Pharmacological targets for treatment of retinal neurodegenerations: new perspectives [Nuove prospettive sui target farmacologici per il trattamento della neurodegenerazione retinica]

Il glaucoma e la retinopatia diabetica, malattie degenerative che colpiscono la retina, rappresentano le principali cause di cecità al mondo. Nonostante la differente eziopatogenesi, il deterioramento morfologico e funzionale delle cellule retiniche rappresenta un evento comune ad entrambe le condizioni. In particolare, il glaucoma, una neuropatia ottica progressiva, è caratterizzato dalla degenerazione delle cellule neuronali retiniche (RGCs), che è a sua volta causata dall'aumento della pressione intraoculare (IOP). La conseguente morte di queste cellule porta a danni irreversibili al nervo ottico e alla perdita del campo visivo centrale e periferico. L'apoptosi di tali cellule è stata collegata a meccanismi patogenetici multifattoriali, come ad esempio il blocco del trasporto assonale, la privazione di fattori neurotrofici, la disfunzione mitocondriale, il danno eccitotossico, lo stress ossidativo e processi infiammatori. La retinopatia diabetica (RD) è una complicanza microvascolare del diabete, causata dall'esposizione cronica all'iperglicemia, che in fasi avanzate porta alla neovascolarizzazione e alla rottura della barriera ematoretinica. Inoltre, la neurodegenerazione della retina è stata recentemente descritta come un evento precoce nella RD, che precede e al tempo stesso contribuisce all’instaurarsi delle anomalie microcircolatorie. Le alterazioni della microvascolarizzazione indotte dalla RD sono innescate dall'attivazione di diversi meccanismi patologici, quali lo stress ossidativo, l'infiammazione cronica e la disfunzione mitocondriale. Le terapie esistenti per il trattamento della RD e del glaucoma non prevengono gli eventi precoci di questi disturbi né la progressione di questi ultimi. In particolare, per quanto riguarda il glaucoma, i trattamenti farmacologici attualmente approvati riducono la IOP, il principale fattore di rischio della malattia, sopprimendo la produzione di umor acqueo o facilitandone il drenaggio attraverso le vie di deflusso. Tuttavia, attualmente non esistono dei farmaci approvati per la neurodegenerazione. Analogamente, nella RD la mancanza di strategie neuroprotettive rappresenta un'importante unmet medical need. Infatti, i trattamenti farmacologici approvati sono farmaci biologici con attività anti-angiogenica somministrati per via intravitreale oppure impianti intravitreali per il rilascio controllato e prolungato di corticosteroidi, che mirano a contrastare la neovascolarizzazione e l’infiammazione. Pertanto, la ricerca si è focalizzata sulla scoperta di strategie in grado di preservare le cellule retiniche e il sistema visivo dalla degenerazione, in modo da aumentare le opzioni terapeutiche per le suddette patologie. A tal scopo, come discusso nel capitolo I di questa tesi, l'approccio della “network pharmacology” è recentemente emerso come una nuova strategia nel campo della farmacologia oculare. In particolare, questo metodo si è rivelato utile per identificare nuovi target farmacologici, comprendere l’eziologia di malattie complesse e il meccanismo d'azione di nuovi farmaci. Infatti, attraverso l'applicazione della farmacologia dei sistemi, che rappresenta un approccio olistico basato sui metodi della biologia dei sistemi, un problema biologico è studiato come una rete di interazioni a diverse scale. In particolare, in questo tipo di studi in silico, una malattia complessa può essere rappresentata come una rete di interazione tra diversi nodi, i quali possono essere geni, proteine, molecole o vie di segnalazione. In queste reti, la soppressione di un nodo centrale compromette la stabilità dell’intera rete. Pertanto, l’obiettivo dello studio descritto nel secondo capitolo, è stato quello di identificare nuovi geni coinvolti nella patogenesi del glaucoma utilizzando l’approccio di network pharmacology. In particolare, è stata effettuata una re-analisi dei dati di trascrittomica depositati nei GEO DataSets, rappresentanti modelli sperimentali di glaucoma, e una successiva analisi statistica con GEO2R ha evidenziato i geni differenzialmente espressi (ingl. differentially expressed genes, DEG) in modo significativo (p < 0.05) tra i campioni controllo e quelli modello della malattia (CTRL vs. glaucoma). Mediante i software STRING e Cytoscape sono state messe in evidenza le reti di connessione tra i geni principalmente coinvolti nei campioni biologici analizzati, e attraverso un’analisi di centralità di queste reti sono stati evidenziati potenziali target farmacologici per il trattamento del glaucoma. Inoltre, attraverso un approccio di re-scoring dell’analisi della letteratura (PubMed e clinicaltrial.gov) è stato possibile escludere i geni e le pathway associate a record nei database in esame, concentrandosi quindi su potenziali target innovativi. Dallo studio è emerso che diversi recettori accoppiati a proteine G (GPCRs), canali ionici ed enzimi potrebbero essere nuovi potenziali target per il trattamento del glaucoma. Per esempio, i recettori metabotropici serotoninergici HTR5A, HTR1D, HTR2C e l’adenosinico ADORA2B, hanno mostrato un elevato potenziale di novità come target per il trattamento del glaucoma. Inoltre, i recettori purinergici ionotropici P2X3 e P2X4, insieme agli enzimi codificati da CYP2C8, LDHA e MAOB potrebbero essere degni di ulteriori indagini sperimentali per la mancanza di studi preclinici e clinici legati ad essi. In più, si è evidenziato il coinvolgimento di diversi geni noti per aver un ruolo nell’eziopatogenesi del glaucoma, come HIF-1α, TNF- α o BAX. Questi dati rappresentano una base per un’indagine sperimentale rivolta alla validazione in vitro e in vivo di target terapeutici innovativi. Nel capitolo III è descritta la convalida sperimentale in vitro dei recettori adrenergici α1D e α2C (α1DR e α2CR), appartenenti alla famiglia dei GPCRs. Questi recettori erano stati precedentemente identificati come target terapeutici innovativi per il trattamento della RD, mediante lo stesso approccio di network pharmacology descritto in precedenza. In particolare, nello studio riportato nel capitolo III è stato analizzato il contributo di tali recettori nella disfunzione mitocondriale delle cellule epiteliali pigmentate retiniche (RPE) e nella rottura della barriera ematoretinica esterna (oBRB) in un modello in vitro della RD (cellule ARPE-19 sottoposte a elevate concentrazioni di glucosio). Inoltre, sono stati utilizzati dei ligandi selettivi di questi recettori come strumento farmacologico al fine di studiare il ruolo di α1DR e α2CR. L'attività mitocondriale è stata valutata con la tecnologia del Seahorse XF, la quale consente la misurazione di vari parametri e funzioni metaboliche utilizzando cellule vive in tempo reale. Tale strumento misura il tasso di consumo dell’ossigeno (OCR), che rappresenta la respirazione mitocondriale e il tasso di acidificazione extracellulare (ECAR), che è un indice della glicolisi. Nel capitolo III è stato dimostrato che il blocco farmacologico del recettore α1DR con il BMY 7378 (antagonista selettivo dell'α1DR) è capace di ripristinare l’OCR e l’ECAR delle ARPE-19, che erano stati significativamente ridotti dal trattamento con alte dosi di glucosio. Al contrario, l'attivazione di questo recettore attraverso la fenilefrina (agonista del recettore α1-AR) mostrava un ulteriore peggioramento del danno indotto dall’alto glucosio nella funzionalità mitocondriale, come dimostrato dal profilo dell’OCR. Pertanto, questi risultati suggeriscono un coinvolgimento del recettore α1DR nella disfunzione mitocondriale associata alla RD, che è stato ulteriormente confermato dai risultati del co-trattamento con agonista e antagonista di α1DR. Inoltre, attraverso misurazioni della resistenza elettrica transepiteliale e il test di permeabilità alla Na-F, nello stesso modello in vitro della malattia, BMY 7378, rispetto al trattamento con fenilefrina, è stato in grado di ripristinare l'integrità di barriera delle ARPE-19, significativamente danneggiata dall'esposizione ad alte dosi di glucosio. Pertanto, questi risultati indicano che il blocco del recettore adrenergico α1D potrebbe esercitare effetti protettivi anche sulla rottura della barriera ematoretinica esterna nella RD. Al contrario, il recettore adrenergico α2CR non è stato validato come target farmacologico per il trattamento della RD, a causa della mancanza di effetti significativi dei ligandi del recettore sulla funzionalità mitocondriale delle ARPE-19. Riassumendo, il capitolo III apre la strada allo sviluppo di nuove strategie terapeutiche per la cura della RD, evidenziando il ruolo del recettore adrenergico α1D come potenziale target farmacologico, nonostante siano necessari ulteriori studi preclinici e clinici. In conclusione, questa tesi ha messo in risalto come l’applicazione di network pharmacology integrata alla validazione con studi in vitro, sia un valido strumento per identificare nuovi target farmacologici per malattie complesse e multifattoriali, quali il glaucoma e la RD.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2025

Author dc:creator

• GIUFFRIDA, ERIKA

Contributors dc:contributor

• BUCOLO, CLAUDIO

• retinal neurodegeneration
• glaucoma
• diabetic retinopathy
• computational systems biology
• network pharmacology
• pharmacological target
• GPCR
• α1D adrenergic receptor
• α2C adrenergic receptor
• mitochondrial dysfunction
• blood retinal barrier breakdown
• neurodegenerazione retinica
• retinopatia diabetica
• approccio computazionale di biologia dei sistemi
• target farmacologici
• recettore adrenergico α1D
• recettore adrenergico α2C
• disfunzione mitocondriale
• rottura barriera ematoretinica

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:PUBBLICO - Pubblico con Copyright
• license uri:iris.PUB02

Language dc:language

eng

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/690715

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/690715