Modo d'azione delle neurotossine botuliniche

Introduzione

Partendo dalla costante che l'azione paralizzante delle tossine botuliniche si esercita in modo selettivo e durevole sulla trasmissione tra i nervi motori e i muscoli scheletrici senza aver azione sul sistema nervoso centrale, Alan Scott ha introdotto nel 1980 l'utilizzo della tossina botulica di tipo A in clinica come alternativa all'intervento chirurgico convenzionale dello strabismo.

In seguito questa tossina è stata utilizzata con successo in una grande varietà di disordini neurologici associati a delle contrazioni spasmodiche involontarie dei muscoli (torcicollo spasmodico, blefarospasmo, emispasmo facciale e distonia laringea).

Lo scopo di questa sintesi è di descrivere in breve il meccanismo attraverso il quale le neurotossine botuliniche bloccano la trasmissione neuromuscolare.

Inizialmente evocheremo brevemente le basi della trasmissione tra i nervi motori ed i muscoli.

La trasmissione sinaptica tra i nervi motori e i muscoli

Il transfert di informazioni tra due neuroni o il passaggio di un ordine tra un neurone ed una cellula bersaglio (come tra il motoneurone e la fibra muscolare che deve contrarsi) si fa a livello di contatti chiamati sinapsi. Il principale modo di comunicazione sinaptica implica l'emissione (detta liberazione) di un messaggero chimico o neurotrasmettitore dalle terminazioni nervose del neurone emettitore (detto neurone presinaptico) che è rivelato dalla cellula ricettrice (detta postsinaptica).

L'acétylcholine è il neurotrasmettitore liberato nella giunzione tra i nervi motori e i muscoli striati scheletrici.

Nelle terminazioni nervose, il messaggero è immagazzinato in delle vescicole sinaptiche.

Queste consistono in dei piccoli organelle sferici di 50 nm di diametro, e delimitati da una membrana lipidica. Vanno da un numero di 100.000 a 500.000 nelle terminazioni dei motoneuroni (1 um di diametro su circa 100 um di lunghezza sviluppata). Ciascuna delle vescicole sinaptiche del motoneurone contiene circa 10.000 molecole di neurotrasmettitore acétylcholine.

Al momento del comando di un movimento volontario o al momento di mantenere la posizione, l'ordine di contrazione dato ai muscoli è codificato sotto la forma di treni di più "impulsi bioelettrici" o potenziali d'azione.

Ogni potenziale d'azione si propaga fino alle terminazioni nervose dei motoneuroni e li depolarizza. Ne risulta l'attivazione di proteine membranaires che sono permeabili solamente agli ioni di calcio. Queste proteine sono dei "canali ionici".

Siccome gli ioni di calcio sono più concentrati a livello esterno che all'interno del neurone, degli ioni di calcio entrano nella terminazione nervosa; essi fanno scattare allora la fusione di decine di vescicole sinaptiche con la membrana della terminazione neuronale.

Attraverso questo mezzo, il contenuto di neurotrasmettitore delle vescicole sinaptiche è liberato nello spazio sinaptico che esiste tra il neurone emettitore e la fibra muscolare bersaglio. Questa liberazione è anche chiamata exocitosi (per l'espulsione all'esterno "exo" della cellula "cyte").

L'acétylcholine liberata per exocitosi, diffusa nello spazio o fessura sinaptica (da 0,05 a 0,1 um di spessore) è poi rivelata dal suo legame a dei recettori all'acétylcholine localizzati sulla fibra muscolare. La rivelazione del messaggio chimico provoca una risposta (detta postsinaptica) che consiste in una depolarizzazione generalmente sufficiente per iniziare un potenziale d'azione muscolare. Questo si propaga lungo la fibra muscolare e provoca la contrazione della fibra. La contrazione di centinaia di fibre muscolari dà luogo alla contrazione del muscolo.

Tossine e neurotossine botuliniche

Le neurotossine botuliniche sono delle proteine di circa 1.300 aminoacidi prodotte da diversi tipi di Clostriduim botulinum (batteri strettamente anaerobici) come da altri Clostridia.

Le neurotossine botuliniche sono definite come delle neurotossine dato che la loro axion è ristretta al solo sistema nervoso mentre le altre tossine (botulinolysine, tossina c2, exoenzyme c3 ...) prodotte dal Clostridium botulinum possono attaccare diversi tipi di cellule.

Sono stati scoperti sette toxotypes differenti di neurotossina botulica (dal tipo A al tipo G).

Sono secreti con delle proteine non tossiche (di cui delle hémagglutinines) che non sembrano contribuire all'azione paralizzante delle tossine. Queste proteine non tossiche si legano alla neurotossina ed il complesso multimolecolare così formato è chiamato tossina botulica. Al momento del botulismo, la tossina è ingerita con degli alimenti contaminati. Una delle funzioni delle proteine non tossiche è di proteggere la neurotossina dai succhi digestivi dello stomaco. Solo la neurotossina è catturata dall'epitelio intestinale e disseminata nell'organismo. Tossine e neurotossine botuliniche sono utilizzate con uguale successo clinico.

Selettività d'azione delle neurotossine botuliniche

Nelle condizioni fisiopatologiche, le neurotossine botuliniche non sembrano oltrepassare la barriera ematoencefalica che isola il sistema nervoso centrale; per questo fatto la loro azione resta confinata al sistema nervoso periferico. Sebbene esse agiscano preferenzialmente sulle terminazioni nervose tra i motoneuroni e le fibre muscolari, le neurotossine botuliniche possono anche bloccare la trasmissione nervosa a livello di altre sinaspsi periferiche, cholinergiques o no.

Tutto ciò è illustrato dai sintomi riscontrati nel botulismo: in effetti si osservano delle difficoltà di funzionamento del sistema nervoso autonomo insieme a die sintomi motori (ad esempio delle difficoltà nella digestione, costipazione, disturbi della vista, diplopia, una stanchezza muscolare). Nel botulismo quando la concentrazione circolante di neurotossina botulica aumenta, la malattia prende una forma grave con lo stabilirsi di una paralisi neuromuscolare molle. E' questa azione paralizzante che è impiegata clinicamente (trattamento delle distonie focali).

Notate che nelle condizioni di utilizzo terapeutico, la neurotossina o la tossina botulica sono applicate localmente tramite iniezione; per cui non diffondono per nulla, o poco al di fuori del luogo dell'iniezione, la loro azione paralizzante che resta confinata alle giunzioni nervi-muscoli che sono vicini al punto in cui viene praticata l'iniezione.

Organizzazione funzionale e modo d'azione delle neurotossine botuliniche

Il modo d'azione delle neurotossine botuliniche può essere scomposto in quattro grandi tappe:

1. unione a dei recettori localizzati sulle regioni amyeliniques delle terminazioni dei motoneuroni,
2. cattura della neurotossina da parte del motoneurone. Ciò consiste nella endocitosi (interiorizzazione) del complesso neurotossina /recettore,
3. traslazione della catena leggera della tossina dal compartimento di cattura (vescicola di endocitosi) verso lo spazio intracellulare (cytosol) della terminazione del motoneurone
4. azione su un bersaglio intracellulare.

Le diverse neurotossine botuliniche sono tutte composte da due grandi moduli funzionali chiamati catena leggera e catena pesante. Ciascuna delle catene contiene più domini funzionali ai quali hanno potuto attribuire un ruolo preciso nel processo di intossicazione. La prima tappa implicherebbe due sotto - domini localizzati nella seconda metà della catena pesante delle neurotossine.

La terza tappa (trasloco) implicherebbe la prima metà della catena pesante. La quarta tappa (blocco della liberazione dei neurotrasmettitori) è dovuta unicamente ad un dominio catalitico localizzato a livello della catena leggera.

Il meccanismo di bloccaggio della trasmissione sinaptica attrverso le neurotossine botuliniche

Numerosi studi hanno dimostrato che le diverse neurotossine botuliniche non colpiscono i canali ionici presinaptici implicati nei potenziali d'azione. L'entrata degli ioni di calcio nella terminazione nervosa non è diminuita in modo significativo e i recettori postsinaptici non sono bloccati.

In effetti il bloccaggio della trasmissione sinaptica attraverso le diverse neurotossine botuliniche è dovuto unicamente all'inibizione della liberazione dei neurotrasmettitori per exocitosi (ovvero attraverso la fusione delle vescicole con la membrana delle terminazioni nervose).

Le neurotossine botuliniche come la tossina del tetano sono delle endopeptidases allo zinco, cioè degli enzimi capaci di tagliare delle proteine.

I bersagli intraneurali di queste "forbici molecolari" sono tre proteine implicate nell'exocitosi del contenuto delle vescicole sinaptiche in risposta ad una entrata di calcio nel neurone. Queste proteine sono la Vamp/synaptobrevine, la SNAP 25, e la syntaxine.

I recenti lavori hanno dimostrato che tutte e tre sono implicate nella fusione delle vescicole di secrezione o vescicole sinaptiche con la membrana delle cellule secretrici o dei neuroni.

Una caratteristica importante delle neurotossine botuliniche è la loro altissima specificità d'azione intracellulare dato che attaccano solamente queste tre proteine tra le migliaia presenti nelle cellule. Così la SNAP-25 è tagliata dalle neurotossine di tipo A (quelle utilizzate clinicamente), E e C. La Vamp/synaptobrevine è il bersaglio delle neurotossine B, D, F, e G. La neurotossina di tipo C attacca anche la syntaxine.

Recupero della contrazione muscolare dopo l'azione delle neurotossine botuliniche

L'inibizione della trasmissione tra il nervo motore e il muscolo grazie alle neurotossine botuliniche è irreversibile a breve termine. Dura da qualche settimana a qualche mese a seconda del tipo di neurotossina utilizzata. Questa è una limitazione importante per l'utilizzo di queste tossine in campo clinico poiché il bloccaggio della trasmissione tra il nervo motore ed il muscolo è solo temporaneo. I meccanismi del recupero funzionale delle sinapsi avvelenata non sono stati ancora del tutto compresi. da una parte, nuovi contatti sinaptici funzionali sono messi in gioco molto rapidamente per gemmazione e spinta di nuove terminazioni nervose a partire da prolungamenti dei motoneuroni avvelenati. Essi permettono di ritrovare un comando motore efficace anche quando la vecchia sinapsi è ancora bloccata.

D'altra parte, le proteine sinaptiche tagliate dalle neurotossine botuliniche sono rimpiazzate progressivamente nelle terminazioni dei motoneuroni, cosa che permette al processo di exocitosi di rifunzionare nella sinapsi avvelenata.

Conclusioni

Per riassumere, tagliando l'una o l'altra delle tre proteine sinaptiche Vamp/synaptobrevine, SNAP 25, e Syntaxine, la catena leggera delle neurotissine botuliniche impedisce la fusione delle vescicole che contengono il neurotrasmettitore con la membrana neurale. Le neurotossine botuliniche bloccano così la liberazione dei neurotrasmettitori messaggeri che servono a comandare la contrazione muscolare.

Anche se le proteine bersaglio delle neurotossine botuliniche esistono in tutti i neuroni e anche in alcune cellule non neurali (cellule chromaffines, cellule B del pancreas che liberano l'insulina) l'azione delle neurotossine botuliniche si restringe alle giunzioni neuro-muscolari motoneuroni perché la loro catena pesante riconosce dei recettori specifici dei motoneuroni.

Il delegato regionale riprese le parole di questa citazione di Voltaire: "LA SPERANZA DI GUARIRE E' GIA' META' DELLA GUARIGIONE" e ricordò che i trattamenti attuali delle distonie sono solamente sintomatici. E' dunque necessario incoraggiare la ricerca medica che richiede purtroppo molto denaro e di sviluppare ancora di più l'informazione sulle distonie associando il maggior numero possibile di persone che direttamente o indirettamente sono toccate dalla malattia.

E' in questo quadro, che è stata presentata la giornata nazionale della distonia a Limoges il 23 aprile 1999, organizzata insieme alla assemblea generale dell'AMADYS.

Per finire, il delegato regionale ha ringraziato, una volta ancora, tutti i partecipanti e li ha invitati a prendere vaso dell'amicizia offerto dai Laboratori IPSEN, momento privilegiato per degli scambi e che permette di rompere l'isolamento dovuto alla malattia di cui spesso sono vittime i malati colpiti dalla distonia.