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L'atassia di Friedreich (AF) è una malattia ereditaria autosomica recessiva caratterizzata da una progressiva disabilità neurologica, da una cardiopatia ipertrofica e da un rischio elevato di diabete mellito. Anomalie scheletriche quali la cifoscoliosi e il piede cavo sono comuni. I primi sintomi generalmente appaiono nei bambini, ma l'esordio può essere molto variabile dall'infanzia all' età adulta. La perdita progressiva della coordinazione dei movimenti e dell'equilibrio fanno sì che dopo un tempo variabile, di solito 10-15 anni, gli ammalati di AF debbano utilizzare una sedia a rotelle e necessitino di aiuto per tutte le attività della vita quotidiana. Le capacità di comunicazione sono compromesse dalla difficoltà ad articolare le parole (disartria). In alcuni casi la perdita della vista per atrofia dei nervi ottici e dell'udito aggravano ulteriormente la disabilità. Le funzioni cognitive rimangono invece intatte e non è raro vedere giovani affetti da AF superare con successo gli studi universitari malgrado le limitazioni loro imposte dalla disabilità fisica. Oltre all'interessamento del sistema nervoso, le altre manifestazioni della AF possono aggravare il quadro clinico in modo sostanziale. La cardiopatia in alcuni pazienti può essere grave al punto di condurre a morte precoce per insufficienza cardiaca o aritmia. Quando presente, il diabete, con tutte le sue complicazioni, è evidentemente un ulteriore fattore di malattia e disabiltà.
La frequenza dell'AF nelle popolazioni caucasiche e medio-orientali è dell'ordine di 2-3 su 100000 nascite. L'AF è dunque una malattia rara.
Come per quasi tutte le malattie neurodegenerative, non esiste attualmente alcuna terapia capace di arrestare la progressione dell'AF. Inoltre, purtroppo, a differenza per esempio dalla malattia di Parkinson, non esistono terapie efficaci neppure per i sintomi della AF. La kinesiterapia, l'ergoterapia, la logopedia, il trattamento delle eventuali complicazioni cardiache e del diabete permettono indubbiamente di migliorare la qualità e la durata della vita dei malati di AF, ma la progressione del processo neurodegenerativo resta inesorabile.
La risposta alla sofferenza dei malati di AF e delle loro famiglie non può venire che dalla ricerca. A quasi dieci anni dalla scoperta della mutazione genetica che causa l'AF, ci troviamo in un momento critico della ricerca. Le conoscenze accumulate sulle cause ed i meccanismi molecolari e cellulari alla base dell'AF insieme con lo sviluppo di nuovi approcci di terapia farmacologica, cellulare e molecolare aprono nuove possibilità per bloccare questa malattia.
Il gene della AF (FRDA) codifica una proteina di 210 amminoacidi, chiamata fratassina. Il gene è espresso in tutte le cellule, ma il suo livello varia nei differenti tessuti e durante lo sviluppo. La fratassina è localizzata all'interno dei mitocondri, organelli intracellulari essenziali per la respirazione e per altre funzioni metaboliche.
L'AF è la conseguenza di un difetto di fratassina. La mutazione causa della malattia nella maggior parte dei pazienti è l' espansione di una sequenza ripetuta di triplette GAA nel primo introne del gene. Nei cromosomi normali il numero di triplette GAA è inferiore a 35-40, di solito 8-9, nei cromosomi AF si trovano da 90 a piu' di 1000 triplette, di solito varie centinaia. Essenda la malattia recessiva, gli individui affetti sono omozigoti per questa espansione mentre i portatori sani sono eterozigoti. Gli alleli espansi mostrano instabilità sia nella trasmissione da genitore a figlio che nei diversi tessuti durante lo sviluppo.
L'espansione GAA blocca l'espressione del gene della fratassina perché distorce la struttura del DNA, bloccando la sintesi dell'RNA messaggero. Il DNA, in corrispondenza dell'espansione GAA, tende a ripegarsi su se stesso in una struttura complicata a tripla elica che non permette il passaggio dell'RNA polimerasi. Questa struttura a tripla elica è in equilibrio con la doppia elica fisiologica, il DNA oscilla tra questi due stati, solo uno dei quali permette l'espressione del gene che risulta pertanto deficitaria. La tripla elica è più stabile quando l'espansione è più grande, per cui l'epressione della fratassina diminuisce con l'aumentare del numero delle triplette GAA. Conseguentemente, la gravità e l'età di esordio della malattia sono almeno in parte determinate dalla lunghezza dell'espansione delle triplette GAA. La maggior parte dei malati ha livelli di fratassina intorno al 5-10% del normale, i casi più leggeri e ad esordio più tardivo nell'età adulta hanno il 20-25% del normale, i portatori eterozigoti hanno poco più del 50% del normale e sono perfettamente sani. Se si distrugge il gene della fratassina nel topo, l'animale completamente privo di questa proteina muore durante lo sviluppo embrionario, dimostrando l'importanza essenziale della piccola quantità residua prodotta dai malati di AF. Questi dati suggeriscono una prima possibilità terapeutica : se fosse possibile aumentare la produzione di fratassina nei malati anche solo a livelli simili a quelli dei portatori si potrebbe bloccare il corso della malattia e forse finanche indurre un recupero.
Un aumento della produzione di fratassina si potrebbe ottenere:
1) con la terapia genica, cioé introducendo nelle cellule dei malati un gene della fratassina senza l'espansione GAA;
2) somministrando direttamente della fratassina, che però dovrebbe essere modificata in modo da permetterle di raggiungere le cellule nervose interessate dalla malattia ed il compartimento intracellulare nel quale si trova fisiologicamente, i mitocondri;
3) intervenendo sull'espansione GAA con molecole che possano destabilizzarne la struttura a tripla elica e favorire quella fisiologica a doppia elica che permette l'espressione della fratassina, quali alcuni derivati di tipo pirrolo-imidazolo-poliamidico.
Tutti e tre questi approcci sono attualmente allo studio in laboratori in Europa, America ed Australia.
Ulteriori possibilità per trattare la malattia possono venire dagli studi sulla funzione della fratassina. Una proteina corrispondente alla fratassina è presente in tutti gli organismi viventi dotati di nucleo (eucarioti), dove si trova nei mitocondri, ed anche in molti batteri. La sua funzione sembra legata al ruolo chiave dei mitocondri nel metabolismo del ferro. Il ferro è infatti per la maggior parte utilizzato in questi organelli per sintetizzare due tipi di strutture chimiche entrambe essenziali per la cellula: l'eme e i centri ferro-zolfo. L'eme lega l'ossigeno nell'emoglobina ed interviene nella costituzione di vari componenti della catena respiratoria (citocromi). I centri ferro-zolfo sono cofattori essenziali per il funzionamento di vari enzimi, in particolare l'aconitasi e i complessi I, II e III della catena respiratoria. La forma citosolica dell'aconitasi che contiene anch'essa un centro ferro-zolfo, ha una funzione importante nel controllo dell'omeostasi cellulare del ferro che dipende direttamente dalla presenza di questo centro ferro-zolfo. La fratassina gioca un ruolo chiaramente dimostrato nella sintesi dei centri ferro-zolfo, tra l'altro interagendo con Isu1, una proteina che funziona da "impalcatura" su cui questa sintesi avviene. La fratassina potrebbe anche avere un ruolo diretto nella sintesi dell'eme, ma questo è ancora controverso. Il deficit di fratassina causa una diminuzione importante della sintesi dei centri ferro-zolfo e dunque un deficit funzionale delle proteine che li contengono, in particolare della catena respiratoria e del metabolismo energetico. È possibile che la fratassina svolga la sua funzione legando il ferro che entra nei mitocondri, proteggendolo dai radicali liberi particolarmente abbondanti in questo compartimento e donandolo alle proteine che lo utilizzano per le biosintesi dei centri ferro-zolfo e dell'eme. In accordo con questa ipotesi, si osserva un'accumulo di ferro ossidato nei mitocondri deficitari in fratassina sia in modelli sperimentali sia nel cuore di malati di AF. Il ferro non protetto dalla fratassina entrerebbe in contatto con superossido e perossido d'idrogeno prodotti nei mitocondri generando radicali liberi tossici, quali il radicale ossidrile tramite la reazione di Fenton. Un danno ossidativo si aggiungerebbe dunque al deficit respiratorio ed energetico e probabilmente aumenterebbe questo deficit in un circolo vizioso in cui una catena respiratoria malfunzionante produrrebbe sempre più superossido, che reagendo col ferro genererebbe radicali liberi che la danneggerebbero ulteriormente. In generale, le conoscenze attuali sulla funzione della fratassina suggeriscono approcci terapeutici mirati al controllo dei radicali liberi ed alla riattivazione della catena respiratoria. Inoltre suggeriscono la possibilità di utilizzare piccole molecole capaci di sostituire la funzione della fratassina di proteggere il ferro mitocondriale ed aumentarne la biodisponibilità. Per quanto riguarda l'uso di molecole antiossidanti e stimolanti la catena respiratoria, alcuni derivati del coenzima Q (idebenone, CoQ10) hanno già dato i primi risultati promettenti non solo in modelli sperimentali, ma finanche in clinica, almeno sulla cardiopatia dell'AF. Infine, le conoscenze sulle conseguenze funzionali del deficit di fratassina potranno permettere lo sviluppo di test automatizzabili per valutare un gran numero di molecole sulla base della loro capacità di correggere queste conseguenze.
Un'ulteriore possibilità di trattamento dell'AF potrebbe venire dalla terapie cellulari, in particolare dall'uso di cellule staminali. I problemi posti da questo approccio sono ancora formidabili, in particolare la necessità di far arrivare le cellule in modo diffuso all'interno del sistema nervoso degli ammalati. Vi sono tuttavia interessanti sviluppi della biologia delle cellule staminali che stimolano ad esplorare anche questa possibilità. I problemi aperti riguardano ancora tutte le tappe di un'eventuale terapia cellulare, dall'origine delle cellule al trattamento di queste prima del trapianto, alle modalità di trapianto. Dovrebbero essere valutate sia le cellule staminali embrionarie che quelle di origine da tessuti fetali ed adulti, queste ultime anche se provenienti da fonti diverse che il sistema nervoso. Le possibiltà di trans-differenziazione, retro-differenziazione o di fusione delle cellule staminali di diversi tessuti adulti dovranno essere rigorosamente valutate. Le modalità per promuovere la diffusione delle cellule a tutte le regioni affette del sistema nervoso dovranno anche essere studiate. Bisogna comunque dire che, malgrado l'enormità delle cose ancora da farsi, la ricerca sulle cellule staminali è talmente attiva che lo studio di una possibile applicazione nella AF sembra giustificato.
Tutti gli approcci terapeutici sopra menzionati prima di arrivare alla clinica debbono essere testati in modelli appropriati della malattia. L'importanza di generare modelli animali, a questo fine ed al fine più generale di studiare i meccanismi della malattia e la funzione della fratassina, è dunque cruciale. La letalità embrionaria del topo knock-out ha imposto la ricerca di altri approcci. La tecnica del knock-out condizionale, che porta alla delezione del gene della fratassina solo ad un certo tempo ed i specifici tessuti, ha permesso di sviluppare modelli murini della cardiomiopatia e della neurodegenerazione da deficit di fratassina. Questi modelli sono evidentemente utili per valutare approcci farmacologici, di terapia genica, di somministrazione diretta della fratassina e con cellule staminali. Un modello murino knock-in, in cui un'espansione GAA è stata introdotta nel gene endogeno della fratassina esprime circa il 25% del livello normale della proteina. Questo livello è sufficiente a evitare l'apparizione di sintomi durante la durata di vita del topo, ma ha permesso, tramite tecniche di microarrays, di studiare le risposte omeostatiche compensatorie al deficit di fratassina. Inoltre questo modello potrà essere utilizzato per valutare composti che agiscono sulla ripetizione GAA, come le pirrolo-imidazolo-poliamidi. Altri modelli in corso di sviluppo utilizzano la tecnica di piccoli RNA inibitori (siRNA) per dimuinuire fortemente il livello di fratassina. Questi ultimi sono disegnati in modo da poter variare a volontà dello sperimentatore i livelli di fratassina e quindi valutare la reversibilità del danno indotto dal deficit di questa proteina.
Le nuove possibilità terapeutiche prospettate dalla ricerca fondamentale impongono la definizione di protocolli clinici rigorosi per la valutazione dei pazienti con AF da utilizzare in studi clinico-terapeutici. Vi è la necessità di una scala clinica che possa essere utilizzata in modo affidabile e riproducibile in diversi centri, dato che la rarità della malattia imporrà degli studi multicentrici al fine di reclutare abbastanza pazienti per avere dei risultati significativi. Una scala clinica opportunamente validata non sarà che parte di un protocollo che dovrà comprendere anche strumenti per la valutazione della qualità della vita, delle capacità funzionali e una serie di biomarkers, cioé di indicatori diretti della patologia alla base della malattia. Questi ultimi potranno comprendere studi di diagnostica per immagini quantitativa, biochimici e neurofisiologici. A questo riguardo, tecniche come la spettroscopia per risonanza magnetica e la ricerca di marker di stress ossidativo quali la malondialdeide plasmatica e la 8-idrossi-deossiguanosina urinaria sono già state utilizzate in studi pilota che ne hanno dimostrato la potenziale utilità. Altre tecniche come la "diffusion tensor imaging", lo studio dei potenziali evocati motori, di alcuni riflessi come il "blink reflex" sono promettenti e meritano di essere testate.
In conclusione: le conoscenze sull'eziopatogenesi dell'AF ottenute grazie alla scoperta del gene nel 1996, insieme ai progressi spettacolari della farmacologia e della biologia molecolare e cellulare di questi ultimi anni ci mettono in condizione di lanciare un progetto ad ampio respiro per sviluppare e valutare una terapia per questa malattia. Questo progetto, che sarebbe apparso velleitario solo qualche anno fa, ha oggi delle reali possibiltà di successo a patto che si crei una convergenza di competenze scientifiche e cliniche di alto livello e che vi siano i mezzi materiali per portare avanti la ricerca. Inoltre, il successo di tale progetto avrebbe una ricaduta importante per le altre malattie neurodegenerative rare o meno rare, sia per l'apporto scientifico, sia come modello organizzativo. Numerosi gruppi di eccellente livello sono attualmente impegnati nella ricerca fondamentale e clinica sulla AF, molti in Europa e sempre di più in America ed Australia, ciascuno in grado di apportare un contributo originale e potenzialmente importante per il risultato finale. Se a questi si potessero unire gruppi di ricerca di altrettanto eccellente livello ed attivi in aree come la farmacologia sperimentale, la biochimica degli acidi nucleici, la biochimica delle proteine, la biologia delle cellule staminali, lo sviluppo di approcci per la terapia genica, la possibilità di una terapia per la AF diventerebbe un obiettivo concreto e realistico.
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