Accanto al cancro, la malattia di Alzheimer (AD) e la demenza sono probabilmente i problemi di salute più preoccupanti che affliggono il mondo occidentale oggi. Un gran numero di studi clinici non sono riusciti a dimostrare alcun beneficio dei farmaci testati nello stabilizzare o invertire il costante declino delle funzioni cognitive di cui soffrono i pazienti affetti da demenza. Sebbene le caratteristiche patologiche dell’AD costituite da placche beta-amiloidi e grovigli di tau siano ben note, esiste un notevole dibattito sui fattori genetici o legati allo stile di vita che predispongono gli individui allo sviluppo della demenza. La fotobiomodulazione (PBM) descrive l’uso terapeutico della luce rossa o del vicino infrarosso per stimolare la guarigione, alleviare il dolore e l’infiammazione e prevenire la morte dei tessuti. Negli ultimi anni la PBM è stata applicata per una vasta gamma di disturbi cerebrali, spesso applicata in modo non invasivo illuminando la testa (PBM transcranico). La presente revisione discute i meccanismi d’azione della tPBM nel cervello e riassume gli studi che hanno utilizzato la tPBM per trattare modelli animali di AD. Vengono discussi i risultati di un numero limitato di studi clinici che hanno utilizzato la tPBM per curare pazienti affetti da AD e demenza.
Parole chiave:fotobiomodulazione ; malattia di Alzheimer ; demenza ; meccanismi d’azione ; modelli animali ; sperimentazioni clinich
- Introduzione
1.1. Introduzione alla fotobiomodulazione
La fotobiomodulazione (PBM) descrive l’uso terapeutico della luce rossa o del vicino infrarosso per stimolare la guarigione, alleviare il dolore e l’infiammazione e prevenire la morte dei tessuti. La PBM era chiamata “terapia laser (o luce) a basso livello” (LLLT), ma il nome è stato cambiato per riflettere il fatto che il termine “basso” non era definito, i laser non erano assolutamente necessari e l’inibizione di alcuni processi era benefica [ 1 , 2 ]. La terapia di fotobiomodulazione (PBMT) descrive l’uso della PBM come trattamento per varie malattie o disturbi. La PBM è stata scoperta oltre 50 anni fa da Endre Mester in Ungheria, che lavorava sulla ricrescita dei capelli e sulla guarigione delle ferite nei topi [ 3 ]. Da allora, la PBM è gradualmente diventata più accettata dalla professione medica, dai fisioterapisti e dal pubblico in generale. Questo aumento di accettazione è dovuto in parte alla maggiore disponibilità di diodi a emissione di luce (LED) con lunghezze d’onda nelle regioni del rosso e del NIR e livelli sostanziali di densità di potenza (fino a 100 mW/cm 2 su aree abbastanza grandi). La maggior parte delle prove disponibili suggerisce che i LED funzionano altrettanto bene rispetto ai laser di lunghezze d’onda e densità di potenza simili [ 4 ]. Tuttavia, i LED presentano i vantaggi di una maggiore sicurezza, costi inferiori e una migliore idoneità all’uso domestico.
1.2. Meccanismi del PBM
La prima legge della fotobiologia è che un fotone deve essere assorbito da uno specifico cromoforo molecolare per avere un effetto biologico. I cromofori che sono stati postulati come utili nel PBM, assorbono a diverse regioni di lunghezza d’onda dello spettro elettromagnetico (blu, verde, rosso, NIR) e sono mostrati nella Figura 1 e discussi di seguito.
Figura 1.
Cromofori proposti per PBM che possono assorbire diverse lunghezze d’onda della luce. Va notato che c’è una sovrapposizione considerevole tra i cromofori e che il NIR assorbito dall’acqua strutturata è probabilmente di lunghezza d’onda maggiore (>950 nm).
La citocromo C ossidasi (CCO) è l’enzima terminale (unità IV) nella catena di trasporto degli elettroni situata nella membrana mitocondriale esterna. La catena di trasporto degli elettroni, attraverso una serie di reazioni redox, facilita il trasferimento degli elettroni attraverso la membrana interna dei mitocondri. Il risultato netto di queste fasi di trasferimento degli elettroni è la produzione di un gradiente protonico attraverso la membrana mitocondriale che guida l’attività dell’ATP sintasi (talvolta chiamata unità V) che produce l’adenosina trifosfato (ATP) ad alta energia dall’ADP. La CCO media il trasferimento degli elettroni dal citocromo C all’ossigeno molecolare. La CCO è una proteina complessa, composta da tredici diverse subunità polipeptidiche e contiene anche due centri eme e due centri rame. Ognuno di questi centri eme e rame può essere ossidato o ridotto, dando sedici diversi stati di ossidazione. Ognuno di questi stati di ossidazione ha uno spettro di assorbimento leggermente diverso, ma il CCO è quasi unico tra le molecole biologiche nell’avere un assorbimento significativo nello spettro del vicino infrarosso. Infatti, Britton Chance ha stimato che oltre il 50% dell’assorbimento della luce NIR da parte del tessuto biologico potrebbe essere attribuito a questo singolo enzima come cromoforo [ 5 ].
In molte pubblicazioni, è stato dimostrato che il CCO è un fotoaccettore biologico e un trasduttore di segnali attivati dalla luce nelle regioni rosse e NIR dello spettro [ 6 , 7 ]. In particolare, l’assorbimento dei fotoni trasportati nel PBM sembra promuovere un aumento della disponibilità di elettroni per la riduzione dell’ossigeno molecolare nel centro catalitico del CCO, aumentando il potenziale di membrana mitocondriale (MMP) e aumentando i livelli di ATP, adenosina monofosfato ciclico (cAMP) e specie reattive dell’ossigeno (ROS), tutti fattori che indicano un aumento della funzione mitocondriale e possono innescare l’inizio di percorsi di segnalazione cellulare [ 8 ]. Tuttavia, di recente, l’ipotesi del CCO è stata messa in discussione. Lima et al. [ 9 ] hanno modificato geneticamente due diversi tipi di cellule per non esprimere alcun CCO attivo e hanno scoperto che rispondevano ugualmente bene alla luce a 660 nm, rispetto alle cellule di tipo selvatico. Sebbene altre unità nella catena di trasferimento degli elettroni, come i complessi I-IV e la succinato deidrogenasi mostrino anche un’attività aumentata come risultato del PBM, si ritiene ancora che il CCO sia uno dei fotoaccettori primari. Questa nozione è supportata dal fatto che l’irradiazione luminosa di basso livello come il PBM causa un aumento del consumo di ossigeno, ed è rafforzata dal fatto che la maggior parte del consumo di ossigeno avviene nel complesso IV, e inoltre che l’aggiunta di sodio azide, un inibitore del CCO, abroga gli effetti del PBM [ 10 , 11 ]. Inoltre, le cellule rho-zero che mancano di mitocondri funzionali non rispondono al PBM, allo stesso modo delle loro controparti di tipo selvatico [ 12 ].
Tuttavia, nonostante la quantità di prove a favore del fatto che il CCO sia un cromoforo importante per la luce rossa e NIR, prove crescenti suggeriscono che questa non è tutta la storia. Lima et al. [ 9 ] hanno studiato due linee cellulari prive di CCO, una linea di topi con Cox10 knock-out (che non riusciva a sintetizzare l’eme come cofattore) e una seconda linea umana con una mutazione nel gene mtDNA che codifica per la lisina del tRNA (che mancava di tre subunità critiche del CCO). Il PBM (660 nm) ha causato un aumento della proliferazione cellulare sia nelle cellule di tipo selvatico che in quelle knock-out del CCO, insieme a livelli aumentati di ATP e citrato sintasi. Questi risultati hanno mostrato che il CCO funzionale non era necessario per la sua capacità di migliorare il metabolismo e la proliferazione cellulare.
Un editoriale recente [ 13 ] di Sommer a Ulm, Germania ha suggerito che gli effetti della luce rossa e NIR (specialmente pulsata a bassa frequenza come 1 Hz) sugli strati d’acqua interfacciali (IWL) all’interno delle cellule potrebbero essere una spiegazione alternativa. Se questi IWL fossero all’interno dei mitocondri, allora l’abbassamento della viscosità come risultato dell’assorbimento di energia, potrebbe consentire al rotore molecolare, che è l’ATP sintasi, di ruotare più velocemente e produrre più ATP. D’altro canto se gli IWL fossero localizzati all’interno della membrana plasmatica, l’assorbimento della luce potrebbe aumentare l’assorbimento dei nutrienti che spiegano una maggiore proliferazione.
Indipendentemente dal cromoforo effettivo, il PBM può innescare la segnalazione mitocondriale retrograda [ 14 ]. Ciò si riferisce ai segnali e alle comunicazioni che passano dai mitocondri al nucleo di una cellula, piuttosto che viceversa. I suddetti cambiamenti mitocondriali determinano un’ultrastruttura mitocondriale alterata e l’innesco della biogenesi mitocondriale [ 15 ]. Di conseguenza, la permeabilità della membrana e il flusso di ioni sulla membrana cellulare vengono alterati, portando a loro volta all’attività alterata della proteina attivatrice-1 (AP1) e NFκB [ 16 ].
Ci sono prove emergenti che altri cromofori primari come opsine, flavine e criptocromi, possono mediare l’assorbimento biologico della luce, in particolare a lunghezze d’onda più corte (blu e verde). Le opsine contengono una molecola di cis- retinaldeide come cromoforo che è foto-isomerizzata nell’isomero tutto-trans, producendo così un cambiamento nella conformazione proteica e avviando una cascata di segnalazione [ 17 ]. Flavine e flavoproteine contengono un cromoforo come la riboflavina, il mononucleotiodo di flavina o il dinucleotide di flavina adenina e possono svolgere reazioni redox quando eccitati dalla luce [ 18 ]. I criptocromi sono una sottoclasse speciale di flavoproteine che agiscono come recettori della luce blu nelle piante, negli animali e persino negli esseri umani [ 19 ].
Sebbene le prove che dimostrano che i canali ionici foto-dipendenti possono essere citati come meccanismi d’azione nel PBM siano scarse al momento, stanno gradualmente aumentando. È più probabile che il PBM influenzi i canali del potenziale recettore transitorio (TRP). Scoperti per la prima volta in un mutante di Drosophila come meccanismo responsabile della visione degli insetti, ora si sa che sono sensibili alla luce [ 20 ], oltre a un’ampia varietà di altri stimoli. I canali TRP sono canali del calcio e sono modulati da fosfoinositidi [ 21 ]. I canali ionici foto-dipendenti hanno attirato immensa attenzione nel campo dell’optogenetica [ 22 ]. Tuttavia, la maggior parte di questi studi impiega canali ionici simili alla channelrhodopsina derivata dai batteri [ 22 ]. La maggior parte della ricerca che collega il PBM ai canali ionici foto-dipendenti è stata condotta testando la sottofamiglia “Vanilloide” del TRPV delle specie TRP. Le prove provenienti da studi condotti da vari gruppi [ 23 , 24 , 25 , 26 ] hanno portato al consenso generale sul fatto che i canali TRP siano più probabilmente attivati dalla luce verde. Tuttavia, poiché la luce verde non ha la stessa capacità penetrante della luce infrarossa o del vicino infrarosso, non ha un’applicazione clinica pratica. Tuttavia, Ryu et al. hanno scoperto che l’esposizione alla luce a lunghezza d’onda infrarossa (2780 nm) attenuava l’attivazione di TRPV1, causando una diminuzione nella generazione di stimoli del dolore [ 24 ]. Un effetto antinocicettivo simile, ma molto meno drammatico, è stato osservato anche quando TRPV4 è stato esposto alla luce della stessa lunghezza d’onda. È stato anche dimostrato che TRPV4 è reattivo alla luce pulsata a 1875 nm, sebbene non si possa escludere che i risultati fossero dovuti a stimoli termici piuttosto che a stimoli luminosi [ 25 ], poiché l’acqua è il principale assorbitore di infrarossi in questa regione.
È chiaro che l’acqua deve essere di gran lunga il cromoforo più importante a lunghezze d’onda infrarosse (>900 nm), considerando il suo coefficiente di assorbimento molecolare e la sua relativa abbondanza nelle cellule e nei tessuti. Tuttavia il PBM, come di solito eseguito, non produce un riscaldamento eccessivo dei tessuti, specialmente all’interno del cervello. Infatti l’effetto di riscaldamento più evidente (se presente) si avverte sulla pelle del cuoio capelluto. Come possiamo allora spiegare che il PBM può avere effetti potenti sul cervello a lunghezze d’onda lunghe fino a 1064 nm [ 27 , 28 ]? Una risposta potrebbe risiedere nel concetto di “acqua nanostrutturata” o “acqua interfacciale” elaborato da Pollack [ 29 , 30 , 31 ]. Questa zona di esclusione (EZ) dell’acqua (che potrebbe essere la stessa dell’IWL discussa sopra [ 13 ]) assorbe la radiazione ottica che produce distinti cambiamenti fisici in parametri come la viscosità e il pH. Poiché gli strati di acqua EZ si verificano sulle membrane intracellulari, è ragionevole suggerire che i canali ionici incorporati in queste membrane (ad esempio nei mitocondri) possano essere attivati da questi cambiamenti fisici. Poiché l’acqua in massa non assorbe la luce IR allo stesso grado dell’acqua EZ, questo spiegherebbe perché possono verificarsi cambiamenti biochimici all’interno delle cellule, mentre non vi è alcun riscaldamento rilevabile in massa del tessuto, come ci si sarebbe aspettato se l’energia IR fosse stata assorbita da tutte le molecole d’acqua.
- Malattia di Alzheimer e demenza
La demenza è il termine clinico utilizzato per descrivere un’ampia gamma di disturbi cerebrali che colpiscono le funzioni cognitive ed esecutive e la memoria [ 32 ]. La diagnosi di demenza richiede un cambiamento nella funzione mentale con un declino più pronunciato di quanto ci si aspetterebbe a causa del normale processo di invecchiamento [ 33 ]. Nel 2015, si stimava che 46,8 milioni di persone in tutto il mondo soffrissero di demenza, con il 58% che viveva in paesi a basso e medio reddito e si prevede che questo numero raddoppierà ogni 20 anni [ 34 ].
La malattia di Alzheimer (AD) è il tipo più comune di demenza (dal 60% al 70% dei casi), seguita dalla demenza vascolare (25%) e dalla demenza a corpi di Lewy (15%) [ 35 ]. L’AD è stata descritta per la prima volta da Alois Alzheimer (1864-1915) che ha pubblicato il suo rapporto nel 1911 [ 36 ]. Circa il 70% del rischio è probabilmente genetico, con molti geni che si propone siano coinvolti [ 37 ]. Altri fattori di rischio includono una storia di trauma cranico, depressione e ipertensione. L’AD è caratterizzata da atrofia diffusa dell’intero cervello (in particolare della corteccia), accompagnata da placche beta-amiloidi extracellulari e grovigli neurofibrillari intraneuronali composti da proteina tau iperfosforilata [ 38 ]. I meccanismi precisi dell’AD rimangono oggetto di acceso dibattito [ 39 ]. Un’ampia varietà di altri farmaci sperimentali sono stati testati in studi clinici, ma finora senza molto successo.
La sezione seguente riassumerà alcune delle ipotesi. L’ipotesi amiloide è stata la spiegazione predominante per decenni. I peptidi Aβ (40 o 42 amminoacidi) sono formati dalla scissione enzimatica sequenziale della proteina precursore dell’amiloide (APP) da parte delle beta e gamma secretasi. Un aumento del livello di Aβ 42 porta alla formazione di fibrille amiloidi, che alla fine si sviluppano in placche senili. Tuttavia, il fallimento di diversi studi farmacologici che hanno preso di mira i peptidi amiloidi (inibitori della beta e gamma secretasi) e le placche amiloidi (approcci di immunoterapia che utilizzano anticorpi monoclonali) ha portato al concetto che le placche amiloidi potrebbero essere marcatori piuttosto che cause del deterioramento cerebrale [ 40 ].
Un’ipotesi alternativa si concentra sulla tau [ 41 ]. La tau è una proteina associata ai microtubuli coinvolta nell’assemblaggio dei microtubuli. Ci sono due isoforme espresse nel cervello umano adulto (4R e 3R) principalmente negli assoni dei neuroni. Nei cervelli affetti da AD, la tau 3R e 4R si accumula in uno stato iperfosforilato che forma grovigli neurofibrillari (NFT) nei corpi cellulari, o fili se si formano nei dendriti o negli assoni. Molti diversi disturbi cerebrali sono caratterizzati dalla patologia della tau e sono noti come “tauopatie” [ 42 ]. Questi includono la demenza frontotemporale, la degenerazione corticobasale, la sindrome di Richardson, il morbo di Parkinson, l’encefalopatia traumatica cronica e l’astrogliopatia tau correlata all’età.
La neuroinfiammazione e la gliosi reattiva sono i tratti distintivi dell’AD [ 43 ]. Prove sempre più numerose suggeriscono che la microglia con fenotipo M1 è un attore importante nell’AD [ 44 ]. Non solo la microglia M1 pompa fuori citochine pro-infiammatorie, ma queste cellule riducono la loro funzionalità fagocitaria e quindi non riescono a eliminare le placche amiloidi. Qualsiasi terapia (come PBM) che possa cambiare il fenotipo microgliale da M1 a M2 può essere utile per l’AD.
L’aumentata incidenza di AD nei pazienti affetti da ipertensione e battito cardiaco irregolare ha dato origine all’ipotesi di “micron stroke” [ 45 ]. I micro-ictus causati da emboli fibrosi degli eritrociti o cristalli di colesterolo di dimensioni micrometriche potrebbero agire come “punti di inseminazione” per la crescita di placche amiloidi come risposta di guarigione. Un’ipotesi correlata riguarda l’influenza della disfunzione vascolare e delle microemorragie [ 46 ]. La disfunzione vascolare è spesso descritta come causa di demenza vascolare, ma ci sono sempre più prove che gioca un ruolo anche nell’AD [ 47 ]. Queste microemorragie sono state correlate alla formazione di placche [ 48 ]. Queste microemorragie nei vasi cerebrali potrebbero agire come fattori scatenanti per l’attivazione del sistema immunitario innato. Potrebbero anche essere indicativi di siti di rottura della barriera emato-encefalica, che è considerata uno dei primi marcatori di disfunzione cognitiva [ 49 ].
Lo stress ossidativo è stato implicato nella patogenesi dell’AD [ 50 ]. Le prove includono livelli aumentati di alcuni metalli nei cervelli affetti da AD come ferro, alluminio e mercurio che possono generare radicali liberi. Aumento della perossidazione lipidica, 4-idrossinonenale, danno ossidativo a proteine e DNA, prodotti finali di glicazione avanzata (AGE), malondialdeide, carbonili, perossinitrito, eme ossigenasi-1 e SOD-1 in grovigli neurofibrillari e placche amiloidi. Tuttavia, sebbene una dieta ricca di antiossidanti offra una certa protezione, l’integrazione con antiossidanti non è riuscita in gran parte a mostrare alcun beneficio [ 51 ].
Riduzioni nell’attività mitocondriale e nel metabolismo del glucosio sono ampiamente osservate nell’AD [ 52 ]. Sono stati riscontrati cambiamenti nella citocromo c ossidasi e cambiamenti morfologici nei mitocondri. L’attivazione della risposta integrata allo stress e del fattore di trascrizione ATF4 può essere causata dalla disfunzione mitocondriale.
Infine, un’altra ipotesi implica cambiamenti nel microbioma intestinale [ 53 ]. I batteri stessi possono secernere amiloide batterico che può innescare la semina incrociata di placche amiloidi, oppure i batteri possono sovrastimolare la risposta immunitaria innata [ 54 ]. I batteri stessi, come Porphyromonas gingivalis, sono stati trovati nei cervelli affetti da AD [ 55 ]. Altri patogeni come virus e spirochete possono essere coinvolti nel cervello e il peptide Aβ può funzionare come un peptide di difesa antimicrobica [ 56 ]. - Meccanismi del PBM nel cervello
Come si vedrà nella sezione seguente, è stata proposta una sconcertante serie di meccanismi diversi per spiegare i benefici del PBM transcranico (tPBM) sul cervello. Questi sono schematicamente mostrati nella Figura 2 .
Figura 2. Sono stati proposti numerosi meccanismi per il tPBM nel cervello (discussi di seguito).
3.1 Metabolismo
Il miglioramento del funzionamento metabolico è uno degli effetti più facilmente riconoscibili del PBM, e l’aumento della produzione intracellulare di ATP è uno dei meccanismi d’azione più fortemente supportati [ 57 ]. Inoltre, diversi studi preclinici hanno dimostrato che il contenuto cerebrale di ATP è aumentato negli animali da esperimento (topi o ratti) sottoposti a tPBM per vari disturbi cerebrali [ 58 , 59 ]. È un riscontro generale che la disfunzione mitocondriale, le scorte inadeguate di ATP e lo stress ossidativo sono fattori che contribuiscono a quasi tutte le forme di malattia cerebrale [ 60 ]. Ciò è stato segnalato per condizioni neurologiche come il disturbo depressivo maggiore [ 61 ], il trauma cranico [ 62 ], il morbo di Parkinson [ 63 ] e per l’AD [ 64 ].
3.2. Flusso sanguigno
Uno dei cambiamenti più facili da misurare dopo tPBM è il cambiamento nel flusso sanguigno cerebrale e nell’ossigenazione. Ciò si applica agli animali da esperimento e in particolar modo ai soggetti umani. La spettroscopia nel vicino infrarosso è stata utilizzata sugli avambracci di volontari umani trattati con un laser a 1064 nm [ 65 ]. Hanno scoperto che tPBM ha indotto aumenti significativi della concentrazione di CCO (Delta [CCO]) e della concentrazione di emoglobina ossigenata (Delta [HbO]) nel sito trattato man mano che la dose di energia laser si accumulava nel tempo. Schiffer et al. [ 66 ] hanno testato tPBM utilizzando un LED a 810 nm applicato sulla fronte per depressione maggiore e ansia e hanno utilizzato un sistema commerciale INVOS di Somanetics (Troy, MI, USA) per misurare l’emoglobina cerebrale (cHb) nella parte frontale sinistra e destra e rCBF (flusso sanguigno cerebrale regionale), oltre alla consueta uscita di saturazione di ossigeno del dispositivo.
È stato suggerito che il rilascio di NO come risultato del PBM sia responsabile dell’aumento del flusso sanguigno cerebrale [ 67 ]. NO è una delle principali molecole di segnalazione neuronale che, tra le altre funzioni, possiede la capacità di innescare la vasodilatazione. Per farlo, stimola prima la guanilato ciclasi solubile per formare GMP ciclico (cGMP). Il cGMP attiva quindi la proteina chinasi G, portando al riassorbimento di Ca 2+ e all’apertura dei canali del potassio attivati dal calcio. A causa della successiva caduta della concentrazione di Ca 2+, la chinasi della catena leggera della miosina viene impedita di fosforilare la molecola di miosina, causando il rilassamento delle cellule muscolari lisce nel rivestimento dei vasi sanguigni e dei vasi linfatici [ 68 ]. Questa vasodilatazione promuove quindi una circolazione migliorata, che a sua volta porta a una migliore ossigenazione cerebrale in modo simile a quello osservato con i campi elettromagnetici pulsati [ 69 ].
I disturbi del flusso sanguigno cerebrale, la disfunzione neurovascolare e la ridotta ossigenazione cerebrale sono stati proposti come caratteristiche importanti dell’AD [ 70 ].
3.3. Neuroprotezione
Un’ampia varietà di prove suggerisce che il PBM può essere utilizzato per la neuroprotezione, essenzialmente per proteggere le cellule dai danni, per promuovere la loro sopravvivenza e longevità e invertire i processi di segnalazione apoptotica. Un modo in cui ottiene questo risultato è inibendo l’attività della glicogeno sintasi chinasi 3β (GSK3β). Per farlo, attiva la proteina chinasi B (AKT), che aumenta il livello di fosforilazione del suo residuo Ser9, che quindi consente all’N-terminale di GSK3β di legarsi al proprio sito di legame. Un risultato di ciò è l’accumulo e la traslocazione nel nucleo della β-catenina, che cessa di essere sotto-fosforilata e quindi diventa più attiva quando l’attività di GSK3β viene inibita. Una volta lasciata accumulare nel nucleo, la β-catenina si affida all’aumentata attività trascrizionale dipendente da TCF/LEF per promuovere la sopravvivenza cellulare [ 71 ]. Questa inibizione di GSK3β aiuta anche a prevenire l’apoptosi, la normale morte cellulare che si verifica quando un organismo cresce. Si ritiene che GSK3β agisca come mediatore tra AKT e Bax, una proteina che viene traslocata nel nucleo in presenza di stimoli pro-apoptotici per innescare l’inizio del processo. Tuttavia, quando GSK3β viene inibita, AKT il percorso di comunicazione tra AKT e Bax viene interrotto. Di conseguenza, la traslocazione di Bax non può essere segnalata e viene quindi inibita [ 72 ].
Il PBM dimostra anche qualità neuroprotettive sotto forma di protezione dalla senescenza [ 73 ]. È stato dimostrato che attiva il pathway della chinasi correlata al segnale extracellulare (ERK)/proteina M1 della forkhead box (FOXM1). La proteina FOXM1 regola la progressione dalla fase G1 alla fase S del ciclo cellulare e, tramite l’attivazione del pathway ERK/FOXM1, il PBM porta a una maggiore traslocazione di ERK nel nucleo e a un maggiore accumulo di FOXM1 nel nucleo. Ciò, a sua volta, causa una ridotta espressione della proteina p21 e un arresto mitotico nella fase G1, rallentando quindi la progressione complessiva della senescenza cellulare.
È stato anche dimostrato che il PBM è efficace nel proteggere le cellule dagli effetti nocivi delle tossine [ 74 ]. In uno studio condotto da Eells et al. [ 75 ], l’irradiazione con luce a 670 nm ha avuto successo nel causare il recupero della funzionalità della retina e la prevenzione del danno istologico nei modelli di roditori esposti al metanolo. Ciò è probabilmente dovuto al fatto che il metanolo genera il metabolita tossico acido formico, un inibitore del CCO, e il PBM è un noto stimolatore del CCO. Uno studio di Wong-Riley sugli effetti del PBM dopo l’esposizione alla tetrodotossina ha prodotto risultati altrettanto positivi, soprattutto quando i modelli sono stati irradiati con luce a 670 e 830 nm, i picchi dello spettro di assorbimento del CCO [ 7 ]. Ciò indica ulteriormente che l’effetto antitossico del PBM può essere ricondotto alla sua stimolazione del CCO. Il PBM è anche efficace nella prevenzione degli effetti nocivi associati al cianuro di potassio. Quando pretrattato con luce a 670 nm, Liang et al. nel 2006 hanno scoperto che l’espressione neuronale di Bax indotta dal cianuro era diminuita, prevenendo la successiva apoptosi [ 76 ].
Inoltre, il PBM ha dimostrato la proprietà piuttosto unica di influenzare le cellule in diversi stati di salute in modi diversi, modificando essenzialmente la cellula in qualsiasi modo possa essere necessario per promuoverne la sopravvivenza. Ad esempio, nelle cellule normali l’assorbimento di luce da parte del CCO porta a un aumento di MMP al di sopra della linea di base e a un breve aumento della produzione di ROS. Tuttavia, nelle cellule in cui l’MMP è basso a causa di stress ossidativo esistente, eccitotossicità o inibizione del trasporto di elettroni, l’assorbimento di luce porta a un aumento di MMP verso livelli normali e a una diminuzione della produzione di ROS [ 77 ]. Allo stesso modo, la risposta tipica al PBM nelle cellule sane è un breve aumento del Ca 2+ intracellulare [ 78 ]. Tuttavia, nelle cellule che contengono già un eccesso di Ca 2+ (un fenomeno chiamato eccitotossicità) il PBM provoca la reazione opposta, in altre parole abbassa i livelli eccessivi di calcio cellulare, promuovendo così la sopravvivenza cellulare, riducendo lo stress ossidativo e riportando l’MMP alla normalità [ 79 ]. Sono in fase di studio diversi approcci neuroprotettivi basati su prodotti naturali per il trattamento dell’AD [ 80 ].
3.4. Stress ossidativo
Lo stress ossidativo si verifica quando esiste uno squilibrio tra la produzione di specie reattive dell’ossigeno (ROS) e la capacità del corpo di contrastarne gli effetti, che diventano dannosi quando sono in eccesso, tramite antiossidanti. Molte fonti hanno collegato lo stress ossidativo a varie condizioni neurologiche, come il disturbo depressivo maggiore [ 81 ] e il trauma cranico [ 82 ], per non parlare delle malattie cardiovascolari [ 83 ] e di Alzheimer [ 84 ].
Tuttavia, la situazione è più complicata di quanto sembri a prima vista, perché un gran numero di sperimentazioni cliniche sulla terapia antiossidante per tutte queste malattie hanno fallito (a volte miseramente) [ 51 , 85 ]. Apparentemente un certo livello di stress ossidativo è necessario per il funzionamento ottimale degli esseri umani, e rimuovere tutto lo stress ossidativo con l’integrazione di antiossidanti può essere controproducente [ 86 ]. Un importante articolo ha dimostrato che i benefici per la salute dell’esercizio fisico venivano eliminati quando agli esseri umani venivano somministrati antiossidanti [ 87 ].
Salehpour et al. [ 88 ] hanno dimostrato che la privazione del sonno (SD) nei topi ha causato stress ossidativo nell’ippocampo e conseguente compromissione della memoria. tPBM con NIR (810 nm) è stato somministrato (una volta al giorno per 3 giorni) per via transcranica alla testa. I topi hanno ottenuto risultati migliori nel labirinto di Barnes e nel compito Cosa-Dove-Quale, e i livelli di enzimi antiossidanti nell’ippocampo sono aumentati e i biomarcatori dello stress ossidativo sono diminuiti. Negli studi sull’effetto del PBM sul muscolo traumatizzato, il PBM ha dimostrato di essere efficace nel regolare la quantità di sintasi dell’ossido nitrico inducibile da citochine (iNOS) prodotta dalla cellula. Ciò è importante perché quantità eccessive di iNOS possono portare a un’eccessiva produzione di NO, che segnalerebbe quindi una maggiore produzione di ROS/RNS chiamata perossinitrito, portando a un aumento dello stress ossidativo. In particolare, il PBM potrebbe ridurre il perossinitrito [ 89 ], pur preservando gli effetti positivi di altre isoforme della NO sintasi, come la sintasi endoteliale dell’ossigeno nitrico (eNOS), che è la specie principalmente responsabile degli effetti vasodilatatori del PBM [ 90 , 91 , 92 ].
È stato anche dimostrato che il PBM stimola l’aumento dell’angiogenesi, portando a ulteriori miglioramenti nel flusso sanguigno. Come dimostrato da Cury [ 93 ], il PBM a 780 nm e 40 J/cm 2 ha innescato un aumento nell’espressione della proteina HIF 1α e del fattore di crescita endoteliale vascolare e una diminuzione nell’attività della metalloproteinasi 2 della matrice, tutti fattori che si è scoperto inducono l’angiogenesi. Inoltre, in uno studio in vitro sugli effetti della luce rossa/NIR sui globuli rossi, si è scoperto che la luce NIR è piuttosto efficace nel proteggere i globuli rossi dall’ossidazione [ 94 ], che è un evento comune nei cervelli compromessi da condizioni come la MDD [ 95 ].
La disfunzione mitocondriale diffusa, i livelli aumentati di alluminio e metalli pesanti e la neuroinfiammazione che si verificano nell’AD, producono livelli significativi di stress ossidativo. Lo stress ossidativo causa la deposizione di Aβ, l’iperfosforilazione della tau e la successiva perdita di sinapsi e neuroni [ 96 ]. Una varietà di antiossidanti (e in particolare il coenzima Q10) sono stati testati per il trattamento dell’AD [ 97 ].
3.5. Effetti antinfiammatori
L’infiammazione è una delle difese del sistema immunitario innato contro corpi estranei come batteri e virus. A livello cellulare, si verifica quando viene attivato il fattore di trascrizione NF-κB. Mentre l’infiammazione acuta è positiva, l’infiammazione cronica può avere effetti molto negativi. Molte malattie, tra cui le malattie neurodegenerative e i disturbi dell’umore, possono essere ricondotte almeno in parte all’infiammazione cronica.
Un modo in cui il PBM aiuta a sedare l’infiammazione è attraverso l’inibizione dell’enzima cicloossigenasi 2 (COX-2). Lim et al. hanno scoperto [ 98 ] che l’irradiazione luminosa a 635 nm a bassa potenza era in grado di causare l’inibizione della COX-2 diminuendo i ROS intracellulari. L’inibizione della COX-2 tramite mezzi farmaceutici è ampiamente supportata al momento, con gli inibitori della COX-2 che costituiscono una quota significativa del mercato dei farmaci antinfiammatori non steroidei (FANS [ 99 ]). Utilizzando il PBM, si può ottenere essenzialmente lo stesso risultato, solo con uno stimolo diverso.
Il PBM può anche modulare i livelli cellulari di NF κB libero. NF κB si trova nel citosol legato a IκB, una proteina inibitrice. Gli stimoli pro-infiammatori hanno la capacità di attivare la chinasi IκB, un regolatore di segnalazione a monte che causa la degradazione di IκB. Una volta che IκB è stato degradato, NF κB è libero di traslocare nel nucleo, dove innesca l’espressione di geni pro-infiammatori. Ci sono prove che il PBM può avere effetti opposti su NF κB a seconda del tipo di cellule e del loro stato di attivazione che viene studiato. Chen et al. hanno scoperto che nei fibroblasti normali il PBM potrebbe attivare NF κB tramite la generazione di basse quantità di ROS dai mitocondri che erano stati stimolati [ 100 ]. Tuttavia, lo stesso gruppo ha scoperto che nelle cellule dendritiche (un altro tipo di cellula macrofagica) che erano state attivate verso un fenotipo M1 da agonisti del recettore toll-like, il PBM poteva ridurre le citochine pro-infiammatorie [ 101 ]. Allo stesso modo, Yamaura et al. hanno scoperto che il livello di NF-kB era ridotto nei sinoviociti derivati dall’artrite reumatoide attivata che avevano ricevuto PBM [ 102 ].
Inoltre, il PBM possiede la capacità di modulare i livelli di citochine, proteine che agiscono come importanti molecole di segnalazione per il sistema immunitario. È stato dimostrato che il PBM modula i livelli di citochine sia pro che anti-infiammatorie, sebbene per la riduzione dell’infiammazione, la sua capacità di modulare i livelli di fattore di necrosi tumorale (TNF) e altre citochine pro-infiammatorie sia particolarmente utile.
Va notato che l’infiammazione all’interno del cervello presenta delle differenze distinte rispetto all’infiammazione in altre parti del corpo. Infatti, il termine “neuroinfiammazione” è comunemente applicato all’attivazione della microglia. La microglia è costituita da cellule del lignaggio monociti/macrofagi che agiscono come sistema di difesa immunitaria nel sistema nervoso centrale [ 103 ]. La microglia è costantemente impegnata a ripulire il SNC da placche, neuroni e sinapsi danneggiati e agenti infettivi. La microglia è estremamente sensibile anche a piccoli cambiamenti patologici nel SNC [ 104 ].
In comune con altre cellule del lignaggio dei macrofagi, la microglia può assumere una diversità di fenotipi e mantenere la capacità di spostare la propria funzione per mantenere l’omeostasi tissutale. La microglia può essere attivata da LPS o IFN-γ in un fenotipo M1 che esprime citochine pro-infiammatorie ed è in grado di uccidere le cellule microbiche. D’altro canto, la microglia può essere attivata da IL-4/IL-13 in un fenotipo M2 per la fagocitosi dei detriti, la risoluzione dell’infiammazione e la riparazione dei tessuti. Prove crescenti suggeriscono un ruolo della riprogrammazione metabolica nella regolazione della risposta infiammatoria innata [ 105 ]. Studi hanno dimostrato che il fenotipo M1 è spesso accompagnato da uno spostamento dalla fosforilazione ossidativa alla glicolisi aerobica per la produzione di energia [ 106 ]. In queste condizioni, le richieste di energia sarebbero associate ad attività funzionali e sopravvivenza cellulare e, quindi, potrebbero servire a influenzare il contributo dell’attivazione della microglia a varie condizioni neurodegenerative.
Poiché vi sono prove considerevoli che il PBM può attivare il metabolismo mitocondriale verso la fosforilazione ossidativa e lontano dalla glicolisi aerobica, questa è una ragione plausibile per cui il PBM può cambiare il fenotipo microgliale da M1 a M2 [ 107 ]. Le conseguenze di questo cambiamento sarebbero che invece della microglia M1 che non può smaltire sostanze come le placche beta-amiloidi nell’AD e quindi generare ROS e citochine infiammatorie, la microglia M2 indotta dal PBM potrebbe eliminare le placche, esercitare effetti antinfiammatori e antiossidanti e favorire la guarigione dei tessuti [ 108 ].
3.6. Neurogenesi
Per molti anni si è pensato che il cervello adulto fosse incapace di far crescere nuove cellule cerebrali. Sebbene ci si rendesse conto che i cervelli in crescita e in sviluppo negli embrioni, nei giovani animali e nei bambini devono essere capaci di neurogenesi mediata da cellule staminali neurali (NSC) e cellule neuroprogenitrici, si pensava che questo processo fosse cessato nell’età adulta. Il punto di svolta nella nostra percezione è stata la scoperta della neurogenesi adulta e l’identificazione di cellule che sia in vitro che in vivo possono funzionare come NSC, generando nuovi neuroni, cellule gliali o entrambi [ 109 ]. Il cambiamento di paradigma riguardante la natura delle NSC e il potenziale del cervello postnatale di rigenerarsi ha aperto le porte a nuovi studi con una nuova prospettiva [ 110 ]. Ora la comunità scientifica è impegnata non solo nella comprensione approfondita della neurogenesi cerebrale adulta e delle funzioni delle NSC, ma anche in come queste possano essere incoraggiate con nuove modalità di trattamento [ 111 ]. Sperimentalmente le NSC/NP vengono rilevate mediante l’incorporazione di bromodeossiuridina (BrdU) nei nuclei delle cellule in divisione dopo l’infezione nell’animale in vari momenti prima del sacrificio, che può essere successivamente misurato da un anticorpo [ 112 ]. Tuttavia è stato stabilito che ci sono solo poche aree ben definite del cervello in cui viene osservata questa neurogenesi che sono note come “nicchie neurogeniche” [ 113 ]. Le nicchie neurogeniche più accettate sono lo strato sub-granulare del giro dentato dell’ippocampo [ 114 ] e la zona subventricolare (SVZ) dei ventricoli laterali [ 115 ]. Per essere certi che le cellule positive a BrdU siano in realtà neuroni, piuttosto che glia o qualche altro tipo di cellula, è usuale colorarle con un secondo anticorpo per NeuN (marcatore dei neuroni maturi) o per Tuj-1 (beta tubulina classe III) [ 116 ].
Il primo rapporto sulla neurogenesi stimolata da tPBM somministrato al cervello è stato condotto da uno studio di Oron et al. nel 2006, che ha indotto un ictus nei ratti e li ha trattati con tPBM. Il numero di cellule neuronali di nuova formazione (BrdU-Tuj-1 doppiamente positive) e di cellule migranti (doublecortin positive), è risultato significativamente elevato nella zona subventricolare dell’emisfero ipsilaterale all’induzione dell’ictus quando trattate con PBM [ 117 ]. Un risultato simile è stato riportato da Xuan et al., che hanno trattato topi che avevano subito un TBI utilizzando tPBM [ 118 ]. Hanno scoperto che c’era un aumento significativo di BrdU-NeuN a doppia colorazione (cellule neuroprogenitrici) nel giro dentato e nella SVZ a 1 settimana dal TBI ma non a 4 settimane dal TBI. Sono stati osservati anche aumenti di double-cortin (DCX) e TUJ-1. Un recente rapporto [ 119 ] ha mostrato che si è verificato un forte calo della neurogenesi ippocampale nei soggetti con AD, e questa riduzione è aumentata con la progressione della malattia.
3.7. Sinaptogenesi
Uno degli effetti più notevoli e potenzialmente significativi del tPBM sul cervello scoperti fino ad oggi è la sua capacità di promuovere la sinaptogenesi, detta anche neuroplasticità. Questo processo è di vitale importanza, poiché molte condizioni cerebrali, tra cui TBI, ictus, malattie neurodegenerative e disturbi dell’umore possono essere ricondotte, in parte o completamente, a connessioni neuronali scarse o aberranti in determinate regioni del cervello. Se il tPBM possiede la capacità di contrastare questi effetti facilitando l’organizzazione o la riorganizzazione neurale, potrebbe rivelarsi estremamente promettente come nuovo metodo per trattare tali disturbi cerebrali.
Un modo in cui tPBM promuove la connettività neuronale potrebbe essere tramite la regolazione positiva del BDNF (fattore neurotrofico derivato dal cervello). È un membro della classe delle “neurotrofine” che include anche il fattore di crescita nervoso (NGF), NT3, NT4 e GDNF [ 120 ]. Il BDNF è una proteina presente nel sistema nervoso, che aiuta a mantenere i neuroni esistenti e a incoraggiare la crescita di nuovi neuroni e nuove sinapsi. In particolare, si ritiene che moduli la struttura dendritica per facilitare una migliore trasmissione sinaptica [ 121 ]. È stato dimostrato che il PBM rallenta l’attenuazione del BDNF tramite il percorso ERK/CREB, influenzando così positivamente la morfogenesi dendritica e migliorando la connettività neuronale [ 122 ]. Il BDNF è anche un mediatore della proteina sinapsina-1, che migliora la sinaptogenesi accelerando lo sviluppo delle fibre neuronali e mantenendo i contatti sinaptici [ 123 ]. In uno studio condotto da Meng et al [ 124 ], sono stati osservati rami più densi e una maggiore interconnettività tra le fibre nel tessuto neurale di ratti embrionali a seguito di irradiazione con luce a 780 nm, indicando un’attività aumentata di queste proteine. Il BDNF è stato anche collegato a miglioramenti nell’adattamento neuroplastico, che è particolarmente importante nei casi di trauma cranico e ictus [ 125 ].
Se si potesse dimostrare in modo conclusivo che il tPBM stimola la neuroplasticità e la sinaptogenesi negli esseri umani e nei topi, si aprirebbero le porte a un’ampia gamma di applicazioni cliniche [ 126 ]. La neuroplasticità compromessa o aberrante è stata implicata in un’ampia gamma di disturbi cerebrali come l’Alzheimer [ 127 ], disturbi psichiatrici [ 128 ], ictus [ 129 ], TBI [ 130 ] e dipendenza [ 131 ].
Leggi l’articolo completo qui: https://www.mdpi.com/2304-6732/6/3/77