Screening farmacologico di piccole molecole ad alto rendimento per i disturbi del sonno legati all'età utilizzando Drosophila melanogaster

Il sonno, uno dei comportamenti essenziali necessari per la sopravvivenza umana, è caratterizzato da due stati principali: il sonno REM (Rapid Eye Movement) e il sonno NREM (Non-Rapid Eye Movement)¹. Il sonno NREM comprende tre fasi: N1 (la transizione tra veglia e sonno), N2 (sonno leggero) e N3 (sonno profondo, sonno a onde lente), che rappresentano la progressione dalla veglia al sonno profondo¹. Il sonno svolge un ruolo cruciale sia per la salute fisica che per quella mentale². Tuttavia, l’invecchiamento riduce la durata totale del sonno, l’efficienza del sonno, la percentuale di sonno a onde lente e la percentuale di sonno REM negli adulti³. Gli individui più anziani tendono a trascorrere più tempo nel sonno leggero rispetto al sonno a onde lente, rendendoli più sensibili ai risvegli notturni. Con l’aumentare del numero di risvegli, il tempo medio di sonno diminuisce, con conseguente frammentazione del sonno negli anziani, che può essere associata a un’eccessiva eccitazione dei neuroni Hcrt nei topi⁴. Inoltre, il declino dei meccanismi circadiani legato all’età contribuisce a un cambiamento anticipato nella durata del sonno ^5,6. In combinazione con la malattia fisica, lo stress psicologico, i fattori ambientali e l’uso di farmaci, questi fattori rendono gli anziani più suscettibili ai disturbi del sonno, come l’insonnia, il disturbo del comportamento del sonno REM, la narcolessia, i movimenti periodici delle gambe, la sindrome delle gambe senza riposo e la respirazione disturbata dal sonno ^7,8.

Studi epidemiologici hanno dimostrato che i disturbi del sonno sono strettamente legati alle malattie croniche negli anziani⁹, tra cui la depressione 10, le malattie cardiovascolari¹¹ e la demenza¹². Affrontare i disturbi del sonno svolge un ruolo cruciale nel miglioramento e nel trattamento delle malattie croniche e nel miglioramento della qualità della vita degli anziani. Attualmente, i pazienti si affidano principalmente a farmaci come benzodiazepine, non benzodiazepine e agonisti del recettore della melatonina per migliorare la qualità del sonno¹³. Tuttavia, le benzodiazepine possono portare a una sottoregolazione dei recettori e alla dipendenza dopo un uso a lungo termine, causando gravi sintomi di astinenza al momento dell’interruzione^14,15. Anche i farmaci non benzodiazepinici comportano rischi, tra cui demenza 16, fratture¹⁷ e cancro¹⁸. L’agonista del recettore della melatonina comunemente usato, il ramelteon, riduce la latenza del sonno ma non aumenta la durata del sonno e presenta problemi legati alla funzione epatica a causa dell’ampia eliminazione di primo passaggio¹⁹. L’agomelatina, un agonista del recettore della melatonina e antagonista del recettore della serotonina, migliora l’insonnia correlata alla depressione, ma comporta anche un rischio di danno epatico²⁰. Di conseguenza, c’è un urgente bisogno di farmaci più sicuri per trattare o alleviare i disturbi del sonno. Tuttavia, le attuali strategie di screening dei farmaci, basate su esperimenti molecolari e cellulari combinati con sistemi automatizzati e analisi computerizzate, sono costose e richiedono molto tempo²¹. Le strategie di progettazione di farmaci basate sulla struttura, che si basano sulla struttura e sulle proprietà dei recettori, richiedono una chiara comprensione della struttura tridimensionale dei recettori e mancano di capacità predittive per gli effetti dei farmaci²².

Nel 2000, sulla base dei criteri del sonno proposti da Campbell e Tobler nel 1984 23, i ricercatori hanno stabilito semplici modelli animali per studiare il sonno 24, tra cui Drosophila melanogaster, che ha mostrato stati simili al sonno^25,26. Nonostante le differenze anatomiche tra la Drosophila e gli esseri umani, molti componenti neurochimici e le vie di segnalazione che regolano il sonno nella Drosophila sono conservati nel sonno dei mammiferi, facilitando lo studio delle malattie neurologiche umane^27,28. La Drosophila è anche ampiamente utilizzata negli studi sul ritmo circadiano, nonostante le differenze negli oscillatori principali tra mosche e mammiferi 29,30,31. Pertanto, la Drosophila funge da prezioso organismo modello per lo studio del comportamento del sonno e la conduzione di screening farmacologici correlati al sonno.

Questo studio propone un approccio semplice ed economico basato sul fenotipo per lo screening di farmaci a piccole molecole per il trattamento dei disturbi del sonno utilizzando mosche anziane. La regolazione del sonno in Drosophila è altamente conservata^e il declino del sonno osservato con l’età può essere reversibile attraverso la somministrazione di farmaci. Pertanto, questo metodo di screening basato sul fenotipo del sonno può riflettere intuitivamente l’efficacia del farmaco. Nutriamo i moscerini con una miscela del farmaco in esame e del cibo, monitoriamo e registriamo il comportamento del sonno utilizzando il Drosophila Activity Monitor (DAM)³² e analizziamo i dati acquisiti utilizzando il pacchetto di dati SCAMP2020 open source in MATLAB (Figura 1). L’analisi statistica viene eseguita utilizzando software di statistica e grafici (vedi Tabella dei Materiali). A titolo di esempio, dimostriamo l’efficacia di questo protocollo presentando dati sperimentali sulla Reserpina, una piccola molecola inibitrice del trasportatore vescicolare delle monoamine che aumenta il sonno³³. Questo protocollo fornisce un approccio prezioso per identificare i farmaci per il trattamento dei problemi del sonno legati all’età.