Sport genetica e biotecnologie

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1 Sport genetica e biotecnologie Prof. Dott. Mario I. Sturla Presidente AMSD Pavia FMSI Presidente Commissione Medica Europea EBU Co-chairman Commissione Medica Mondiale WBC

2 Prodromi 1998 All Università di Pennsylvania si scopre che iniettando il gene della proteina IGF-1 nei muscoli di animali da laboratorio, la loro forza aumenta fino al 30 % IGF-1 = Insulin-like Growth Factor-1

3 Insulina, GH-IGF Insulina: uso consentito solo per diabete insulino-dipendente GH-IGF: met. glic. iperglicemia met. prot. captazione cell. AA anabolismo proteico met. lip. Lipolisi liberi e corpi chetonici ac. grassi

4 Genetica e sport Tutto nasce dall articolo dell australiano P. McCrory: Super athletes or gene cheats? Br J Sports Med :192-3 Il sottotitolo è: The threat of gene transfer technology to elite sport

5 McCrory, 2003 Vi è l ipotetica potenzialità di incremento di capacità e potenza delle fonti energetiche del lavoro muscolare, nonché di orientamento ad hoc di alcune caratteristiche antropometriche e funzionali.

6 I due più importanti progetti di ricerca nel campo della predisposizione genetica, il GENEATHLETE e l HERITAGE Family Study, hanno evidenziato che numerose espressioni fenotipiche correlate alla prestazione atletica sono influenzate dai geni, benché tale evidenza vari a seconda del fenotipo considerato.

7 Montgomery et al. (1998) hanno sottolineato come la predisposizione genetica nella prestazione atletica debba prendere in considerazione almeno due componenti fondamentali: da una parte il genotipo di base, le caratteristiche antropometriche del soggetto non allenato, come ad esempio la tipologia delle fibre muscolari, la distribuzione del grasso corporeo, il sistema di trasporto per l ossigeno, le catene enzimatiche metaboliche e dall altra la capacità fenotipica di reazione e di adattamento alle corrispondenti capacità di allenamento.

8 Prodromi 2005 Alla Johns Hopkins University si scopre che rimuovendo il gene della miostatina da animali da laboratorio i muscoli, privati del segnale di controllo esercitato dalla proteina, iniziano a crescere a dismisura

9 Toro in cui è stato inibito il gene che codifica per la miostatina

10 Ingegneria genetica Ricerca di marker genetici della prestazione Polimorfismo del gene per l ACE Gene codificante creatin-chinasi muscolo Gene codificante recettore per Epo Gene codificante recettore α-2 adrenergico Isoforma muscolare di AMP-deaminasi

11 TERAPIA GENETICA Terapia genica: manipolazione o introduzione di materiale genetico modificato, al fine di sopprimere o stimolare la produzione di sostanze correlate con realtà patologiche da A.Veicsteinas

12 TERAPIA GENETICA Attualmente la terapia genetica è utilizzata sperimentalmente in alcune malattie gravi: x-linked combined immunodeficiency emofilia B VEGF per le coronaropatie angina Potranno passare anni prima che tale terapia possa essere standardizzata da Haisma HJ et al. Gene Doping Int J Sports Med 2006, 27:

13 Quali geni? Gene per l EPO (trasporto O 2, Binley, 2002) Epomimetici (fattori di crescita GR) Gene per l IGF-1 e MGF (ipertrofia muscolare e sintesi proteica, Lee, 2004) Gene per la miostatina la cui rimozione si associa allo sviluppo di ipertrofia muscolare

14 Quali geni? Gene per il VEGF (neovascolarizzazione muscolare, Losordo, 1998) Gene per la Leptina (anoressizzante, Murphy, 1997) Gene per le Endorfine (Lin, 2002)

15 Quali geni? enos controlla la sintesi di Ossido nitrico NOS1AP collegato all attività elettrica cardiaca UCP3 sensibilizza il muscolo all azione dell insulina Interleuchine: IL-1beta controlla funzioni immunitarie coinvolte nei processi infiammatori (IL-6, IL-10) e può condizionare la performance atletica

16 Quali geni? Geni del collagene: COL1A1, COL5A1 con effetti sulla massa ossea ESR1 associato alla mineralizzazione ossea (estrogeni) AGT controlla la produzione di angiotensinogeno GABPB1/NRF2 collegato alla resistenza nelle attività sportive ACE controlla la pressione arteriosa e di conseguenza la prestazione ADRB3 controlla i recettori β3-adrenergici (lipolitici) e quindi il metabolismo energetico

17 Quali geni? VDR regola gli effetti della vitamina D CK-MM espressione di attività di un gene che controlla il CPK muscolare ACTN3 controlla l α-actinina-3 contribuendo a determinare la variabilità della performance muscolare e della risposta all allenamento PPARGc1A regola i geni coinvolti nel metabolismo energetico

18 Biotecnologie Genentech USA: farmaci antitumorali basati su manipolazioni genetiche Quotazione in Borsa sale alle stelle Vicuron Pharma: farmaco bloccato dalla FDA Caduta libera della quotazione in Borsa

19 Biotecnologie 2003: FDA ha registrato 25 nuovi prodotti e altri 400 sono in arrivo Il 90 % del mercato mondiale è rappresentato da industrie USA 2004: USA, farmaci biotecnologici più numerosi dei farmaci tradizionali Terapie: tumori, asma, psoriasi, osteoporosi, Alzheimer, leucemia, alcune sclerosi

20 Biotecnologie Amgen, USA: 75 mld $ di capitalizzazione, quinto produttore mondiale, superati gruppi come Aventis, Abbott, Squibb CELLULE STAMINALI

21 Doping genetico Si fonda sull esistenza di terapie, per altro ancora largamente sperimentali o ancora allo stadio della somministrazione animale, quali quella contro la distrofia muscolare: si inserisce nelle cellule un frammento di DNA contenente un gene utile a migliorarne le prestazioni. Mezzo di trasporto un virus

22 Doping genetico Rischi enormi e del tutto ignoti: un conto è sostituire geni malati con geni sani, un altro è inserire geni sani in cellule sane. Sperimentazioni genetiche, ad esempio nel regno vegetale, insegnano che la manipolazione talvolta azzera le risposte.

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24 Doping genetico Apparentemente il doping genetico verrebbe introdotto una sola volta nella vita e oggi è ancora di difficile rilevazione. Di contro, un atleta manipolato geneticamente porterebbe in sé per sempre le tracce dell intervento e sarebbe quindi identificabile.

25 A che punto siamo? 2006 Theodore Friedmann, UCLA, ipotizza che per quanto ne sappiamo, atleti del genere potrebbero già esistere

26 A che punto siamo? 2006 Thomas Springstein, allenatore tedesco, viene condannato per somministrazione di sostanze dopanti; nella sua posta parla di un prodotto per la terapia genica dell anemia grave, sperimentato solo su animali da laboratorio, ma presente sul mercato nero

27 A che punto siamo? Tale prodotto, quando la pressione parziale di ossigeno nel sangue si abbassa, promuove l attivazione di un gene, che, a sua volta, induce la produzione di eritropoietina

28 DOPING GENETICO Quale tecnica per scoprirlo? Biopsia muscolare Dick Pound, primo Presidente della WADA e tutti gli altri dopo di lui

29 CONTROLLO Attualmente il metodo preventivo più promettente per bloccare il doping genetico sembrerebbe essere un insieme di metodi di scoperta basati sulle sequenze geniche e sulla proteomica, uniti a un chiaro programma educativo sull entità dei rischi associati da Haisma HJ et al. Gene Doping Int J Sports Med 2006, 27:

30 Ma, non solo

31 Quale tecnica? Una ricerca condotta dal Dipartimento di Clinica e Terapia Medica Applicata dell Università di Roma La Sapienza ha individuato microsatelliti (marcatori molecolari) che sono stati validati per ricercare DNA estraneo nel sangue periferico degli atleti e rilevare così la potenziale presenza di doping genetico

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33 MAASTRICHT A case study for genetic testing in sports Febbraio 2009 Mario I. Sturla

34 EUROPEAN BOXING UNION EBU MEDICAL CONGRESS Prof. Dott. Mario Ireneo Sturla Chairman of EBU Medical Commission 3rd -5th July Cardiff (UK)

35 Cardiff: il Congresso

36 Antalya -Turkey

37 Introduction Boxe is usually classified as an aerobic/anaerobic sport, with great muscle mass involvment and medium to high local force requirements. Boxers should therefore owe qualities as 1. Power 2. Endurance 3. Swiftness 4. Dexterity 5. Coordination

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39 The brain is not metabolically quiescent; it has a tremendous demand for energy which must be satisfied at the risk of losing cells D.A.Hovda

40 Introduction Blows aimed to the head are obviously the most dangerous, as they might generate brain injuries and/or permanent alterations in brain and its annexes. Traumatic responses of the brain are the result of sudden acceleration and deceleration within the skull and are worse if the neck is relaxed.

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42 Traumatic impacts to any area of the head will deliver a component of force to the jaw joint

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44 Literature on chronic brain injury We shall take into account some major Authors dealing with Chronic Brain Injury (CBI). Secondly we shall look at a blood protein (APOE4). Finally we shall draw some conclusions.

45 Roberts, boxers Late retirement vs early retirement: the former, higher risk (37% vs 19%) of brain injury Risk of cronic brain injury depending on: Career duration Age of retirement Total number of fights Increasing exposure increases the risk

46 Jordan 338 boxers CAT scans 13% cavum septum pellucidum (normal population 1%) Soccer players 6% Similarities between the brain of a retired boxer with dementia pugilistica and that of an individual with Alzheimer s disease

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48 Pathophysiology Hypotheses: Petechial hemorrages replaced by gliosis Cerebellar atrophy and scarring Degeneration of substantia nigra Reduction in Ach (Parkinsonisms) Abnormal amyloid deposition in the brain

49 APO E4 Blood protein (apolipoprotein) Controls lipid turnover in brain, nerve repair and redistribution of lipids Isoforms are E2, E3, E4 Most of population is E3 Higher Alzheimer s disease risk if E4 Head trauma is a risk for Alzheimer s disease

50 APO E4 No head injury, no E4: Alzheimer s risk = 1 No head injury, E4 positive: Alzheimer s risk = 2 Head injury, no E4: Alzheimer s risk = 1 Head injury, E4 positive: Alzheimer s risk = 10 Study by Relkin No head injury, no E4: Alzheimer s risk = 1 No head injury, E4 positive: Alzheimer s risk = 7.9 Head injury, no E4: Alzheimer s risk = 4.2 Head injury, E4 positive: Alzheimer s risk = 18.5

51 Autoptic study Individuals that were involved in head trauma studied for E4-positivity and amyloid deposition in the brain (that occurs both in Alzheimer s disease and head trauma) If amyloid deposition 52% were E4-positive If no amyloid deposition only 16% were E4-positive E4 may be associated with cronic brain injury in boxing

52 ApoE4 and Boxing Percent of boxers with apoe4 was higher with increasing injury severity. Among high exposure boxers, those with apoe4 had higher chronic brain injury scores. Jordan, et al., JAMA 2007

53 Jordan, JAMA 1997 The tendency for greater CTBI among boxers with both high exposure and an epsilon4 allele was statistically significant at the P< level. CONCLUSIONS: These preliminary findings suggest that possession of an APOE epsilon4 allele may be associated with increased severity of chronic neurologic deficits in high-exposure boxers.

54 Age-Specific Effects of ApoE? N=71 children with TBI severe enough to require inpatient rehabilitation Using Wee-FIM (Functional Improvement Measure for children: apoe3/4 genotype had BETTER outcomes than apoe3/3 or apoe2/3, p = Is APOE4 good in kids?!?! From C.C. Giza UCLA 2007 Blackman JA, et al., Dev Med Child Neurol 2005

55 Kids are Different

56 Chronic Traumatic Brain Injury (CTBI) Prevalence Estimated to be 17% Exposure Risk Factors Career > 10 years Participating in > 150 bouts

57 From T.C.Glen UCLA 2007

58 From T.C.Glen UCLA 2007

59 Genotype ApoE4 Risk Factors for CTBI Susceptibility gene for late onset and sporadic dementia of the Alzheimer type Saunders et al., 1993 Risk Factor for lower and poorer outcome after head injury Liberman et al, 2002 Relationship between ApoE4 genotype, boxing exposure and development of CTBI Jordan, 1997

60 Acute Brain Injury/concussion To determine and compare the rate of recovery of memory and reaction time following concussion or subconcussion blows To determine the influence of ApoE4 on rate of recovery of memory and reaction time

61 Athletes, head injuries and dementia Retired football players Those with history of concussion (3 or more) were 5 times as likely to have Mild Cognitive Impairment and 3 times as likely to have significant memory problems, compared to those without any head injury. Neurosurgery, 2005

62 Nasser Cruz Paul Wallace Robert Karns Ramon Garcia Septien -Mario Sturla Pedro Sequeira Barry Giordan

63 Hypothesis (Daniel Laskowitz*) Inflammation (perhaps exacerbated by amyloid deposition) plays an important role in neuronal injury. ApoE4 predisposes to inflammation, which causes neuronal injury and cognitive loss. Head injury associated with inflammation accelerates this process * Duke University

64 Teasdale et al., Lancet 1997 Our findings show a significant genetic association of APOE polymorphism with outcome after head injury supporting the hypothesis of a genetically determined influence. Patients with APOE epsilon4 are more than twice as likely as those without APOE epsilon4 to have an unfavourable outcome 6 months after head injury.

65 The key is exposure Conclusions If boxers box too long they are going to have problems, and risk of dementia is increased if they are E4-positive. We may be able to identify boxers at increased risk of CBI by performing a simple blood test.

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67 Outcome of 2001 WBC Congress 4.3 Extensive Examinations for High Risk Boxers. This category includes: a) Boxers over 35 years of age, b) Boxers with high exposure bouts, c) Boxers with poor performances, such as 3 consecutive losses secondary to TKO/KO, or six consecutive losses. d) Boxers with history of severe concussions, e) Boxers who have not boxed in 3 years.

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69 Conclusions Cancun 2007 WBC 1. The concussed brain is vulnerable to repeated injury. Molecules identified may be targeted therapeutically in the future. 2. Molecular biomarkers from CSF, serum, even urine can be used to help grade injury severity and monitor recovery. 3. Improved modalities of structural imaging (MRI, DTI) can reveal damage previously undetected by CT. 4. Functional measures, such as fmri and neuropsychological tests, can demonstrate impairment in structurally intact brains. 5. An accumulation of mild concussions can result in cognitive deficits. Genetic susceptibility plays a role. 6. Pediatric (childhood and adolescent) clinical guidelines are necessary and will be distinct from adults. From C.C. Giza UCLA 2007

70 Conclusions Cancun 2007 WBC 1. Molecular changes after concussive brain injury shed light onto underlying pathophysiology and recovery processes. 2. Molecular biomarkers involved in experimental TBI have also been implicated in human TBI. 3. Structural imaging demonstrates white matter perturbations in both experimental and clinical concussive brain injuries. 4. Functional studies can demonstrate impairment in the absence of cell death following both animal and human concussions. 5. Cognitive deficits can result from an accumulation of biomechanical brain injuries. 6. The developing brain may have both unique vulnerability and resiliency to repeated concussive injury. From C.C.Giza UCLA 2007

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