Insights sobre a patogênese das doenças neurodegenerativas: foco na disfunção mitocondrial e no estresse oxidativo, parte 1

Resumo: À medida que a população envelhece, aumenta a incidência de doenças neurodegenerativas. Devido à intensa pesquisa, passos importantes na elucidação das cascatas patogenéticas foram dados e implicaram significativamente a disfunção mitocondrial e o estresse oxidativo.

Com a melhoria contínua da medicina moderna e dos padrões de vida, a esperança média de vida dos seres humanos está a aumentar cada vez mais, o que também significa que o envelhecimento da população está a tornar-se cada vez mais grave. Embora os idosos enfrentem muitos problemas de saúde e de vida, a perda de memória não é necessariamente um desses problemas.

Na verdade, existem muitos idosos com excelente memória. Eles podem não apenas manter suas vidas diárias, mas também usar sua experiência de vida para resolver problemas. Em relação ao declínio da memória, muitas pessoas pensam que isso se deve à idade, mas na verdade isso é apenas um equívoco.

Estudos mostram que não há conexão direta entre perdas e envelhecimento populacional. Quer seja jovem ou velho, o nosso cérebro tem a capacidade de se reparar, desde que treinemos regularmente, podemos melhorar a nossa memória. O declínio da memória dos idosos ocorre principalmente porque seus cérebros não são totalmente exercitados, levando ao declínio cerebral.

Podemos tomar algumas medidas para fortalecer a nossa memória, como exercitar o cérebro através de diversas atividades como ler, escrever, pintar, viajar e socializar. Além disso, também podemos estar atentos à alimentação e aos hábitos de vida, como manter uma boa qualidade de sono, uma alimentação equilibrada e evitar comportamentos pouco saudáveis, como fumar ou beber.

Portanto, não devemos enfatizar o declínio da memória devido ao envelhecimento da população, mas sim ser mais ativos no exercício e na manutenção do cérebro. Ao melhorar a nossa memória, podemos proteger a nossa saúde e libertar a vida. Percebe-se que precisamos melhorar a memória, e Cistanche pode melhorar significativamente a memória, porque Cistanche é um material medicinal tradicional chinês com muitos efeitos únicos, um dos quais é melhorar a memória. O efeito do Cistanche vem dos vários ingredientes ativos que contém, incluindo ácido tânico, polissacarídeos, glicosídeos flavonóides, etc.

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No entanto, o tratamento disponível para a doença de Alzheimer, doença de Parkinson e esclerose lateral amiotrófica é principalmente sintomático, proporcionando benefícios menores e, no máximo, retardando a progressão da doença.

Embora no cenário pré-clínico os medicamentos direcionados à disfunção mitocondrial e ao estresse oxidativo tenham produzido resultados encorajadores, os ensaios clínicos falharam ou tiveram resultados inconclusivos. É provável que, no momento do diagnóstico clínico, as cascatas patogenéticas estejam totalmente desenvolvidas e um número significativo de neurônios já tenha degenerado, impossibilitando que moléculas antioxidantes ou direcionadas às mitocôndrias interrompam ou revertam o processo.

Até que novas pesquisas forneçam moléculas mais eficientes, um estilo de vida saudável, com muitos antioxidantes na dieta e evitar oxidantes exógenos pode adiar o início da neurodegeneração, enquanto os casos familiares podem se beneficiar de testes genéticos e terapia agressiva iniciada na fase pré-clínica.

Palavras-chave: disfunção mitocondrial; estresse oxidativo; antioxidantes; doença de Alzheimer; doença de Parkinson; esclerose lateral amiotrófica.

1. Introdução

O envelhecimento associa uma série de défices fisiológicos e um grau variável de comprometimento cognitivo, sendo também um importante fator de risco para doenças neurodegenerativas como a doença de Alzheimer (DA), a doença de Parkinson (DP) ou a esclerose lateral amiotrófica (ELA) [1].

Da enorme quantidade de pesquisas destinadas a desvendar os mecanismos do envelhecimento e da neurodegeneração surgiram várias peças do quebra-cabeça, mas ainda temos um longo caminho a percorrer para compreender o quadro completo. No entanto, parece que o dano oxidativo induzido pelos radicais livres e a disfunção mitocondrial desempenham um papel importante em ambos os processos.

2. Envelhecimento normal

O envelhecimento do cérebro ocorre em níveis moleculares, celulares e histológicos [2]. Associa níveis mais baixos de atividade metabólica neuronal, alterações sutis na estrutura neuronal em vários circuitos neuronais, bem como atrofia sináptica, anormalidades do citoesqueleto, acúmulo de pigmentos fluorescentes e astrócitos e micróglia reativos [3,4].

Pesquisas apontam para o hipotálamo como iniciador e controlador do declínio gradual do metabolismo energético de todo o corpo [5,6]. Através da secreção de neuro-hormônios, das conexões com o sistema endócrino e das projeções do núcleo orexinérgico para o sistema ativador reticular [5], o hipotálamo regula os níveis de estresse, o metabolismo, o sono e influencia a qualidade de vida subjetivamente percebida e o estabelecimento de relações sociais [ 7–9].

A degeneração do núcleo supraquiasmático pode contribuir adicionalmente para distúrbios do ritmo circadiano e comprometimento do sono [10–12]. Limitar o sono pode fazer com que produtos de resíduos tóxicos neuronais se acumulem e limitem a neurogênese no cérebro envelhecido, desencadeando um ciclo vicioso que aumenta o processo neurodegenerativo [13].

Fatores adicionais contribuem para o declínio do metabolismo das células cerebrais. O metabolismo cerebral depende principalmente de um fornecimento constante de glicose e oxigênio através da corrente sanguínea e, até certo ponto, de lactato [14].

A captação neuronal de glicose é mediada por transportadores de glicose (GLUTs), após os quais ela é convertida em glicose-6-fosfato (G6P) pela hexoquinase. Como tal, a disponibilidade de ATP, dependendo do fornecimento de oxigênio e da fosforilação oxidativa mitocondrial (OXPHOS), interfere na captação de glicose [5,15]. OXPHOS produz quantidades consideravelmente maiores de ATP em comparação com a glicólise [16,17].

No envelhecimento, a redução do metabolismo pode ser causada por disfunção mitocondrial e redução da síntese de ATP, bem como por alterações vasculares que levam a um fornecimento limitado de oxigénio.

O alto gasto energético celular no sistema nervoso, utilizado para transmissão sináptica (cerca de 80% do consumo energético do cérebro) [18,19], sinaptogênese e poda sináptica [18,20] associa uma alta taxa de geração de oxigênio reativo espécies principalmente por elétrons vazados da cadeia de transporte de elétrons mitocondrial (ETC).

A geração excessiva de radicais livres não pode ser neutralizada pelas defesas antioxidantes e leva ao estresse oxidativo, implicado no envelhecimento desde a década de 1950, quando Harman sugeriu que os danos induzidos pelos radicais livres em biomoléculas, como proteínas, lipídios e DNA, causam uma redução de sua bioquímica e função fisiológica no envelhecimento [21].

Na verdade, pesquisas demonstraram composição alterada de fosfolipídios no cérebro de humanos e animais idosos, juntamente com aumento da geração de malondialdeído (um marcador de peroxidação lipídica), que forma depósitos associados à lipofuscina intraneuronal [22], e aumento de resíduos de carbonila (um marcador de oxidação de proteínas) [ 23].

Além disso, o envelhecimento diminui os sistemas de defesa antioxidante, como o sistema de glutationa astrocítica [24], que potencializa ainda mais o estresse oxidativo [2]. As mitocôndrias sofrem uma série de alterações relacionadas à idade, como fragmentação ou aumento [25], aumento do DNA mitocondrial (mtDNA ) dano oxidativo [26], apresentam disfunções da cadeia respiratória [27] e da homeostase do cálcio [28].

Essas alterações associam uma redução dos níveis intracelulares de NAD+ que prejudica a função de enzimas dependentes de NA, como as sirtuínas (SIRT) e as histonas desacetilases [29,30]. As sirtuínas são enzimas conservadas altamente evolutivamente envolvidas na regulação da expectativa de vida e do envelhecimento em diferentes organismos, desde leveduras até mamíferos [31].

Nos mamíferos, a SIRT 3, 4 e 5 estão localizadas nas mitocôndrias, a SIRT 2 no citosol e a SIRT 1, 6 e 7 estão localizadas no núcleo [32]. A pesquisa mostrou que a SIRT 1, principalmente no hipotálamo, é um ator chave no controle do envelhecimento e da longevidade em organismos mamíferos [33,34].

O encurtamento dos telômeros, que promovem a estabilidade cromossômica durante a replicação celular [35], foi inicialmente desconsiderado como tendo influência importante no cérebro, uma vez que os neurônios são essencialmente células pós-mitóticas que não se replicam mais.

No entanto, esta visão tem sido desafiada pela demonstração da atividade do ciclo celular em 10-20% dos neurônios no córtex de cérebros idosos saudáveis ​​e na DA [36,37], bem como pela presença de células-tronco neurais nas zonas subventriculares e subgranulares, em os plexos coróides e meninges [38]. Além disso, as células gliais (especialmente a microglia) replicam-se ativamente, com os telômeros encurtando gradualmente após cada replicação celular [39].

O envelhecimento induz também um fenótipo inflamatório durante o qual, em resposta a mutações e danos no DNA, o fator nuclear-κB (NF-κB) inicia a transcrição do fator de necrose tumoral (TNF-) e várias interleucinas inflamatórias (IL-1, IL -6, IL-8) [40].

As ROS têm um papel crucial neste processo, uma vez que fosforilam e degradam o IκB, que se liga e inativa o NF-κB [41]. Baixas quantidades de ROS iniciam cascatas de sinalização pró-sobrevivência, o NF-κB ativado suprimindo quinases N-terminais c-Jun (JNKs) e apoptose e regulando positivamente genes antioxidantes e antiapoptóticos, como a superóxido dismutase de manganês (MnSOD) (42).

No entanto, altas concentrações de ERO ativam o NF-κB através de proteínas quinases e iniciam vias de sinalização de estresse celular. Neurônios danificados alteram o equilíbrio iônico no espaço intersticial e levam à liberação de citocinas, ativando assim a microglia [43,44].

Embora o TNF- tenha papéis importantes na aprendizagem e na plasticidade sináptica [45], a ativação microglial excessiva causará degeneração das sinapses e deficiências funcionais, características do envelhecimento e da neurodegeneração [46].

Além disso, as respostas inflamatórias induzem outros fatores de transcrição, como transdutor de sinal e ativador de transcrição (STAT-1) e receptor gama ativado por proliferador de peroxissoma (PPAR), este último desempenhando um papel importante na biogênese mitocondrial [47] .

Como tal, o fenótipo secretor associado à senescência (SASP), particularmente nos astrócitos, pode desencadear várias doenças neurodegenerativas relacionadas com a idade [48].

3. Mitocôndrias no cérebro

A alta atividade metabólica cerebral depende principalmente da fosforilação oxidativa para a produção de ATP. No entanto, as mitocôndrias também exercem outras funções importantes no cérebro.

A sinalização constante leva a variações contínuas nas concentrações de cálcio citosólico e as mitocôndrias em colaboração com o retículo endoplasmático têm um papel crucial na regulação da neurotransmissão, tamponando o cálcio nos terminais pré-sinápticos e regulando os níveis de cálcio somatodendrítico [49,50]. Além disso, as mitocôndrias regulam o ciclo celular e controlam a morte celular [51].

Para realizar essas diversas funções, a manutenção da aptidão mitocondrial é crucial, exigindo mecanismos eficientes de controle de qualidade [52], alcançados através da biogênese e fissão mitocondrial (separação de uma única organela em duas ou mais organelas filhas, essenciais para povoar células em divisão ou crescimento com um número adequado de mitocôndrias), fusão (um processo através do qual as mitocôndrias compartilham componentes essenciais) e mitofagia (eliminação de mitocôndrias danificadas antes que levem à apoptose de toda a célula) [53,54].

Além disso, as mitocôndrias devem ser traficadas ao longo dos axônios para fornecer energia por todo o axônio [2].

3.1. Cadeia Respiratória Mitocondrial e Produção de ROS

Uma mitocôndria possui uma membrana mitocondrial externa esponjosa (OMM), que permite o movimento livre de pequenos íons e moléculas sem carga, e uma membrana mitocondrial interna impermeável (IMM), que envolve a matriz mitocondrial.

Entre o IMM e o OMM encontra-se o espaço intermembrana [55]. A cadeia de transporte de elétrons mitocondrial (ETC) consiste em vários complexos de proteínas situados no IMM que usam os elétrons removidos pelo dinucleotídeo de nicotinamida adenina reduzido (NADH) e dinucleotídeo de flavinadenina (FADH2) do ciclo de Krebs para bombear prótons da matriz para o espaço intermembrana, assim gerando um gradiente de potencial através do IMM, que será utilizado na etapa final do OXPHOS para sintetizar ATP [56].

Para funcionar corretamente, esses complexos devem ser montados pelo IMM dobrado (cristais mitocondriais) em estruturas especificamente configuradas [57]. Mesmo em condições normais, 1–2% do oxigênio total consumido vaza e gera ERO [58].

Pelo menos oito locais mitocondriais são capazes de gerar ERO, sendo os complexos I, II e III os principais contribuintes [55,59]. Através da peroxidação lipídica, oxidação de proteínas e danos ao DNA, os ERO gerados podem alterar a função mitocondrial e aumentar a taxa. da produção de EROs, culminando na degeneração dos neurônios [60,61].

3.2. Mitocôndrias e homeostase celular do cálcio

O cálcio está envolvido em muitas funções neuronais, como diferenciação, liberação de vesículas e transmissão sináptica, ou morte e sobrevivência celular [62,63]. Flutuações transitórias no Ca citosólico2+ atuam como segundos mensageiros.

Os níveis de Ca citosólico livre2+ estão em nanomolares, enquanto os níveis extracelulares são milimolares. O influxo de cálcio ocorre através de canais de cálcio operados por ligando ou dependentes de voltagem (VGCCs), mas o Ca 2+ também pode ser liberado dos estoques intracelulares de Ca 2+, entre os quais o retículo endoplasmático (ER) tem um papel fundamental (64). A ligação do agonista aos receptores de inositol 1,4, 5-trifosfato (IP3) ou aos receptores de rianodina (RyRs) causa uma liberação de Ca 2+ do RE (65).

No entanto, para que os aumentos de Ca citosólico2+ sejam breves, o cálcio deve ser rapidamente eliminado através do efluxo de cálcio, ligando-se a proteínas tamponantes de Ca2+- [66] ou captação no RE ou nas mitocôndrias [62] .

O efluxo de Ca2+ é alcançado pela Ca2+-ATPase da membrana plasmática, que bombeia Ca2+contra o gradiente de concentração enquanto hidrolisa o ATP, e pelo trocador Na+/Ca2+(NCX ), que depende do gradiente de sódio para extrudar Ca 2+ [67].

A captação de Ca 2+ no RE é realizada pelo retículo sarcoendoplasmático dependente de ATP Ca 2+- ATPase (SERCA) (68), enquanto a captação mitocondrial de Ca 2+ é mediada por ânions seletivos dependentes de voltagem proteínas de canal (VDCAs), que medeiam a transferência de Ca 2+ para o espaço intermembrana, de onde o uniportador mitocondrial de Ca 2+ (MCU) localizado no IMM transfere ainda mais o cálcio para a matriz mitocondrial.

Aumentos no cálcio mitocondrial ativam as desidrogenases ETC e a produção de ATP (69). No entanto, a sobrecarga de cálcio pode alterar o potencial da membrana mitocondrial, abrir o poro de transição de permeabilidade mitocondrial (MPTP) e levar à liberação do citocromo c (70).

Como tal, as concentrações mitocondriais de Ca2+ devem ser ajustadas com precisão.

Um trocador mitocondrial Na+/Ca2+ localizado no IMM, e denominado NCLX porque também pode trocar Li+ por Ca2+, expele Ca2+ da matriz mitocondrial usando o gradiente eletroquímico de Na+[71], enquanto do espaço intermembranoso Ca2+ é extrudado pelo trocador Na+/Ca2+ 3 e VDACs [72]. A Figura 1 ilustra os mecanismos envolvidos na homeostase do cálcio celular.

Figura 1. Homeostase do cálcio intracelular. O influxo celular de Ca2+ é mediado por canais de cálcio dependentes de voltagem (VGCC), canais de cálcio dependentes de ligante (LGCC) e, em circunstâncias excepcionais, pelo funcionamento reverso do trocador de sódio/cálcio (NCX).

Além disso, o Ca2+ pode ser liberado do RE após a ligação do inositol-1,4,5-trifosfato (IP3) a receptores específicos (IP3R) ou aos receptores de rianodina (RyR).

O IP3 é gerado pela ligação de ligantes aos receptores acoplados à proteína G plasmática, que ativa a fosfolipase C para clivar o fosfatidilinositol 4,5-bifosfato, resultando no segundo mensageiro IP3.

O excesso de cálcio citosólico é removido por meio de efluxo através do NCX e da membrana plasmática Ca2+ ATPase (PMCA) e captação no RE pela Ca2+-ATPase do retículo sarcoendoplasmático (SERCA).

As mitocôndrias tamponam o cálcio citosólico através do uniportador de cálcio mitocondrial (MCU) e expele o excesso de Ca2+ através do trocador Na+/Ca2+(NCLX). Além disso, as proteínas citosólicas de ligação ao Ca 2+ (CBP) atuam como transdutores de sinal.

Ao controlar as concentrações intracelulares de Ca 2+, as mitocôndrias interagem com o RE através de membranas de RE associadas à mitocôndria (MAMs) (73), microdomínios onde o OMM está a apenas 10-100 nanômetros de distância do RE (74,75).

Essas áreas são enriquecidas com ininositol 1,4,5-receptores de trifosfato (IP3Rs) [76] que formam complexos funcionais com VDACs por meio de um acompanhante, Grp75 (proteína regulada por glicose 75), pertencente à família da proteína de choque térmico 70 [77 ].

Os complexos IP3R-Grp75-VDAC regulam a transferência de Ca2+ do RE para as mitocôndrias (74). A aposição do RE às mitocôndrias é controlada pela proteína 2 de classificação de cluster ácido fosfofurina (PACS2) (78). A diminuição dos locais de contato entre o RE e as mitocôndrias causada pela deleção do PACS2 resulta em fragmentação mitocondrial e apoptose (79).

O PACS2 está funcionalmente ligado à fosfatidilserina sintase -1 (PSS1), uma enzima localizada nos MAMs que medeia a transferência de lipídios entre o RE e as mitocôndrias (80). PACS2 e PSS1 foram encontrados regulados positivamente em camundongos transgênicos com DA, bem como em pacientes humanos com DA de início tardio [74,81]. Vários outros componentes dos MAMs envolvidos na homeostase do cálcio e nas cascatas de sinalização foram descritos, tais como:

- Bap31 (proteína 31 associada ao receptor de células B), que interage com a proteína OMM Fis1 [82];

- VAPB (proteína B associada à proteína de membrana associada à vesícula), que interage com a proteína 51 que interage com a proteína tirosina fosfatase OMM [83];

- Sig-1R (receptor intracelular não opióide Sigma 1 1-), um acompanhante que se liga ao Grp78; sob condições de estresse do RE, o Grp78 se dissocia das jangadas lipídicas do RE e ativa a resposta da proteína desdobrada (UPR) [ 84,85];

- Retículo endoplasmático quinase semelhante à proteína quinase (PERK), que, quando ativada, reduz a síntese protéica até que a proteína desdobrada acumulada seja eliminada [86].

3.3. Dinâmica mitocondrial

As mitocôndrias são organelas dinâmicas, sendo capazes de modular seu número, forma, tamanho e posição no citoplasma através de um equilíbrio cuidadoso de dois processos opostos: fusão e fissão mitocondrial (87).

A fissão é regulada por duas proteínas: Drp1 (proteína 1 relacionada à dinamina) e Dnm2 (dinamina 2) (88). O passo inicial é envolver o retículo endoplasmático em torno das mitocôndrias e reduzir o diâmetro destas de 300-500 nm para cerca de 150 nm [89]. A associação espacial da replicação do mtDNA com os locais de contato ER-mitocôndrias explica a distribuição do mtDNA nas organelas replicantes (90).

Após esta etapa, a proteína citosólica Drp1 é recrutada para o local de constrição já marcado no OMM e ligada à membrana fosfolipídica por proteínas adaptadoras como MFF (fator de fissão mitocondrial) e proteínas de dinâmica mitocondrial 49 e 51 (MiD49 e MiD51) (91).

Após o recrutamento de Drp1, uma estrutura semelhante a um anel é formada ao redor das mitocôndrias (92), após a qual a hidrólise do GTP potencializa a constrição da membrana mitocondrial (87).

A etapa final é o recrutamento de Dnm2, uma GTPase que se reúne no local marcado e completa o processo de fissão [93]. A constrição e divisão do IMM são dependentes de cálcio e ocorrem nos locais de contato entre RE e mitocôndrias, possivelmente antes mesmo do recrutamento de Drp1 (94).

A fusão mitocondrial é o processo oposto, pelo qual as membranas de duas mitocôndrias se fundem, dando origem a uma única mitocôndria e permitindo o compartilhamento de componentes essenciais entre as duas organelas.

O processo é regulado por duas outras proteínas com atividade GTPase, Mfn1 e Mfn2 (mitofusinas 1 e 2) para fusão do OMM, enquanto a fusão do IMM está sob controle de outra GTPase, OPA1 (atrofia óptica 1) (95).

Após a ligação de duas mitocôndrias (mediada pelos domínios GTP), os dois OMMs adjacentes aumentam sua área de superfície de contato seguida por sua fusão devido à hidrólise de GTP, alterações conformacionais subsequentes e oligomerização de Mfns (96).

Após a fusão do OMM, a fusão do IMM é mediada pelo OPA1 inserido no IMM, que pode ser clivado por duas metaloproteases ligadas à membrana, OMA1 e YME1L, resultando em dois fragmentos de alto peso molecular (L-OPA1) e três fragmentos mais curtos (S-OPA1) [97] .

A interação da L-OPA1 com a cardiolipina, inserida no IMM, é crucial para impulsionar a fusão da membrana [98]. O equilíbrio entre a clivagem OMA1 ou YME1L da OPA1 regula a fissão mitocondrial [99].

A estimulação de OXPHOS induz a clivagem de OPA1 e fusão mitocondrial por YME1L, enquanto a clivagem de OPA1 por OMA1 é uma resposta ao estresse e também pode induzir a fragmentação mitocondrial (87).

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