The Endocannabinoid System as an Emerging Target of Ophthalmotherapy Azienda Ospedaliero Universitaria Vittorio Emanuele Divisione Clinicizzata di Oculistica Direttore: Prof. T. Avitabile The Endocannabinoid System as an Emerging Target of Ophthalmotherapy Teresio Avitabile European Frontiers in Ocular Pharmacology Catania December 7th, 2007

OMS ed EAPC raccomandino gli oppioidi forti come Sistema degli oppiacei = tabù per il nostro Paese? “Nonostante le Linee Guida internazionali OMS ed EAPC raccomandino gli oppioidi forti come farmaci di prima scelta nel trattamento del dolore moderato-severo, l’Italia si colloca agli ultimi posti in Europa per il consumo di questa opzione terapeutica, che resta un tabù anche a causa dell’eccessiva burocrazia che ne ostacola la prescrizione. Ovviamente anche la ricerca ne risente notevolmente.” Medic@l News: n. 40 2007

Sistema degli oppiacei = tabù per il nostro Paese? Micale V., Mazzola C., Drago F. Endocannabinoids and psychopathology: The therapy inside. Pharmacol Res. 2007 Nov;56(5):357-9 Drago F. Endocannabinoids and neurodegenerative diseases. Pharmacol Res. 2007 Nov;56(5):382-92. Epub 2007 Sep 11 Romano M.R., Lograno M. Evidence for involvement of Cannabinoid CB1 receptors in the Bimatoprost induced contractions on the human isolated ciliary muscle. Invest. Ophthalmol. Vis Sci. 2007; 48: 3677-3682. Reibaldi A., Lograno M., Avitabile T. Iris receptors of fresh human eye. Ann. Ophthalmol. 1984 aug; 16(8): 746-8.

I C a n n a b i n o i d i I cannabinoidi naturali (circa 70 fitocannabinoidi) sono stati isolati dalla Cannabis sativa e presentano attività farmacologiche e/o terapeutiche più o meno documentate I cannabinoidi endogeni (endocannabinoidi) sono una nuova classe di neuromediatori capaci di interagire con i recettori per i cannabinoidi. Il “Sistema Endocannabinoide” è costituito dagli endocannabinoidi, dai loro recettori e dagli enzimi coinvolti nel loro metabolismo. I cannabinoidi sintetici rappresentano una famiglia di composti in continua espansione, realizzati in laboratorio a scopo terapeutico e/o di ricerca scientifica Pertwee RG, Cannabinoid Pharmacology: the first 66 years, Br J Pharmacol, 2006

Exogenous Versus Endogenous Cannabinoids 9 Δ -THC Composti attivi della marijuana Agonisti della proteina-G legata al recettore (CB1) Inducono intensi effetti comportamentali nei roditori Cravatt B. The Scripps Research Institute 2007

Exogenous Versus Endogenous Cannabinoids N-Arachidoniletanolammina o Anandamide (AEA) 2-Arachidonilglicerolo (2-AG) Palmitoiletanolammide (PEA) Ligandi e attivatori dei CB1 in vitro Lipidi naturali del SNC (fatty acid amide) Inducono effetti comportamentali brevi e transitori nei roditori Prodotti in risposta ad una varietà di stimoli neuronali (elettrici, chimici, ecc.) Cravatt B. The Scripps Research Institute 2007

Cannabinoidi ed Effetti Collaterali Gli effetti psicogeni dei cannabinoidi (fitocannabinoidi) costituiscono un insormontabile ostacolo allo sviluppo di farmaci attivi sui recettori CB1 e CB2 È stato perciò naturale lo sviluppo di un grande interesse scientifico ed applicativo per gli endocannabinoidi ed il loro metabolismo

SISTEMA DOPAMINERGICO …. bei tempi!!!

Sistema endocannabinoide …… e adesso?

Cannabinoid Signaling in the CNS Phospholipids Arachidonic Acid Biosynthesis (Ca ++ ) Catabolism (FAAH) Behavioral Effects of CB1 Activation - hypomotility - analgesia - catalepsy - hypothermia Anandamide Marijuana THC CB1 G o cAMP Cravatt B. The Scripps Research Institute 2007

I Recettori per i Cannabinoidi (CB1 e CB2) Struttura dei Recettori CB1 e CB2 I Recettori CB1 e CB2 appartengono alla famiglia dei recettori con 7 domini transmembrana accoppiati a proteine G, responsabili dei meccanismi di trasduzione del segnale intracellulare Regolano numerosi pathways intracellulari Modulano la neurotrasmissione, regolando i canali ionici per K+ e Ca2+ Straiker A, J Neurphysiol, 2003; Howlett AC, Pharmacol Rev, 2002; Howlett AC, Handb Exp Pharmacol, 2005

Recettori per i Cannabinoidi (CB1, CB2) Recettori CB1 Sono primariamente espressi nel SNC e nei neuroni periferici a livello sinaptico Localizzazione Effetti Biologici Ridotta locomozione e temperatura corporea, catalessi, alterazione della memoria, sedazione, euforia Sistema Nervoso Centrale Analgesia, riduzione della tosse, inibizione del transito intestinale Sistema Nervoso Periferico Recettori CB2 Sono completamente assenti nel SNC e sono predominantemente espressi dalle cellule del sistema immune e da quelle ematiche Localizzazione Effetti Biologici Sistema Immunitario Azione Immunomodulatrice Sistema Nervoso Periferico Analgesia periferica e azione anti-infiammatoria Recettori CB1 Berdyshev EV, Chem Phys Lip, 2000; LoVerme J, Life Sci, 2005; Massi P, Curr Pharm Des, 2006;

I Recettori nucleari per i Cannabinoidi (PPARs) Peroxisome Proliferator Activated Receptors PPARs (α,β,γ,δ) O’Sullivan SE 2007

I Recettori nucleari per i Cannabinoidi (PPARs) Sono recettori ormonali nucleari Agiscono come fattori di trascrizione Sono attivati da prostaglandine e leucotrieni Regolano l’espressione genica di proteine coinvolte nello storage degli acidi grassi . O’Sullivan SE 2007

Recettori nucleari per i Cannabinoidi (PPARs α,β,γ) Recettori PPSRs Sono primariamente espressi a livello nucleare Effetti Biologici Regolano la crescita e la differenziazione cellulare Regolano il bilancio lipidico, l’assorbimento del glucosio, il peso corporeo. Effetti Biologici Azione Immunomodulatrice Proprietà anti-infiammatorie Effetti cardiovascolari Cresci S. Pharmacogenomic 2007 Ward J.E. PPARs 2007 Kapadia R. Front Biosci. 2008 J1;13:1813-1826

ATTIVATORI NATURALI DELLE PPARs (α,β,γ,δ) Anandamide Virodamina Olineiletanolamide Noladina PEA Metabolismo lipidico Proprietà antinfiammatorie PPARs γ N-ADA ? HU 210 ? WIN 55212 ? CP 55940 ? GPR55 ? PPARs δ ??? CB1 trabecolato Citoscheletro Actina > deflusso PPARs γ Anandamide 2AG Acido ajulenico (analogo THC) Proprietà antinfiammatorie Njie YF Invest. Ophthalmol. Vis Sci 2006 O’Sullivan SE Br. J. Pharmacol. Nov. 2007

ARRICCHISCONO IL “CLAN” DEI RECETTORI CANNABINOIDI GPR55 Sono diversi dai CB1 e CB2 Hanno spiccata attività psicoattiva GPCR … e chissà quanti altri ancora! Peterwee R.G. Br. J. Pharmacol. Sept. 2007

I Cannabinoidi La scoperta dei recettori per i cannabinoidi e dei loro ligandi lipidici endogeni (endocannabinoidi) ha fatto ipotizzare un enorme ed eccitante numero di applicazioni terapeutiche che potrebbero derivare dalla modulazione dell’attività del “Sistema Endocannabinoide”: malattie del metabolismo dolore e infiammazione malattie del sistema nervoso centrale (schizofrenia, sclerosi multipla, ansietà, depressione) malattie cardiovascolari e respiratorie malattie oculari (glaucoma, degenerazioni retiniche, neuriti….) cancro malattie gastrointestinali ed epatiche malattie muscoloscheletriche e del sistema riproduttivo Pacher P, The Endocannabinoid System as an Emerging Target of Pharmacotherapy, Pharmacol Rev, 2006

Recettori per i Cannabinoidi (CB1) Localizzazione Oculare dei CB1 Meccanismo d’Azione Potenziano la fotosensibilità Influenzano l’eccitabilità neuronale nel pathway visivo (modulando le correnti di Ca+ e K+) Modulano il rilascio di neurotrasmettitori dalle sinapsi del sistema visivo (essendo localizzati sulle terminazioni nervose dei fotorecettori) Epitelio corneale Endotelio del segmento anteriore Canale di Schlemm Epitelio ciliare Muscolo ciliare Trabecolato Cellule Gangliari Retiniche Fotorecettori Straiker AJ, IOVS, 1999; Yazulla S, Vis Neurosci, 2000; Straiker A, J Neurophysiol, 2003; Stamer WD, Eur J Pharmacol, 2001

Cannabinoidi e Glaucoma Ruolo Anti-ipertensivo Ruolo Neuroprotettivo Potenziali Effetti Biologici dei Cannabinoidi nell’Occhio Ruolo Anti-ipertensivo La localizzazione dei recettori CB1 nei processi ciliari e nel trabecolato (le due strutture che primariamente contribuiscono alla regolazione della PIO) ha fatto ipotizzare un ruolo per I cannabinoidi nel controllo della PIO spiegando l’effetto ipotensivo della marijuana Ruolo Neuroprotettivo La localizzazione dei recettori CB1 nella cellule gangliari retiniche ha fatto ipotizzare un ruolo dei cannabinoidi nella neuroprotezione Porcella A, Eur J Neurosci, 2000; Porcella A, Eur J Neurosci, 2001; Jarvinen T, Pharmacol Ther, 2002; Stamer WD, Eur J Pharmacol, 2001; Chen J, Biochem Biophys Res Comm, 2005; Tomida I, Br J Ophthalmol, 2004

Gli Endocannabinoidi Sono molecole lipidiche endogene in grado di attivare i recettori dei cannabinoidi (agonisti), vari canali ionici ed altri targets molecolari I due prodotti più studiati sono: Metabolismo: I loro effetti dipendono dalla concentrazione extracellulare che è regolata da trasportatosi di membrana. Sono sintetizzati “quando servono” - Sono rimossi dal sito d’azione mediante un processo di uptake cellulare - Sono metabolizzazti intracellularmente N-Arachidoniletanolammina o Anandamide (AEA) 2-Arachidonilglicerolo (2-AG) Mechoulam R, Endocannabinoids, Eur J Pharmacol, 1998

Gli Endocannabinoidi 2-Arachidonilglicerolo (2-AG) È il più specifico ed abbondante agonista endogeno dei recettori CB1, CB2 e PPAR γ N-Arachidoniletanolammina o Anandamide (AEA) È più selettiva verso i recettori CB1 rispetto ai CB2 E’ attiva anche sui recettori PPARs α,γ e vanilloidi di tipo 1 (TRPY1: Transient Receptor Potential Vanilloid Type 1) Mechoulam R, Eur J Pharmacol, 1998; Di Marzo V, Biochim Biophys Acta, 1998; Sugiura T, Chem Phys Lip, 2000;

Gli Endocannabinoidi Palmitoiletanolammide (PEA) È un analogo dell’Anandamide PEA AEA Riduce l’espressione di FAAH Agisce da substrato di FAAH in competizione con AEA Inibisce fino ad un massimo del 78% (con una pl50=5,3) la degradazione metabolica dell’AEA mediata da FAAH Potenzia l’attività neuroprotettiva dell’AEA incrementandone l’affinità per i recettori e inibendo la sua degradazione metabolica Metabolismo: I loro effetti dipendono dalla concentrazione extracellulare che è regolata da trasportatosi di membrana. Sono sintetizzati “quando servono” - Sono rimossi dal sito d’azione mediante un processo di uptake cellulare - Sono metabolizzazti intracellularmente Di Marzo V, Biochem J, 2001; Jonsson KO, Br J Pharmacol 2001; Vandervoorde S, J Med Chem, 2003; Ben-Shabatet S Eur J Pharmacol, 1998; Mechoulam R, Eur J Pharmacol, 1998; Lambert DM, Curr Med Chem, 1999; Smart D, Br J Pharmacol, 2002; Re, G, Vet J, 2007

I Recettori CB1 e gli Endocannabinoidi Un gran numero di evidenze sperimentali confermano l’ipotesi che i recettori CB1 e i loro agonisti giochino un ruolo nella regolazione della pressione intraoculare (PIO) e nella neuroprotezione: Metabolismo: I loro effetti dipendono dalla concentrazione extracellulare che è regolata da trasportatosi di membrana. Sono sintetizzati “quando servono” - Sono rimossi dal sito d’azione mediante un processo di uptake cellulare - Sono metabolizzazti intracellularmente Pacher P, Pharmacol Rev, 2006 Crandall J, Ophtalmic Res, 2007 La neuroprotezione è un’azione diretta o mediata dall’effetto ipotonizzante?

I Recettori CB1 e gli Endocannabinoidi 1. I recettori CB1 sono espressi nel corpo ciliare dei ratti, nell’epitelio ciliare dell’uomo, nel muscolo ciliare, nei vasi del corpo ciliare, nel trabecolato, nel canale di Schlemm e nella retina di numerose specie Metabolismo: I loro effetti dipendono dalla concentrazione extracellulare che è regolata da trasportatosi di membrana. Sono sintetizzati “quando servono” - Sono rimossi dal sito d’azione mediante un processo di uptake cellulare - Sono metabolizzazti intracellularmente Porcella A, Brain Res Mol Brain Res, 1998 Straiker A, PNAS, 1999 Porcella A, Eur J Neurosci, 2000 Stamer WD, Eur J Pharmacol, 2001 Straiker A, IOVS, 1999 Yazulla S, J Comp Neurol, 1999 Yazulla S, Vis Neurosci, 2000

I Recettori CB1 e gli Endocannabinoidi 2 I recettori CB1 oculari sono funzionalmente attivi in quanto i CB1 agonisti, applicati localmente, abbassano la PIO nell’uomo e nell’animale ed i loro effetti possono essere annullati da antagonisti sintetici. Detti recettori sono altresì funzionalmente attivi nel trabecolato e nel muscolo ciliare Metabolismo: I loro effetti dipendono dalla concentrazione extracellulare che è regolata da trasportatosi di membrana. Sono sintetizzati “quando servono” - Sono rimossi dal sito d’azione mediante un processo di uptake cellulare - Sono metabolizzazti intracellularmente Pate DW, Life Sci, 1998 Song ZH & Slowey CA, J Pharmacol Exp Ther, 2000 Porcella A, Eur J Neurosci, 2001 Chien FY, Arch Ophthalmol, 2003 Stumpff F, Exp Eye Res, 2005 Jarvinen T, Pharmacol Ther, 2002 Lograno MD & Romano MR, Eur J Pharmacol, 2004

I Recettori CB1 e gli Endocannabinoidi 3 Gli endocannabinoidi si trovano nei tessuti oculari quali retina, corpo ciliare e coroide ed i livelli di AEA, 2-AG e PEA diminuiscono significativamente nei pazienti con glaucoma Metabolismo: I loro effetti dipendono dalla concentrazione extracellulare che è regolata da trasportatosi di membrana. Sono sintetizzati “quando servono” - Sono rimossi dal sito d’azione mediante un processo di uptake cellulare - Sono metabolizzazti intracellularmente Bisogno T, Arch Biochem Biophys, 1999 Straiker A, PNAS,1999 Straiker A, IOVS, 1999 Stamer WD, Eur J Pharmacol, 2001 Chen J, Biochem Biophys Res Commun, 2005

Endocannabinoidi e Glaucoma Perché le concentrazioni degli endocannabinoidi diminuiscono nei pazienti glaucomatosi? Il metabolismo degli endocannabinoidi è rapido ed è ulteriormente accelerato nel glaucoma a causa della iperespressione di un enzima (FAAH, Fatty Acid Amide Hydrolase) responsabile della loro degradazione. In particolare, l’AEA viene idrolizzata per dare acido arachidonico ed etanolamina. in un modello animale Metabolismo: I loro effetti dipendono dalla concentrazione extracellulare che è regolata da trasportatosi di membrana. Sono sintetizzati “quando servono” - Sono rimossi dal sito d’azione mediante un processo di uptake cellulare - Sono metabolizzazti intracellularmente Acido Arachidonico + Etanolamina AEA FAAH In un modello sperimentale animale di ischemia retinica da elevata PIO, la AEA si riduce (-75%) per degradazione favorita dall’enzima FAAH iperespresso Nucci C, IOVS, 2007

Da Cravatt B., The Scripps Res Inst,2007 STRUTTURA DELLE FAAH Fatty Acid Amide Hydrolase Da Cravatt B., The Scripps Res Inst,2007

ATTIVITA’ DELLE FAAH I livelli e l’attività dell’ anandamide sono regolati principalmente in vivo da un singolo enzima degradativo (FAAH) FAAH determina il tono cannabonoide endogeno che modula nei mammiferi la percezione del dolore (sono possibili ulteriori effetti neuroregolatori) E’ possibile che il controllo dell’anandamide e delle amidi di acidi grassi correlate sia strettamente controllato da un singolo enzima? Cravatt et al. PNAS 2001

ATTIVITA’ DELLE FAAH Da Cravatt B., The Scripps Res Inst,2007

Anandamide e Glaucoma È evidente che un intervento sul sistema endocannabinoide attraverso il risparmio dell’AEA o la riduzione nella sua degradazione metabolica diventa un target terapeutico Metabolismo: I loro effetti dipendono dalla concentrazione extracellulare che è regolata da trasportatosi di membrana. Sono sintetizzati “quando servono” - Sono rimossi dal sito d’azione mediante un processo di uptake cellulare - Sono metabolizzazti intracellularmente Il nostro organismo produce una sostanza che possiamo definire un “analogo” dell’AEA ad attività anti-infiammatoria e neuroprotettiva in grado di garantire il risparmio dell’AEA.

La Palmitoiletanolammide (PEA) È una molecola naturale originariamente isolata nella lecitina di soia e poi identificata come molecola endogena nella maggior parte dei tessuti di mammiferi E’ stata riscontrata una significativa riduzione dei livelli di PEA a livello del corpo ciliare in occhi di pazienti affetti da glaucoma. Metabolismo: I loro effetti dipendono dalla concentrazione extracellulare che è regolata da trasportatosi di membrana. Sono sintetizzati “quando servono” - Sono rimossi dal sito d’azione mediante un processo di uptake cellulare - Sono metabolizzazti intracellularmente normale glaucomatoso [PEA] pmol/g tessuto cornea iride corpo ciliare retina coroide Chen J. Biochem Biophys Res Commun. 2005

La Palmitoiletanolammide (PEA) Micale V., Mazzola C., Drago F. Endocannabinoids and psychopathology: The therapy inside. Pharmacol Res. 2007 Nov;56(5):357-9 EFFETTO ANSIOLITICO EFFETTO ANTIDEPRESSIVO EFFETTO ANTINFIAMMATORIO Metabolismo: I loro effetti dipendono dalla concentrazione extracellulare che è regolata da trasportatosi di membrana. Sono sintetizzati “quando servono” - Sono rimossi dal sito d’azione mediante un processo di uptake cellulare - Sono metabolizzazti intracellularmente PEA regola la migrazione microgliale interagendo con recettori cannabinoido-simili. Lambert DM, The Palmitoylethanolamide Family: A New Class of Anti-inflammatory Agents, Curr Med Chem, 2002;

La Palmitoiletanolammide (PEA) EFFETTO ANTINFIAMMATORIO La PEA agisce da antagonista locale del danno (infiammazioni, traumi, > PIO) attraverso una “down-regulation” della degranulazione mastocitaria, mediata attraverso l’interazione con i recettori “CB2-like” espressi dai mastociti attivati e dai sensori neuronali Fibra nervosa Inoltre, la PEA agisce indirettamente incrementando l’affinità per i recettori (CB1 E PPAR α) o inibendo la degradazione metabolica di altri endocannabinoidi quali l’anandamide. Mastocita Vaso del microcircolo Lambert DM, The Palmitoylethanolamide Family: A New Class of Anti-inflammatory Agents, Curr Med Chem, 2002;

La Palmitoiletanolammide (PEA) EFFETTO ANTIPROLIFERATIVO PEA facilita potentemente gli effetti antiproliferativi dell’anandamide inibendo l’espressione della FAAH. PEA facilita in maniera dose correlata l’effetto inibitorio dell’AEA sulla proliferazione indotta da NGF, senza indurre alcun effetto citostatico Anandamide, 2-AG e PEA in tessuti oculari postmortem (coroide, corpo ciliare, iride) di pazienti con retinopatia diabetica o degenerazione maculare legata all’età Fibra nervosa Mastocita Vaso del microcircolo Di Marzo V. Biochem J. 2001). Matias I Prostaglandins Leukot Essent Fatty Acids. 2006

Neovascolarizzazione Presentano attività antiossidante CANNABINOIDI E AMD I cannabinoidi e gli endocannabinoidi possono trovare applicazione nella terapia della AMD poiché in grado di intervenire su alcuni target patogenetici: Ossidazione Neovascolarizzazione I cannabinoidi e gli endocannabinoidi infatti: Presentano attività antiossidante Diminuiscono l’espressione di fattori pro-angiogenetici (VEGF) e angiostatici (Angiopoietina-2) Inibiscono la produzione di marker di alterazione vascolare (Endotelina-1) Casanova ML, J Clin Invest, 2003; Blazquez C, FASEB J, 2003; Ronco AM, Pharmacology, 2007

CANNABINOIDI E RETINOPATIA DIABETICA I cannabinoidi (e perciò possiamo ipotizzare anche gli endocannabinoidi) possono trovare applicazione nella terapia della retinopatia diabetica poiché possono ridurre i livelli di: TNF-alfa VEGF Stress ossidativo Molecole di adesione Sono altresì in grado di prevenire la morte delle cellule retiniche e la iperpermeabilità vascolare in retine diabetiche Neurotossicità Infiammazione Rottura Barriera Emato-Retinica El-Remessy AB , Am J Pathol, 2006

ENDOCANNABINOIDI AMD E RETINOPATIA DIABETICA Anandamide, 2-AG e PEA in tessuti oculari postmortem (coroide, corpo ciliare, iride) di pazienti con retinopatia diabetica o degenerazione maculare legata all’età (Matias I Prostaglandins Leukot Essent Fatty Acids. 2006). PEA facilita potentemente gli effetti antiproliferativi dell’anandamide inibendo l’espressione della FAAH. PEA facilita in maniera dose correlata l’effetto inibitorio dell’AEA sulla proliferazione indotta da NGF, senza indurre alcun effetto citostatico (Di Marzo V Biochem J. 2001).

RECENTI OSSERVAZIONI SUGLI ENDOCANNABINOIDI Livelli cerebrali di endocannabinoidi Protezione contro la neurotossicità da beta-amiloide Ruolo neuroprotettivo degli endocannabinoidi in malattie neurodegenerative mediato da CB1 e CB2 (Alzheimer, S. di Huntington e Sclerosi Multipla) Van der Stelt M. et al Cell Mol Life Science 2006 Micale V. Drago F. Pharmacol Res. 2007

RECENTI OSSERVAZIONI SUGLI ENDOCANNABINOIDI BIMATOPROST Contrattilità del muscolo ciliare nell’uomo Rec. Prostanoidi CB1 > Deflusso U.A. Woodward DF Cardiovasc. Drug Rev. 2004 Romano MR Invest. Ophthalmol. & Vis. Sc. 2007

STUDI CLINICI PROSPETTICI CONTROLLATI Palmitoiletanolammide (PEA) Attività ipotonizzante Attività neuroprotettiva Attività antiinfiammatoria

STUDI CLINICI PROSPETTICI CONTROLLATI Palmitoiletanolammide (PEA) Protocolli di studio: Ipertensione oculare Glaucoma AMD Neuropatie ottiche

STUDI CLINICI PROSPETTICI CONTROLLATI Procedure informatiche che ci consentono di attuare Protocolli standardizzati Elaborazioni statitistiche in tempo reale

CONCLUSIONI FARMACI DI ABUSO PRODOTTI TERAPEUTICI DATI SPERIMENTALI STUDI CLINICI