Ruolo dell omocisteina nelle patologie cerebrovascolari e neurodegenerative. Stefano Jann Dipartimento di Neuroscienze Ospedale Niguarda, Milano

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1 Ruolo dell omocisteina nelle patologie cerebrovascolari e neurodegenerative Stefano Jann Dipartimento di Neuroscienze Ospedale Niguarda, Milano

2 Acido Folico Via della Rimetilazione Metabolismo dell Omocisteina Proteine Via della Transmetilazione methionine MAT (rene e fegato) BHMT MT homocysteine -CH3 Via della Transsulfurazione (rene e fegato) cystationina cysteine CBS: cistationina-β-sintasi CYS: γ-cistationasi MS: metinina sintasi MTHFR: metilentetraidrofolato reduttasi BHMT:betaina-omocisteinametiltransferasi MAT: metionina adenosiltransferasi MT: meitltransferasi Homocysteine Hypothesis for Atherothrombotic Cardiovascular Disease Kaul, S. et al., JACC 2006

3 Omocisteina come fattore di rischio Nelle patologie cerebrovascolari Nelle patologie neurodegenerative

4 Pros Pazienti con omocistinuria ed elevati livelli di omocisteinemia (>100 mcmoli/l) sviluppano aterosclerosi nella prima decade di vita ed hanno una elevata incidenza di trombosi.

5 Homocystinuria Dilated veins in a homocystinuric patient with thrombosis of the inferior vena cava

6 Cause di Iperomocisteinemia 1 bdifetti genetici del metabolismo dell omocisteina (polimorfismo) CβS (cystationine β-syntase) polimorfismo G919A,T833C MTHFR (methylene tetrahydrofolate reductase) polimorfismo C677T, A1298C, G1793A Metionina sintetasi reduttasi polimorfismo A66G b Carenze nutrizionali (acquisite): Folato Vitamina B 12 e B 6 Metionina b Patologie Insufficienza renale cronica Malattia renale terminale Ipotiroidismo Anemia perniciosa Neoplasie (LLA, ovaio, mammella, pancreas) Diabete tipo 2 Diabete tipo 1 e nefropatia LES Disordini iperproliferativi Psoriasi grave Malattie infiammatorie intestino Trapianto di cuore o di altri organi

7 Cause di Iperomocisteinemia 2 b Altro (demografiche) b Farmaci Antagonisti di folati (fenitoina, metotrexate, carbamazepina) Antagonisti di vitamina B12 (teofillina, azarabina, estrogeni) Resine leganti gli acidi biliari, niacina, metformina, ciclosporine, sulfonamidi, antiacidi Sesso (maschile) Età (avanzata) Origine etnica b Altro (+ stile di vita) Menopausa Fumo Caffè (eccessivo) Alcool (eccessivo) Dieta vegetariana Mancanza di esercizio (sedentarietà)

8 E interessante sottolineare che un farmaco che interferisce con il metabolismo della piridossina e della cianocobalamina, l azarabina, è stato tolto dal commercio per un eccesso di trombosi arteriose e venose.

9 Endothelial dysfunction and atherothrombosis in mild hyperhomocysteinemia Weiss, N. et al., Vascular Medicine 2002 Ipotetici Effetti dell Omocisteina sulla Funzione Endoteliale Omocisteina Alterata funzione vasodilatarice Reclutamento e adesione leucocitaria Attivazione e aggregazione piastrinica Stato protrombotico O 2 - Ossido nitrico Dimetilarginina asimmetrica Prostaciclina Chemochine Molecole di adesione Tissue factor Factor Va Thrombomodulina Attivazione Proteina C Legame antithrombina III Legame Attivatore plasminogeno Vascular endothelial cells Cellule endoteliali vascolari

10 Omocisteina e Parete Arteriosa Hyperhomocysteinemia: a cardiovascular risk factor in autoimmune diseases? Lazzerini, PE et al., Lupus In una prima fase precoce l accumulo di LDL colesterolo e l ossidazione nell intima promuove la disfunzione endoteliale e l espressione delle molecole di adesione. Questi fenomeni stimolano la migrazione dei monociti dal lume vascolare allo spazio sottoendoteliale, dove divengono colesterolo LDL ossidato divenendo foam cells che secernono anche chemochine che stimolano ulteriormente la chemotassi dei monociti e la produzione di fattori di accrescimento promuove la proliferazione e migrazione delle cellule muscolari lisce vascolari nell intima.

11 Possibili meccanismi eziopatogenetici Effetto dell omocisteina sull endotelio. Grandi quantità di omocisteina possono danneggiare e distruggere le cellule endoteliali. Alterazioni della vasodilatazione (livelli elevati di omocisteina diminuiscono quelli di NO, secreto dall endotelio stesso e necessario alla vasodilatazione).

12 Possibili meccanismi eziopatogenetici Altera i meccanismi antitrombotici dell endotelio Il sistema anticoagulante della proteina C Interferire con la funzione dell antitrombina III Può determinare ossidazione delle LDL o formazione di radicali perossidi ed aumentare il rischio di aterosclerosi per danno dell endotelio. Promuove la crescita delle cellule muscolari lisce (incremento della formazione di placche) Attivazione delle piastrine

13 Ipotetici Effetti dell Omocisteina sulla Funzione Endoteliale Ipotesi dell omocisteina-tiolattone (Jakubowsky H 2006) Grassi della dieta LDL Fegato Aggregato LDL-omocisteina Tiolattone (nel torrente circolatorio) Proteine della dieta Omocisteina tiolattone Macrofago Lipidi e Colesterolo Cellula schiumsa Arteriosclerosi Omocisteina tiolattone Pathophysiological consequences of homocysteine excess Jakubowsky, H J Nutr 2006

14 Determination of flow-mediated vasodilatation, a measure of endothelial function

15 Acute elevation of thcy inhibits flowmediated vasodilatation thcy (µmol/l) FMD (%) Time (hrs) after methionine administration Chambers, 1999

16 The relation between FMD and reduced homocysteine in 14 healthy subjects undergoing homocysteine or methionine loading (Chambers et al, 2001)

17 The relation between flow-mediated vasodilatation and reduced homocysteine in 14 healthy subjects undergoing loading Chambers et al, 2001

18 Pros e Cons Omozigosi per la variante MTHFR C677T (cambia Ala in Val) è associata con elevati livelli di omocisteina. Il polimorfismo TT aumenta i livelli di omocisteina del 20%. In una metanalisi di 111 studi Casas et al trovarono che pazienti TT avevano un rischio di stroke di In altri numerosi studi questa mutazione non è predittiva di eventi vascolari o ateromasia carotidea.

19 Odds ratios Stimati per Cambiamenti di 5µmol/l Delle Concentrazioni di Omocisteina e Malattia Coronarica e Cerebrovascolare in Studi Caso- Controllo Homocyst(e)ine and cardiovascular disease: a systematici review of the evidence with specal emphasis on case-control studies and nested case-control studies Ford, ES et al., Int J Epidem 2002

20 Pros Matsui et al (caso controllo) hanno trovato una relazione tra iperomocisteinemia e infarti silenti alla RM (13.6 mcmoli/l contro 11 mcmoli/l dei controlli) Boushey et al (caso controllo) trovarono una OR di 2.5 per l ictus con un aumento di 1.9 ogni incremento di 5 mmoli/l di omocisteina. Una metanalisi del 2000 (Moller et al) mostrò che una concentrazione di omocisteina superiore al 95 percentile determinava un OR di 3.97.

21 Cons Gli studi retrospettivi caso controllo evidenziano l iperomocisteinemia in paz che hanno avuto un ictus ma questo potrebbe essere una conseguenza dell ictus e non la causa (Hankey GJ Lancet 2005) Hasan N et al nel 2012 hanno confermato che l iperomocisteinemia è un marker dell ictus (Br J Clin Pharmacol 2012, 74, )

22 Omocisteina e Malattie Cardiovascolari: Studi Caso-Controllo vs Studi Prospettici: Rischio Relativo di Coronaropatia (sx) o Malattie Cerebrovascolare (dx) Associato a Elevati Livelli di Omocisteina Plasmatica Relative risk (95% CI) Relative risk (95% CI) Blood levels of homocysteine and increased risks of cardiovascular disease. Causal or Casual? Christen, WG et al., Arch Intern Med 2000

23 Pros and Cons Studi prospettici

24 Trend in circulating concentrations of total homocysteine among US adolescents and Adults: Findings from the and National Health and Nutrition Examination Surveys Pfeiffer, CM et al. Clin Chem 2008 Concentrazioni Plasmatiche di Omocisteina Totale negli Stati Uniti in Adulti in Relazione al Sesso e la Razza a Seguito dell Implementazione del Consumo di Acido Folico: Dati del NHANES Tutti uomini donne non-ispanici neri Anziani non-ispanici bianchi messicani americani o ispanici

25 Pros In uno studio prospettico pazienti con LES ed iperomocisteinemia avevano un elevato rischio di ictus rispetto a pazienti con LES e normale omocisteina. L omocisteina in questi pazienti era più predittiva di ictus rispetto a colesterolo diabete o anticorpi antifisfolipidi.

26 Malattia ateromasica dei grandi vasi o patologia dei piccoli vasi? Argomento dibattuto. Nel 2012 Park SY et al hanno pubblicato un lavoro retrospettivo su 682 paz coreani non stroke utilizzando RM ed angiorm. Non si è rilevata una associazione tra iperomocisteinemia ed aterosclerosi dei grossi vasi ma la si è trovata con la patologia dei piccoli vasi (SBI) e con le iperintensità della sostanza bianca. (Thrombosis Research 2012)

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28 3127 Stroke free (media 59 anni) sottoposti a controlli clinici bioumorali e di RM ogni 4 anni. Obiettivo primario: trovare fattori predisponenti all insorgenza di ictus, TIA ed infarti cerebrali silenti. Risultati: 130 eventi acuti dal 1971.

29 We did not confirm in the present investigation our previously reported observation of an association of CRP and thcy with incident stroke/tia, most likely because the present investigation evaluated a much younger sample that was associated with lower mean values. Our previous observation that higher plasma thcy levels predispose to smaller brain volumes has been confirmed in this report. As an excitatory neurotransmitter, it binds to the NMDA receptors and leads to oxidative stress, endothelial dysfunction, and inflammation and neuronal injury. (Circulation. 2012;125: )

30 Pros e Cons Sebbene l iperomocisteinemia possa essere ridotta del 25% da folati e B12 non sembra che questo riduca il rischio di stroke. Questo vale però in popolazioni con normale o aumentato apporto di folati. In popolazioni con basso apporto di folati (Asia) si è visto che abbassare l omocisteina di 3.8mcmoli/L riduce del 22% il rischio di stroke.

31 Pros e Cons In una recente metanalisi (2012) Yang HT et al hanno dimostrato che ci può essere un positivo effetto della supplementazione di folati nella prevenzione dell ictus.

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34 5522 soggetti di età > 55 anni che avevano una malattia vascolare o diabete trattati con una combinazione di acido folico 2.5mg, vitamina B 6 50mg e vitamina B 12 1mg o con placebo. Follow-up: 5 anni Percentuale di Pazienti con l Endpoint Primario Composito di Morte per Cause Cardiovascolari, Infarto Miocardico, o Stroke Total Homoysteine Vitamna B Livelli Plasmatici di Omocisteina Totale, Folato, Vitamina B6 e Vitamina B12 Baseline two five years years Baseline Acido folico, B6, and B12 Placebo two years Vitamina B12 Folate Baseline Baseline two years two years Proportion of Patients with Composite Primay Endpoint Years Homocysteine lowering with Folic Acid and B Vitamins in vascular disease The Heart Outcomes Prevention Evaluaton (HOPE) 2 Investigators N Engl Med Placebo Folic acid B6, and B12 P=0.41 HOPE-2

35 (VISP) Trattamento dell Iperomocisteinemia dopo Stroke: Livelli Medi di Omocisteina Totale, Folato, e Vitamina B12 nel Tempo, nel Gruppo di Trattamento pazienti adulti con infarto cerebrale non invalidante. Follow-up 2 anni Livelli medi (µmol/l) Omocisteina totale Livelli medi (nmol/l) Folato Tempo dopo randomizzazione, Tempo dopo randomizzazione, mesi mesi Tempo dopo randomizzazione, mesi Lowering homocysteine in patients with ischemic stroke to prevent recurrent stroke, myocardial infarction, and death The Vitamin Intervention for Stroke Prevention (VISP). Randomized controlled trial Toole, JF et al., JAMA Vitamina B12 Alte dosi (n=1827): Piridossina 25mg + cobalamina 0.4mg + acido folico 2.5mg Bassa dose(n=1853): Piridossina 200µg + cobalamina 6µg + acido folico 20µg Livelli medi (pmol/l) VISP

36 (VISP) Trattamento dell Iperomocisteinemia dopo Stroke :Probabilità di Stroke, Eventi Coronarici, o Morte nei Vari Gruppi di Trattamento 2 Low-dose High-dose 3680 pazienti adulti con infarto cerebrale non invalidante. Follow-up 2 anni Stroke Coronary Event Death VISP Loweing homocysteine in patients with ischemic stroke to prevent recurrent stroke, myocardial infarction, and death. The vitamin intervention for stroke prevention (VISP) randomized controlled Trial Toole, JF et al., JAMa 2004

37 Meta-analisi dei Trials Randomizzati sulla Influenza della Diminuzione delle Concentrazioni di Omocisteina sugli Eventi Ischemici Cardiaci e lo Stroke Folic acid, homocysteine, and cardiovascular disease: judging causality in the face of inconclusive trial evidence Wald, DS et al., BMJ 2006

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39 La causa è l iperomocisteinemia o la carenza di folati? L acido folico è il principale donatore di gruppi metili (epigenetica). O entrambe le cose? Attività sui recettori NMDA dell omocisteina come neurotrasmettitore e della carenza di folati su DNA. Recenti ricerche hanno dimostrato che anche le lesioni aterosclerotiche sono determinate da un danno o una mancata riparazione delle cellule endoteliali determinata dalla mancata metilazione del DNA.

40 L omocisteina è un agonista dei recettori NMDA ed un antagonista dei recettori GABA (agisce quindi come un neurotrasmettitore eccitatorio) (Lominadze D, Mol Cell Biochem 2012) L iperomocisteinemia nell animale induce crisi epilettiche (Folbegrova J, Exp Neurol 1994, 130, )

41 DNA methylation and histone acetylation are two critical epigenetic mechanisms controlling chromatin structure and function in mammalian neurons Or methylation Korzus Nat. Neurosc. 13,405,2010

42 Promoter transition from an active to an inactive chromatin state

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44 Epigenetic DNA and histones modifications Active chromatin Unmethylated DNA Histone acetylation H3-lysine trimethylation (H3K4, H3K36 and H3K79) Inactive chromatin Methylated DNA Histone deacetylation H3/H4-lysine trimethylation (H3K9, H3K27, H4K20 )

45 Meccanismo eziopatogenetico nelle demenze Eccessivo ingresso di Ca++ nei neuroni via recettori NMDA Aumenta il contenuto di Beta amiloide La mancata metilazione del gene attiva geni patologici quali APP gene

46 In summary, the available evidence is insufficient to draw definitive conclusions on the association of B vitamins and fatty acids with cognitive decline or dementia, and further longterm trials are required.

47 Terapia? Gli studi sull effetto della terapia vitaminica nelle demenze sono per lo più deludenti. Perché? Follow up troppo breve in patologie che insorgono in decenni o più È probabile che nei dementi non sia più utile (al momento della diagnosi la neurodegenerazione è avanzata). Si dovrebbero trattare individui con minimo deficit cognitivo o nessun deficit cognitivo

48 La depressione post stroke colpisce tra il 30 ed il 50% dei pazienti. E correlata ad elevata mortalità e disabilità a due anni Elevati livelli di omocisteinemia sono associati ad un aumentato rischio di depressione del 70% The present observational cohort study demonstrates that MMA and thcy are associated with a depression diagnosis post-stroke, and that high thcy expression is a significant predictor of depressive symptoms post-stroke after accounting for age and gender. The results are consistent with the argument that nutritional factors post-stroke are important in understanding depressive disorder and its prevention.