Mitochondrial DNA haplogroup-dependence of drugs and xenobiotics toxicity

La farmacogenomica si occupa di indagare gli effetti di un determinato farmaco o sostanza chimica in base al genotipo dell’individuo con lo scopo di personalizzare le cure e fornire le terapie adeguate. I mitocondri presentano un potenziale di membrana (Δψ) di 180mV, una matrice alcalina (pH 8) con carica negativa e possono accumulare al loro interno sia sostanze cariche positivamente sia acidi deboli in forma anionica, rendendosi bersaglio primario o secondario dell’azione di farmaci e agenti tossici. I mitocondri sono dotati di un proprio corredo genomico (mtDNA) che si caratterizza per un’ereditarietà uniparentale materna un elevato tasso di mutazione e numerose varianti genetiche, distinte in aplogruppi. È noto che variazioni non sinonime nel mtDNA causano alterazioni funzionali di proteine implicate nel processo OXPHOS, tali da supportare studi per comprendere se la variabilità mitocondriale possa svolgere un’azione protettiva o rappresentare un fattore di rischio per l’insorgenza di patologie. In particolare è stato dimostrato che soggetti appartenenti agli aplogruppi J e K e con polimorfismo 10398G nel gene ND3 (CI) si correlano a minore rischio di sviluppare il Morbo di Parkinson (PD). Al contrario la variante 4216C nel gene ND1 (CI), comune al sottogruppo JT, parrebbe correlata a un aumentato rischio di malattia. Inoltre è stato dimostrato un maggiore rischio di Neuropatia Ottica di Leber (LHON) se le mutazioni 11778/ND4 (CI), 14484/ND6 (ND1) e 3460/ND1 (CI) si associano agli aplogruppi J2b, J1c e K rispettivamente. Ulteriormente studi ipotizzano che agenti inquinanti ambientali quali pesticidi (es. rotenone), erbicidi (es. paraquat) e MPTP o 1-metil 4-fenil 1,2,3,6-tetraidro-piridina (composto secondario contaminante nella sintesi illecita di oppiacei) siano causa di un maggiore rischio di PD per un’alterata funzionalità mitocondriale con riduzione della sintesi di ATP e aumento di specie reattive dell’ossigeno (ROS). In altri studi s’ipotizza che il rischio di perdita della vista in carrier di mutazioni LHON, aumenta se il soggetto è fumatore, per azione sul CI della catena respiratoria. Infine ancora dati di letteratura associano numerose variazioni mitocondriali non sinonime allo sviluppo di patologie collaterali a trattamenti farmacologici. E’ stato dimostrato che soggetti appartenenti all’aplogruppo J, presentano un aumento del rischio di sviluppare ototossicità dopo trattamento con l’antitumorale Cisplatino (CisPt) per inibizione della replicazione del mtDNA mentre pazienti con SNPs nella regione 16SrRNA in posizione 2706A e 3010A trattati con l’antibiotico Linezolid, sviluppano mielosoppressione, neuropatia e acidosi lattica in seguito a inibizione della sintesi proteica mitocondriale. L’attività di ricerca ha avuto come oggetto di studio il ruolo della variabilità del genoma mitocondriale (mtDNA) nella suscettibilità individuale alla tossicità da farmaci (Linezolid e Cisplatino) o da agenti tossici inquinanti ambientali (rotenone, MPP+, paraquat ed estratto di fumo) in un modello in vitro costituito, da ibridi transcitoplasmatici (cibridi) creati mediante fusione di fibroblasti da donatore, dopo enucleazione, con cellule di osteosarcoma private di mtDNA (rho0). Sono così stati originati cloni di cibridi appartenenti ai principali aplogruppi mitocondriali europei (N1b, H, J, T, U, K) o portatori di diverse mutazioni LHON, e caratterizzati mediante analisi di sequenza della regione non codificante di 1122 bp o“Displacement loop” (Dloop) e dell’intero genoma mitocondriale. Gli studi sono stati eseguiti valutando la vitalità cellulare, la funzionalità (sintesi di ATP, produzione di ROS) e la biogenesi mitocondriale (numero di copie di mtDNA). I risultati ottenuti da queste analisi hanno dimostrato che una variabilità genetica mitocondriale può influenzare la suscettibilità individuale alla tossicità da agenti tossici inquinanti ambientali e farmaci. In particolare sono state evidenziate alcune interessanti associazioni tra specifici aplogruppi mitocondriali, alterazioni mitocondriali e agente tossico: 1) l’aplogruppo K1 sembra svolgere un’azione protettiva rispetto al rotenone mentre l’aplogruppo J1 sembra più sensibile all’azione del pesticida e del MPP+ anche se quest’ultimo è meno specifico e affine al CI.; 2) l’aplogruppo T sembra più suscettibile all’azione del paraquat.; 3) gli aplogruppi H12 e T1 quando associati a mutazione LHON 3460/ND1 e gli aplogruppi J1c e J2a aumentano la suscettibilità al danno mitocondriale da fumo. Successive evidenze hanno dimostrato che l’aplogroup H1, caratterizzato dai polimorfismi 2706A e 3010A nel gene 16SrRNA, sembra essere il più sensibile all’azione tossica del Linezolid così come l’aplogruppo J è risultato più sensibile alla citotossicità da Cisplatino. Questi dati suggeriscono che procedere nello studio di associazioni tra aplogruppo mitocondriale e tossicità da farmaci e agenti chimici potrebbe consentire di individuare precocemente il rischio tossicologico individuale. Queste conoscenze potrebbero essere di particolare impatto per prevenire reazioni avverse a farmaci in alcuni casi causa di ritiro dal commercio o black box. Con questo scopo di recente le aziende farmaceutiche hanno introdotto nelle fasi iniziali dello sviluppo di un farmaco studi in vitro per valutare eventuali effetti sulla funzionalità mitocondriale (catena respiratoria, ROS, potenziale di membrana e mtDNA).