Due anni fa, l’immunologo e imprenditore medico-editoriale Leslie Norins si è offerto di assegnare 1 milione di dollari del suo denaro a qualsiasi scienziato che potesse dimostrare che il morbo di Alzheimer era causato da un germe.
La teoria che un’infezione potrebbe causare questa forma di demenza è stata rimbombante per decenni ai margini della ricerca neuroscientifica. La maggior parte dei ricercatori di Alzheimer, sostenuta da un enorme volume di prove, pensa invece che i colpevoli chiave siano molecole appiccicose nel cervello chiamate amiloidi, che si raggruppano in placche e causano l’infiammazione, uccidendo i neuroni.
Norins voleva premiare il lavoro che avrebbe reso l’idea di infezione più persuasiva. L’ipotesi amiloide è diventata “l’unica credenza accettabile e supportabile della Chiesa stabilita di saggezza convenzionale”, dice Norins. “I pochi pionieri che hanno esaminato i microbi e pubblicato documenti sono stati ridicolizzati o ignorati.”
In gran parte, questo è stato perché alcuni primi sostenitori della teoria dell’infezione visto come un sostituto per l’ipotesi amiloide. Ma alcune ricerche recenti hanno fornito accenni intriganti che le due idee potrebbero combaciare – che l’infezione potrebbe seminare alcuni casi di malattia di Alzheimer innescando la produzione di grumi amiloidi.
I dati suggeriscono un ruolo radicale per l’amiloide nei neuroni. Invece di essere solo un prodotto di scarto tossico, l’amiloide potrebbe avere un importante lavoro proprio: aiutare a proteggere il cervello dalle infezioni. Ma l’età o la genetica può interrompere i controlli e gli equilibri nel sistema, trasformando l’amiloide da difensore in cattivo.
E questa idea suggerisce nuove strade da esplorare per potenziali terapie. Per testare ulteriormente la teoria, gli scienziati stanno sviluppando modelli animali che imitano più da vicino la malattia di Alzheimer. “Stiamo prendendo sul serio le idee”, dice il neuroscienziato Bart de Strooper, direttore dello UK Dementia Research Institute all’University College di Londra.
Colpito da grumi
L’ipotesi amiloide sostiene che l’Alzheimer deriva da un accumulo di proteine appiccicose e solubili – i peptidi amiloidi-β – negli spazi tra le cellule cerebrali. Questi peptidi sono scissi da un’altra proteina incorporata nelle membrane dei neuroni. Una volta liberi, si raggruppano in strutture più grandi che, se non vengono eliminate abbastanza efficacemente da enzimi speciali, si aggregano in placche. Le placche innescano poi una cascata mortale: provocano una neuroinfiammazione e generano fasci di proteine filamentose chiamate grovigli tau. Di fronte a questa litania di insulti, i neuroni muoiono.
I critici dell’ipotesi notano che il cervello di molte persone che non avevano il morbo di Alzheimer ha dimostrato di contenere placche post-mortem. E sottolineano il fallimento di molti studi clinici di trattamenti progettati per dissolvere le placche amiloidi, nessuno dei quali ha rallentato la malattia. I ricercatori che sostengono la teoria dell’amiloide sostengono che anche se la densità delle placche varia molto tra gli individui, la densità dei grovigli tau che innescano è strettamente correlata alla gravità della malattia. E gli studi clinici probabilmente hanno fallito, dicono, perché i trattamenti sono stati dati troppo tardi nel corso della malattia.
Hanno anche forti prove dalla loro parte. Ci sono alcune forme rare e aggressive del morbo di Alzheimer che emergono presto – tra i 30 e i 60 anni – e che corrono nelle famiglie; queste condizioni sono causate da mutazioni nei geni che governano il processo di produzione di amiloide e l’infiammazione nel cervello. Molti altri geni sono stati associati al rischio della forma più comune di esordio tardivo della malattia. Diversi codici per proteine che comprendono elementi della cascata amiloide, e alcuni sono coinvolti nel sistema immunitario innato – un gruppo di meccanismi che si attivano rapidamente per prevenire la diffusione di agenti patogeni nel corpo, e che guidano l’infiammazione.
Agenti di infezione
Ricercatori che sperano di verificare l’ipotesi di infezione sono andati a caccia di microbi in migliaia di cervelli post-mortem di persone con Alzheimer. In molti, li hanno trovati. “Ma questi studi mostrano solo correlazioni che possono avere spiegazioni che non hanno nulla a che fare con i meccanismi”, dice de Strooper.
Ruth Itzhaki, una biofisica dell’Università di Manchester, Regno Unito, che ha riportato osservazioni del virus herpes simplex 1 (HSV1) nei cervelli post-mortem di Alzheimer negli anni ‘901, si oppone a tali critiche. Lei pensa che la presenza di microbi nel cervello deve indicare un ruolo per loro, e lei e altri pensano di avere buone prove che i virus sono un perno nell’Alzheimer. “La maggior parte di noi ha sempre riconosciuto che l’amiloide era una caratteristica molto importante dell’Alzheimer – ma non è solo la causa”, dice.
Campioni di tessuto cerebrale di persone con malattia di Alzheimer a volte ospitano microbi.Credit: Patrice Latron/Look at Sciences/SPL
Diversi microbi sono stati proposti come fattori scatenanti dell’Alzheimer, compresi tre herpes virus umani e tre batteri: Chlamydia pneumoniae, una causa di infezioni polmonari; Borrelia burgdorferi, l’agente della malattia di Lyme; e, più recentemente, Porphyromonas gingivalis, che porta a malattie gengivali. In teoria, qualsiasi agente infettivo che può invadere il cervello potrebbe avere questo ruolo di innesco (non ci sono buone prove, tuttavia, che la SARS-CoV-2, il virus dietro COVID-19, abbia questa capacità).
La maggior parte dei gruppi in questo campo ha un microbo preferito, e due documenti che attirano l’attenzione nel 2018 hanno esaminato il ruolo degli herpes virus. Uno, dal gruppo di Joel Dudley alla Icahn School of Medicine al Mount Sinai di New York, ha analizzato enormi tranche di dati su geni, proteine e struttura dei tessuti generati da quasi 1.000 cervelli post-mortem disponibili in vari database. Il team ha cercato firme rivelatrici di virus nel tessuto cerebrale – frammenti di geni o proteine specifiche per l’herpes – e ha concluso che i livelli di virus dell’herpes umano 6A (HHV-6A) e virus dell’herpes umano 7 erano più alti nelle persone che avevano la malattia di Alzheimer rispetto ai controlli2.
Ma altri ricercatori, tra cui il virologo Steven Jacobson al National Institute of Neurological Disorders and Stroke di Bethesda, Maryland, il cui team ha studiato un campione di più di 1.000 cervelli post-mortem, non è riuscito a replicare la scoperta di Dudley3.
E nonostante il numero impressionante di cervelli individuali nello studio di Dudley, i risultati sono correlati. Anche la fonte dei dati è preoccupante, dice Michael Heneka del Centro tedesco per le malattie neurodegenerative di Bonn. Il cervello delle persone con Alzheimer è in cattive condizioni prima della morte, e il tessuto si rompe ulteriormente prima dell’autopsia; i microbi potrebbero facilmente trapelare in essi negli ultimi giorni di vita o dopo la morte. “Non possiamo fare troppe ipotesi dal materiale post-mortem sulla patogenesi di una malattia che ha una traiettoria di circa tre decenni”, dice.
Il documento di Dudley è arrivato sulla scia di uno studio decennale a Taiwan, che ha seguito più di 8.000 persone a cui è stato diagnosticato il virus herpes simplex, e li ha confrontati con un gruppo di controllo di 25.000 che non avevano ricevuto la stessa diagnosi. Il gruppo di persone con l’herpes aveva un rischio aumentato di 2,5 volte di sviluppare il morbo di Alzheimer, ma questo aumento è stato quasi eliminato in coloro che hanno ricevuto un trattamento farmacologico aggressivo4.
Anche prima di questa recente impennata nella prominenza della teoria, l’idea che le infezioni potrebbero in qualche modo provocare l’Alzheimer aveva abbastanza trazione per i ricercatori per lanciare una sperimentazione clinica. Nel 2017, un team della Columbia University di New York City ha iniziato a testare se il farmaco antivirale valacyclovir potrebbe rallentare il declino cognitivo e la formazione di placche amiloidi in persone con malattia di Alzheimer lieve che erano anche risultate positive agli anticorpi del virus herpes simplex. I risultati sono attesi nel 2022.
L’onere della prova
Quando gli studi umani forniscono solo correlazioni, i ricercatori spesso si rivolgono agli esperimenti sugli animali per cercare la causa. Ma i modelli animali di Alzheimer non sono perfetti; i topi, per esempio, non sviluppano le placche caratteristiche con l’età, a meno che non siano geneticamente modificati per produrle. Il topo transgenico 5xFAD, ampiamente utilizzato, esprime cinque mutazioni rilevanti nei geni che codificano per la proteina pre-amiloide e uno degli enzimi che la tagliano in amiloide-β. Questi topi esprimono i geni a livelli altissimi, e cominciano a sviluppare placche quando hanno solo due mesi di vita.
Il neurogenetista Rudolph Tanzi e i suoi colleghi del Massachusetts General Hospital di Charlestown hanno usato il modello di topo 5xFAD per studiare un’idea che è emersa un venerdì pomeriggio del 2008, quando era in corso la tradizionale “ora della birra” del dipartimento – nota anche al personale e agli studenti come “ora di aggiustamento dell’atteggiamento”.
Tanzi stava cercando i geni del rischio di Alzheimer in alcuni nuovi dati di genomica umana ed era perplesso nel vedere spuntare un gene per CD33, una proteina ampiamente espressa nel sistema immunitario innato. E’ andato alla porta accanto per chiedere al suo amico e collega Rob Moir cosa pensava della strana idea che il sistema immunitario innato potesse far emergere un gene candidato per l’Alzheimer.
Moir, un neuroscienziato, era impegnato a esaminare ciò che era nuovo nella letteratura generale delle scienze della vita, e si era imbattuto in un documento sui peptidi antimicrobici, che si trovano in molti percorsi di immunità innata. “Amico, guarda qui”, ha chiamato Tanzi. Il suo computer mostrava una tabella che descriveva i peptidi, tutti di lunghezza simile all’amiloide-β e con alcune proprietà simili. “Pensi che l’amiloide-β potrebbe essere un peptide antimicrobico?” chiese. Tanzi non esitò. “Testiamolo!”
Moir corse con l’idea. “Era come un cane con una pantofola, non voleva lasciarla andare”, ricorda Tanzi.
A questo punto, nessuno aveva pensato molto se l’amiloide-β potesse avere un suo ruolo specifico, nonostante il fatto che sia altamente conservato attraverso le specie – un forte indicatore di utilità biologica. La sequenza ha almeno 400 milioni di anni, ed è presente in circa due terzi di tutti i vertebrati. Forse era più di un cattivo ragazzo, hanno ipotizzato. Forse aveva una funzione da bravo ragazzo, intrappolando i microbi che trovano la loro strada nel cervello e impedendo loro di causare malattie. Questo sistema potrebbe andare male quando il cervello invecchia e perde la sua capacità di eliminare efficacemente gli amiloidi.
Tanzi, che si era laureato in microbiologia, ha chiesto allo studente post-laurea Stephanie Soscia di guardare rapidamente se l’amiloide-β potrebbe uccidere otto microrganismi comuni che causano malattie in una provetta, tra cui Streptococcus pneumoniae ed Escherichia coli. Potrebbe, ha trovato – almeno con la stessa efficacia dei noti peptidi antimicrobici.
Hanno fatto correre questo fatto alla stampa5 nel 2010, e negli anni successivi, Moir ha presieduto una serie di esperimenti più approfonditi per sondare ciò che ora chiamano la loro ipotesi di protezione antimicrobica. Hanno iniettato il batterio Salmonella typhimurium direttamente nel cervello dei topi 5xFAD che producono placche e hanno scoperto che sono sopravvissuti più a lungo dei topi non transgenici, senza placche. Hanno trovato risultati simili nei vermi nematodi, utilizzando il fungo patogeno Candida albicans. In entrambi i casi, gli amiloidi formavano reti appiccicose che fagocitavano e disarmavano gli agenti patogeni6 (vedi ‘Come i microbi potrebbero seminare le placche’).
Fonti: Rif. 9; Nature 559, S4-S7 (2018).
Poi il team ha rivolto la sua attenzione agli herpes virus, che erano emersi come gli agenti patogeni umani più frequentemente collegati al morbo di Alzheimer. Hanno iniettato HSV1 nel cervello di giovani topi 5xFAD e di topi normali. Entro tre settimane, il cervello dei topi transgenici era costellato di placche amiloidi. Quando il team ha ripetuto l’esperimento con una dose letale di HSV1, i topi transgenici hanno vissuto più a lungo dei controlli – e le placche sono apparse nei loro cervelli entro un notevole due giorni7. “È stata una cosa incredibile da vedere”, dice Tanzi.
HSV1 è così diffuso che ben oltre la metà delle persone in tutto il mondo lo ospita nel proprio corpo. Ma Moir voleva anche testare gli effetti di HHV-6, che si trova fino al 10% dei cervelli sani – anche se spesso a bassi livelli, e con effetto sconosciuto. I topi sono resistenti all’infezione da HHV-6, così il team di Moir ha sondato gli effetti del virus in una cultura 3D di cellule neurali umane che modella alcuni aspetti della malattia di Alzheimer. Normalmente, questo mini organoide del cervello comincia ad accumulare placche amiloidi e grovigli tau dopo sei settimane di coltura. Ma, come i ricercatori avevano visto con i topi, le placche sono apparse solo due giorni dopo aver aggiunto il virus7.
Moir e Tanzi hanno continuato a indagare l’impatto dei virus dell’herpes sulla formazione di tau-tangle negli organoidi, e se i grovigli potrebbero bloccare la diffusione dei virus giù per i neuroni. Moir è morto nel dicembre 2019 dopo una breve malattia, ma Tanzi dice che il suo gruppo sta ancora perseguendo questa linea di lavoro.
Il risultato dei suoi esperimenti proof-of-concept finora, dice, è che “se stai facendo amiloide-β, sopravvivi meglio all’infezione”. Ma ammette che la prova effettiva – vedere un’infezione innescare la cascata amiloide per causare la malattia – è un lungo cammino. “Non abbiamo visto la pistola fumante”. E nessuno sa ancora se le proprietà antimicrobiche dell’amiloide-β sono effettivamente dispiegate come parte di un normale processo fisiologico nelle persone, dice, o quanto sarebbero significative nella tavolozza generale dei meccanismi di difesa nel cervello. L’infezione potrebbe essere un modo di colpire il fiammifero che porta al fuoco dell’Alzheimer, proprio come fanno le rare mutazioni genetiche.
Consapevole che qualsiasi cosa colpisca il fiammifero all’inizio della malattia potrebbe non essere più in giro quando la persona muore, il laboratorio di Tanzi sta sviluppando tecniche per isolare e analizzare le singole placche per vedere se tracce di microbo sono intrappolate all’interno. È una sorta di scavo archeologico, dice.
Studi di supporto
Il lavoro di Tanzi non è stato ancora riprodotto in modo indipendente, ma altri esperimenti hanno fornito un supporto circostanziale per l’ipotesi di protezione antimicrobica. Per esempio, gli scienziati della ditta biotech Genentech a South San Francisco, California, hanno dimostrato che una mutazione in un gene noto come PILRA, che è espresso in varie cellule immunitarie, è associato a un rischio ridotto di Alzheimer8. Il gene produce una proteina che aiuta l’herpes e altri virus ad entrare nei neuroni, e i ricercatori dicono che la mutazione potrebbe impedire questa entrata.
E più intrigante, un documento del 20209 dal laboratorio del biologo chimico Yue-Ming Li al Memorial Sloan Kettering Cancer Center di New York fornisce un meccanismo che potrebbe collegare la neuroinfiammazione alla produzione di amiloide-β. Il team di Li ha scoperto che una proteina chiamata IFITM3 si accende quando i virus si fanno strada nel cervello. La proteina si lega a uno degli enzimi che producono amiloide, chiamato γ-secretasi, e aumenta la produzione di amiloide.
Li e il suo team hanno esaminato campioni di banche del cervello, e hanno scoperto che l’espressione del gene IFITM3 aumentava con l’età. Era anche più alta nei cervelli delle persone con il morbo di Alzheimer che in quelli dei controlli. Inoltre, in esperimenti con cellule cerebrali coltivate, hanno scoperto che una molecola che stimola l’infiammazione, una citochina chiamata interferone, ha aumentato i livelli sia di IFITM3 che di amiloide-β (anche nei campioni di cervello umano, dove hanno trovato più IFITM3, hanno trovato più interferone). Tutto questo suggerisce, dicono, che la proteina potrebbe agire come un go-between per l’infiammazione e il processo di creazione di amiloide.
Li sta ora studiando se IFITM3 potrebbe diventare un biomarcatore che aiuterebbe a decidere quali pazienti potrebbero essere reclutati per studi clinici di terapie anti-infiammatorie o farmaci che mirano alla γ-secretasi. Egli sta anche sondando se la proteina potrebbe diventare un bersaglio utile per lo sviluppo di farmaci.
I risultati sono “un grande passo avanti”, dice de Strooper, perché rivelano il tipo di cascata che caratterizza molte malattie complesse, compreso il cancro. Il processo “può essere innescato sia da mutazioni che causano il morbo di Alzheimer familiare che portano a più amiloide che guida l’infiammazione, o da un’infezione che porta all’infiammazione che guida la sovrapproduzione di peptidi amiloidi”, dice.
Se questo è vero, dice, avrebbe importanti implicazioni per il trattamento dell’Alzheimer, perché bloccando la produzione di amiloide-β potrebbe significare che le infezioni improvvisamente rappresentano una minaccia maggiore per il cervello. “Ma questo è del tutto speculativo, e dipende da quanto importante potrebbe rivelarsi l’amiloide-β nella linea di difesa globale del cervello.”
Alcuni ricercatori sono ancora scettici che le infezioni abbiano un ruolo importante nell’Alzheimer. Il neuroscienziato John Hardy dell’University College di Londra, che ha condiviso il Brain Prize 2018 con de Strooper e altri per il lavoro sull’Alzheimer, dice che “scommetterebbe 5 sterline, ma non 500” sulla teoria della protezione antimicrobica che è giusta. “Ma non credo che sarà dimostrabile, e non credo che sia rimasto molto da spiegare sull’Alzheimer oltre la genetica”, dice. E la neuroscienziata Tara Spires-Jones dell’Università di Edimburgo, Regno Unito, dice che anche se i dati finora consentono la possibilità che l’infezione semi alcuni casi di Alzheimer creando infiammazione, il normale processo di invecchiamento potrebbe anche essere una spiegazione. L’invecchiamento, sottolinea, è il più grande fattore di rischio per sviluppare l’Alzheimer. “Secondo la mia opinione personale, l’infiammazione generale nel cervello che viene con l’invecchiamento è più probabile che sia la causa.”
Con i giusti modelli, tuttavia, alcuni scienziati pensano che la teoria dell’infezione potrebbe essere dimostrabile, anche se potrebbe essere difficile dimostrare quale percentuale di casi di Alzheimer è stata innescata da un microbo. Jacobson è affascinato dalle nuove possibilità, e spera di sviluppare un modello di uistitì per testare la teoria dell’infezione, perché questo piccolo primate emula la patologia dell’Alzheimer negli esseri umani più esattamente di altri modelli. Tanzi sta progettando di utilizzare un topo i cui geni dell’amiloide sono stati scambiati con i loro equivalenti umani, e che quindi esprime l’amiloide-β umana a livelli fisiologici normali. Un altro passo fondamentale sarà per i laboratori indipendenti di replicare i risultati esistenti.
Per quanto riguarda il premio di Norins, 40 candidati hanno finora presentato il lavoro nella speranza di andare via con il premio in denaro a marzo, quando i risultati della sfida saranno annunciati. Norins è consapevole dell’enormità del compito. La prova che un germe causa l’Alzheimer, dice, sarà “la prova più difficile da fornire”.