La dimostrazione che nell’uomo sono presenti gli enzimi per la sintesi e la degradazione dei D-amino acidi (D-AA) ne ha confermato l’origine endogena. I D-AA più abbondanti nei mammiferi sono D-serina (D-Ser) e D-aspartato (D-Asp): essi sono coinvolti in molte patologie umane come la schizofrenia, la SLA (Sclerosi Laterale Amiotrofica), la malattia di Alzheimer (AD), il Morbo di Parkinson (PD) ed altre. La ricerca del ruolo fisiologico e delle possibili implicazioni dei D-AA nella genesi e nello sviluppo di queste patologie è della massima rilevanza.

D-SERINA

D-Ser è presente nel sistema nervoso centrale dei vertebrati ed è il principale co-agonista dei recettori NMDA (NMDAR) (Danysz et al., 1998; Billard, 2015). Questi recettori sono coinvolti nella trasmissione di segnali eccitatori e modulano alcuni processi fisiologici come la migrazione neuronale e la plasticità sinaptica. Numerosi studi hanno dimostrato che livelli ridotti di D-Ser portano a una neurotrasmissione NMDAR alterata, un processo, questo, correlato alla suscettibilità alla schizofrenia (Wang et al., 2001; Coyle and Tsai, 2003; Hashimoto et al., 2003; Ferraris and Tsukamoto, 2011; Labrie et al., 2012).

Sulla base dei risultati scientifici degli ultimi anni, la D-Ser è stata proposta come agente terapeutico per il trattamento della schizofrenia. Alte dosi di questo D-AA (30-60 mg / kg / die) migliorano le funzioni neurocognitive di pazienti e la stessa dose somministrata a individui ad alto rischio determinano una significativa riduzione dei sintomi rispetto ad un gruppo di controllo, indicando così un potenziale uso della D-Ser per il trattamento dei sintomi prodromici (Kantrowitz et al., 2015; McKay et al., 2019). D-Ser è anche coinvolta nella modulazione di alcuni biomarcatori, come la MMN (negatività da discordanza uditiva), un parametro noto in modelli animali per essere sensibile al malfunzionamento dei NMDAR. Studi clinici hanno dimostrato che la frequenza di MMN è molto sensibile alla D-Ser e una modulazione di questo biomarcatore è correlata con un miglioramento della risposta clinica (Kantrowitz et al., 2018). Sfortunatamente la D-Ser ha una breve emivita (4 ore), quindi sono stati studiati approcci terapeutici alternativi rispetto alla semplice somministrazione. Sono state identificate molecole in grado di inibire l’enzima deputato alla degradazione dei D-AA, la D-aminoacido ossidasi (DAAO), (Sacchi et al., 2013): si ritiene che il loro utilizzo possa aumentare i livelli di D-Ser nei pazienti, contribuendo a ripristinare il corretto funzionamento dei NMDAR. Ad esempio, l’inibizione di DAAO da parte del benzoato di sodio ha migliorato la qualità della vita e la Impressione Clinica Globale di questi pazienti (Lane et al., 2013).

La diminuzione dei livelli di D-Ser osservata durante i processi di invecchiamento potrebbe contribuire alla progressione del deficit cognitivo riducendo l’attivazione dei NMDAR. Pertanto si potrebbe contrastare il deficit cognitivo legato all’invecchiamento ripristinando l’attività di questi recettori tramite la somministrazione di D-Ser (Billard, 2015; Guercio et al., 2018). Alcuni studi hanno infatti rilevato un miglioramento del deficit cognitivo correlato all’invecchiamento in seguito a trattamento con D-Ser: una somministrazione orale di 30 mg / kg di D-Ser ha migliorato le capacità di orientamento e di problem solving in roditori anziani.

D-Ser è anche coinvolta nella malattia di Alzheimer (AD): un metabolismo anomalo di questo D-AA può portare ad un’eccessiva attivazione dei NMDAR che sembra essere correlata con lo sviluppo della patologia. Nel liquido cerebrospinale (CSF) di pazienti AD è stato riscontrato un incremento del livello di D-Ser, che contribuisce non solo alla neurogenesi e alla sopravvivenza neuronale, ma anche alla modulazione dell’apoptosi. Nella fase iniziale della malattia l’aumento di D-Ser inibisce la morte cellulare, mentre la stimola nelle fasi successive. Pertanto, l’aumento dei livelli di questo D-AA nelle fasi iniziali del morbo di Alzheimer può contribuire a limitare la perdita di cellule nervose e contrastare la progressione della malattia (Brito-Moreira et al., 2011; Talantova et al., 2013; Guercio et al., 2018).

Nei pazienti con fSLA (Sclerosi Laterale Amiotrofica familiare) un’attivazione anomala dei NMDAR induce un’eccitabilità eccessiva delle cellule neuronali, la perdita di motoneuroni del cervello e del midollo spinale e la neurodegenerazione. Vari studi hanno mostrato un aumento dei livelli di D-Ser (e dell’espressione dell’enzima deputato alla sua sintesi, la serina racemasi) nelle cellule di un topo transgenico modello di ALS (topi G93A) (Sasabe et al., 2007). L’impiego di specifici inibitori della serina racemasi per diminuire i livelli di D-Ser nel midollo spinale potrebbe rappresentare un nuovo approccio terapeutico per la SLA.

Recenti scoperte suggeriscono che la D-Ser potrebbe essere utile anche nel trattamento del morbo di Parkinson (PD). Il PD è un disturbo nervoso debilitante che provoca cambiamenti fisici (tremori, rigidità, perdita di equilibrio) ed emotivi. La modulazione dei NMDAR sembra essere coinvolta nella malattia, come suggerito dal fatto che il trattamento con farmaci dopaminergici, utilizzati nella terapia del PD, modifica il numero, la struttura e la funzionalità di questi recettori (Hallet et al., 2004). Come riportato da (Gelfin et al., 2012), la somministrazione di 30 mg / kg / die di D-Ser ha determinato miglioramenti significativi sia delle manifestazioni motorie, sia di quelle comportamentali.

La somministrazione acuta di D-Ser ha mostrato effetti antidepressivi e ansiolitici nei topi (Malkesman et al., 2012) e ha dimostrato di migliorare l’umore negli esseri umani (Otte et al., 2013).

Inoltre, l’analisi dei livelli plasmatici di D-Ser potrebbe essere utilizzata per una valutazione precoce di disturbi renali cronici. In pazienti affetti da tali patologie è stato segnalato un aumento dei livelli di questo D-AA nel plasma, mentre nelle urine i livelli risultano bassi. Questo risultato è stato confermato anche dalla diminuzione del GFR (rapporto di filtrazione glomerulare), attualmente il parametro più affidabile per la valutazione di queste patologie. Il GFR viene misurato indirettamente attraverso la valutazione della clearance dell’inulina. La misurazione dei livelli plasmatici di D-Ser rappresenterebbe quindi un parametro più diretto per la valutazione delle malattie renali (Hesaka et al., 2019).

Nel corso degli anni, sulla base dei risultati acquisiti sui ratti, sono emerse alcune preoccupazioni relativamente all’uso della D-Ser poiché potrebbe indurre nefrotossicità nell’uomo. Tale nefrotossicità è dovuta principalmente alla generazione di perossido di idrogeno durante la degradazione del D-AA ad opera della DAAO. La co-somministrazione di un inibitore di tale enzima insieme alla D-Ser rappresenta una procedura per aumentare la biodisponibilità orale di D-Ser e contemporaneamente per prevenirne la nefrotossicità (Williams and Lock, 2005). 

D-ASPARTATO

D-Asp è un amino acido endogeno che si trova in forma libera nelle ghiandole endocrine, in particolare in quelle associate al sistema riproduttivo (D’Aniello et al., 1998), e nelle cellule del sistema nervoso degli animali, compresi ratti e umani (Hashimoto et al., 1993). Nel sistema endocrino il D-Asp è coinvolto nella regolazione della sintesi e del rilascio ormonale. Nei ratti, il D-Asp modula il rilascio dell’ormone di rilascio delle gonadotropine (GnRH), della prolattina (PRL), dell’ormone luteinizzante (LH), dell’ormone della crescita (GH), del testosterone e del progesterone (Genchi, 2017).

Studi recenti hanno rivelato che la diminuzione dei livelli di D-Asp può essere coinvolta nell’infertilità umana. Infatti, uomini oligoastenoteratospermici e azoospermici presentano meno D-Asp nel liquido seminale e negli spermatozoi rispetto ai soggetti normospermici (D’Aniello et al., 2005). La somministrazione orale di D,L-Asp nei conigli porta ad un aumento sia della concentrazione spermatica che dei parametri cinetici, come la percentuale complessiva di motilità, la velocità media e la percentuale di motilità progressiva degli spermatozoi (Macchia et al., 2010). Pertanto, è stato proposto l’uso del D-Asp per il trattamento dell’infertilità umana. Nelle donne, il D-Asp si trova nel liquido follicolare ovarico e la sua quantità sembra correlare con la qualità dell’ovocita e la sua capacità di essere fecondato: le donne più anziane sottoposte a fecondazione in vitro presentano una concentrazione di D-Asp inferiore rispetto alle pazienti più giovani. La concentrazione di D-Asp può essere considerata un ulteriore marcatore biochimico per la qualità dell’ovocita in pazienti sottoposte a fecondazione in vitro (D’Aniello et al., 2007).

Come D-Ser, anche D-Asp può attivare i recettori NMDA e modulare alcuni processi da loro mediati, come la plasticità sinaptica e la memoria (Errico et al., 2011; Errico et al., 2015). Come menzionato precedentemente, l’ipo-funzionamento di NMDAR è correlato alla schizofrenia. In campioni di corteccia prefrontale di pazienti schizofrenici (Errico et al., 2015) sono stati osservati livelli ridotti di D-Asp e aumentata espressione della molecola di mRNA per la D-aspartato ossidasi (l’enzima deputato alla degradazione di D-Asp). Uno studio condotto su topi transgenici ha rivelato che livelli costitutivamente alti di D-Asp eserciterebbero un effetto protettivo verso sintomi simili a quelli della schizofrenia indotti da fenciclidina, antagonista dei NMDAR. Una diminuzione dei livelli di D-Asp durante le prime fasi dello sviluppo neuronale e un metabolismo anomalo di questa molecola potrebbero essere più dannosi durante le fasi critiche dello sviluppo cerebrale, quando i livelli di D-Asp sono fisiologicamente alti. L’aumento dei livelli di D-Asp nei pazienti schizofrenici potrebbe rappresentare un’interessante applicazione di questo D-AA nel trattamento di tale patologia.

D-Asp è coinvolto anche nella malattia di Alzheimer: i residui di acido L-aspartico (L-Asp) del peptide β-amiloide (Aβ) sono parzialmente convertiti in D-Asp, e questa racemizzazione può ostacolare l’attacco proteolitico di Aβ da parte di aminopeptidasi, con conseguente formazioni di depositi di Aβ in placche stabili (Iwatsubo et al., 1996). Inoltre, il peptide Aβ contenente D-Asp ha dimostrato di possedere effetti pro-apoptotici nella linea cellulare PC12 (Kaneko et al., 2001) e ha dato origine ad un peptide tossico capace di danneggiare i neuroni. Pertanto, la modulazione della racemizzazione dell’acido aspartico e la regolazione dei livelli di D-Asp potrebbero essere di interesse nel trattamento di pazienti affetti da AD. 

Nel cervello i livelli di D-Asp si modificano con l’invecchiamento. Nell’uomo e nei roditori sono alti nelle fasi embrionali, mentre diminuiscono fino a livelli molto bassi durante la vita post-natale (Wolosker et al., 2000; Errico et al., 2011). Il catabolismo di questo D-AA è dovuto all’enzima D-aspartato ossidasi (DASPO o DDO), la cui espressione aumenta nella fase post-natale. Studi effettuati su topi durante l’invecchiamento indicano come si osservi un peggioramento in termini di trasmissione e plasticità sinaptica, della via di segnalazione di ERK, delle abilità cognitive ed una maggiore sensibilità al deficit di inibizione indotto da fenciclidina (Errico et al., 2011; Cristino et al., 2015). D’altra parte studi condotti su topi transgenici Ddo^{– / –}, che non degradano il D-Asp, mostrano come un aumento del contenuto di D-Asp libero abbia effetti benefici grazie alla sua attività sui NMDAR, contrastando così i sintomi negativi precedentemente riportati. Nell’ippocampo il D-Asp apporta un miglioramento del processo di LTP sia nella sua fase iniziale che in quella tardiva (Errico et al., 2008, 2011, 2014), della fosforilazione di ERK (Errico et al., 2011), della lunghezza e della densità dendritica (Errico et al., 2014), della memoria spaziale (Errico et al., 2008, 2011) e apporta anche una riduzione del deficit di inibizione prodotto da farmaci psicotomimetici (Errico et al., 2008, 2015). Pertanto, la modulazione di DDO e la conseguente regolazione dei livelli di D-Asp potrebbero rappresentare un nuovo approccio terapeutico per contrastare gli effetti negativi dell’invecchiamento (Punzo et al., 2016). 

Studi recenti hanno rivelato come il D-Asp possa rappresentare un nuovo ed importante composto attivo nel trattamento della sclerosi multipla (SM). In un modello sperimentale di encefalomielite autoimmune (EAE), solitamente utilizzato per mimare la demielinizzazione e il danno assonale che si verificano durante la SM, in seguito alla somministrazione di D-Asp si osserva una riduzione della perdita di mielina, prevenendo così l’insorgenza della malattia (Afraei et al., 2017; Goudarzvand et al., 2019).

ALTRI D-AMINO ACIDI

Anche D-asparagina, D-alanina e D-prolina sono di interesse clinico. Ad esempio, i loro livelli plasmatici sono stati correlati con la progressione di patologie renali. Quindi, potrebbero essere usati come marcatori del danno renale, ma anche per la prognosi e la presenza di altre patologie (Kimura et al., 2016).