I meccanismi di lesioni neurali nella malaria cerebrale sono poco conosciuti. Anche se la patogenesi della malaria cerebrale è incompleta, una comprensione di essa può fornire indizi per i meccanismi di lesioni cerebrali. Inoltre, le descrizioni dei fattori prognostici per le sequele neurocognitive e gli studi post mortem hanno fornito una certa comprensione. Tuttavia, tre osservazioni sollevano le seguenti domande: 1) come fa un parassita largamente intravascolare a causare così tanta disfunzione neuronale? 2) nonostante il gran numero di parassiti nel cervello della maggior parte dei pazienti, perché il coma è così rapidamente reversibile con il trattamento e con pochissima necrosi del tessuto dimostrabile? e 3) nonostante la presentazione simile, perché alcuni bambini hanno un esito neurologico povero mentre altri migliorano con quasi nessun deficit?
Un problema fondamentale nella valutazione della patogenesi della malaria cerebrale è la relativa scarsità di dati patologici o fisiologici del SNC negli esseri umani. Poiché l’esame invasivo del tessuto cerebrale non è sicuro, i dati disponibili provengono in gran parte da studi autoptici. Tuttavia, questi studi sono limitati nelle dimensioni del campione e non possono affrontare le potenziali differenze nei sopravvissuti rispetto ai pazienti che muoiono. Data questa limitazione, la maggior parte degli studi di patogenesi sono stati condotti in modelli animali, in particolare modelli murini che coinvolgono topi C57BL/6 o CBA infettati con P. berghei ANKA. Anche se hanno fornito una ricchezza di informazioni, importanti differenze in ciò che è noto di patogenesi negli esseri umani rispetto ai topi suggeriscono che l’estrapolazione diretta dei risultati alla malaria cerebrale umana non può essere appropriato (19).
Sequestro del parassita nel cervello
Il sequestro del parassita nel microvascolo cerebrale è pensato per essere un fattore centrale nella patogenesi e nei conseguenti cambiamenti fisiopatologici nel tessuto intorno ai parassiti sequestrati, che può spiegare perché un parassita intravascolare può causare disfunzioni neurali e perché alcuni pazienti possono avere un esito negativo. Chiaramente, ci sono altri fattori perché il sequestro è anche osservato in pazienti che muoiono di altre complicazioni della malaria falciparum (20).
Il sequestro risulta dall’adesione dei pRBC al rivestimento endoteliale (citoaderenza) utilizzando proteine derivate dal parassita esposte sulla superficie degli eritrociti (21). Un gruppo di antigeni del parassita, tra cui la proteina di membrana degli eritrociti del Plasmodium falciparum-1 (PfEMP-1), media il legame con i recettori dell’ospite, di cui la molecola di adesione intercellulare-1 (ICAM-1) è la più importante e la cui espressione è up-regolata nelle aree adiacenti ai parassiti sequestrati. La massa del parassita sequestrato è ulteriormente aumentata quando gli eritrociti aderenti si agglutinano con altri pRBC, formano rosette con eritrociti non parassitati, o usano il clumping mediato dalle piastrine per legarsi tra loro. Il sequestro compromette la perfusione e può aggravare il coma attraverso l’ipossia. Inoltre, la capacità dei pRBC di deformarsi e passare attraverso la microvascolatura è diminuita (22). Pertanto, l’ipossia e l’inadeguata perfusione dei tessuti possono essere eventi fisiopatologici importanti. Anche se può verificarsi una riduzione critica dell’apporto di metaboliti (ossigeno e glucosio), nella maggior parte dei bambini è improbabile una necrosi significativa del tessuto neurale, perché con un trattamento antimalarico specifico il coma è rapidamente reversibile. Tuttavia, in presenza di un aumento della domanda metabolica come durante le convulsioni e la febbre, il rischio di lesioni neurali è più alto e può essere peggiore se il paziente è ipoglicemico (23) o se il flusso sanguigno è ulteriormente compromesso dall’ipertensione intracranica (24).
Citochine, chemochine ed eccitotossicità
Citochine e chemochine svolgono un ruolo complesso nella patogenesi e hanno effetti sia protettivi che dannosi. Gli antigeni del parassita rilasciati durante la schizogonia innescano il rilascio di citochine sia pro- che anti-infiammatorie. Sebbene l’equilibrio tra questi mediatori sia critico per il controllo del parassita, il loro ruolo nella patogenesi del danno neuronale non è chiaro. Il TNF, la citochina più ampiamente studiata nella malaria cerebrale, regola l’espressione di ICAM-1 sull’endotelio vascolare cerebrale aumentando la citoadesione dei pRBC. Vicino alle aree di sequestro, c’è un aumento della sintesi locale. La tempistica di questo è importante perché all’inizio della malattia, il TNF può essere protettivo ma alti livelli prolungati contribuiscono alle complicazioni (25). Il TNF è anche coinvolto nella regolazione della trasmissione sinaptica (forza, scala e potenziamento a lungo termine) (10). Così, i cambiamenti sinaptici mediati dalle citochine possono contribuire alla sindrome della malaria cerebrale. Nonostante la prominenza di TNF nella patogenesi, pentossifillina, che diminuisce la produzione di TNF macrofagi (26,27) e MAb a TNF (28), non è riuscito a diminuire la mortalità.
Diverse altre citochine e chemochine sono importanti, e in particolare, interleuchina (IL)-1b, IL-6 e IL-10 (29), ma bassi livelli della chemochina RANTES sono indipendentemente associati alla mortalità (30). Il ruolo di NO è controverso. L’associazione tra l’attività di NO e la NO sintasi inducibile con la patogenesi è stata incoerente (31,32). NO è coinvolto nella difesa dell’ospite, nel mantenimento dello stato vascolare e nella neurotrasmissione e si pensa che sia un effettore del TNF. Si suggerisce che le citochine infiammatorie up-regolare inducibile NO sintasi nelle cellule endoteliali del cervello portando ad una maggiore produzione di NO. NO può attraversare la barriera emato-encefalica (BBB), diffondersi nel tessuto cerebrale e interferire con la neurotrasmissione e quindi può essere in parte responsabile del coma reversibile (33).
Altri prodotti infiammatori come i metaboliti della via della chinurenina – acido chinolinico e chinurenico – possono anche essere importanti nella patogenesi. L’acido chinolinico è un agonista del recettore NMDA e una eccitotossina. Causa convulsioni in modelli animali di malattie cerebrali, mentre l’acido kynurenico è un antagonista ed è generalmente pensato come neuroprotettivo. L’eccitazione da parte dell’acido chinolinico può contribuire alle convulsioni nella malaria cerebrale. Nei bambini, ci sono aumenti graduali nella concentrazione del liquido cerebrospinale (CSF) attraverso gruppi di risultati di gravità crescente (34) anche se negli adulti, i livelli aumentati sono stati associati con la funzione renale compromessa (35). A causa del ruolo dei recettori NMDA nella modulazione della neurotrasmissione e come agonisti, alti livelli di acido chinolinico possono avere effetti deleteri a lungo termine sulla funzione cognitiva.
Giustizia endoteliale, apoptosi, disfunzione della BBB e ipertensione intracranica
La citoaderenza dei pRBC all’endotelio avvia una cascata di eventi che inizia con la trascrizione di geni coinvolti nell’infiammazione, nella segnalazione da cellula a cellula e nella trasduzione del segnale, che si traduce in attivazione endoteliale, rilascio di microparticelle endoteliali (EMP) e apoptosi delle cellule ospiti (36). C’è una diffusa attivazione endoteliale nei vasi contenenti pRBCs, e rispetto ad altre complicazioni della malaria falciparum, aumenti significativi di EMPs circolanti sono visti in pazienti in coma (37). Inoltre, le interazioni tra pRBCs e piastrine (che producono microparticelle piastriniche) causano ulteriori lesioni alle cellule endoteliali attraverso un effetto citotossico diretto (38). La riparazione dell’endotelio danneggiato è anche compromessa in quanto non si riesce a mobilitare sufficienti cellule progenitrici endoteliali circolanti (39), e i livelli plasmatici dei regolatori endoteliali, angiopoietina-1 e angiopoietina-2, sono alterati (40).
Nei modelli murini, l’apoptosi si osserva prima nelle cellule endoteliali e poi nei neuroni e nella glia (41); lo stimolo è il contatto delle pRBC con l’endotelio (42) (Fig. 1). C’è un accumulo di linfociti CD8 attivati/effettori. L’apoptosi può essere indotta attraverso un processo dipendente dalla perforina, perché i sintomi cerebrali non sono visti nei modelli con deficit di perforina ma solo nelle forme selvatiche che mostrano alti aumenti di mRNA della perforina (43). Sono stati descritti quattro modelli di lesioni assonali: assoni singoli, chiazze parenchimali diffuse o più focali e corpi cellulari neuronali (44), e lesioni assonali correlate al lattato plasmatico e alla profondità del coma. Gli assoni nei bambini sembrano essere più suscettibili alle lesioni perché il livello mediano della proteina tau associata ai microtubuli nel CSF è 3 volte maggiore che negli adulti (45). La maggiore suscettibilità alle lesioni può spiegare la maggiore prevalenza di sequele nei bambini.
Cambiamenti in e intorno a un microvessillo cerebrale con parassiti Plasmodium falciparum sequestrati. Un diagramma schematico che mostra i cambiamenti in ed intorno ad un vaso cerebrale con sequestro di pRBCs. La citoaderenza degli eritrociti parassitati al rivestimento delle cellule endoteliali e il sequestro delle cellule parassitate e non parassitate nel capillare cerebrale o nella venula postcapillare avvia un processo infiammatorio, l’attivazione endoteliale, il rilascio di EMP e l’apoptosi nella zona esposta. Nel sito di citoaderenza, la BBB è probabilmente interrotta, e c’è un aumento della risposta infiammatoria nell’area perivascolare con un aumento del rilascio di citochine proinfiammatorie.
I macrofagi perivascolari intorno ai vasi con parassiti esprimono recettori come la sialoadhesina normalmente presente solo se c’è stato contatto con proteine plasmatiche (46). Anche se le interruzioni nei siti di sequestro possono esporre i neuroni alle proteine plasmatiche, non si è vista una perdita significativa di proteine plasmatiche negli spazi perivascolari (47). Nonostante questo, l’ipertensione intracranica è comune nei bambini africani; fino al 40% dei bambini con coma profondo hanno gonfiore cerebrale sulla tomografia computerizzata (48). La disfunzione della BBB può contribuire all’ipertensione, anche se l’aumento del volume cerebrale potrebbe essere causato dal sequestro e dall’aumento del flusso sanguigno cerebrale da convulsioni, ipertermia o anemia.
L’ipertensione intracranica riduce la pressione di perfusione cerebrale, l’apporto di nutrienti e ossigeno e può portare a lesioni ischemiche globali, ernia, compressione del tronco cerebrale e morte (24,49). Il danno ischemico si vede sulla tomografia computerizzata acuta, e il modello del danno è coerente con una riduzione critica della pressione di perfusione (48). Le scansioni di convalescenza in questi pazienti mostrano atrofia cerebrale. Molti bambini con ipertensione grave vengono dimessi con tetraplegia spastica e, successivamente, con gravi difficoltà di apprendimento (24).
Flusso sanguigno cerebrale e perfusione
I pazienti con malaria cerebrale hanno un aumento del flusso sanguigno cerebrale. Questo aumento è probabilmente una risposta adattativa all’alta domanda metabolica per far corrispondere l’ossigeno e l’apporto di nutrienti alle esigenze, perché la saturazione venosa del bulbo giugulare rimane nella norma (50). Tuttavia, studi recenti sulla retina hanno fornito prove di una diminuzione della perfusione locale (51,52). Nell’occhio, più aree discrete (100-1000 μm) di sbiancamento retinico sono osservati nella maggior parte dei bambini con malaria cerebrale. Queste aree hanno compromesso la perfusione capillare su angiografia fluoresceina (51), Figura 2. Fisiologicamente, una ridotta perfusione locale è associata a un elettroretinografo anormale (52). Se la retina rispecchia gli eventi nel cervello, un’ostruzione simile può essere presente nel cervello, e il coma nella malaria cerebrale può essere in parte il risultato della sottoperfusione in aree multiple ma piccole del cervello. Poiché le zone del cervello colpite sono piccole, con un trattamento precoce e un rapido sollievo dell’ostruzione, la necrosi dei tessuti è minima e il ripristino precoce della perfusione può spiegare il recupero quasi completo delle funzioni neurologiche lorde nella maggior parte dei pazienti. Tuttavia, l’esposizione all’ipossia lascia ancora molti bambini con deficit sottili (ad esempio cognitivi). In quelli che muoiono o sviluppano una grave lesione cerebrale, la massa sequestrata può essere maggiore, l’ostruzione del flusso sanguigno non prontamente invertita e la lesione ipossica e ischemica più diffusa (53).
Modifiche retiniche e angiografia fluoresceina in un bambino con malaria cerebrale. Giorno 1 (l’ammissione è d 0): (A) Fotografia del fundus a colori di un bambino con malaria cerebrale; sono visibili emorragie retiniche multiple. Nessun cambiamento importante dall’ammissione. (B) L’angiografia con fluoresceina mostra aree multiple di nonperfusione retinica. Queste sono più chiaramente delineate rispetto al d 0 (ammissione). (C) Ad un ingrandimento maggiore e più tardi nella corsa di angiografia, c’è qualche lieve perdita intorno al confine delle zone perfuse e nonperfuse. La perdita può suggerire una disfunzione della barriera sangue-retina. Terzo giorno di coma: (D) C’è poco cambiamento nell’aspetto rispetto al d 1. (E) Ma c’è un sostanziale recupero nelle zone di nonperfusione. (F) A maggiore ingrandimento e più tardi nella corsa angiografia, perdita di fluoresceina da capillari riperfusi, e capillari precedentemente sul confine di nonperfusione è ancora osservato. Fotografie per gentile concessione del Dr. Nicholas Beare-Royal Liverpool University Hospital e del Wellcome Trust-Liverpool School of Hygiene and Tropical Medicine Program in Malawi.
Il flusso sanguigno regionale può anche essere alterato. In uno studio Doppler transcranico, le anomalie ecografiche sono state associate a deficit di lateralizzazione in sei degli 11 bambini che hanno sviluppato gravi deficit funzionali al recupero (54), mentre nei pazienti con grave ipertensione intracranica, è stata osservata una relazione lineare tra la pressione di perfusione cerebrale e la velocità del flusso sanguigno, suggerendo che l’autoregolazione era compromessa. Inoltre, caratteristiche ecografiche che suggeriscono una progressiva ipertensione intracranica sono state viste in alcuni che poi sono morti.
Crisi
Il Plasmodium falciparum è epilettogeno, e il rischio di crisi aumenta con la parassitemia (55). Le convulsioni sono una caratteristica comune della malaria cerebrale infantile; >l’80% è ricoverato con convulsioni e le convulsioni ricorrono nel 60% durante il ricovero (56). In altri modelli, il danno irreversibile dei neuroni è descritto dopo una prolungata attività convulsiva; entro pochi giorni, l’edema è riconosciuto alla risonanza magnetica (57), ma nel tempo, questo è sostituito da atrofia locale e gliosi (58). Tuttavia, non c’è consenso sul fatto che le convulsioni causino la lesione cerebrale o siano una manifestazione di un cervello danneggiato (59,60). Così, anche se gli anticonvulsivanti profilattici nella lesione cerebrale traumatica (TBI) hanno impedito la ricorrenza immediata delle crisi, non hanno ridotto il rischio di epilessia successiva (61). Allo stesso modo, il fenobarbital profilattico ad alte dosi nei bambini con malaria cerebrale ha ridotto significativamente le ricorrenze delle crisi (62) ma non ha migliorato il risultato cognitivo (63). Tuttavia, in questo studio, il fenobarbital profilattico è stato associato a un aumento della mortalità (dalla depressione respiratoria) e lo studio dei risultati cognitivi ha incluso solo la metà della coorte originale. Lo scenario probabile è che la lesione cerebrale sia causata dall’agente nocivo che dà inizio alle convulsioni. Le crisi prolungate possono peggiorare questa lesione e instaurare un circolo vizioso di lesioni neurali e più crisi.
Profondità, durata e causa del coma
È stato suggerito che la malaria cerebrale non è una singola sindrome omogenea piuttosto quattro gruppi distinti: uno stato postictale prolungato, stato epilettico nascosto, grave disordine metabolico, e una sindrome neurologica primaria (64). Il quinto gruppo può essere costituito da pazienti con falsa malaria cerebrale in cui il coma ha altre cause e la parassitemia è incidentale (8).
I pazienti con stato postictale prolungato hanno il coma secondario alle convulsioni, riprendono coscienza entro 6 ore e hanno un buon recupero neurologico. Anche se le convulsioni sono diverse dalle semplici convulsioni febbrili, gli stessi fattori di rischio possono essere in gioco. D’altra parte, quelli con stato epilettico convertito presentano il coma dopo convulsioni prolungate. I segni fisici dell’attività convulsiva sono spesso così minimi che possono non essere riconosciuti. Il mancato riconoscimento dello stato può essere disastroso perché questi pazienti sono ipossici e ipercarbici da ipoventilazione e a rischio di aspirazione. L’esito neurocognitivo può dipendere da quanto tempo sono durate le convulsioni.
I pazienti con grave alterazione metabolica possono riprendere coscienza poche ore dopo la rianimazione. La perdita di coscienza è un fenomeno secondario a un ambiente sfavorevole. Di nuovo, periodi prolungati di ipoglicemia o acidosi possono causare disfunzioni neuronali o morte e l’esito può dipendere dalla durata dell’esposizione tra i sopravvissuti.
La morte e le sequele neurologiche possono derivare da meccanismi diversi. Nei bambini del Gambia, le sequele neurologiche sono state associate a crisi ripetute e a coma profondo e prolungato, mentre la morte è stata associata all’ipoglicemia e all’acidosi, suggerendo che la maggior parte dei decessi precoci nella malaria cerebrale può derivare da uno squilibrio metabolico schiacciante (65). La correzione precoce di queste alterazioni può guadagnare tempo per il trattamento definitivo. Recenti studi di fase II sull’albumina come fluido rianimatorio hanno sostenuto questa affermazione (66) e hanno portato alla sperimentazione in corso della Fluid Expansion as Supportive Therapy per bambini molto malati in diversi ospedali africani.
I pazienti con una sindrome neurologica primaria si presentano con convulsioni spesso senza gravi disturbi metabolici e hanno il peggior risultato neurocognitivo. Non sono gravemente anemici, e il coma persiste per 24-48 ore ben oltre la risoluzione delle crisi. L’ipertensione intracranica è comune. Il coma può essere una conseguenza primaria del sequestro intracranico dei parassiti della malaria.
Patogenesi di alcuni danni specifici
Seguiti cognitivi.
In uno studio prospettico, il deterioramento cognitivo a lungo termine è stato descritto nel 25% dei bambini (18). Studi retrospettivi hanno documentato tassi del 14-24% (17,67). I fattori di rischio per il deterioramento cognitivo includevano l’ipoglicemia, le convulsioni, la profondità e la durata del coma e l’iporeflessia (18,23,67,68). Solo uno studio ha indagato l’immunopatogenesi del deterioramento cognitivo (29). In questo studio, i livelli sierici di citochine e chemochine multiple non sono stati correlati con il deterioramento 6 mesi dopo la dimissione, ma i livelli CSF di TNF sono stati correlati con la memoria di lavoro e l’attenzione, suggerendo che livelli elevati di TNF del SNC influenzano negativamente il risultato cognitivo a lungo termine. La scarsità della letteratura sui fattori di rischio per il deterioramento cognitivo evidenzia la necessità di ulteriori studi in quest’area.
Depressione del linguaggio e della parola.
La malaria cerebrale è una delle principali cause di disturbo del linguaggio acquisito nei tropici; l’11,8% dei bambini sopravvissuti ha deficit soprattutto nel vocabolario, nel linguaggio ricettivo ed espressivo, nella ricerca delle parole e nella fonologia. La maggior parte dei deficit sono osservati in un sottogruppo di bambini, alcuni dei quali hanno compromessi concomitanti nel funzionamento non verbale, nella memoria o nell’attenzione (69). La patogenesi è poco compresa; non è chiaro se i deficit del linguaggio sono parte di una lesione globale o se la malaria grave provoca lesioni a centri linguistici specifici. Studi con imaging funzionale possono essere utili nel delineare la patogenesi.
Epilessia.
L’epilessia si sviluppa nel ∼10% dei bambini esposti da mesi ad anni dopo l’esposizione (16), e l’incidenza cumulativa aumenta con il tempo (70). Sebbene le convulsioni nella malaria cerebrale si verifichino nel contesto di una malattia febbrile e molte abbiano caratteristiche complesse, l’epilessia del lobo temporale non è comune; invece, si osservano soprattutto convulsioni tonico-cloniche generalizzate e secondariamente generalizzate (71). La patogenesi dell’epilessia è poco compresa, anche se può essere una conseguenza del danno ipossico/ischemico focale nelle aree di confine della circolazione cerebrale (56,72) o del danno ischemico globale (48,72).
Concetti recenti di epilettogenesi ipotizzano che nei pazienti esposti a lesioni cerebrali, nel cervello si possono sviluppare più aree di reti ipereccitabili, ciascuna con diversa probabilità di crisi e scariche indipendenti. Le crisi cliniche possono svilupparsi quando queste scariche si fondono e coinvolgono più del cervello normale circostante (73). Questo concetto è stato studiato in modelli animali e in pazienti con epilessia intrattabile del lobo temporale in cui c’è un’estesa perdita di cellule neurali, gliosi, germinazione assonale e formazione di nuove sinapsi nell’ippocampo. I neuroni e la glia sopravvissuti esprimono geni che codificano canali ionici e recettori, cambiamenti che si pensa siano responsabili delle alterate caratteristiche fisiologiche della regione ferita (74). Se il concetto è vero, nella malaria cerebrale, il danno neurale ipossico/ischemico in aree di nonperfusione può essere il meccanismo casuale.
Disturbi comportamentali e neuropsichiatrici.
Nei bambini, i problemi comportamentali includono disattenzione, impulsività e iperattività, disturbi della condotta e sviluppo sociale alterato. Si osservano anche comportamenti ossessivi, autolesionistici e distruttivi (17,55) (Richard Idro, osservazioni personali). I sintomi si sviluppano 1-4 mesi dopo l’esposizione e la patogenesi non è chiara. Negli adulti, la sindrome neurologica post-malaria (Tabella 1) si sviluppa dopo che i parassiti sono stati eliminati (75). Anche la patogenesi non è chiara. Sono necessari studi prospettici per descrivere chiaramente questi problemi, esaminare la patogenesi e avviare studi terapeutici.
In sintesi, la citoaderenza e il sequestro dei pRBC nella microvascolatura cerebrale danno inizio a lesioni endoteliali locali e apoptosi, infiammazione, disfunzione della BBB, gonfiore del cervello e ipertensione intracranica. Il sequestro compromette la perfusione locale e può causare lesioni ipossiche. Gli insulti nocivi e i parassiti epilettogeni causano crisi che a loro volta possono instaurare un circolo vizioso di lesioni cerebrali e altre crisi. Una grave alterazione metabolica può peggiorare la lesione. L’entità della lesione cerebrale può dipendere dalla causa del coma, dal grado di ostruzione microvascolare e dalla risposta infiammatoria; dalla durata dell’esposizione, dalla presenza di complicazioni concomitanti come lo shock e dalla disponibilità e velocità degli interventi. Per migliorare il risultato, diversi meccanismi di lesione possono richiedere interventi separati.