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Inflammation and oxidative stress in age-related diseases

Componenti

Attività

The research interest focus on the role of oxidized lipids, in particular cholesterol oxidation products, known as oxysterols, and 4-hydroxynonenal (HNE) in age-related chronic diseases, with emphasis on Alzheimer’s disease (AD) and atherosclerosis.

The aim of the research lines is to investigate the contribution of these oxidized lipids in inflammatory responses, oxidative stress and cell toxicity, which are the main events involved in the progression of these diseases. In this connection, molecular mechanisms of intracellular signal transductions and their modulation are deeply studied to find out the signaling pathways involved in the initiation and progression of these diseases. Besides these deleterious events, signaling pathways involved in the cell survival are also investigated.

Major findings:

Concerning atherosclerosis, our results suggest that various oxysterols and HNE contribute to its progression by favoring monocyte recruitment and foam cell formation as well as the fibrotic process. Moreover, they play a crucial role in atherosclerotic plaque instability by enhancing the inflammatory response and favoring matrix degradation through MMP-9 upregulation.

Concerning AD, oxysterols and HNE strongly enhance the binding of amyloid β to neurons by upregulating a cluster of membrane receptors as well as amyloid β formation and accumulation by activating the amyloidogenic pathway. In contrast, the induction by 24-hydroxycholesterol of a survival pathway involving the deacetylase sirtuin 1 has recently been discovered. Activation of the SIRT-1-dependent pathways reduces the accumulation of tau protein and the formation of neurofibrillary tangles through the increase of tau degradation and the reduction of tau phosphorylation. Recently, the levels of the enzyme PCSK9 (Proprotein Convertase Subtilisin/Kexin type 9) has been demonstrted to increase in human AD brain underlying its involvement in the disease progression.

These results might provide strong incentive for the development of new therapeutic strategies to prevent or counteract either AD and atherosclerosis.

Ongoing projects

Sector: 06/A2 General Pathology and Clinical Pathology, SSD MED/04 – General Pathology

Funding: FONDAZIONE CRT – Ricerca e Istruzione, Richieste Ordinarie, anno 2020

Participants: Prof Gabriella Leonarduzzi (Full Professor), Prof Paola Gamba (Associate Professor, PI), Dr Gabriella Testa (Post-doc Research Fellow), Dr Erica Staurenghi (Post-doc Research Fellow), Dr Serena Giannelli (PhD Student). Collaborations: Prof Marco Lo Iacono (DSCB), Prof Roberta Cavalli (Dipartimento di Scienza e Tecnologia del Farmaco, Università degli Studi di Torino), Prof Marzia Perluigi e Eugenio Barone (Dipartimento di Scienze Biomediche dell’Università La Sapienza di Roma).

Abstract:This project aims to identify and validate a new molecular target for a potential cure for Alzheimer's disease (AD), namely the pro-protein convertase subtilisin/kexin type 9 (PCSK9), and to develop an innovative therapeutic strategy based on the use of an anti-PCSK9 monoclonal antibody.

Despite little data on the involvement of PCSK9 in the pathogenesis of AD, it has been shown that PCSK9 levels are higher in the cerebrospinal fluid and blood of AD patients than in healthy subjects, supporting the potential use of this enzyme as an indicator of the disease. Since PCSK9 appears to be involved in the death of endothelial cells and hippocampal neurons, it is hypothesized that it may have an important role in the progression of AD, presumably by favoring the accumulation of the main neurotoxic factors: i) the senile plaques made of b-amyloid, extracellularly; ii) the neurofibrillary tangles made of hyperphosphorylated tau protein, intracellularly. The project aims to study the effects of PCSK9 in the brain to understand how its massive accumulation can influence the progression of the disease. Furthermore, we plan to exploit PCSK9 as a new therapeutic target to develop a treatment strategy based on the use of the anti-PCSK9 monoclonal antibody. The demonstration of the neurodegenerative effect of this enzyme and its inhibition by the antibody would represent an absolute novelty with an important implication in clinical practice.

In addition, highly biocompatible engineered nanoparticles (cyclodextrin-based nanosponges) will be used to increase the bioavailability of the antibody, able to easily reach the brain through the intranasal route.

Sector: 06/A2 General Pathology and Clinical Pathology, SSD MED/04 – General Pathology

Funding: Miur - RILO

Participants: Prof Gabriella Leonarduzzi (Full Professor), Prof Paola Gamba (Associate Professor), Dr Erica Staurenghi (Post-doc Research Fellow)

Abstract: Alzheimer’s disease (AD) is the most common form of dementia and the sporadic (late-onset) form of the disease, caused by a combination of genetic and environmental factors, is the most frequent. The strongest genetic risk factor for sporadic AD is the presence of the e4 allele of the apolipoprotein E (ApoE) gene, a major apolipoprotein involved in cholesterol transport in the brain. In contrast to ApoE3, the most common ApoE isoform, ApoE4 has been shown to affect many processes involved in AD pathology, including amyloid-b clearance, neuroinflammation, and synaptic function. Being astrocytes the main producers of cholesterol in the brain, ApoE4-mediated alterations in astrocytes are increasingly studied.

The presence of reactive astrocytes is a typical feature of AD brain and the increased number of reactive astrocytes correlates with synapse loss and cognitive decline. In this connection, ApoE4 expression in familial AD mouse models causes an increase in reactive astrocytes but no other data are currently available on a potential involvement of ApoE4 in astrocyte reactivity.

The aim of the project is to investigate whether ApoE4 affects astrocyte reactivity and astrocyte cholesterol metabolism, focusing in particular on PPARg, a key transcription factor in lipid homeostasis and inflammation.

Carrying out this project, we expect to demonstrate the impact of ApoE genotype on astrocyte cholesterol metabolism and to gain a better understanding of the molecular mechanisms underlying ApoE4-induced alterations in astrocytes. Furthermore, investigating astrocyte reactivity we expect to highlight new aspects affected by ApoE4 that could contribute to AD pathology.

Sector: 06/A2 General Pathology and Clinical Pathology, SSD MED/04 – General Pathology

Funding: Fondazione Veronesi, RILO

Participants: Prof Gabriella Leonarduzzi (Full Professor), Prof Paola Gamba (Associate Professor), Dr Gabriella Testa (Post-doc Research Fellow, PI)

Abstract: Impaired cholesterol metabolism and inflammation are crucial events that contribute to Alzheimer’s disease (AD), and oxidized cholesterol in the form of oxysterols is one of the main triggers. The key role of oxysterols in AD are supported by research pointing to their involvement in inducing neuroinflammation, oxidative stress, Aβ formation, and tau hyperphosphorylation. The association between changes in oxysterol concentration in the brain and AD progression, as well as the association between oxysterol levels and AD neuroinflammation, are clear.

Research studies are focusing on natural phytochemicals present in diet as bioactive molecules potentially useful against AD. Among them, hydroxytyrosol (HXT) is considered the most powerful antioxidant and anti-inflammatory compound among phenolic compounds of olive oil, the main ingredient of the Mediterranean diet. Recently, HXT revealed remarkable potential as a novel therapeutic option for the treatment of neurodegenerative disorders; however, very few studies have been reported on the beneficial effect of HXT in AD.

The aim of this Project is to demonstrate, in differentiated neuroblastoma SK-N-BE cells, the ability of HTX to prevent neuroinflammation induced by an oxysterol mixture including the main oxysterols recovered in cortical brain samples in the late stages of AD. Particular attention will be given to the analysis of the anti-inflammatory pathways mediated by sirtuin 1 (SIRT1): HXT treatment might counteract neuroinflammation induced by oxysterols through SIRT1-mediated LXR activation and/or NF-kB inhibition.

HXT’s ability to prevent neuroinflammation could open avenues in an unexplored field and a HXT dietary supplementation could offer a new chance to fight AD.

Sector: 06/A2 General Pathology and Clinical Pathology, SSD MED/04 – General Pathology

Funding: Compagnia di San Paolo, RILO

Participants: Prof Gabriella Leonarduzzi (Full Professor), Prof Paola Gamba (Associate Professor, PI), Dr Gabriella Testa (Post-doc Research Fellow), Dr Erica Staurenghi (Post-doc Research Fellow), Dr Serena Giannelli (PhD Student).

Abstract: The lack of effective therapeutics for Alzheimer’s disease (AD) provides incentive for the development of new strategies to counteract this disabling disease. AD is characterized by two main pathological hallmarks in the brain: intracellular neurofibrillary tangles (NFTs) made of hyperphosphorylated Tau protein and extracellular senile plaques caused by amyloid β (Aβ) accumulation. To date, Aβ has been the main focus of AD research, but treatments targeting Aβ failed, thus, it is likely that NFT accumulation inside neurons may be one of the main causes of degeneration.

The molecular mechanisms and the exact sequence of events leading to neurodegeneration have not been fully clarified yet. However, a closed link between altered cholesterol metabolism and AD has been recognized and it is now believed that cholesterol oxidation products (oxysterols) are key actors in AD pathogenesis. Many studies showed that various oxysterols, accumulating in the brain during AD progression, lead to neuron dysfunction and degeneration, contributing to neuroinflammation and amyloidogenesis. However, the idea is now emerging that 24-hydroxycholesterol (24-OHC), produced almost exclusively in the brain, exerts a neuroprotective action.

The general aim of the project is to develop a new strategy to counteract AD by preventing/reducing NFT formation and neuroinflammation, based on the nose-to-brain delivery of 24-OHC, whose levels dramatically decrease in the AD brain. To reach this goal, besides deepening the neuroprotective properties of 24-OHC, in particular those concerning its ability to hinder tangle formation, 24-OHC will be delivered to the brain through the nose-to-brain route using nanoparticles to increase its availability.

I principali temi di ricerca riguardano il ruolo dei lipidi ossidati, in particolare dei prodotti di ossidazione del colesterolo, noti come ossisteroli, e il 4-idrossinonenale (HNE) nelle malattie croniche associate all’invecchiamento, con particolare attenzione alla malattia di Alzheimer (MA) e all'aterosclerosi.

L'obiettivo è quello di indagare il contributo di questi lipidi ossidati nelle risposte infiammatorie, nello stress ossidativo e nella tossicità cellulare, ovvero i principali eventi coinvolti nella progressione di queste malattie. A tal proposito, la modulazione di diversi meccanismi molecolari coinvolti nella trasduzione del segnale intracellulare sono analizzati accuratamente per individuare le vie di segnalazione coinvolte nella fase iniziale e nella progressione di queste malattie. Oltre a questi eventi deleteri, vengono studiate anche le vie di segnalazione coinvolte nella sopravvivenza cellulare.

Principali risultati:

Per quanto riguarda l'aterosclerosi, i nostri risultati suggeriscono che vari ossisteroli e l’HNE contribuiscono alla sua progressione favorendo il reclutamento dei monociti e la formazione delle cellule schiumose, nonché il processo fibrotico. Inoltre, svolgono un ruolo cruciale nell'instabilità della placca ateromasica amplificando la risposta infiammatoria e favorendo la degradazione della matrice attraverso l’iperespressione dell’enzima MMP-9.

Per quanto riguarda la MA, abbiamo dimostrato che gli ossisteroli e l'HNE favoriscono il legame della β amiloide ai neuroni stimolando la sintesi di un cluster di recettori di membrana, nonché la formazione e l'accumulo della β amiloide attivando la via amiloidogenica. Al contrario, è stata recentemente scoperta l'attivazione da parte del 24-idrossicolesterolo di una via di sopravvivenza che coinvolge la deacetilasi sirtuina 1. L'attivazione delle vie dipendenti da SIRT-1 riduce l'accumulo di proteina tau e la formazione di grovigli neurofibrillari attraverso l'aumento della degradazione della proteina tau e la riduzione della sua fosforilazione. Recentemente, è stato anche dimostrato che i livelli dell'enzima PCSK9 (Proprotein Convertase Subtilisin/Kexin type 9) aumentano nel cervello umano affetta da MA sottolineando il suo coinvolgimento nella progressione della malattia.

Questi risultati potrebbero rappresentare un forte stimolo per lo sviluppo di nuove strategie terapeutiche allo scopo di prevenire o contrastare la MA e l'aterosclerosi.

Progetti in corso

Settore: 06/A2 Patologia Generale e Patologia Clinica, SSD MED/04 – Patologia Generale

Ente finanziatore: FONDAZIONE CRT – Ricerca e Istruzione, Richieste Ordinarie, anno 2020

Partecipanti al progetto: Prof.ssa Gabriella Leonarduzzi (Professore Ordinario), Prof.ssa Paola Gamba (Professore Associato, PI), Dott.ssa Gabriella Testa (Borsista, Post-doc), Dott.ssa Erica Staurenghi (Assegnista di Ricerca, Post-doc), Dott.ssa Serena Giannelli (Dottoranda). Collaborationi: Prof. Marco Lo Iacono (DSCB), Prof.ssa Roberta Cavalli (Dipartimento di Scienza e Tecnologia del Farmaco, Università degli Studi di Torino), Prof.ssa Marzia Perluigi e Prof. Eugenio Barone (Dipartimento di Scienze Biomediche dell’Università La Sapienza di Roma).

Abstract: Questo progetto si propone di individuare e validare un nuovo bersaglio molecolare per una potenziale cura della malattia di Alzheimer (MA), ovvero l’enzima pro-proteina convertasi subtilisina/kexina tipo 9 (PCSK9) e di sviluppare una strategia terapeutica innovativa basata sull’impiego di un anticorpo monoclonale anti-PCSK9.

Nonostante i pochi dati sul coinvolgimento di PCSK9 nella patogenesi della MA, è stato dimostrato che nel liquido cerebrospinale e nel sangue dei pazienti con MA i livelli di PCSK9 sono più elevati rispetto a quelli riscontrati nei soggetti sani, a sostegno del potenziale utilizzo di questo enzima come indicatore della malattia. Poiché PCSK9 sembrerebbe essere coinvolto nella morte delle cellule endoteliali e dei neuroni ippocampali, si ipotizza che possa avere un ruolo importante nella progressione della MA, presumibilmente favorendo l’accumulo dei principali fattori neurotossici: i) le placche senili formate da b-amiloide, a livello extracellulare; ii) i grovigli neurofibrillari formati dalla proteina tau iperfosforilata, a livello intracellulare. Il progetto si propone di studiare gli effetti di PCSK9 nel cervello per comprendere come il suo accumulo massivo possa influenzare la progressione della malattia. Inoltre, ci proponiamo di sfruttare il PCSK9 come nuovo bersaglio terapeutico per sviluppare una strategia di cura basata sull’impiego dell’anticorpo monoclonale anti-PCSK9. La dimostrazione dell’effetto neurodegenerativo di tale enzima e la sua inibizione da parte dell’anticorpo rappresenterebbe una novità assoluta con un risvolto importante nella pratica clinica.

Inoltre, per aumentare la biodisponibilità dell’anticorpo verranno impiegate nanoparticelle ingegnerizzate altamente biocompatibili (nanospugne a base di ciclodestrine) in grado di raggiungere facilmente il cervello attraverso la via intranasale.

Settore: 06/A2 Patologia Generale e Patologia Clinica, SSD MED/04 – Patologia Generale

Ente finanziatore: Miur, RILO

Partecipanti al progetto: Prof.ssa Gabriella Leonarduzzi (Professore Ordinario), Prof.ssa Paola Gamba (Professore Associato), Dott.ssa Erica Staurenghi (Assegnista di Ricerca, Post-doc)

Abstract: La malattia di Alzheimer (MA) è la più comune demenza e la forma sporadica ad esordio tardivo, causata da una combinazione di fattori genetici e ambientali, è la più frequente. Il principale fattore di rischio genetico per la MA sporadica è la presenza dell'allele ε4 del gene dell'apolipoproteina E (ApoE), un’apolipoproteina ​​coinvolta nel trasporto del colesterolo nel cervello. A differenza dell'ApoE3, l'isoforma più comune di ApoE, l'ApoE4 influenza molti processi coinvolti nella patogenesi della MA, tra cui la clearance della b amiloide, la neuroinfiammazione e la funzionalità sinaptica. Essendo gli astrociti i principali produttori di colesterolo nel cervello, le alterazioni mediate da ApoE4 negli astrociti sono sempre più studiate.

La presenza di astrociti reattivi è una caratteristica della MA e l'aumento del loro numero correla con la perdita di sinapsi e il declino cognitivo. L'espressione di ApoE4 in modelli murini di MA provoca un aumento degli astrociti reattivi; tuttavia, non sono disponibili altri dati sul coinvolgimento di ApoE4 nella reattività astrocitaria.

Lo scopo del progetto è indagare se l'ApoE4 influenzi la reattività e il metabolismo del colesterolo negli astrociti, concentrandosi in particolare sul PPARγ, fattore di trascrizione chiave nell'omeostasi del colesterolo e nell'infiammazione.

Con lo sviluppo di questo progetto si intende dimostrare l'impatto del genotipo ApoE sul metabolismo del colesterolo degli astrociti e di ottenere una migliore comprensione dei meccanismi molecolari alla base delle alterazioni indotte da ApoE4. Inoltre, studiando la reattività astrocitaria ci aspettiamo di evidenziare nuovi aspetti che potrebbero contribuire all’insorgenza e alla progressione della MA.

Settore: 06/A2 Patologia Generale e Patologia Clinica, SSD MED/04 – Patologia Generale

Ente finanziatore: Fondazione Veronesi, RILO

Partecipanti al progetto: Prof.ssa Gabriella Leonarduzzi (Professore Ordinario), Prof.ssa Paola Gamba (Professore Associato), Dott.ssa Gabriella Testa (Borsista, Post-doc, PI)

Abstract: L’alterato metabolismo del colesterolo e l'infiammazione contribuiscono alla progressione della malattia di Alzheimer (MA). Il colesterolo ossidato, sotto forma di ossisteroli, è uno dei fattori scatenanti la MA. Il ruolo degli ossisteroli nella MA è sostenuto dal loro coinvolgimento nell'indurre neuroinfiammazione, stress ossidativo, formazione di β amiloide e iperfosforilazione di tau. È chiara l'associazione tra i cambiamenti delle concentrazioni degli ossisteroli nel cervello e la progressione della malattia, nonché l'associazione tra i livelli di ossisteroli e la neuroinfiammazione.

La ricerca si sta concentrando sui fitochimici naturali presenti nella dieta come molecole bioattive potenzialmente utili contro la MA. Tra questi, l'idrossitirosolo (HXT) è il più potente composto antiossidante e anti-infiammatorio tra i composti fenolici dell'olio di oliva, ingrediente principale della dieta Mediterranea. Recentemente, l'HXT si è rivelato una potenziale opzione terapeutica per il trattamento dei disturbi neurodegenerativi; tuttavia, sono pochissimi gli studi sull'effetto benefico dell'HXT nella MA.

Lo scopo del progetto è dimostrare, in cellule differenziate di neuroblastoma SK-N-BE, la capacità dell'HTX di prevenire la neuroinfiammazione indotta da una miscela di ossisteroli composta dai principali ossisteroli rilevati nella corteccia cerebrale di soggetti con MA avanzata. Particolare attenzione sarà data all'analisi della via antinfiammatoria mediata dalla sirtuina 1 (SIRT1): il trattamento con HXT potrebbe contrastare la neuroinfiammazione indotta dagli ossisteroli attraverso l'attivazione di LXR mediata da SIRT1 e/o l'inibizione di NF-kB.

La capacità di HXT di prevenire la neuroinfiammazione potrebbe aprire nuove strade in un campo finora inesplorato e l'integrazione alimentare di HXT potrebbe offrire una nuova possibilità di combattere la MA.

Settore: 06/A2 Patologia Generale e Patologia Clinica, SSD MED/04 – Patologia Generale

Ente finanziatore: Compagnia di San Paolo, RILO

Partecipanti al progetto: Prof.ssa Gabriella Leonarduzzi (Professore Ordinario), Prof.ssa Paola Gamba (Professore Associato, PI), Dott.ssa Gabriella Testa (Borsista, Post-doc), Dott.ssa Erica Staurenghi (Assegnista di Ricerca, Post-doc), Dott.ssa Serena Giannelli (Dottoranda).

Abstract: La mancanza di terapie efficaci per il morbo di Alzheimer (MA) incentiva lo sviluppo di nuove strategie per contrastare questa malattia invalidante. La MA è caratterizzata da due principali segni patologici nel cervello: i grovigli neurofibrillari (NFT) costituiti da proteina Tau iperfosforilata e le placche senili causate dall'accumulo di β amiloide. Ad oggi, i trattamenti mirati all'eliminazione della β amiloide hanno fallito, quindi è probabile che l'accumulo di NFT all'interno dei neuroni possa essere una delle principali cause di degenerazione.

I meccanismi molecolari e l'esatta sequenza di eventi che portano alla neurodegenerazione non sono stati ancora del tutto chiariti. Tuttavia, è stato riconosciuto uno stretto legame tra il metabolismo alterato del colesterolo e la MA e ora si ritiene che i prodotti di ossidazione del colesterolo (ossisteroli) siano coinvolti attivamente nella patogenesi della malattia. Molti studi hanno dimostrato che diversi ossisteroli, accumulandosi nel cervello durante la progressione della MA, portano alla disfunzione e alla degenerazione dei neuroni, contribuendo alla neuroinfiammazione e all'amiloidogenesi. Tuttavia, sta emergendo l'idea che il 24-idrossicolesterolo (24-OHC), prodotto quasi esclusivamente nel cervello, eserciti un'azione neuroprotettiva.

L'obiettivo generale del progetto è sviluppare una nuova strategia per contrastare la MA prevenendo/riducendo la formazione di NFT e la neuroinfiammazione. Tale strategia è basata sulla somministrazione intranasale di 24-OHC, i cui livelli diminuiscono drasticamente nel cervello di soggetti affetti da MA. Per raggiungere questo obiettivo, oltre ad approfondire le proprietà neuroprotettive del 24-OHC, in particolare quelle riguardanti la sua capacità di ostacolare la formazione di grovigli, il 24-OHC sarà somministrato utilizzando nanoparticelle per aumentarne la disponibilità.

Prodotti della ricerca

Testa G, Staurenghi E, Giannelli S, Gargiulo S, Guglielmotto M, Tabaton M, Tamagno E, Gamba P, Leonarduzzi G. A silver lining for 24-hydroxycholesterol in Alzheimer's disease: The involvement of the neuroprotective enzyme sirtuin 1. Redox Biol. 2018 17:423-431. ISSN: 2213-2317.

Gamba P, Staurenghi E, Testa G, Giannelli S, Sottero B, Leonarduzzi G. A Crosstalk Between Brain Cholesterol Oxidation and Glucose Metabolism in Alzheimer's Disease. Front Neurosci. 2019 13:556. ISNN: 1662-453x

Testa G, Staurenghi E, Giannelli S, Sottero B, Gargiulo S, Poli G, Gamba P, Leonarduzzi G. Up-regulation of PCSK6 by lipid oxidation products: A possible role in atherosclerosis. Biochimie. 2021 181:191-203. ISNN: 0300-9084

Staurenghi E, Cerrato V, Gamba P, Testa G, Giannelli S, Leoni V, Caccia C, Buffo A, Noble W, Perez-Nievas BG, Leonarduzzi G. Oxysterols present in Alzheimer's disease brain induce synaptotoxicity by activating astrocytes: A major role for lipocalin-2. Redox Biol. 2021 39:101837. ISSN: 2213-2317.

Gamba P, Giannelli S, Staurenghi E, Testa G, Sottero B, Biasi F, Poli G, Leonarduzzi G. The Controversial Role of 24-S-Hydroxycholesterol in Alzheimer's Disease. Antioxidants (Basel). 2021 10(5):740. ISNN: 2076-3921

Ultimo aggiornamento: 14/02/2022 17:48
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