In neurological disorders Gut - Brain Axis In neurological disorders Paolo Mainardi Dipartimento di Neuroscienze Università di Genova Kolfarma Srl Genova, 21 maggio 2011

medicina basata su prove di efficacia Nella cultura occidentale il controverso termine medicina alternativa è qualsiasi pratica che non ricade nell'alveo della medicina scientifica convenzionale[2] o la cui efficacia non è stata dimostrata[3]. Il termine si contrappone alla  medicina basata su prove di efficacia  e include una variegata serie di pratiche talché non è possibile parlare di medicina alternativa tout court ma di una serie di pratiche diverse e non omogenee[1][4] Evidence based medicine: Richard Dawkins ha affermato che non esiste la medicina alternativa, esiste solo una medicina che funziona e una che non funziona[6]

Avicenna (Ibn Sina). In “Canone della Medicina”, 1025 Il farmaco deve essere privi di qualsiasi componente estraneo. Esso deve essere utilizzato su una malattia semplice, non composita. Il farmaco deve essere testato con tipi contrari di malattia, perché alcune volte un farmaco cura una malattia per le sue qualità essenziali ed un'altra per le sue qualità accidentali. La qualità del farmaco deve corrispondere alla forza della malattia. Per esempio esistono farmaci, il cui calore è minore che la freddezza di alcune malattie, cosicché essi potrebbero non avere effetti su tali malattie. Il tempo di azione deve essere ben osservato, cosicché l'essenziale e l'accidentale non siano confusi. L'effetto di un farmaco deve essere visto accadere costantemente o in molti casi, se ciò non avviene, deve essere considerato un effetto accidentale. L'esperimento deve essere fatto su un corpo umano, testare un farmaco su un leone o su un cavallo potrebbe non dimostrare niente circa il suo effetto sull'uomo. 3

Studi sperimentali Open in cieco vs placebo in doppio cieco vs placebo in doppio cieco cross over vs placebo Placebo: sostanza inerte, es zucchero Malati di AIDs sono spesso intolleranti agli zuccheri, Questo avvantaggia il farmaco Effetto placebo medicina ufficiale ≠ alternativa 4

Effetto Placebo Artrite reumatoide Il 30% dei pz neurologici risponde al placebo il 50% dei pazienti depressi risponde al placebo Nelle patologie “psicosomatiche” si raggiunge l’80% Artrite reumatoide Il 30% risponde al placebo - nel sottogruppo di pz con pregresse esperienze positive ai farmaci diventa l’83% L’artrite reumatoide è una patologia psicosomatica???

Effetto Placebo È suggestione? E’ riportato un effetto placebo anche per interventi chirurgici simulati L’effetto placebo non è una suggestione, ma la capacità di modificare i processi biochimici del corpo dolore: effetto placebo bloccato dal naloxone Sclerosi multipla: riduzione delle lesioni del 20% con placebo Epilessia: riduzione delle crisi >50% non sono rare nel gruppo di controllo: crisi psicogene! demenza: scarso effetto placebo

Rilascio di dopamina indotta dal placebo Nella Sindrome di Crohn anche nei pz che rispondono al placebo c’è un miglioramento della flora intestinale modifiche biochimiche cerebrali in coloro che rispondono al placebo Rilascio di dopamina indotta dal placebo maggiore nei pz che percepisce un miglioramento relazione dose dipendente tra rilascio ed effetto Effetto comparabile con quello con levodopa e apomorfina

Condizionamento ambientale somministrazione dimora

Omeostasi

Comprensione? Poggia sui risultati di studi clinici controllati, sorgente di verità

La dott.ssa Marcia Angell (ex direttore della rivista  New England Journal of Medicine) scrive: "Molti farmaci che si pensano essere efficaci sono probabilmente poco migliori dei placebo, ma non c'è modo di saperlo perché i risultati negativi siano nascosti.... Perché i risultati favorevoli sono pubblicati e quelli sfavorevoli sono omessi.... I clinical trials sono influenzati anche dal disegno dello studio, che è scelto per evidenziare i risultati positivi per gli sponsor. Per esempio il farmaco dello sponsor viene comparato con un altro farmaco somministrato ad un dosaggio troppo basso, cosicché il farmaco dello sponsor sembri più efficace. Oppure un farmaco normalmente utilizzato negli anziani viene sperimentato in un giovane con ovvia minimizzazione degli effetti collaterali. Una comune forma di deriva dalla comune pratica di comparare un nuovo farmaco con un placebo, quando la domanda rilevante è comparare il farmaco con il trattamento disponibile. Praticamente è spesso possibile far risultare dai trials clinici, conclusioni molto vicine a ciò che si desidera. Ciò rende estremamente importante che i ricercatori non abbiano interessi privati nei risultati delle ricerche. Non è più possibile credere alla maggior parte degli studi clinici pubblicati, o fidarsi del giudizio di medici famosi e di linee guida autorevoli. Mi dispiace giungere a queste conclusioni, alle quali sono arrivata mio malgrado dopo vent'anni come editore del New England Journal of Medicine.” Angell, Marcia (2009), "Drug Companies & Doctors: A Story of Corruption", New York Review of Books, Vol 56, No 1; 15 January 2009. 11

Anche studi randomizzati possono produrre ingannevoli risultati: Debolezza del disegno dello studio, dell’analisi e dell’interpretazione dei dati - gruppi eterogenei di pazienti basso dosaggio del farmaco di riferimento per FAVORIRE quello dello sponsor breve durata del trattamento endpoints di scarsa rilevanza clinica

Gli SSRIs non arrivano al cervello in quantità sufficiente ad inibire la ri-captazione della serotonina Scarsa efficacia Studi non pubblicati

Novel mechanisms of action are needed to solve drug resistance Presented by: Paolo Mainardi, Genoa University, Italy Minneapolis, MN October 21, 2008 The problem of refractory epilepsy has not been solved, despite the increasing number of new AEDs Bromides Phenobarbital Phenytoin Primidone Ethosuximide Carbamazepine Valproic acid Gabapentin Lamotrigine Topiramate Tiagabine Levetiracetam Oxcarbazepine Zonisamide Clonazepam Felbamate Novel mechanisms of action are needed to solve drug resistance W. Löscher, I.E. Leppik . Critical re-evaluation of previous preclinical strategies for the discovery and the development of new antiepileptic drugs. Epilepsy Research 50 (2002) 17–20 “to solve this problem, ….a better hypothesis of the basic mechanisms of pharmacoresistance are needed”. 14

1857: I bromuri furono utilizzati in quanto provocano impotenza, nella convinzione che le crisi fossero dovute ad eccessiva masturbazione Goodman; Gilman (1970). "chapter 10: Hypnotics and Sedatives". The Biological Basis of Therapeutics (4th ed.). London: MacMillan. pp. 121–2. Anche i barbiturci, 1912, e le benzodiazepine, 1920, furono scelti per le loro azioni sedative, solo dopo si è scoperta la loro azione sui canali ionici di membrana La carbamazepina, sintetizzata nel 1953, fu notificata per la nevralgia del trigemino e dopo per l’epilessia L’acido Valproico fu scoperto anticonvulsivante, 1962, in quanto scelto come solvente per solubilizzare nuove molecole da testare Il Levetiractam fu scoperto casualmente nel 2000. Non agisce sulle correnti ioniche di membrana. Definito “farmaco del futuro”

1) Molecola A trovata casualmente efficacie 2) Ipotizzato target di azione 3) Verificato meccanismo di azione su culture cellulari o patch clamp 4) Sintetizzati e purificati migliaia di molecole, testate sui test basali 5) Identificata molecola B Efficacia B=A

…ma in vivo? Quanto ne arriva al cervello? Gli SSRIs, poco! Per gli AEDs non ci sono studi 2008 Suffiente per espletare il suo effetto? Per gli SSRIs No! Per gli AEDs non ci sono studi La medicina “ufficiale” sembra accettare i concetti omeopatici sulle diluizioni infinite

La scienza, che per secoli ha cercato di scomporre il mondo in parti semplici, ormai si è convinta che capire le parti è cosa ben diversa dal capire il tutto. Un sistema complesso non è una banale giustapposizione di parti semplici. È strutturato dalle loro relazioni reciproche, che originano proprietà nuove, collettive, irriducibili a quelle dei costituenti.

Gut brain axses Traumatic brain injure on intestinal membrane before after Lactulose/ mannitol permeability Hang Ch et al, Intestinal mucosa structure after TBI. World J Gastroenterol 2003,9 (12) 2776-2781 19

The ulcerogenic parameters: The stomach was irrigated for 2 h with an acid solution containing 100 mM HCl and 54 mM NaCl or the same volume of normal saline. Intracerebroventricular (i.c.v.) ACL (0, 1, 3 or 10 mg/kg dissolved in 10 microl of CSF) was challenged to rats immediately after gastric irrigation. The seizure in rats was produced by ACL in a dose-related manner The ulcerogenic parameters: decrease of gastricmucosal glutathione levels increase of histamine concentrations lipidperoxide generations the raise of luminal hemoglobin contents exacerbated mucosal lesions were obtained depending on the doses of ACL challenged

Lipid peroxides Seizures Luminal Hemoglobin Gastricmucosal Glutathione Ulcer area Histamine

Intestinal inflammation and seizures Croton oil comes from the seeds of the Croton tiglium, a small tree native to India and the Malay Archipelago. The oil is a powerful purgative and irritant that causes severe diarrhea and skin lesions. Doctors once gave patients croton oil to treat bowel problems and other illnesses. Because croton oil is poisonous, its use is rare today except as an ingredient in certain skin-peel treatments 34.07±0.63 28.47±0.74 22

Epilessia e celiachia - La Gliadina provoca processi infiammatori intestinali Bodinier M, Legoux MA, Pineau F, et al. (May 2007). "Intestinal translocation capabilities of wheat allergens using the Caco-2 cell line".  J.Agric. Food Chem. 55 (11): 4576–83. Lammers KM, Lu R, Brownley J, et al. (March 2008). "Gliadin Induces an Increase in Intestinal Permeability and Zonulin Release by Binding to the Chemokine Receptor” CXCR3". Gastroenterology 135 (1): 194–204.e3.  - Diete prive di glutine migliorano il controllo delle crisi epilettiche Canales P, Mery VP, Larrondo FJ, Bravo FL, Godoy J Epilepsy and celiac disease: favorable outcome with a gluten-free diet in a patient refractory to antiepileptic drugs. Neurologist. 2006 Nov;12(6):318-21. - Celiachia nel 3.7% della popolazione epilettica vs 0.6% di tutta la popolazione A total of 108 consecutive epileptic patients (72 females, 36 males) ranging from 2-64 years (mean: 23.44, SD: 12.1) were studied. Positive IgA anti-t-TG were detected in 4 of 108 epileptic patients (3.7%), while the known prevalence of CD in the study area was 0.6%

NE Acute phase reaction: NE system link Gut to Brain Brain Synthesis: APR: Acute Phase Reaction Stig Bengmark, Acute and ‘‘chronic’’ phase reaction - a mother of disease. Clinical Nutrition (2004) 23, 1256–1266 Brain Synthesis: Leptin NPY Norepinephrine Intestinal Synthesis: PYY NE Intestinal Stimuli: Starvation….... (Biblical times) Fats…….. (Ketogenic diet) Medium Chain Triglycerids… (MCT diet) Tryptophan and or Serotonin…. (SSRIs, AEDs, ALAC) Is the antiepileptic effect of the ketogenic diet due to ketones? Mainardi P, Albano C. Med Hypotheses. 2008;70(3):536-9. 25

Intestinal dysbiosis Antibiotic drugs Stress Diet: sulfate and sulfite Dante A. (1265-1321) : “un lubrico sacco oe si tramuta in merda quel che si trangugia” Intestinal dysbiosis A Huxley (1894-1963) : “noi moderni non abbiamo inventato nessun nuovo peccato capitale, oltre ai sette peccati capitali dei tempi antichi, se non la fretta.” Antibiotic drugs Stress Diet: sulfate and sulfite high protein diet high simple sugar/refined carbohydrates Triptofano Indolo Scatolo Istidina Istamina Tirosina Tiramina

Low Trp/LNAA plasmatic ratio in epileptics, in depression, in MS… Triptofano Indolo Scatolo Low Trp/LNAA plasmatic ratio in epileptics, in depression, in MS… High urinary skatol levels in epileptics Mori A et al. Gas chromatograpy of 5-hydroxy-3-methyl indole in humane urine Low brain serotonin and neuropeptides Istidina Istamina High histamine levels in migraine Heatley RV et al: Increased plasma histamine levels in migraine patients. Clinical Allergy, 1982, 12, 145-149 Histamine inhalation produces migraine Lassen LH, Heinig JH, Oestergaard S, Olesen J (1996a) Histamine inhalation is a specific but insensitive laboratory test for migraine. Cephalalgia 16:550–553 Foods rich in histamine produces migraine PeatWeld RC (1995) Relationships between food, wine, and beer-precipitated migrainous headaches. Headache 35:355–357 Tirosina Tiramina High levels of tyramine in migraine with Eating Disorders. D'Andrea G et al. Migraine prevalence in eating disorders and pathophysiological correlations. Neurol Sci. 2009 May;30 Suppl 1:S55-9.

Ketogenic diet: Intestinal effect of: Starvation: MCT diet Starvation reduces amino acid absorption but enhances peptide hydrolysis Ketogenic diet: Sugar rich diet decreases the effectiveness of 5-HT-1A receptors, decreases intestinal enzyme activity Fat rich diet changes microflora, increases intestinal enzyme activity MCT diet MCT diet enhances mucus secretion 29

Alpha-lactalbumin on Intestine Effetto protettivo delle sieroproteine espresso dell’ALAC Dose dipendente 30

Alpha-lactalbumin Alpha-lactalbumin (ALAC) is a whey protein Naturally occurring in human milk (2 g/L) High Trp/LNAAs ratio: contains 4.8 g trp/100g protein Fully adsorbed by gastro-intestinal system as short peptides Increases the Trp/LNAAs ratio up to 48% compared to casein 31

Antibacterical effect of ALAC Trypsin II VII Chymotrypsin III II 32

IND: inodometacina: inibitore PG sintesi Alac on Intestine ALAC increases: PGE2 Mucin Effect of ALAC On Gastric Luminal pH Gastric fluid Gastric emptying IND: inodometacina: inibitore PG sintesi 33

A new idea: To increase seizure control To increase plasmatic R = Trp/LNAAs Markus CR, Olivier B, de Haan EH. Whey protein rich in alpha-lactalbumin increases the ratio of plasma tryptophan to the sum of the other large neutral amino acids and improves cognitive performance in stress-vulnerable subjects.Am J Clin Nutr. 2002 Jun;75(6):1051-6. Mainardi P, Leonardi A, Albano C.. Potentiation of brain serotonin activity may inhibit seizures, especially in drug-resistant epilepsy. .Med Hypotheses. 2008;70(4):876-9. To increase brain Trp uptake Choi S, Disilvio B, Fernstrom MH, Fernstrom JD. The chronic ingestion of diets containing different proteins produces marked variations in brain tryptophan levels and serotonin synthesis in the rat. Neurochem Res. 2011 Mar;36(3):559-65. To increase brain serotonin synthesis To increase seizure control Citraro R, Scicchitano F, De Fazio S, Raggio R, Mainardi P, Perucca E, De Sarro G, Russo E. Preclinical activity profile of α-lactoalbumin, a whey protein rich in tryptophan, in rodent models of seizures and epilepsy. Epilepsy Res. 2011 Mar 31. [Epub ahead of print]

ALAC on Experimental Models Audiogenic mice: GEPR-9s Single oral administration 5 days chronic administration 12 days chronic administration N = 5 animals per dose and time group 35

1) 5-HTP, i.p. Injected, Increases Serum Leptin Somministrazioni orali di ALAC equivalgono ad iniezioni in vena di trp? 1) 5-HTP, i.p. Injected, Increases Serum Leptin Jun YAMADA, et al. Involvement of Leptin in Hypophagia Induced by the Serotonin Precursor 5-Hydroxytryptophan (5-HTP) in Mice. Biol. Pharm. Bull. 29(3) 557—559 (2006) 2) Leptin Increases Insulin Secretion Ceddia RB, et al. Modulation of insulin secretion by leptin, General PharmacologyVolume 32, Issue 2, , February 1999, Pages 233-237. 3) Fats (KD) Increase Insulin Secretion C. Cruciani-Guglielmacci, et al. Early changes in insulin secretion and action induced by high-fat diet are related to a decreased sympathetic tone Am J Physiol Endocrinol Metab 288 4) MCT Diet Increases Insulin Secretion Valls E, et al. Modifications of insulin and growth hormone after medium chain triglycerides ingestion An Esp Pediatr. 1978 Oct;11(10):675-82 5) ALAC increases insulin secretion 36

- più facilmente somministrabile, più efficace Is the antiepileptic effect of the ketogenic diet due to ketones? Mainardi P, Albano C. Med Hypotheses. 2008;70(3):536-9. Ketogenic diet: Epilepsy infantile spasms depression Alzheimer’s Parkinson ALS Cancer … ALAC: - più facilmente somministrabile, più efficace stesso spettro d’azione della KD Fearon KC. Nutritional pharmacology in the treatment of neoplastic disease. Baillieres Clin Gastroenterol. 1988 Oct;2(4):941-9.