Il blocco degli sfingolipidi contrasta la distrofia muscolare nei modelli murini / Blocking Sphingolipids Counteracts Muscular Dystrophy in Mouse Models

Il blocco degli sfingolipidi contrasta la distrofia muscolare nei modelli murini / Blocking Sphingolipids Counteracts Muscular Dystrophy in Mouse Models

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I ricercatori guidati da un gruppo dell'École Polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) School of Life Sciences hanno stabilito la prima connessione tra la distrofia muscolare (MD) e gli sfingolipidi, un gruppo di lipidi bioattivi. L'analisi del gruppo di un set di dati pubblicamente disponibile ha rilevato una sovraregolazione degli enzimi biosintetici sfingolipidi nelle biopsie muscolari di pazienti con distrofia muscolare. Attraverso successivi esperimenti in vivo, il gruppo ha poi mostrato che l'inibizione farmacologica della sintesi di sfingolipidi in un modello murino di distrofia muscolare di Duchenne (DMD) migliorava la perdita della funzione muscolare e migliorava altre caratteristiche della malattia.

"Il nostro studio presenta un valido caso per intraprendere lo sviluppo di nuovi inibitori del percorso di sintesi degli sfingolipidi che possono essere somministrati da soli o in combinazione con trattamenti esistenti", hanno riferito il capo dello studio Johan Auxerx e colleghi nel loro articolo pubblicato su Science Advances, che è intitolato "L'inibizione della sintesi de novo degli sfingolipidi contrasta la distrofia muscolare". Nel documento, il gruppo ha concluso: "I molteplici benefici ottenuti correggendo il metabolismo aberrante degli sfingolipidi potrebbero ritardare l'insorgenza dei sintomi, rallentare la progressione della malattia e, infine, contrastare la perdita di indipendenza associata alle distrofie muscolari".

La distrofia muscolare è un termine generico per malattie in cui le mutazioni genetiche provocano una progressiva debolezza e rottura dei muscoli scheletrici. Circa la metà di tutti i casi di distrofia muscolare coinvolge la DMD, che è causata da una delle migliaia di mutazioni potenzialmente nel gene che codifica per la distrofina, una proteina che supporta la struttura muscolare ancorando il citoscheletro delle cellule muscolari con il loro citoplasma, il sarcolemma. Le mutazioni della distrofina influenzano vari percorsi biologici causando i sintomi caratteristici della DMD: integrità della membrana cellulare compromessa, omeostasi del calcio aberrante, infiammazione cronica, fibrosi ed alterato rimodellamento dei tessuti.

Colpendo circa 1 neonato su 3.500, la DMD può portare a morte prematura a causa di insufficienza cardiaca o respiratoria. Attualmente non esiste una cura per la DMD, hanno sottolineato gli autori. “Nonostante i recenti progressi nell'editing genico mediato da CRISPR-Cas9, l'elevata eterogeneità allelica della malattia ed i problemi di sicurezza dei recenti studi clinici presentano sfide alla terapia genica, suggerendo che sono necessari approcci farmacologici per integrare queste terapie ed aiutare a gestire i pazienti con mutazioni inadatte alle tecnologie di editing genetico”.

I glucocorticoidi sono attualmente l'unico trattamento farmacologico per la DMD nelle linee guida, ma la loro efficacia è limitata e hanno effetti collaterali significativi, hanno continuato gli autori. "L'elevata prevalenza e la natura debilitante della malattia richiedono sforzi urgenti per sviluppare nuove strategie di trattamento che modificano la malattia per la DMD ... In modo ottimale, le strategie di trattamento non mirerebbero solo a uno, ma a diversi percorsi coinvolti nella patogenesi della DMD".

Scoperti nel 1870 e chiamati in onore della Sfinge, gli sfingolipidi sono un gruppo di lipidi bioattivi che si pensa siano coinvolti nella segnalazione cellulare e, sorprendentemente, in molti dei sintomi presenti nella DMD. Pertanto, i ricercatori hanno chiesto se la sintesi degli sfingolipidi può essere alterata nella DMD e, in tal caso, se possono essere coinvolti in modo causale nella patogenesi della DMD. "Mentre gli intensi sforzi di ricerca si sono concentrati sull'esplorazione del ruolo dell'esaurimento degli sfingolipidi nel trattamento dei disturbi metabolici, il ruolo del metabolismo degli sfingolipidi nella distrofia muscolare rimane ancora non dimostrato", hanno osservato. "La DMD condivide molti percorsi biologici con i disordini metabolici, chiedendo di testare se l'inibizione della via di sintesi de novo degli sfingolipidi, con diversi effetti nella fisiologia cellulare, possa ripristinare la funzione muscolare nella DMD".

L'analisi del gruppo dei dati pubblicamente disponibili sulle biopsie tissutali di pazienti con diverse distrofie muscolari ha trovato quella che hanno chiamato "una sovraregolazione quasi universale degli enzimi biosintetici sfingolipidi ..." che indicava il coinvolgimento del percorso di sintesi de novo degli sfingolipidi nelle distrofie muscolari umane. Il gruppo si è quindi rivolto al modello murino mdx di DMD, che porta una mutazione puntiforme nel gene Dmd, simile ai pazienti con DMD umana. Hanno scoperto che rispetto ai topi di controllo normali, i topi mdx mostravano anche livelli aumentati di enzimi della via di sintesi de novo dello sfingolipide e livelli aumentati di intermedi di questa via nel muscolo scheletrico degli animali. Questo è stato un indizio chiave del fatto che il metabolismo degli sfingolipidi è aumentato in modo anomalo nel contesto della distrofia muscolare. È interessante notare che è apparso anche che i livelli di sfingolipidi muscolari fossero correlati alla gravità della malattia, "... in linea con l'abbondanza di trascrizioni delle biopsie muscolari umane", hanno scritto.

I ricercatori volevano sapere se l'inibizione farmacologica della via di sintesi degli sfingolipidi potesse quindi ripristinare la funzione muscolare e migliorare i sintomi della DMD nel modello murino. Hanno usato il composto miriocina per bloccare uno degli enzimi chiave della via di sintesi dello sfingolipide de novo nei topi mdx. La miriocina è un inibitore della serina palmitoiltransferasi (SPT), il primo e limitante enzima della via della biosintesi degli sfingolipidi. Gli animali sono stati sottoposti a iniezioni intraperitoneali del farmaco tre volte a settimana, per sei mesi.

Colorazione di una sezione trasversale del muscolo scheletrico che mostra diversi tipi di fibre muscolari in topi giovani. Verde: fibre a contrazione lenta di tipo I; Rosso: fibre intermedie a contrazione rapida tipo IIA; Viola: fibre a contrazione molto rapida tipo IIB; Giallo: Laminina. /  Staining of a skeletal muscle cross-section showing different types of muscle fiber in young mice. Green: slow-twitch fibers type I; Red: intermediate fast-twitch fibers type IIA; Purple: very fast-twitch fibers type IIB; Yellow: Laminin. [Martin Wohlwend (EPFL)]  [Martin Wohlwend (EPFL)]

I risultati hanno confermato che l'inibizione della sintesi degli sfingolipidi contrastava la perdita della funzione muscolare correlata alla DMD nei topi trattati. Scavando più a fondo, i ricercatori hanno anche scoperto che la miriocina ha stabilizzato il turnover del calcio muscolare e ha invertito la fibrosi nel diaframma e nel muscolo cardiaco. Hanno affermato: "La miriocina, un inibitore dell'SPT, ha fortemente ridotto l'abbondanza di intermedi sfingolipidici e ha invertito più percorsi patogenetici fondamentali associati alla DMD, incluso l'omeotasi aberrante del Ca 2+ , integrità della membrana sarcolemmale compromessa, squilibrio delle cellule satellite, infiammazione cronica e fibrosi. L'osservazione che inibendo la via di sintesi de novo degli sfingolipidi, siamo stati in grado di invertire non solo uno ma diversi percorsi fisiopatologici coinvolti nella DMD indica l'alto potenziale terapeutico di prendere di mira la via di sintesi degli sfingolipidi.

ENGLISH

Researchers headed by a team at the École Polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) School of Life Sciences have made the first connection between muscular dystrophy (MD) and sphingolipids, a group of bioactive lipids. The team’s analysis of a publicly available dataset found an upregulation of sphingolipid biosynthetic enzymes in muscle biopsies from muscular dystrophy patients. Through subsequent in vivo experiments, the team then showed that pharmacological inhibition of sphingolipid synthesis in a mouse model of Duchenne muscular dystrophy (DMD) ameliorated loss of muscle function and improved other characteristic features of the disease.

“Our study presents a strong case to embark on developing novel inhibitors of the sphingolipid synthesis pathway that can be administered either alone or in combination with existing treatments,” reported study lead Johan Auxerx, and colleagues in their published paper in Science Advances, which is titled, “Inhibition of sphingolipid de novo synthesis counteracts muscular dystrophy.” In the paper, the team concluded, “The multifaceted benefits achieved by correcting aberrant sphingolipid metabolism could delay the onset of symptoms, slow the progression of disease, and ultimately counteract the loss of independence associated with muscular dystrophies.”

Muscular dystrophy is an umbrella term for diseases where gene mutations result in progressive weakness and breakdown of skeletal muscles. About half of all muscular dystrophy cases involve DMD, which is caused by one of potentially thousands of mutations in the gene that codes for dystrophin, a protein that supports muscle structure by anchoring the cytoskeleton of muscle cells with their cytoplasm, the sarcolemma. Dystrophin mutations affect various biological pathways causing the hallmark symptoms of DMD: compromised cells membrane integrity, aberrant calcium homeostasis, chronic inflammation, fibrosis, and impaired tissue remodeling.

Affecting about 1 in 3,500 newborn boys, DMD can lead to premature death due to cardiac or respiratory failure. There is currently no cure for DMD, the authors pointed out. “Despite recent advances in CRISPR-Cas9–mediated gene editing, the high allelic heterogeneity of the disease and the safety concerns of recent clinical trials present challenges to gene therapy, suggesting that pharmacological approaches are required to complement these therapies and to help manage patients with mutations unsuitable for gene-editing technologies.”

Glucocorticoids are currently the only pharmacological treatment for DMD in guidelines, but their efficacy is limited, and they have significant side effects, the authors continued. “The high prevalence and the debilitating nature of the disease call for urgent efforts to develop new disease-modifying treatment strategies for DMD … Optimally, treatment strategies would not only target one but several pathways involved in DMD pathogenesis.”

Discovered in 1870 and named after the Sphinx, sphingolipids are a group of bioactive lipids thought to be involved in cell signaling, and, surprisingly, many of the symptoms present in DMD. Therefore, the researchers asked whether the synthesis of sphingolipids can be altered in DMD—and if so, if they can be causally involved in the pathogenesis of DMD. “While intensive research efforts have focused on exploring the role of sphingolipid depletion in treating metabolic disorders, the role of sphingolipid metabolism in muscular dystrophy still remains unproven,” they noted. “DMD shares many biological pathways with metabolic disorders, calling for testing whether inhibition of sphingolipid de novo synthesis pathway, having diverse effects in cellular physiology could restore muscle function in DMD.”

The team’s analysis of publicly available data on tissue biopsies from patients with different muscular dystrophies found what they called “an almost universal up-regulation of sphingolipid biosynthetic enzymes …” which indicated the involvement of the sphingolipid de novo synthesis pathway in human muscular dystrophies. The team then turned to the mdx mouse model of DMD, which carries a point mutation in the Dmd gene, similar to human DMD patients. They found that when compared with normal, control mice, the mdx mice also exhibited increased levels of enzymes of the sphingolipid de novo synthesis pathway, and increased levels of intermediates of this pathway in the animals’ skeletal muscle. This was a key clue that sphingolipid metabolism is abnormally increased in the context of muscular dystrophy. Interestingly, it also appeared that muscle sphingolipid levels correlated with disease severity, “… in line with transcript abundance human muscle biopsies,” they wrote.

The researchers wanted to know whether pharmacological inhibition of the sphingolipid synthesis pathway could then restore muscle function and ameliorate symptoms of DMD in the mouse model. They used the compound myriocin to block one of the key enzymes of the sphingolipid de novo synthesis pathway in mdx mice. Myriocin is an inhibitor of serine palmitoyltransferase (SPT), the first and rate-limiting enzyme of the sphingolipid biosynthesis pathway. Animals were given intraperitoneal injections of the drug three times a week, for six months.

The results confirmed that inhibiting synthesis of sphingolipids counteracted the DMD-related loss of muscle function in the treated mice. Digging deeper, the researchers also found that myriocin stabilized the turnover of muscular calcium, and reversed fibrosis in the diaphragm and in heart muscle. They stated, “Myriocin, an inhibitor of SPT, strongly reduced the abundance of sphingolipid intermediates and reversed multiple DMD-associated, fundamental pathogenetic pathways, including aberrant Ca2+ homeostasis, compromised sarcolemmal membrane integrity, satellite cell imbalance, chronic inflammation, and fibrosis … The observation that by inhibiting the sphingolipid de novo synthesis pathway, we were able to reverse not only one but several pathophysiological pathways involved in DMD points to the high therapeutic potential of targeting sphingolipid synthesis pathway.”

Da:

https://www.genengnews.com/musculoskeletal-disorders/blocking-sphingolipids-counteracts-muscular-dystrophy-in-mouse-models/?fbclid=IwAR3L-mzuWWALdplI_Hmp0XkIIBIxSSypL9suV3mnhiEdIynY1vDfrOkNdo0