In che modo le molecole GLP-1 modificano la segnalazione cerebrale? / How Do GLP-1s Change Brain Signaling?
In che modo le molecole GLP-1 modificano la segnalazione cerebrale? / How Do GLP-1s Change Brain Signaling?
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Le terapie con peptide-1 simile al glucagone (GLP-1) hanno cambiato la vita ad alcuni, ma non a tutti.
Un nuovo studio potrebbe aiutarci a capire il perché. I ricercatori del National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases (NIDDK) hanno mappato il modo in cui la semaglutide favorisce la perdita di peso nel cervello. Lo studio è stato recentemente pubblicato su Nature Metabolism.
L'ascesa dei GLP-1 ed il mistero della variabilità che ne è seguito
Il GLP-1 è un ormone prodotto naturalmente dalle cellule intestinali dopo un pasto. Una volta rilasciato, induce sazietà e contribuisce a regolare la glicemia; i farmaci a base di GLP-1 sfruttano questo meccanismo per il trattamento del diabete.
Questa classe di farmaci si è dimostrata utile anche al di fuori del suo ambito di applicazione originale. Il primo, e più noto, riutilizzo dei GLP-1 è stato per la gestione del peso; l'approvazione della semaglutide nel 2021 è stata il catalizzatore del movimento della medicina per la perdita di peso.
Tuttavia, i dati del mondo reale hanno dimostrato una notevole variabilità nella risposta alla perdita di peso indotta dai farmaci GLP-1; i soggetti iper-responsivi perdono più del 15% del loro peso corporeo totale, mentre i soggetti ipo-responsivi ne perdono meno del 5%.
I ricercatori hanno scoperto che i farmaci GLP-1 agiscono sull'area postrema (AP) per sopprimere l'appetito ed esercitare effetti metabolici che contribuiscono alla perdita di peso. Tuttavia, i dettagli di questo meccanismo e le sue possibili variazioni individuali devono ancora essere definiti.
L'area postrema
Il nervo vago ( AP) si trova nel tronco encefalico, all'interno del complesso del nervo vago dorsale (DVC). È situato al di fuori della barriera emato-encefalica e risponde ai segnali circolanti, inclusi gli ormoni metabolici come il GLP-1, per regolare l'appetito, la nausea e le risposte del sistema nervoso autonomo.
La segnalazione Gs supporta gli effetti cerebrali della semaglutide
È stato riportato che le terapie a base di GLP-1 mediano gli effetti sulla perdita di peso attraverso i recettori accoppiati alle proteine G (GPCR) legati alla proteina Gs. Il gruppo ha iniziato esplorando questo meccanismo in regioni chiave del cervello.
Utilizzando la manipolazione genetica virale, hanno interrotto la segnalazione Gs in diverse regioni del DVC. I topi con segnalazione interrotta in tutto il DVC non hanno perso peso, mentre i topi con segnalazione AP preservata sono rimasti responsivi alla semaglutide.
Il gruppo ha esaminato l'espressione della proteina Fos, un indicatore dell'attività neuronale. Nei topi di controllo, la semaglutide ha aumentato l'espressione di Fos nell'AP e nel nucleo del tratto solitario, un'altra parte del DVC. Tuttavia, i topi con una segnalazione alterata in tutto il DVC hanno mostrato una ridotta attività neuronale in queste regioni, a supporto della teoria secondo cui la semaglutide richiede una segnalazione Gs intatta in quest'area per l'attivazione neuronale.
In seguito all'eliminazione selettiva del gene Gnas nelle cellule che esprimono il recettore GLP-1, il gruppo ha rivalutato la risposta del cervello alla semaglutide.
Rilevanza di Gnas nella risposta al GLP-1
Il gene Gnas codifica per la proteina Gs alfa, la prima molecola di segnalazione intracellulare a valle del recettore GLP-1.
Nei topi di tipo selvatico trattati con semaglutide, l'area postrema (AP) e le regioni cerebrali a valle hanno mostrato un'aumentata attivazione neuronale, mentre nei topi privi del gene Gnas l'attività era paragonabile a quella del gruppo non trattato.
In seguito, i ricercatori si sono concentrati sui neuroni. "Sappiamo molto meno sui dettagli di ciò che accade all'interno dei neuroni che questi farmaci prendono di mira", ha affermato il dottor Andrew Lutas, coautore corrispondente e ricercatore del NIDDK.
Hanno monitorato l'attività neuronale in sezioni cerebrali viventi di topi knockout e di tipo selvatico. Rispetto ai neuroni dei topi knockout per Gnas, i neuroni con una normale segnalazione Gs hanno mostrato una maggiore attivazione in seguito alla somministrazione di semaglutide.
La semaglutide provoca l'attivazione dei neuroni, ma come?
Il gruppo si è proposto di classificare la segnalazione indotta dalla semaglutide come dipendente dalla proteina spike od indipendente dalla proteina spike.
Segnalazione dipendente dal picco vs segnalazione indipendente dal picco
La segnalazione dipendente dagli spike si basa sui potenziali d'azione (spike elettrici) che vengono generati quando il potenziale di membrana raggiunge una specifica soglia. La segnalazione indipendente dagli spike, invece, opera attraverso variazioni continue del potenziale di membrana e non richiede il raggiungimento di alcuna soglia affinché avvenga la comunicazione neuronale.
Dopo il blocco dei potenziali d'azione, o "spike", quasi la metà delle cellule sia nei neuroni di tipo selvatico che in quelli con deficit di Gnas ha continuato a rispondere alla semaglutide, suggerendo che il farmaco possa agire attraverso una segnalazione sia dipendente che indipendente dai potenziali d'azione. Nei neuroni con deficit di Gnas, le risposte erano più deboli, a supporto di precedenti evidenze che la segnalazione mediata da Gs è necessaria affinché la semaglutide eserciti i suoi effetti completi.
I ricercatori hanno seguito il processo più a valle e monitorato i livelli di cAMP all'interno dei neuroni dopo il lavaggio con semaglutide.
messaggero di cAMP
L'adenosina monofosfato ciclico (cAMP) è il secondo messaggero per i GPCR accoppiati alla proteina Gs.
Inizialmente, i neuroni venivano classificati in due tipi. Circa un terzo veniva classificato come responsivo transitorio, in cui il cAMP aumentava e diminuiva rapidamente. I rimanenti erano responsivi sostenuti. Tuttavia, queste categorie distinte furono in seguito ritenute inappropriate, poiché ulteriori analisi dimostrarono che le singole cellule si collocano su uno spettro molto più ampio.
“Non si è trattato di un fenomeno del tipo tutto o niente. Abbiamo osservato che le risposte del cAMP nelle diverse cellule variavano lungo un continuum.” — Dr. Michael Krashes, coautore corrispondente e ricercatore senior presso il NIDDK.
Per studiare le risposte prolungate, il gruppo ha bloccato i recettori di superficie del GLP-1. In teoria, se la risposta prolungata del cAMP fosse dovuta all'attivazione della superficie cellulare, si sarebbe interrotta; se invece fosse dovuta a recettori internalizzati (o inaccessibili), sarebbe persistita. Anche in questo caso, i risultati ottenuti dopo il lavaggio con semaglutide sono stati contrastanti: circa il 49% delle cellule non ha più risposto, mentre circa il 44% ha mostrato una risposta prolungata e la restante piccola percentuale ha evidenziato aumenti transitori del cAMP.
La linea di ricerca del gruppo, ora focalizzata sulle risposte variabili del cAMP alla semaglutide, li ha portati ad inibire la fosfodiesterasi 4 (PDE4), un enzima che degrada il cAMP. In seguito all'inibizione, le risposte del cAMP sono risultate amplificate. "L'inibizione della PDE4 non solo ha eliminato le risposte transitorie del cAMP, ma ha anche aumentato la percentuale di soggetti con risposte sostenute", hanno affermato gli autori dello studio.
D'altra parte, quando i topi sono stati geneticamente modificati per degradare continuamente il cAMP, la semaglutide non ha più ridotto l'assunzione di cibo od il peso corporeo, a supporto dell'ipotesi che la segnalazione del cAMP sia un requisito meccanicistico piuttosto che una risposta associata.
Tuttavia, quando i topi sono stati trattati con semaglutide ed un inibitore della PDE4, la perdita di peso non è aumentata. Sebbene la segnalazione del cAMP svolga un ruolo importante nella risposta cerebrale, e quindi nella risposta terapeutica alla semaglutide, ciò suggerisce che altri meccanismi fossero in gioco.
Altre regioni cerebrali e vie di segnalazione potrebbero fornire risposte alle domande ancora aperte.
Ogni nuova risposta portava ad una nuova domanda. Ma attraverso questo processo, i ricercatori hanno identificato il nucleo parabrachiale laterale esterno, una stazione di "smistamento" cerebrale che elabora i segnali di sopravvivenza, tra cui la sazietà, come una regione di interesse nella risposta alla semaglutide. Inoltre, hanno scoperto che la segnalazione Gq, insieme alla segnalazione Gs, contribuisce alle risposte neuronali in alcune vie.
Tuttavia, gli esperimenti sono stati condotti su animali per un breve periodo e sono necessarie ulteriori ricerche per confermare i meccanismi d'azione dei farmaci GLP-1 nell'uomo.
Comprendere i meccanismi attraverso i quali i GLP-1 inducono la perdita di peso, ha come obiettivo finale la capacità di ottimizzare e personalizzare le terapie per fornire benefici costanti ai pazienti.
ENGLISH
From intracellular pathways to neural circuits, a new study mapped the mechanisms of GLP-1 agonist, semaglutide.
Glucagon-like peptide 1 (GLP-1) therapies have been life-changing for some, but not for all.
A new study may help us to understand why. Researchers from the National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases (NIDDK) mapped how semaglutide drives weight loss in the brain. The study was recently published in Nature Metabolism.
The rise of GLP-1s and the variability mystery that followed
GLP-1 is a naturally occurring hormone released by gut cells following a meal. Upon release, it induces satiety and helps regulate blood glucose; GLP-1-based drugs leverage this mechanism to treat diabetes.
This class has also proven beneficial outside of its original scope. The first, and most infamous, repurposing of GLP-1s was for weight management; the approval of semaglutide in 2021 was the catalyst for the weight-loss medicine movement.
However, real-world data has demonstrated significant variation in weight-loss response to GLP-1 drugs; hyper-responders lose more than 15% of their total body weight, while hypo-responders lose less than 5%.
Researchers have identified that GLP-1 drugs act on the area postrema (AP) to suppress appetite and exert metabolic effects that contribute to weight loss. But the specifics of this mechanism and how it may vary between individuals are yet to be established.
The area postrema
The AP is located in the brain stem, within the dorsal vagus complex (DVC). It sits outside of the blood–brain barrier, and responds to circulating signals, including metabolic hormones such as GLP-1, to regulate appetite, nausea, and autonomic responses.
Gs signaling supports semaglutide’s brain effects
GLP-1 therapies are reported to mediate weight-loss effects via Gs-coupled G protein-coupled receptors (GPCRs). The team started by exploring this mechanism in key brain regions.
Using viral genetic manipulation, they disrupted Gs signaling in different regions of the DVC. Mice with disrupted signaling throughout the DVC did not lose weight, but mice with spared AP signaling remained responsive to semaglutide.
The team examined Fos protein expression, an indicator of neural activity. In control mice, semaglutide increased Fos expression in the AP and the nucleus of the tractus solitarius, another part of the DVC. But mice with disrupted signaling throughout the DVC exhibited reduced neural activity in these regions, supporting the theory that semaglutide requires intact Gs signaling in this area for neuronal activation.
Following selective Gnas knockout in GLP-1 receptor-expressing cells, the team reassessed the brain's response to semaglutide.
Relevance of Gnas in GLP-1 response
Gnas encodes the Gs alpha protein, the first intracellular signaling molecule downstream of the GLP-1 receptor.
In wild-type mice treated with semaglutide, the AP and downstream brain regions showed increased neuronal activation, but in Gnas-knockout mice, activity was comparable to that of the non-treatment group.
Next, the researchers homed in on neurons. “We know much less about the nuts and bolts of what goes on within the neurons that these medications target,” said Dr. Andrew Lutas, co-corresponding author and NIDDK investigator.
They monitored neuron activity in living brain sections from the knockout and wild-type mice. Compared with neurons from Gnas-knockout mice, neurons with normal Gs signaling showed stronger activation following semaglutide administration.
Semaglutide results in neuron activation, but how?
The team aimed to categorize semaglutide-induced signaling as spike-dependent or spike-independent.
Spike-dependent vs spike-independent signaling
Spike-dependent signaling relies on action potentials (electrical spikes) that are generated when the membrane potential reaches a specific threshold. Spike-independent signaling operates through continuous changes in membrane potential, and no threshold needs to be met for neuronal communication to occur.
After blockade of action potentials, or “spikes,” close to half of the cells in both the wild-type and Gnas-knockout neurons continued to respond to semaglutide, suggesting the drug may work via both spike-dependent and independent signaling. In Gnas-knockout neurons, responses were weaker, supporting previous evidence that Gs signaling is required for semaglutide to exert its full effects.
Researchers followed the process further down the pathway and monitored cAMP levels inside neurons following semaglutide wash.
cAMP messenger
Cyclic adenosine monophosphate (cAMP) is the secondary messenger for Gs-coupled GPCRs.
Initially, neurons were categorized into two types. Close to one-third were classified as transient responders; cAMP increased and quickly decreased. The remaining were sustained responders. However, these distinct categories were later deemed inappropriate, as further analysis showed that individual cells sit on a much broader spectrum.
“It was not an all-or-nothing phenomenon. We observed that cAMP responses across cells varied on a continuum.” — Dr. Michael Krashes, co-corresponding author and senior investigator at the NIDDK.
To investigate sustained responders, the team blocked GLP-1 surface receptors. In theory, if the sustained cAMP response resulted from cell-surface activation, it would stop; if it resulted from receptors that had been internalized (or inaccessible), it would persist. Again, results following semaglutide wash were mixed: ~49% of the cells no longer responded, but ~44% had a sustained response, and the remaining handful exhibited transient increases in cAMP.
The team’s line of questioning, now focused on variable cAMP responses to semaglutide, led them to inhibit phosphodiesterase 4 (PDE4), an enzyme that degrades cAMP. Following inhibition, cAMP responses were amplified. “PDE4 inhibition not only abolished transient cAMP responses, but also increased the percentage of sustained responders,” said the study authors.
On the other hand, when mice were engineered to continuously degrade cAMP, semaglutide no longer reduced food intake or body weight, supporting that cAMP signaling is a mechanistic requirement rather than an associated response.
But when mice were treated with semaglutide and a PDE4 inhibitor, weight loss did not increase. While cAMP signaling plays an important role in the brain’s response, and thus therapeutic response to semaglutide, this suggests that other mechanisms were at play.
Other brain regions and signaling pathways could answer remaining questions
Each new answer led to a new question. But through this, the researchers identified the external lateral parabrachial nucleus, a brain “relay” station that processes survival signals, including satiety, as a region of interest in semaglutide response. Additionally, they found that Gq signaling, alongside Gs signaling, contributes to neuronal responses in some pathways.
However, the experiments were conducted on animals over a short period, and further work is required to confirm the mechanisms of GLP-1 drugs in humans.
In understanding the mechanisms by which GLP-1s induce weight loss, the ultimate goal is the ability to optimize and personalize therapies to provide consistent benefits for patients.
Da:
https://www.technologynetworks.com/biopharma/news/how-do-glp-1s-change-brain-signaling-415383
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