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Metabolismo energetico cerebrale e PET
Tecniche di esplorazione funzionale in vivo del cervello Ing. Lorenzo Sani E-mail: [email protected] Laboratorio di Biochimica Clinica e Biologia Molecolare Clinica Facoltà di Medicina, Università di Pisa Materiale didattico: www.bioclinica.unipi.it/lezioni/bioingegneria [email protected] www.ing.unipi.it “Prenotazione Esami” Tecniche di esplorazione funzionale in vivo del cervello • • • • I metodi di neuroimaging attualmente sviluppati non solo forniscono informazioni sulla struttura e sull’anatomia cerebrale, ma consentono anche di investigare lo stato funzionale in vivo del cervello umano Distinzione generale tra le metodiche di esplorazione funzionale in vivo del cervello: Tecniche elettriche - magnetiche: rilevano direttamente la funzionalità cerebrale attraverso la misurazione dei correlati elettrici o magnetici dell’attività neuronale (EEG; MEG) Metodiche emodinamiche - metaboliciche: rilevano indirettamente la funzionalità cerebrale attraverso la misurazione degli eventi vascolari o metabolicici che accompagnano l’attività neuronale (PET, fMRI) Le metodologie di esplorazione funzionale in vivo del cervello - Introduzione 1991 1881 80s Today Le metodologie di esplorazione funzionale in vivo del cervello - Introduzione Friston K., Science, 2009 Le metodologie di esplorazione funzionale in vivo del cervello - Introduzione • Bioingegneria • Matematica • Fisica • Psicologia • Neurologia • Farmacologia • Marketing e Economia • Morale e Etica • Giurisprudenza Le metodologie di esplorazione funzionale in vivo del cervello - Vantaggi Caratterizzazione anatomico-strutturale e funzionale in vivo del cervello umano Versatilità (es. variazione della modalità di acquisizione, modifiche sperimentali, modulazione farmacologica, ecc.) 1 sec 11 sec 6 sec 16 sec Le metodologie di esplorazione funzionale in vivo del cervello - Vantaggi Pietrini et al., Am J Psychiatry, 1999 Correlazione con metodi diagnostici differenti Variabili periferiche (HR, SCR, ecc.), caratterizzazione neuropsicologica, parametri comportamentali, ecc. Dati strutturali White et al., FieldStrenght, 2008 Le metodologie di esplorazione funzionale in vivo del cervello - Vantaggi Informazioni originali rispetto ad altre metodologie Haxby et al., Science, 2001 Tecniche di esplorazione funzionale in vivo del cervello Metabolismo energetico cerebrale Esplorazione funzionale in vivo del cervello Perché studio in vivo? Differenze in vitro e in vivo 1. Limite anatomico: la barriera emato-encefalica Esplorazione funzionale in vivo del cervello Perché studio in vivo? 2. Segregazione e integrazione funzionale Esplorazione funzionale in vivo del cervello Perché studio in vivo? 3. Limite dei modelli animali Esplorazione funzionale in vivo del cervello La prima esperienza di Angelo Mosso: l’aumento dell’attività cerebrale induce un aumento di flusso ematico Esplorazione funzionale in vivo del cervello Angelo Mosso (1881): Concerning the Circulation of the Blood in the Human Brain Verlag von Viet & Company: Leipzig, pages 66-67 Fisiologia della Correlazione Flusso EmaticoMetabolismo Cerebrale Nonostante i numerosi sforzi per risolvere il quesito del “neurovascular coupling”, non è ancora chiaro il meccanismo fisiologico legato al controllo della richiesta, da parte dei neuroni, di un maggiore flusso sanguigno. Sono stati suggeriti differenti modelli di regolazione dinamica cerebrovascolare e le ipotesi più probabili sono: • il rilascio, da parte dei neuroni, di vari fattori chimici che agiscono come mediatori di tipo biometabolico come per esempio l’ossido nitrico, l’adenosina, gli ioni idrogeno o potassio; • il rilascio, da parte dei neuroni, di opportuni neurotrasmettitori; • una innervazione diretta che parte dai neuroni e raggiunge la muscolatura vascolare Il metabolismo cerebrale del glucosio • Tessuto nervoso comprende neuroni e cellule gliali • In condizioni fisiologiche l’ossidazione del glucosio a CO2 ed H2O è pressoché l’unica via metabolica per la produzione di ATP • L'apporto di glucosio ed ossigeno dipende strettamente dal flusso ematico cerebrale • Cervello: ~2% del peso corporeo ma riceve il 15% della gittata cardiaca basale e consuma il 20% dell'O2 (50% nel bambino) • Estrae circa il 10% del glucosio nel sangue • Riserve cerebrali di glicogeno molto limitate • Il flusso ematico cerebrale aumenta nelle regioni cerebrali dove vi è un’aumentata richiesta metabolica • I prodotti del metabolismo energetico (CO2, ADP, AMP) contribuiscono a regolare l’aumento di flusso ematico • L'interruzione completa del flusso ematico cerebrale comporta perdita di coscienza in pochi secondi e danni irreversibili in pochi minuti Il neurone : la struttura di base • Il neurone è l’unità che processa e trasporta le informazioni nel SN • I neuroni possono avere differenti forme ed essere funzionalmente specializzati • Le principali strutture che li caratterizzano sono: La sinapsi • La sinapsi, presente sul terminale assonico (ma non solo), rappresenta l’unita fisico-funzionale di trasmissione dell’impulso nervoso • Essa è costituita da un elemento presinaptico (il bottone e la membrana dell’assone) separato, da un vallo sinaptico, dall’elemento post-sinaptico (la membrana di un dendrita, di un pirenoforo o di un altro assone) Connessioni neuronali Le proprietà elettriche del neurone: il potenziale d’azione DESTINO METABOLICO DI GLUCOSIO E O 2 3Na+ Glucosio Pompa membrana cellulare Na+/K+ 2K+ ADP + Pi ATP ATP GLICOLISI PCr + ADP ATP + AMP citoplasma cellulare 2ADP ATP ADP membrana translocasi ATP Piruvato Pi Ca2+ H+ mitocondriale ADP Pi Ca2+ H+ matrice mitocondriale Acetil-CoA ADP + Pi ATP ATP sintetasi catena di trasferimento degli elettroni fosforilazione ossidativa CICLO DI KREBS Lattato DESTINO METABOLICO DI GLUCOSIO E O 2 GLICOLISI CICLO DI KREBS Glucosio Piruvato ATP Pi + Esochinasi AMP, ADP, NAD+ + Complesso della _ piruvato deidrogenasi ATP, NADH ADP Glucosio-6-P Fosfo-esoso isomerasi Acetil-CoA Fruttosio-6-P ATP AMP, Pi + Fosfofrutto-chinasi ATP, citrato _ ADP Isocitrato Malato deidrogenasi Fruttosio-1,6-biP ADP, Ca ++ Malato NADH Fumarato Fosfoenolpiruvato ATP AMP + Piruvato-chinasi ATP, NADH _ ADP Piruvato Citrato Ossaloacetato Lattato Succinato deidrogenasi Succinato FADH2 + Isocitrato deidrogenasi α-cheto glutarato α-cheto glutarato deidrogenasi Succinil-CoA DESTINO METABOLICO DI GLUCOSIO E O 2 Glicogeno Lattato Fosforilasi a UDP-glucosio Glucosio-1-P condizioni anaerobiche Glucosio-6-fosfatasi Glucosio Esochinasi Glicolisi Glucosio-6-P shunt 5-8% Ribulosio-5-P sintesi componenti cellulari (glicoproteine, glicolipidi, ecc.) 10% sintesi e metabolismo di neurotrasmettitori (ossidasi, ossigenasi ecc.) Acetil-CoA Ciclo di Krebs Fosforilazione ossidativa CO2 + H2O 36-38 ATP ~ 10-15% 2 ATP Piruvato O2 condizioni aerobiche 90% ossidazione del glucosio ~ 85-90% La glicolisi libera solo il 5,2% dell’energia totale disponibile nella molecola di glucosio, che può essere ricavata dall’ossidazione completa a CO2 e H2O Consumo di ATP nel Cervello in Condizioni di Riposo Somatosensoriale 65% processi collegati ai flussi ionici: pompa Na+/K+: mantenimento del potenziale di membrana negativo; processi legati al reuptake di neurotrasmettitori 15% processi biochimici di sintesi: sintesi proteica (6%) sintesi lipidica (2%) sintesi dei nucleotidi (1%) glicogenosintesi (2%) turn-over neurotrasmettitoriale 20% altri processi: trasporto assoplasmatico veloce (6%) trasporto di calcio reazioni di fosforilazione riciclo vescicole sinaptiche La maggior parte della produzione di ATP nel cervello a riposo è destinata a mantenere la funzione della pompa Na+/K+ Eventi legati all’Attivazione Neuronale Cerebrale • Stimolando una cellula nervosa si provoca la sua depolarizzazione e lo sviluppo di un potenziale d’azione, caratterizzato a livello intracellulare da un aumento del sodio e da una diminuzione del potassio • L’aumento dell’attività di trasmissione sinaptica aumenta l’attività della pompa Na+/K+, necessaria a ripristinare il potenziale negativo della membrana cellulare • Questo comporta un incremento della richiesta energetica (di ATP), che viene soddisfatta attraverso il metabolismo ossidativo del glucosio, con aumento della produzione di ATP dal 60% all’ 80% Eventi legati all’Attivazione Neuronale Cerebrale Il maggior quantitativo di ATP prodotto durante l'attivazione neuronale è utilizzato esclusivamente per il funzionamento della pompa Na+/K+ Esperimento di Mata e coll., 1980 J Neurochem, 34: 213-215 preparati in vivo di cellule nervose stimolazione elettrica a 10 Hz del 30% consumo di glucosio UABAINA blocco della pompa Na+/K+ = Eventi legati all’Attivazione Neuronale Cerebrale Il consumo di ATP avviene a livello delle sinapsi e non dei corpi cellulari Esperimento di Kadekaro e coll., 1987 Proc Natl Acad Sci USA, 84: 5492-5495 Eventi legati all’Attivazione Neuronale Cerebrale • L’aumento dell’attività neuronale in una regione cerebrale induce un aumento del flusso ematico locale (coupling) • Il flusso ematico fornisce glucosio e ossigeno ai neuroni • In condizioni fisiologiche nel neurone l’unica via metabolica è l’ossidazione del glucosio con produzione di ATP • L’ATP serve a ripristinare il potenziale di membrana • Il glucosio rappresenta un indice indiretto dell’attività neuronale sinaptica • Il consumo di ATP avviene a livello delle sinapsi e non dei corpi cellulari Esplorazione funzionale in vivo dei correlati neurometabolici dell’attività cerebrale Riposo mV +50 Blood Flow 0 = Hb Hemoglobin -70 EEG2 MEG 1 attività neuronale sinaptica 3 attività della pompa Na+/K+ msec Attivazione Oxygen H215O-PET fMRI richiesta di ATP richiesta di ossigeno e glucosio = HbO2 FDG-PET sMRI flusso ematico cerebrale metabolismo ossidativo del glucosio e produzione di ATP Tecniche di esplorazione funzionale in vivo del cervello La Tomografia ad Emissione di Positroni (PET) Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni Presupposti fisici: Radionuclidi a breve emivita (es. ed emettono positroni 18 Fluoro, 15 Ossigeno) che decadono Positroni ed elettroni (stessa massa, carica opposta) annichilano e danno origine a due raggi γ in direzione diametralmente opposta, rilevabili da appositi detettori (Tomografo PET) Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio e del Flusso Ematico Cerebrale mediante PET • Sostanze di interesse biologico, quali substrati metabolici, possono essere marcati usando questi radionuclidi positrone-emittenti • Per lo studio in vivo del metabolismo cerebrale possiamo utilizzare: • FDG per misurare il metabolismo glucidico • H215O per misurare il flusso ematico 18 misurano l'attività sinaptica neuronale di un determinato distretto cerebrale Caratteristiche distintive 18 •emivita (min) •tempo di osservazione (min) •durata singolo studio (min) •numero di studi possibili nella stessa sessione PET FDG 110 45 65 1-2 H215O 2 1-4 1-4 > 10 Il modello del 18Fluoro-2-deossi-D-glucosio nello Studio in vivo del Metabolismo Glucidico Cerebrale Tessuto cerebrale Plasma [ F]deossiglucosio 18 K1 glucosio K2 Barriera emato-encefalica precursori prodotti metabolici [18F]glicolipidi [18F]deossiglicogeno [18F]UDPDG [18F]glicoproteine [18F]deossiglucosio-1-P K*1 K*2 [18F]deossiglucosio glucosio K*3 esochinasi [18F]deossiglucosio-6-P K3 esochinasi glucosio-6-P fosfoglucosio isomerasi fruttosio-6-P G-6-Pasi CO2 + H2O HO-CH2 H HO O H OH H H OH glucosio HO-CH2 H OH H HO O H H OH H OH H H ( 18F ) 2-deossi-D-glucosio Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni • Effetti della stimolazione sensoriale visiva aumento % del metabolismo del glucosio Studio del Metabolismo Cerebrale del Glucosio in vivo nell’Uomo in Condizioni Fisiologiche • Condizione di riposo 60 50 Corteccia Visiva 40 30 20 10 0 occhi chiusi 1 occhio 2 occhi scena complessa Studio del Metabolismo Cerebrale del Glucosio in vivo nell’Uomo in Condizioni Fisiologiche 18 18 F-fluorodopa FDG -glucosio Anziano Sano Malato AD 18 F-fluoroetilspiperone La PET cerebrale tra applicazioni cliniche e di ricerca Alterazioni del Metabolismo Cerebrale del Glucosio nelle Malattie Neurodegenerative: la Demenza di Alzheimer • Progressivo e globale decadimento delle funzioni cognitive (memoria → linguaggio, ragionamento, pensiero astratto, ecc.) • Le riduzioni dei valori di metabolismo glucidico in pazienti con malattia di Alzheimer: SOGGETTO NORMALE DEMENZA INIZIALE DEMENZA MODERATA DEMENZA GRAVE • prevalenti nelle regioni della neocorteccia associativa dei lobi parietale, temporale e frontale • si aggravano con il progredire della malattia • correlano con il quadro di disfunzione cognitiva e, in alcuni casi, possono precedere e predire il successivo sviluppo dei deficit neuropsicologici Studio in vivo delle funzioni cerebrali: elaborazione dei dati acquisiti con metodologia PET ATTIVAZIONE RIPOSO DIFFERENZA NORMALIZZAZIONE ANATOMICA (Talairach e Tournoux Atlas) IMMAGINI INDIVIDUALI DI DIFFERENZA IMMAGINE MEDIA DELLE DIFFERENZE PET - applicazioni cliniche • Oncologiche • Cardiache • Cerebrali • Malattie Infettive • Farmacologiche • Metaboliche PET-FDG: diagnosi e caratterizzazione PET-FDG: stadiazione PET-FDG: stadiazione PET-FDG: verifica della terapia Esame PET Linfoma di Hodgkin Esame PET Post-trattamento
