Beta-amiloide

Ver tamén Placa senil, Amiloide e Proteína precursora amiloide. Beta-amiloide ou amiloide-beta (Aβ ou Abeta) é o termo con que se designan os péptidos de 36 a 43 aminoácidos que están implicados de forma fundamental na enfermidade de Alzheimer como principais compoñentes das placas amiloides que se encontran nos cerebros dos pacientes de dita doenza. Os péptidos orixínanse a partir da proteína precursora amiloide (APP), a cal é cortada por certos encimas dando lugar aos péptidos Aβ. As moléculas de Aβ poden agregarse para formar oligómeros flexibles solubles, dos que existen varias formas. Crese que certos oligómeros incorrectamente pregados (coñecidos como "sementes") poden inducir a outras moléculas de Aβ a adoptaren a forma oligomérica incorrecta, orixinando unha reacción en cadea similar á producida por unha infección de prións. As sementes ou as placas amiloides resultantes son tóxicas para as células nerviosas. Outra proteína implicada na enfermidade de Alzheimer, a proteína tau, tamén forma este tipo de oligómeros incorrectamente pregados ao estilo dos prións (ver nobelo neurofibrilar), e hai algunhas probas de que o Aβ mal pregado pode inducir o pregamento incorrecto de tau.
Un estudo recente suxeriu que a APP e o seu potencial amiloide ten orixes antigos, que se poden datar ao momento da aparición dos primeiros animais deuteróstomos. Actividade normal
A función normal do Aβ non se coñece ben. Aínda que algúns estudos animais mostraron que a ausencia de Aβ non produce ningunha perda de funcións fisiolóxicas, descubríronse varias actividades potenciais do Aβ, entre as que están a activación de encimas quinases, a protección contra o estrés oxidativo, a regulación do transporte do colesterol, funcionando como un factor de transcrición, e actividades antimicrobianas (potencialmente asociadas con actividades inflamatorias do Aβ).
O chamado sistema glinfático (non confundir con linfático) encárgase de limpar os refugallos metabólicos do cerebro dos mamíferos, e en especial os beta-amiloides. A taxa de eliminación increméntase significativamente durante o sono. Asociación con enfermidades
O Aβ é o principal compoñente das placas amiloides (depósitos extracelulares que se encontran no cerebro dos pacientes da enfermidade de Alzheimer). Placas similares aparecen nalgunhas variantes da demencia de corpos de Lewy e na miosite de corpos de inclusión (unha enfermidade muscular), pero o Aβ pode tamén formar agregados que cobren os vasos sanguíneos cerebrais na anxiopatía amiloide cerebral. As placas están compostas por un enguedello de agregados fibrilares regularmente ordenados chamados fibras amiloides, que é un pregamento proteico que se dá tamén noutros péptidos como os prións asociados con enfermidades de pregamento incorrecto de proteínas. Investigacións recentes suxiren que as formas oligoméricas solubles do péptido poden ser os axentes causantes do desenvolvemento da enfermidade de Alzheimer. Crese en xeral que os oligómeros Aβ son os máis tóxicos. Varios estudos xenéticos, de bioloxía celular, bioquímica e animais apoian o concepto de que o Aβ ten un papel central no desenvolvemento da patoloxía da enfermidade de Alzheimer.
O Aβ cerebral está elevado en pacientes con enfermidade de Alzheimer esporádica. O Aβ é o principal constituínte do amiloide do parénquima cerebral e do amiloide vascular; contribúe a lesións cerebrovasculares e é neurotóxico. Aínda non se sabe como se acumula o Aβ no sistema nervioso central e inicia despois a enfermidade nas células. Algúns investigadores atoparon que os oligómeros Aβ inducen algúns dos síntomas da enfermidade de Alzheimer ao competiren coa insulina para unirse ao receptor da insulina, o cal altera o metabolismo da glicosa no cerebro. Fixéronse esforzos significativos no estudo dos mecanismos responsables da produción do Aβ, incluíndo o estudo dos encimas proteolíticos alfa- e β-secretases, que xeran a forma Aβ a partir da súa proteína precursora a APP (proteína precursora amiloide). O Aβ circula no plasma, líquido cefalorraquídeo e fluído intersticial cerebral principalmente como Aβ40 soluble As placas senís conteñen tanto Aβ40 coma Aβ42, mentres que o amiloide vascular está feito predominantemente do Aβ40, o máis curto. En ambos os tipos de lesións atopáronse varias secuencias do Aβ. A xeración do Aβ no sistema nerviosos central pode ter lugar nas membranas dos axóns neuronais despois do transporte axonal mediado por APP de β-secretase e presenilina-1.
Os incrementos nos niveis totais de Aβ ou as concentracións relativas de Aβ40 e Aβ42 (o primeiro está máis concentrado nas placas cerebrovasculares e o último nas placas neuríticas) foron implicados na patoxénese da enfermidadede de Alzheimer esporádica e na familiar. Debido á súa natureza máis hidrofóbica, o Aβ42 é a forma máis amiloidoxénica do péptido. Porén, sábese que a secuencia central KLVFFAE forma amiloides por si mesma, e probablemente forma a parte central das fibrilas.
A "hipótese amiloide", que di que as placas son responsables da patoloxía da enfermidade de Alzheimer, é aceptada pola maioría dos investigadores, pero aínda non está establecida concluintemente. Unha hipótese alternativa é que son os oligómeros amiloides e non as placas as responsables da doenza. Os ratos que foron modificados por enxeñaría xenética para expresar oligómeros pero non placas (APPE693Q) desenvolven tamén a enfermidade. Ademais, os ratos que adicionalmente foron modificados para que convertan os oligómeros en placas (APPE693Q X PS1ΔE9), non están máis afectados que os ratos con só oligómeros. Na doenza tamén se observan depósitos intracelulares de proteína tau, e poden tamén estar implicados, xa que teñen agregación de alfa-sinucleína. Formación
O Aβ fórmase despois dunha clivaxe (corte) secuencial encimático da proteína precursora amiloide (APP), que é unha glicoproteína transmembrana de función aínda non determinada. A APP pode ser clivada polos encimas proteolíticos α-, β- e γ-secretases; a proteína Aβ xérase pola acción sucesiva das β e γ secretases. A γ secretase, que orixina o extremo C-terminal do péptido Aβ, cliva no interior da rexión transmembrana da APP e pode xerar un número de isoformas con lonxitudes de entre 36 e 43 residuos de aminoácidos. As isoformas máis comúns son Aβ40 e Aβ42; a forma máis longa é producida pola clivaxe que ocorre no retículo endoplasmático, mentres que a forma máis curta é producida por clivaxe na rede trans-Golgi. A forma Aβ40 é a máis común das dúas, pero a Aβ42 é a máis fibriloxénica e é asociada con estados de enfermidade. As mutacións na APP asociados con Alzhéimer de comezo temperán incrementan a produción relativa de Aβ42, e así suxeriuse que unha posible vía de terapias para o Alzhéimer sería a modulación da actividade das β e γ secretases para producir principalmente Aβ40. O Aβ é destruído por varios encimas que degradan o amiloide como a neprilisina. Xenética
Mutacións autosómicas dominantes na APP causan a enfermidade de Alzheimer familiar de comezo temperán hereditaria. Esta forma de enfermidade de Alzheimer supón non máis do 10% dos casos totais de Alzheimer, polo que a gran maioría dos casos de enfermidade de Alzheimer non están acompañados por ditas mutacións. Porén, a enfermidade de Alzheimer familiar é probablemente o resultado dun procesamento proteolítico alterado.
O xene da proteína precursora amiloide está localizado no cromosoma 21 humano, e en consecuencia os pacientes con trisomía 21 (síndrome de Down) teñen unha incidencia moi alta da enfermidade de Alzheimer. Estrutura e toxicidade
Crese xeralmente que o amiloide beta é unha proteína non estruturada intrinsecamente, o que significa que en solución non adquire un pregamento terciario único senón que pode formar todo un conxunto de estruturas. Isto implica que non pode ser cristalizada e a maioría do coñecemento estrutural do amiloide beta obtense de resonancia magnética nuclear (RMN) e dinámica molecular. Os modelos iniciais derivados de RMN do polipéptido de 26 aminoácidos do amiloide beta (Aβ 10-35) mostraban unha estrutura colapsada de enrolamento aleatorio desprovista dunha estrutura secundaria significativa, porén, a estrutura RMN máis recente (ano 2012) de Aβ 1-40 presenta unhas estruturas secundaria e terciaria significativas. Os estudos de dinámica molecular de intercambio de réplica (replica exchange) suxeriron que o amiloide beta pode en realidade formar moitos estados estruturais discretos distintos; estudos máis recentes identificaron múltiples clusters conformacionais discretos por análise estatística. Por simulacións guiadas por RMN, o Aβ 1-40 e o Aβ 1-42 tamén parecen formar estados conformacionais moi diferentes, e o C-terminal do Aβ 1-42 está máis estruturado que o do fragmento 1-40.
A información estrutural no estado oligomérico do amiloide beta era aínda escasa en 2010. En condicións de alta concentración salina e alta temperatura illáronse oligómeros con forma de disco pentaméricos sen estrutura beta. Pero os oligómeros solubles preparados en presenza de deterxentes parecen ter un contido substancial de folla beta de tipo paralelo e antiparalelo mesturado, diferente das fibrilas. Polo contrario, os estudos computacionais suxiren un motivo antiparalelo de beta-xiro-beta para os oligómeros incrustados na membrana.
O mecanismo polo cal o amiloide beta pode danar e matar as neuronas é a xeración de especies reactivas do oxíxeno durante o seu proceso de autoagregación. Cando isto ocorre na membrana das neuronas orixínase unha peroxidación de lípidos e a xeración dun aldehido tóxico chamado 4-hidroxinonenal, o cal, á súa vez, altera a función das ATPases iónicas, transportadores de glicosa e transportadores de glutamato. Como resultado o amiloide beta promove a despolarización da membrana sináptica, un fluxo excesivo de calcio e a alteración mitocondrial. Estratexias de intervención
Os investigadores da enfermidade de Alzheimer identificaron cinco estratexias que poderían utilizarse contra os amiloides, que son: inhibidores da β-secretase. Funcionan bloqueando a primeira clivaxe da APP fóra da célula.
Inhibidores da γ-secretase (por exemplo, o semagacestat). Funcionan bloqueando a segunda clivaxe da APP na membrana plasmática e poderían parar a formación subseguinte de Aβ e os seus fragmentos tóxicos.
Axentes que diminúen selectivamente o Aβ42 (como o tarenflurbil). Estes modulan a γ-secretase para reducir a produción de Aβ42 en favor doutras versións do Aβ (máis curtas).
As β- e γ-secretases son responsables da xeración de Aβ a partir da liberación do dominio intracelular da APP, o que significa que os compostos que poden inhibir parcialmente a actividade das β- e γ-secretases son moi procurados polos investigadores. Para iniciar a inhibición parcial da β- e γ-secretases, necesítase un composto que poida bloquear o sitio activo das aspartil proteases e que poida atravesar a barreira hematoencefálica. Ata agora, evitárase facer probas en humanos polo perigo de que puidesen interferir coa vía de sinalización das proteínas Notch e outros receptores da superficie celular. Inmunoterapia. Estimula o sistema inmunitario do hóspede para que recoñeza e ataque ao Aβ, ou proporciona anticorpos que impiden a deposición de placa ou potencian a eliminación dos oligómeros Aβ. A oligomerización é un proceso químico que converte as moléculas individuais en cadeas formadas por un número finito delas. A prevención da oligomerización dos Aβ foi exemplificada pola inmunización Aβ activa ou pasiva. Neste proceso os anticorpos de Aβ utilízanse para facer diminuír os niveis de placas cerebrais. Isto conséguese promovendo a limpeza microglial e/ou redistribuíndo o péptido do cerebro á circulación sistémica. Unha destas vacinas contra o beta-amiloide que está actualmente en ensaio clínico é a CAD106. A inmunización con Aβ1-42 sintético é beneficiosa en ratos e mostra pouca toxicidade; porén, nos ensaios humanos obtivéronse significativas diferenzas, ata o punto que esta inmunización non é aínda efectiva en humanos e require unha maior investigación. Certos descubrimentos específicos indican que a proteína SDPM1 de 20 aminoácidos se une a formas tetrámeras dos amiloides Aβ(1-40) e Aβ(1-42) e bloquea a subseguinte agregación do amiloide Aβ. É importante salientar que este estudo se fixo en ratos e que aínda que impide un desenvolvemento posterior de neuropatoloxías, non orixina unha mellora no rendemento cognitivo. Finalmente, a inmunización Aβ42 orixinou a eliminación de placas amiloides en pacientes da enfermidade de Alzheimer, pero non impide a neurodexeneración progresiva.
Axentes antiagregación como a apomorfina. Estes impiden que os fragmentos Aβ se agreguen ou se eliminen os agregados unha vez que se forman. Os estudos que comparan os Aβ42 sintéticos e recombinantes en ensaios que miden a velocidade de fibrilación, homoxeneidade das fibrilas, e toxicidade celular indicaron que o Aβ42 recombinante tiña unha velocidade de fibrilación máis rápida e maior toxicidade que o péptido amiloide beta 1-42 sintético. Esta observación combinada coa irreproducibilidade de certos estudos experimentais co Aβ42 suxeriu que esta é a causa da falta de progresos na investigación do Alzheimer. En consecuencia, fixéronse renovados esforzos para fabricar Aβ42 e outros péptidos amiloides nunha pureza que non tiña precedentes (>99%).
Hai algunhas indicacións de que a suplementación coa hormona melatonina pode ser efectiva contra o amiloide. A melatonina interacciona co amiloide beta e inhibe a súa agregación. Esta actividade antiagregatoria ten lugar só por medio dunha interacción con dímeros dun péptido amiloide beta soluble. A melatonina non reverte a formación de fibrilas ou de oligómeros de amiloide beta unha vez formados. Isto está apoiado por experimentos en ratos transxénicos, que suxiren que a melatonina ten o potencial de impedir a a deposición amiloide se é administrada cedo na vida, pero pode non ser eficaz para reverter a deposición amiloide ou tratar a enfermidade de Alzheimer.
Esta conexión coa melatonina, a cal regula o sono, está reforzada polas investigacións recentes que indican que a hormona orexina, que induce a vixilia, inflúe no amiloide beta (véxase máis abaixo). É interesante indicar que os experimentos animais mostran que a melatonina pode tamén corrixir as elevacións leves dos niveis de colesterol, que son tamén un factor de risco tenmperán para a formación de amiloides.
O canabinoide HU-210 prevén a inflamación promovida polo amiloide beta. Os endocanabinoides anandamida e noladina tamén son neuroprotectores contra o amiloide beta in vitro.
As dietas altas en colesterol tenden a incrementar a patoloxía Aβ en animais. A modulación da homeostase do colesterol deu resultados que indican que o uso crónico de fármacos que reducen o colesterol, como as estatinas, está asociado cunha menor incidencia de enfermidade de Alzheimer. En ratos xeneticamente modificados na APP, os fármacos redutores do colesterol reducen a patoloxía no seu conxunto. Aínda que o mecanismo está mal comprendido parece que os fármacos que reducen o colesterol teñen un efecto directo sobre o procesamento da APP.
A terapia de quelación, que está implicada na eliminación de metais pesados do corpo, tamén é beneficiosa para rebaixar os niveis de placas amiloides. Isto débese a que a agregación Aβ depende en certa medida dos ións metálicos cobre e cinc. O cinc que se encontra nas vesículas sinápticas, que está baixo o control do transportador de cinc ZnT3, xoga un papel principal na formación de Aβ. A expresión de ZnT3 é significativamente máis baixa nos pacientes de Alzheimer comparados cos pacientes sans. Os ratos sen ZnT3 teñen un nivel de formación de placas moito menor. Apoia esta idea o feito de que a deposición Aβ está impedida en ratos transxénicos para APP tratados co antibiótico clioquinol, que é un coñecido quelador de cobre/cinc.
A terapia farmacolóxica é outro posible enfoque do trratamento. O memantine é un fármaco para o Alzheimer que recibiu unha ampla aprobación. É un bloqueador non competitivo do canal de N-metil-D-aspartato (NMDA). Ao unirse ao receptor de NMDA cunha afinidade máis alta que os ións Mg2+, o memantine pode inhibir o fluxo prolongado de ións Ca2+, particularmente desde receptores extrasinápticos, o cal forma a base da excitotoxicidade neuronal. É unha opción para o tratamento de pacientes con enfermidade de Alzheimer de moderada a grave (pero con efectos modestos). O estudo mostrou que 20 mg/día melloraban a cognición, capacidade funcional e síntomas de comportamento na poboación de pacientes.
Outro fármaco que se está a investigar actualmente é o victoza, o cal se usa normalmente como fármaco para a diabetes. O tratamento con victoza produciu beneficios cognitivos que incluían unha mellora do recoñecemento espacial e de obxectos. Adicionalmente, o victoza potencia a indución e mantemento da potenciación a longo prazo (LTP) e a facilitación de pulso par (paired-pulse facilitation, PPF) tanto en ratos APP/PS1 coma non alterados xeneticamente. Outros beneficios histolóxicos son unha redución da resposta inflamatoria e un incremento no número de neuronas novas no xiro dentado do encéfalo. O nivel de β-amiloide estaba tamén significativamente reducido. Ritmo circadiano do amiloide beta
Un informe de 2009 demostrou que a produción de amiloide beta segue un ritmo circadiano, e aumenta cando un animal (rato) ou persoa está esperto e diminúe durante o sono. A neuroproteína que promove a vixilia orexina é necesaria para os ritmos circadianos da produción de amiloide beta. O informe suxería que os períodos excesivos de vixilia (é dicir, cando hai un débito de sono) poderían causar unha acumulación crónica de amiloide beta, o cal podería hipoteticamente orixinar a enfermidade de Alzheimer. Isto é concordante con descubrimentos recentes que indican que a privación crónica do sono está asociada coa enfermidade de Alzheimer de comezo temperán.
A melatonina está tamén implicada no mantemento dos ritmos circadianos. É salientable que a melatonina foi conectada co fenómeno "da posta dos sol", no cal os pacientes da enfermidade de Alzheimer que teñen placas amiloides no hipotálamo presentan unha exacerbación dos síntomas da enfermidade de Alzheimer nas horas finais do día. Este fenómeno "da posta do sol" podería estar directa ou indirectamente relacionado co incremento continuo do amiloide beta ao longo do día que se descubriu recentemente. Medición do amiloide beta
Hai moitos xeitos de medir a cantidade de amiloide beta. Pode medirse semicuantitativamente con inmunotinguidura, o cal tamén permite determinar a súa localización. O amiloide beta pode ser principalmente vascular, como na anxiopatía amiloide cerebral, ou aparecer en placas senís e en vasos sanguíneos.
Un método moi sensible é a ELISA, a cal é un ensaio inmunosorbente que utiliza un par de anticorpos que recoñecen o amiloide beta.
Certos compostos utilizados para obter imaxes, principalmente o composto de Pittsburgh B, (6-OH-BTA-1, unha tioflavina), pode unirse selectivamente ao amiloide beta in vitro e in vivo. Esta técnica, combinada con imaxes de tomografía de emisión de positróns (PET), foi utilizada para obter imaxes de áreas de depósitos de placas en pacientes de Alzheimer.
O micorscopio de forza atómica, que pode visualizar superficies moleculares a nanoescala, pode utilizarse para determinar o estado de agregación do amiloide beta in vitro.
A interferometría de polarización dual é unha técnica óptica que pode medir os estados temperáns de agregación e inhibición medindo o tamaño molecular e densidades a medida que as fibrilas se alongan. Estes procesos de agregación poden tamén ser estudados en constructos de bicapa lipídica.