IL RUOLO DEI METALLI NEI PROCESSI NEURODEGENERATIVI

Neurodegenerative processes are characterized by a progressive neuronal cell death, due to several factors: genetic, environmental, biological, metabolic, autoimmune or age related. Metals such as copper, zinc and iron are essential for several neuronal activities (neurotransmission, neurite outgrowth, neurotransmitters biosynthesis, oxidative phosphorylation and oxygen transport). The quantity of metal ions in the brain is strictly regulated at the level of the blood brain barrier and there is no passive flux from the circulatory system to the brain. Since the free forms of metals are potentially dangerous, mechanisms of absorption, distribution and excretion are tightly controlled, and orchestrated by a variety of proteins. Metal-protein association leads to the formation of aggregates which involve redox-active metal ions (Cu2+, Fe3+) or redox-inactive (Zn2+); iron and copper have a primary role in the phenomenon of aggregation and oxidative damage. Any dyshomeostasis in redox-active transition metal ions plays a critical role in Alzheimer s disease, in fact amyloid plaques are characterized by great concentrations of metal ions, such as Cu2+ and Fe3+. Metal ions are known to interact with Abeta peptide and make it toxic for cultured cells; their presence influences aggregation, causing changes in fibrillogenesis and precipitation speed and in the aggregates morphology that, in turn, affect their toxic properties. In the present study, we show that amyloidogenic peptides spontaneously form amorphous or fibrillary aggregates; the fibrillogenesis process shows time dependent changes during incubation in presence of copper or zinc, especially in the shift from one species to another. These changes are related to the toxicity degree measured after treatment of neuroblastoma cell cultures (SHSY5Y). The increase of toxicity, induced by coincubation with metals, may be due to a slowdown in the evolution toward not toxic structures; this produces a temporary stabilization of oligomeric aggregates, notoriously much more toxic than fibrillary species. Thus, treatment with peptides incubated in the presence of metals is much more toxic over the time, as a consequence of an oligomer-stabilizing effect of metal ions.

La progressiva morte neuronale che caratterizza i processi neurodegenerativi può essere dovuta a fattori genetici, ambientali, biologici, metabolici, autoimmuni o da invecchiamento. Metalli come rame, zinco e ferro sono essenziali per alcune attività neuronali (neurotrasmissione, crescita assonale, biosintesi dei neurotrasmettitori, fosforilazione ossidativa e trasporto dell ossigeno). Il contenuto cerebrale in ioni metallici è strettamente regolato a livello della barriera emato-encefalica e non esiste alcun flusso passivo di metalli dal sistema circolatorio al cervello. Dato che le forme libere dei metalli sono potenzialmente dannose, l'assorbimento, la distribuzione e l'escrezione sono strettamente controllate e dirette da una varietà di proteine. L'associazione metallo-proteina porta alla formazione di aggregati proteici che coinvolgono ioni metallici sia redox inerti (Zn2+), che redox attivi (Cu2+, Fe3+); ferro e rame svolgono un ruolo fondamentale nell'aggregazione proteica e nello stress ossidativo. La mancata regolazione dei metalli di transizione redox attivi ha un ruolo essenziale nella patologia di Alzheimer, come dimostrato dalle elevate concentrazioni, nelle placche amiloidi, di Cu2+ e Fe3+. Gli ioni metallici interagiscono con il peptide Abeta rendendolo tossico per le cellule in coltura; la loro presenza influenza l'aggregazione, causando cambiamenti nella velocità della fibrillogenesi e della precipitazione e nella morfologia finale degli aggregati che, a sua volta, influenza le loro proprietà tossiche. In questo studio, è stato verificato come i peptidi amiloidogenici formino spontaneamente aggregati fibrillari o amorfi; in presenza di rame e zinco durante il tempo di incubazione, il fenomeno subisce delle modifiche tempo-dipendenti, soprattutto nei cambiamenti da una forma all'altra. Queste modificazioni sono correlate al grado di tossicità misurato dopo il trattamento di colture cellulari di neuroblastoma (SHSY5Y). L'aumento della tossicità cellulare indotto dalla coincubazione con i metalli può essere dovuto ad un rallentamento dell'evoluzione verso le strutture non tossiche; ciò causa una temporanea stabilizzazione degli aggregati oligomerici, notoriamente più tossici rispetto alle forme fibrillari. Quindi, il trattamento con peptidi incubati in presenza di metalli è molto più tossico nel tempo, come conseguenza di un effetto oligomero-stabilizzante degli ioni metallici.