Una ricerca rivela come l'anestesia modifichi la segnalazione cerebrale. / Research reveals how anesthesia changes brain signaling.
Una ricerca rivela come l'anestesia modifichi la segnalazione cerebrale. / Research reveals how anesthesia changes brain signaling.
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Gli anestetici per inalazione vengono utilizzati nelle sale operatorie di tutto il mondo da oltre 175 anni, ma stiamo ancora imparando esattamente come funzionano a livello molecolare.
In uno studio collaborativo, i ricercatori del Weill Cornell Medicine e del Birkbeck, Università di Londra, hanno identificato un sito di legame precedentemente sconosciuto del sevoflurano, un anestetico generale per inalazione di uso comune. I risultati potrebbero guidare lo sviluppo di anestetici più sicuri e selettivi. Il lavoro è stato recentemente pubblicato su Nature Communications.
L'anestesia modifica la segnalazione cerebrale, ma in che modo?
Se avete mai subito un intervento chirurgico o visto un programma che vi porta in sala operatoria, l'immagine mentale di un anestesista che tiene una maschera sul paziente e gli chiede di contare alla rovescia da 10 vi risulterà familiare.
Questo processo è una pratica comune nelle procedure che richiedono anestesia generale ed era precedentemente utilizzato per fornire all'anestesista un segnale visivo che guidasse il dosaggio. Molti pazienti non raggiungono il livello zero, poiché l'anestesia inalatoria inizia a fare effetto e l'equilibrio della comunicazione neuronale si sposta verso la trasmissione inibitoria.
Ciò provoca perdita di coscienza, immobilità ed amnesia. Questi effetti sono cruciali, in quanto consentono al chirurgo di eseguire interventi complessi mentre il paziente rimane immobile ed a suo agio.
Il modo esatto in cui gli anestetici inalatori alterano la comunicazione cerebrale è rimasto in gran parte un mistero. Fintanto che ciò non è chiaro, anche il meccanismo preciso alla base degli effetti collaterali, dalla nausea post-operatoria alle reazioni avverse ai farmaci potenzialmente letali, rimane poco compreso.
In un nuovo studio, i ricercatori del Weill Cornell Medicine Birkbeck, Università di Londra, si sono proposti di chiarire i meccanismi anestetici identificando i siti di legame funzionalmente importanti.
Utilizzare piccoli microbi per una grande scoperta
Il gruppo si è concentrato sui canali del sodio voltaggio-dipendenti (VGSC), precedentemente identificati come bersagli per gli anestetici volatili (VA). Quando un neurone riceve un segnale che raggiunge una determinata soglia, i VGSC si aprono, consentendo agli ioni sodio di entrare e innescare un segnale elettrico che si propaga e facilita la comunicazione neuronale.
Anestetici volatili
Gli anestetici volatili (VA) sono farmaci liquidi che evaporano facilmente trasformandosi in vapore per essere inalati. Gli anestetici volatili possono essere somministrati ai pazienti tramite maschera o tubo endotracheale per indurre anestesia generale o sedazione prima di una procedura.
"I canali del sodio sono fondamentali per la comunicazione tra i neuroni nel cervello e l'anestesia interrompe tale comunicazione", ha affermato il dottor Hugh Hemmings, vicedecano senior per la ricerca e direttore del Dipartimento di Anestesiologia, che ha co-diretto la ricerca.
Studi su animali hanno dimostrato che gli antagonisti della vitamina D (VA ) inibiscono i canali del sodio voltaggio-dipendenti (VGSC), ma indagarne gli effetti sui canali umani presenta diverse difficoltà. I VGSC dei mammiferi sono proteine di membrana grandi e complesse, non facilmente analizzabili con tecniche di imaging in grado di fornire informazioni a risoluzione atomica, come la cristallografia a raggi X.
Pertanto, i ricercatori hanno studiato l'interazione tra i VA e i VGSC in Magnetococcus marinus. I VGSC presenti nel batterio (NavM) funzionano in modo simile ai canali dei mammiferi e possono essere studiati più facilmente utilizzando la cristallografia a raggi X. "Un canale batterico che si comporta come il nostro, ma è abbastanza piccolo da poter essere cristallizzato, ci permette finalmente di vedere dove si posiziona il sevoflurano e come mantiene il canale inattivo", ha osservato il dottor Karl Herold , ricercatore senior presso Weill Cornell e coautore dello studio.
Individuazione della tasca di rilegatura
Innanzitutto, il gruppo ha confermato che il sevoflurano interagisce direttamente con i neuroni NavM utilizzando la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare con trasferimento di saturazione differenziale (STD). Utilizzando l'elettrofisiologia patch-clamp a cellula intera, hanno osservato uno spostamento dello stato stazionario di inattivazione indotto dal sevoflurano, nonché un recupero più lento dopo l'attivazione. Ciò significa che i neuroni hanno meno probabilità di attivarsi e sono meno in grado di attivarsi in rapida successione dopo l'assunzione di sevoflurano.
Per identificare il sito di legame del sevoflurano, il gruppo ha utilizzato NavMs F208L. Questo mutante è considerato funzionalmente indistinguibile dal NavMs di tipo selvatico, ma cristallizza in modo più affidabile per un'analisi strutturale approfondita. Il sevoflurano è stato catturato all'interno del suo sito di legame, un sito che non era stato identificato in precedenti studi di simulazione.
"Il sevoflurano si lega all'interno di una tasca intramembranosa preformata all'interfaccia tra il dominio di rilevamento del voltaggio di una subunità NavMs ed il modulo del poro della subunità adiacente", hanno affermato gli autori dello studio.
I ricercatori hanno identificato Y143 come il residuo di legame primario all'interno di questa tasca. Quando il gruppo ha introdotto una mutazione in questo residuo, si aspettavano che il sevoflurano non si legasse più e che, di conseguenza, le modifiche indotte scomparissero. I segnali STD sono diminuiti, ma non quanto previsto. Si è scoperto che la sola mutazione alterava la funzione di NavMs, quindi erano necessari ulteriori studi per separare i suoi effetti da quelli causati dall'anestetico.
Il gruppo si è quindi rivolto ad un altro canale del sodio voltaggio-dipendente batterico, NaChBac del Bacillus halodurans. Questa volta, l'introduzione di una mutazione in posizione Y156 (la posizione equivalente a Y143 di NavMs) ha eliminato lo spostamento dell'inattivazione allo stato stazionario indotto dal sevoflurano.
"Il canale batterico è solo un banco di prova", ha osservato Hemmings. I ricercatori hanno successivamente identificato tasche di legame omologhe nei canali del sodio voltaggio-dipendenti umani. Studi di docking in silico hanno dimostrato che il sevoflurano potrebbe occupare questi siti, mentre esperimenti elettrofisiologici hanno dimostrato cambiamenti indotti dal sevoflurano nelle cellule renali embrionali umane 293T. Questi risultati indicano una rilevanza traslazionale che giustifica ulteriori indagini.
I meccanismi molecolari dell'anestesia: c'è ancora molto da fare.
"Lo studio fornisce la prima visione a livello atomico di come l'anestetico sevoflurano si lega ai canali del sodio e li stabilizza in uno stato inattivo", ha affermato Herold.
"Come anestesisti, è nostra responsabilità capire come funzionano questi farmaci, in modo da poter risolvere i problemi quando i pazienti non reagiscono bene all'anestesia", ha aggiunto Hemmings.
Lo studio presenta tuttavia delle limitazioni. Il sito di legame appena scoperto è stato identificato nelle proteine NavM batteriche, ma le interazioni umane sono state dedotte utilizzando studi in silico piuttosto che osservazioni dirette. Inoltre, sebbene alcune modifiche indotte dal sevoflurano nella funzione dei canali del sodio voltaggio-dipendenti (VGSC) siano state attribuite al sito Y143, non tutti gli effetti sono spiegati da questa sola interazione.
Studi futuri dovranno esplorare ulteriormente la tasca di legame ed i siti chiave, per mappare le interazioni principali ed i relativi effetti.
"Le informazioni che ricaveremo da questo studio potrebbero consentirci di progettare anestetici più sicuri e selettivi, con meno effetti collaterali", ha concluso Herold.
ENGLISH
In a new study, researchers have identified the binding sites of sevoflurane and how it alters neuronal signaling.
Inhalation anesthetics have been used in operating rooms around the world for over 175 years, but we're still learning exactly how they work at the molecular level.
In a collaborative study, researchers from Weill Cornell Medicine and Birkbeck, University of London, have identified a previously unknown binding site for sevoflurane, a commonly used general inhalation anesthetic. The findings could guide the development of safer and more selective anesthetics. The work was recently published in Nature Communications.
Anesthesia alters brain signaling, but how?
If you've ever undergone surgery or watched a program that takes you into the operating room, the mental image of an anesthesiologist holding a mask over the patient and asking them to count backward from 10 will be familiar.
This process is common practice in procedures requiring general anesthesia and was previously used to provide the anesthesiologist with a visual cue to guide dosage. Many patients do not reach zero levels, as inhaled anesthesia begins to take effect and the balance of neuronal communication shifts toward inhibitory transmission.
This causes loss of consciousness, immobility, and amnesia. These effects are crucial, as they allow the surgeon to perform complex procedures while the patient remains immobile and comfortable.
The exact way inhaled anesthetics alter brain communication has remained largely a mystery. As long as this remains unclear, the precise mechanism underlying side effects, from postoperative nausea to life-threatening drug reactions, also remains poorly understood.
In a new study, researchers at Weill Cornell Medicine Birkbeck, University of London, set out to elucidate anesthetic mechanisms by identifying functionally important binding sites.
Using tiny microbes for a big discovery
The team focused on voltage-gated sodium channels (VGSCs), previously identified as targets for volatile anesthetics (VAs). When a neuron receives a signal that reaches a certain threshold, the VGSCs open, allowing sodium ions to enter and trigger an electrical signal that propagates and facilitates neuronal communication.
Volatile Anesthetics
Volatile anesthetics (VAs) are liquid drugs that evaporate easily into a vapor when inhaled. Volatile anesthetics can be administered to patients via a mask or endotracheal tube to induce general anesthesia or sedation before a procedure.
"Sodium channels are critical for communication between neurons in the brain, and anesthesia disrupts that communication," said Dr. Hugh Hemmings, senior vice dean for research and chair of the Department of Anesthesiology, who co-led the research.
Animal studies have shown that vitamin D antagonists (VA) inhibit voltage-gated sodium channels (VGSCs), but investigating their effects on human channels presents several challenges. Mammalian VGSCs are large, complex membrane proteins, not easily analyzed with imaging techniques capable of providing atomic-resolution information, such as X-ray crystallography.
Therefore, researchers studied the interaction between VA and VGSCs in Magnetococcus marinus. VGSCs present in the bacterium (NavM) function similarly to mammalian channels and can be more easily studied using X-ray crystallography. "A bacterial channel that behaves like ours, but is small enough to crystallize, finally allows us to see where sevoflurane is positioned and how it keeps the channel inactive," noted Dr. Karl Herold, senior research scientist at Weill Cornell and co-author of the study.
Identifying the Binding Pocket
First, the team confirmed that sevoflurane interacts directly with NavM neurons using differential saturation transfer (DST) nuclear magnetic resonance spectroscopy. Using whole-cell patch-clamp electrophysiology, they observed a shift in the steady state of sevoflurane-induced inactivation, as well as a slower recovery after activation. This means that neurons are less likely to fire and less capable of firing in rapid succession after sevoflurane administration.
Per identificare il sito di legame del sevoflurano, il team ha utilizzato NavMs F208L. Questo mutante è considerato funzionalmente indistinguibile dal NavMs di tipo selvatico, ma cristallizza in modo più affidabile per un'analisi strutturale approfondita. Il sevoflurano è stato catturato all'interno del suo sito di legame, un sito che non era stato identificato in precedenti studi di simulazione.
"Il sevoflurano si lega all'interno di una tasca intramembranosa preformata all'interfaccia tra il dominio di rilevamento del voltaggio di una subunità NavMs e il modulo del poro della subunità adiacente", hanno affermato gli autori dello studio.
I ricercatori hanno identificato Y143 come il residuo di legame primario all'interno di questa tasca. Quando il team ha introdotto una mutazione in questo residuo, si aspettavano che il sevoflurano non si legasse più e che, di conseguenza, le modifiche indotte scomparissero. I segnali STD sono diminuiti, ma non quanto previsto. Si è scoperto che la sola mutazione alterava la funzione di NavMs, quindi erano necessari ulteriori studi per separare i suoi effetti da quelli causati dall'anestetico.
Il team si è quindi rivolto a un altro canale del sodio voltaggio-dipendente batterico, NaChBac del Bacillus halodurans . Questa volta, l'introduzione di una mutazione in posizione Y156 (la posizione equivalente a Y143 di NavMs) ha eliminato lo spostamento dell'inattivazione allo stato stazionario indotto dal sevoflurano.
"Il canale batterico è solo un banco di prova", ha osservato Hemmings. I ricercatori hanno successivamente identificato tasche di legame omologhe nei canali del sodio voltaggio-dipendenti umani. Studi di docking in silico hanno dimostrato che il sevoflurano potrebbe occupare questi siti, mentre esperimenti elettrofisiologici hanno dimostrato cambiamenti indotti dal sevoflurano nelle cellule renali embrionali umane 293T. Questi risultati indicano una rilevanza traslazionale che giustifica ulteriori indagini.
I meccanismi molecolari dell'anestesia: c'è ancora molto da fare.
"Lo studio fornisce la prima visione a livello atomico di come l'anestetico sevoflurano si lega ai canali del sodio e li stabilizza in uno stato inattivo", ha affermato Herold.
"Come anestesisti, è nostra responsabilità capire come funzionano questi farmaci, in modo da poter risolvere i problemi quando i pazienti non reagiscono bene all'anestesia", ha aggiunto Hemmings.
Lo studio presenta tuttavia delle limitazioni. Il sito di legame appena scoperto è stato identificato nelle proteine NavM batteriche, ma le interazioni umane sono state dedotte utilizzando studi in silico piuttosto che osservazioni dirette. Inoltre, sebbene alcune modifiche indotte dal sevoflurano nella funzione dei canali del sodio voltaggio-dipendenti (VGSC) siano state attribuite al sito Y143, non tutti gli effetti sono spiegati da questa sola interazione.
Studi futuri dovranno esplorare ulteriormente la tasca di legame e i siti chiave, per mappare le interazioni principali e i relativi effetti.
"Le informazioni che ricaveremo da questo studio potrebbero consentirci di progettare anestetici più sicuri e selettivi, con meno effetti collaterali", ha concluso Herold.
Da:
https://www.technologynetworks.com/drug-discovery/news/research-reveals-how-anesthesia-changes-brain-signaling-415688
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