Vias Nrf2/ARE como um Potencial Alvo Terapêutico na Doença Neurodegenerativa

Resumo

O Fator Nuclear E2 relacionado ao fator 2 (Nrf2) é um fator de transcrição conhecido por induzir a expressão de uma variedade de genes citoprotetores e desintoxicantes. Vários dos genes comumente regulados pelo Nrf2 têm sido implicados na proteção de doenças neurodegenerativas. Pesquisas tem demonstrado o potencial da transcrição mediada por Nrf2 proteger da neurodegeneração resultante de mecanismos que envolvem o estresse oxidativo. Por esta razão, Nrf2 pode ser considerado um alvo terapêutico para condições envolvem os danos dos radicais livres.

Introdução

Usando descrições etiológicas de doenças neurodegenerativas, podemos desenvolver novas estratégias terapêuticas para processos celulares específicos, conhecidos por participar da morte neuronal. Estudos atuais estão descobrindo várias condições semelhantes entre doenças neurodegenerativas. Estes incluem a agregação da proteína, disfunção autofágica ou proteasomal, inflamação, apoptose, neuronal, estresse oxidativo, disfunção mitocondrial e interações entre neurônios e glia. Embora a natureza causal de cada uma dessas condições é frequentemente debatido, seu presença persistente e a forte correlação com neuronal morte justifica tentativas de tradução de inibidores desses processos para uma configuração terapêutica. Além disso, com base na crescente compreensão dos mecanismos comuns que conduzem à neurodegeneração, podemos racionalmente conceber terapêuticas que podem ter eficácia não só contra uma doença, mas potencialmente contra múltiplas condições neurodegenerativas.

A neurodegeneração em seres humanos é conhecida como resultado de várias causas primárias, incluindo a expressão de certos alelos de genes, administração de tóxicos e envelhecimento. Como consequência, os pesquisadores usaram essas causas primárias para estabelecer modelos de laboratório para neurodegeneração em células únicas, bem como em organismos que variam de Caenorhabditis elegans e Drosophila melanogaster a primatas não humanos. Em geral, o estresse oxidativo e a disfunção mitocondrial foram firmemente estabelecidos como elevados nestes modelos de neurodegeneração.

A primeira condição degenerativa associada com estresse oxidativo foi o envelhecimento, no qual esta relação entre radicais livres, estresse oxidativo e envelhecimento é associada, atualmente, com muitas doenças, como Parkinson, Esclerose Lateral Amiotrófica (ALS) e Alzheimer, além de condições não-degenerativas, como câncer e doenças cardiovasculares. Uma forma de reduzir tais condições neurodegenerativas seria atuar no acúmulo de radicais livres, prevenção do estresse oxidativo e disfunção mitocondrial através do estímulo de mecanismos celulares endógenos.

Um desses mecanismos centra-se na transcrição via elemento de resposta antioxidante (ARE), encontrado na região flanqueadora 5’ de muitos genes desintoxicantes de fase II e citoprotetores.

O fator de transcrição putativo que atua no ARE é o Nrf2, um fator de transcrição de zíper de leucina básica que pertence à família “Cap 'n' collar”.

Com base em dados anteriores e atuais, a atividade de Nrf2 é amplamente considerada como um forte candidato para a terapia neurodegenerativa. Vários postos-chave estão sendo abordados de forma a que uma estratégia terapêutica apropriada possa ser planejada.

Em primeiro lugar, está sendo compilada uma descrição da resposta de Nrf2 ao insulto neurotóxico e prevenção de dano dependente de Nrf2. Em segundo lugar, os mecanismos de focalização estão sendo abordados em modelos de laboratório. A entrega específica de tecido de terapêutica e o alvo molecular da via de transdução de sinal são considerações importantes a este respeito. Em terceiro lugar, o ponto de intervenção está sendo investigado para múltiplos estados de doença. Está se tornando evidente a partir da literatura publicada que a Nrf2 é capaz de proteger da toxicidade oxidativa quando ativada antes ou coincide com a exposição tóxica; no entanto, as publicações atuais estão começando a abordar os potenciais benefícios da ativação do Nrf2 após o início da lesão. Dois estudos usando o sulforafano químico ativador de Nrf2 mostraram que a administração após lesão poderia atenuar o dano de maneira dependente de Nrf2. Em um caso, o sulforafano foi administrado 30 minutos após a hemorragia intracerebral e, no outro, 15 minutos após a lesão cerebral traumática. Estes estudos indicam que a ativação de Nrf2 após insulto pode ser benéfica em termos terapêuticos para toxicidade aguda.

Será importante ampliar esse conceito para eventos neurotóxicos mais crônicos. Possivelmente, a ilustração mais conspícua disso seria a doença de Parkinson, em que perda significativa de neurônios dopaminérgicos precede qualquer aspecto clínico da doença. Doenças como o Parkinson exigem terapias que não só podem atenuar os danos, mas também podem ajudar na regeneração e, portanto, será interessante delinear o potencial papel do Nrf2 na regeneração.

Justificação teórica de Nrf2 como um alvo terapêutico

Os tratamentos atuais para condições neurodegenerativas estão faltando. No caso de doença de Alzheimer, apenas quatro drogas atualmente são aprovadas pelo E.U. Food and Drug Administration. Três são inibidores de acetilcolina esterase (donepezil, galantamina e rivastigmina), e um é o antagonista do receptor NMDA, a memantina. Para a doença de Parkinson, as abordagens terapêuticas são geralmente limitadas aos inibidores de L-dopa ou de MAO-B. Além disso, ALS tem apenas uma terapia aprovada, o bloqueador de canais de Na + antiexcitotóxicos, riluzol, enquanto que a doença de Huntington não possui terapêutica aprovada.

Em todos os casos, a terapêutica aprovada atende a atividade neuronal, geralmente afetando neurotransmissores ou seus receptores. O objetivo é geralmente compensar os danos que já ocorreram. Portanto, as opções terapêuticas atuais não abordam os processos subjacentes que contribuem para a morte celular, como o estresse oxidativo e a disfunção mitocondrial. Ensaios clínicos estão sendo conduzidos para estabelecer o potencial da terapêutica antioxidante. No entanto, até o momento, nenhum grande avanço foi relatado a este respeito.

O dano oxidativo é complexo e pode envolver a peroxidação lipídica, modificações de proteínas e adutos de DNA que levam a mutações.

Nrf2 é conhecido por impulsionar a transcrição de uma variedade de genes envolvidos no combate não só de radicais de oxigênio, mas também produtos de oxidação (proteínas e adutos de DNA derivados de carbonilas, malondialdeídos ou radicais hidroxílicos).

Um exemplo claro da natureza multifacetada dos genes orientados por Nrf2 é a produção desintoxicante e limitadora de carbonilas reactivas. As carbonilas reativas são conhecidos por influenciar a função proteica por alquilação e reticulação, contribuindo para disfunção mitocondrial e interrompendo o citoesqueleto. Além disso, elas foram implicadas em doenças neurodegenerativas como intermediários em toxicidade. As carbonilas são gerados como resultado da peroxidação lipídica, que começa com um ataque de radicais livres em lipídios poli-insaturados. É evidente a partir do perfil de expressão de genes, citado anteriormente, que o Nrf2 impulsiona a transcrição de muitos genes importantes na eliminação de radicais livres, especialmente aqueles que envolvem o tripeptídeo crítico glutationa ou a produção da bilirrubina de eliminação de radicais livres. Além disso, a conjugação de glutationa do 4-hidroxi-2-nonenol (HNE) é reforçada não só pela regulação positiva dos genes de síntese e manutenção da glutationa, mas também pela regulação positiva da enzima metabolizadora de HNE putativa glutationa S-transferase A4 (GSTA4). HNE é uma das principais carbonilas reactivas produzidas como resultado da peroxidação lipídica. Além disso, Nrf2 regula a aldeído desidrogenase II (aldh1a1), conhecida por desintoxicar HNE, bem como malondialdeído, outro subproduto altamente reativo de peroxidação lipídica.

Nrf2 protege de doenças neurodegenerativas em modelos de laboratório

Nrf2 fornece defesa antioxidante em cultura celular e in vivo e é considerado um dos principais reguladores de genes citoprotetores. A indução da transcrição mediada por Nrf2 demonstrou proteger contra a neurotoxicidade em uma variedade de modelos. Nas culturas neurais primárias, a ativação de Nrf2 é conhecida como neuroproteção contra estressores oxidativos e toxinas mitocondriais. Foi demonstrado que a presença de Nrf2 induzida contribuiu para a neuroproteção e que a deficiência de Nrf2 levou a uma maior sensibilidade. Essas observações demonstram o ponto-chave de que a resposta Nrf2 é uma ferramenta crítica usada pelas células para combater insultos tóxicos. Além disso, a ativação de Nrf2 antes do insulto ou concomitante ao insulto melhor equipa as células para sobreviver em um ambiente oxidativo.

Modulação da via Nrf2

Além de determinar o (s) mecanismo (s) de proteção, outro ponto chave no desenvolvimento de uma estratégia terapêutica será o ponto determinante onde a via Nrf2 pode ser influenciada. O progresso maior na última década foi feito na descrição dos fatores que levam e influenciam a ativação de Nrf2 na cultura de células e in vivo. Um conceito-chave que está emergindo é que alguns dos mecanismos de sinalização celular relacionados são altamente específicos do tecido e das células, enquanto outros são comuns à sinalização Nrf2 independente do tipo de célula.

A sinalização específica de células é claramente ilustrada na dependência de quinase contrastante da ativação de Nrf2 em células de carcinoma hepatocelular (HepG2) e células de neuroblastoma (IMR-32). Embora a fosforilação de Nrf2 ou Keap1 ou ambas pareça ser um importante regulador a montante da ativação de Nrf2, a natureza desta fosforilação é muitas vezes contraditória, dependendo do modelo utilizado. Nas células IMR-32, a ativação PI3K está envolvida na ativação Nrf2. Foi demonstrado que o PI3K constitutivamente ativo estimula o ARE, enquanto que os inibidores PI3K LY 294002 e a Wortmannin reduzem a ativação de ARE e a translocação nuclear de Nrf2 após o tratamento com tBHQ nessas células. Em contraste com este efeito, a indução mediada por tBHQ do ARE foi independente da presença de inibição de PI3K em células HepG2. Além disso, essas duas publicações descobriram que em células IMR-32, a ativação de Nrf2 é independente de Erk; no entanto, nas células HepG2, a fosforilação de Erk de Nrf2 é essencial para a ativação.

O evento chave na regulação Nrf2 em todo tipo de células e de tecido pode ser a estabilização da proteína Nrf2. A degradação proteossomal de Nrf2 é regulada pelo repressor citoplasmático Keap1. Na ativação de Nrf2, ocorre a dissociação das proteínas ou a ruptura da atividade da ligase E3, e a Nrf2 não é mais ubiquitinada e direcionada à degradação proteasomal. Isso leva a aumentos significativos na proteína Nrf2, pois a meia-vida se estende de ~ 10 min a ~ 2 h. Este fenômeno foi observado em uma variedade de tipos de células, incluindo células HeLa, células epiteliais renais, macrófagos peritoneais primários, células HepG2, bem como células progenitoras neurais humanas, e representa provavelmente o ponto final mais importante para qualquer terapia projetada para aumentar a transcrição mediada por Nrf2.

Muitos indutores químicos da via Nrf2 foram descritos anteriormente. A descoberta inicial do ARE foi ativada pelo uso de indutores químicos, tBHQ e compostos aromáticos planar metabolizáveis, β-naftoflavonas e 3-metilcolantreno. Logo depois, outras classes de compostos que medeiam a transcrição através do ARE foram identificadas ou confirmadas. Alguns incluem sulforafanos, triterpenóides, ou compostos dietéticos como fenóis, flavonóides, isotiocianatos, organossulfureto, indol e diterpenos. Os ativadores químicos da via Nrf2 parecem exibir propriedades químicas semelhantes.

Conclusão

A maioria das doenças neurodegenerativas não são diagnosticáveis ​​até que uma toxicidade significativa tenha se desenvolvido. As exceções são condições hereditárias ou predisposições que podem ser diagnosticadas com testes genéticos. O tratamento de doenças como a doença de Huntington, a ataxia de Friedreich, a síndrome de Down ou as formas familiares de doença de Alzheimer de início precoce ou ALS é possível antes do desenvolvimento dos sintomas. No entanto, é improvável que terapias complicadas sejam administradas de forma puramente preventiva para condições como ALS esporádica ou doença de Parkinson. Portanto, é importante abordar o potencial de Nrf2 para prestar assistência em regeneração ou, pelo menos, proteção contra danos adicionais depois que um insulto inicial já ocorreu.

Em resumo, o Nrf2 mostrou proteger os sistemas neurais de uma variedade de insultos na cultura celular e nos modelos animais de neurodegeneração. Dados anteriores e atuais posicionam a modulação Nrf2 como principal candidato para a prevenção do estresse oxidativo e posterior neurotoxicidade. Isso pode ser alcançado através da utilização de uma variedade de mecanismos, incluindo a ativação de pequenas moléculas da via no cérebro. Os dados atuais sugerem que o Nrf2 pode ser um bom alvo de drogas em inúmeras condições neurodegenerativas por causa da natureza multifuncional dos genes ativados e demonstrou eficácia em diversos modelos de neurodegeneração diferentes.