia con il tracciante FDG (fluorodesossiglucosio) alla FDG-PET. Lo studio di Wilette et al. 6 ha cercato di analizzare la correlazione tra il metabolismo glucidico cerebrale alla PET e l’insulinoresistenza, sia in pazienti con DA conclamato sia in quelli con MCI. Lo studio comprendeva 26 soggetti senza deficit cognitivo (CN), 194 soggetti MCI (39 progressors, con documentata progressione in MA, e 148 MCI stable, con performance cognitive invariate nei due anni di follow up) e 60 pazienti con malattia di Alzheimer.

Il valore medio del metabolismo cerebrale alla PET è stato analizzato in determinate aree cerebrali (ROIs): la corteccia temporo-mediale e parietale, il lobo temporo-mediale, l’ippocampo, la corteccia prefrontale ventrale e il gyrus postcentrale. Per quantificare l’insulinoresistenza è stato usato un parametro detto homeostasis model assessment of IR (HOMA-IR). L’ HOMA-IR era calcolato a partire dai valori di insulinemia e glicemia entro 14 giorni dalla PET basale.

I risultati hanno mostrato che negli MCI progressors elevati valori di HOMA-IR si associavano a ipermetabolismo alla PET basale (prima della progressione a DA) nell’ippocampo e nel LTM.

Negli MCI stable, elevati valori di HOMA-IR si associavano a ipometabolismo nell’area prefrontale ventrale. Nei casi di DA conclamata, elevati valori di HOMA-IR si associavano a ipometabolismo non solo nel LTM e nell’ippocampo, ma in tutte le regioni (ROIs). Riassumendo, nel mild cognitive impairment i valori di HOMA-IR si associano a ipermetabolismo o ipometabolismo in diverse aree cerebrali predittivi rispettivamente di progressione di malattia o MCI stable nei 2 anni di follow up.

Fig. 3 La figura mostra l’associazione tra HOMA-IR e uptake FDG negli MCI progressors e negli AD (Alzheimer Dementia). Nei pazienti AD (linea continua), valori più elevati di HOMA-IR (parametro per l’insulinoresistenza cerebrale) si associano ad un uptake ridotto di FDG nella corteccia prefrontale (in arancio) e nel LTM (in grigio). Nei pazienti MCI progressors (linee tratteggiate), l’HOMA-IR si associa ad un uptake di FDG appena incrementato, ma non significativamente, nella corteccia prefrontale, ma nel LTM l’ associazione tra HOMA-IR e uptake FDG e’ chiaramente positiva: per maggiori livelli di insulinoresistenza abbiamo un maggiore ipermetabolismo del lobo temporo mediale.6

L’ipermetabolismo nell’ippocampo e nel LTM degli MCI progressor sembra essere una risposta compensatoria precoce alla presenza di amiloide in tali regioni, un fenomeno transitorio prima della progressione a DA. Il ripristino di adeguata sensibilità insulinica centrale in questa fase precoce potrebbe ridurre la neurotossicità’ da amiloide, favorire la sinaptogenesi e rallentare l’ulteriore declino cognitivo.

Conclusioni

L’evidenza clinica ed epidemiologica che associa diabete, sindrome metabolica e malattia di Alzheimer ci incoraggia a continuare la ricerca sui meccanismi fisiopatologici alla base di tale relazione, passo preliminare a futuri approcci terapeutici.

È stato ampiamente dimostrato che l’insulinoresistenza centrale (nella DA) e periferica (nel diabete e nell’obesità) condividono fenomeni come infiammazione cronica, l’aberrante funzione della chinasi GSK 3B, la ridotta funzione dell’ insulin degrading enzyme (IDE) e lo stress del reticolo endoplasmatico (RE) con accumulo nel suo lume di proteine anomale unfolded. Da questi meccanismi condivisi nasce l’ipotesi di utilizzare farmaci indicati nel diabete e finalizzati a contrastare l’insulinoresistenza periferica anche nelle DA. Un adeguato signaling dell’insulina nel SNC è neurotrofico e neuroprotettivo nonché implicato nei processi di neuroplasticità e sinaptogenesi. Il ripristino di un’adeguata sensibilità insulinica a livello cerebrale rappresenterebbe un approccio disease modifying nella DA e non puramente sintomatico.

L’insulina del SNC controlla processi precedenti all’accumulo di placche amiloidi e ammassi neurofibrillari e contrasta condizioni favorenti la patogenesi della DA quali lo stress ossidativo e i fenomeni di neuro inflammaging. Pertanto, terapie che contrastino l’insulinoresistenza nel SNC agirebbero da multiple target therapy.

Infine, la comprensione del crosstalk tra metabolismo energetico periferico, sindrome metabolica e funzioni cerebrali potrebbe aiutare l’individuazione di fattori di rischio modificabili nella DA, migliorando l’educazione del paziente e del care-giver e, con il supporto delle recenti tecniche di neuroimaging, quali la PET con 18FDG, l’identificazione di pattern caratteristici degli MCI ad alto rischio di progressione e la diagnosi preclinica di DA.

Bibliografia essenziale

  1. Rad SK, Arya A, et al. Mechanism involved in insulin resistance via accumulation of β-amyloid and neurofibrillary tangles: link between type 2 diabetes and Alzheimer’s disease. Drug Des Devel Ther. 2018;12:3999-4021. [PubMed 30538427]
  2. Diehl T, Mullins R, et al. Insulin resistance in Alzheimer’s disease.Transl Res. 2017;183:26-40. [PubMed 28034760]
  3. Hanyu H, Sato T, et al. Pioglitazone improved cognition in a pilot study on patients with Alzheimer’s disease and mild cognitive impairment with diabetes mellitus. J Am Geriatr Soc. 2009;57(1):177–179. [PubMed 19170800]
  4. Wiciński M, Socha L, et al. Liraglutide and its Neuroprotective Properties-Focus on Possible Biochemical Mechanisms in Alzheimer’s Disease and Cerebral Ischemic Events. Int J Mol Sci. 2019; 20(5). [PubMed 30823403]
  5. Sun B, Halabisky B, et al. Imbalance between GABAergic and glutamatergic transmission impairs adult neurogenesis in an animal model of Alzheimer’s disease. Cell Stem Cell. 2009;5:624–633. [PubMed 19951690]
  6. Willette AA, Modanlo N, et al. Insulin resistance predicts medial temporal hypermetabolism in mild cognitive impairment conversion to Alzheimer’s disease. Diabetes, 64 (6) (2015), pp. 1933-1940. [PubMed 25576061]