Aut. lect. dr. Anca Pop*, dr. Coriolan Pop, Maramuresul Medical Feb. 2016

Introducere

Acidul gama-aminobutiric (GABA) este un aminoacid non-proteic ce se găsește în toate celulele procariote și eucariote. La om este cel mai important neuro-mediator inhibitor central datorită rolului pe care îl are în reducerea excitabilității neuronale, fiind distribuit în intreg sistemul nervos central (SNC). Intrucat hiperexcitarea SNC poate determina modificări comportamentale, iritabilitate, stări de agitație, insomnie, convulsii, tulburări neuro-motorii este necesar un sistem endogen de inhibițe. GABA exercită această “frânare” a tonusului neuronal hiperstimulat în prezența factorilor de stress, având un efect sedativ, tranchilizant asupra SNC în mod fiziologic.

 

Sunt dezvoltate clase de medicamente cu acțiune de tip GABA, benzodiazepinele anxiolitice acționează asupra receptorilor GABA, anticonvulsivante ce actioneaza asupra receptorilor sau sinapsei GABA-ergice, etc. Acțiunea lor terapeutică, anxiolitică, anticonvulsivantă, sedativă este asociată cu o serie de reacții adverse din care cea mai nedorită este dependența farmacologică.

Nivele scăzute de GABA în organism au fost asociate cu tulburări neurologice și psihice ca anxietatea, depresia, insomnia, hipertonia musculară, convulsii. Studiile clinice au arătat faptul că suplimentarea GABA sau stimularea receptorilor GABA pot să îmbunătățească relaxarea și să inducă somnul.

 

GABA a fost sintetizat chimic însă în paralel au fost identificate surse alimentare bogate în GABA natural, in special în cereale. Astfel o cantitate crescută de GABA natural se obține printr-un proces de fermentație lactică  cu Lactobacillus bilgardii a unor vegetale (varză, ridiche, usturoi, ardei iute, ghimbir) pentru obținerea unui preparat alimentar tradițional corean cunoscut ca și Kimchi (asemănător cu murăturile cu varză de la noi).

Se pune problema dacă administrarea prin dietă sau suplimentară a GABA de origine naturală exercită efectele moleculei endogene de GABA si dacă da în ce mod.

 

Structură, biochimie și farmacocinetică

 

Structural acidul gama aminobutiric este un aminoacid, având spre deosebire de alfa aminoacizii uzuali gruparea amino în pozitia γ. GABA este identificat prin spectrometria atomic de masă prin două peak-uri principale:

 

Figura nr. 1 C4H9NOStructura bidimensională  a acidului gama amino butiric (4-amino butanoic). Identificarea GABA în probe de produs prin spectrometria dee masa cu absorbție atomică (după PubChem)

GABA a fost sintetizat chimic pentru prima oară în anul 1883 fiind cunoscut inițial ca produs biologic prezent în plante și microbi. În 1950 GABA a fost identificat ca parte integrantă a sistemului nervos central la mamifere[i] și este sintetizat în mod fiziologic în organism prin conversia glutamatului, neurotransmițător excitator.

 

Figura nr. 2 Imaginea de microscopie electronică a neuronilor. Sinteza GABA are loc la nivelul neuronilor gabaergici[ii] A. Tesut cerebral. B. Cultură primară de neuroni mezencefalici  (după http://www.neuronexperts.com )

 

 

 

 

Figura nr. 3 Prezentarea schematică a transformării glutamat – GABA ce implică neuronii piramidali, interneuronul gabaergic şi astrocitul. (Glu-glutamate; GABA-γ amino butyric acid; GS-glutamine synthetase; GAD-glutamate decarboxylase; GDH-glutamine dehydrogenase; GAT-1-GABAergic transporter 1; EAAT-2-excitatory amino acid transporter 2; A-system A transporters; N-system N transporters[iii])

 

 

Bio-sinteza GABA se realizează la nivel neuronal folosind glutamatul prin intermediul enzimei L-glutamic acid decarboxilaza LGAD având cofactor piridoxal 5’ fosfatul – P5P forma activă a vitaminei B6 (piridoxina)[iv]. GABA poate fi transformat înapoi în glutamat pe calea metabolică a șuntului GABA.

Figura nr. 4 Sinteza GABA din glutamat, glutamina, condiționată de cofactorul piridoxal fosfat (Vitamina B6 forma activă)

Figura nr. 5 Biosinteza neuronală a principalilor neuro mediatori inhibitori GABA şi glicina [v]

 

GABA își exercită acțiunea inhibitorie prin intermediul receptorilor GABAA, B distribuiți post sinaptic, ce au fost descriși pentru prima oară ca structură tridimensională de către Miller&Aricescu în 2014 (figura 6) (first three-dimensional structure of a GABAAR, the human β3 homopentamer, at 3 Å resolution).

Figura nr. 6 Structura neuroreceptorului GABAA de la nivel sinaptic[vi] (Architecture of GABAAR-β3cryst. FromCrystal structure of a human GABAA receptor Paul S. MillerA. Radu Aricescu Nature, 512, 270–275, (21 August 2014, doi:10.1038/nature13293)

Acțiunea GABA este întreruptă de recaptarea sa de către celulele gliale sau de către transportorii presinaptici specifici GABA.

Mecanism de acțiune

GABA mediaza inhibiția presinaptică a fibrelor motorii aferente ale SNC. Reglează excitabilitatea cerebrală neuronală prin intermediul receptorilor GABA A (α, β, γ) prin anumite subunități ce dau specificitatea de acțiune (benzodiazepinele se leagă de subunitatea α1). In plus GABA exercită si actiuni asupra sistemului endocrin, prin creșterea nivelelor plasmatice ale hormonului de creștere STH (human growth hormone – HGH) după administrarea unei singure doze de 5 g GABA[vii]. Administrarea de 5 și 10 g GABA oral monodoza, a determinat cresterea concentratiei GABA in celulele insulare panceatice[viii], creșterea nivelelor de insulină (imunoreactivă) plasmatică, creșterea peptidului C, fără afectarea nivelelor glicemiei la 12 subiecți sănătoși, efecte endocrine cu semnificație clinică încă neclară.

Inafara rolului inhibitor SNC al GABA, s-a menționat rolul GABA în dezvoltarea neuronală embrionară(Represa and Ben-Ari, 2005)., având un efect de promovare neuritică, factor trofic excitator pentru proliferarea, migrația, diferențierea, maturarea sinapsei și moartea celulară prin intermediul receptorilor ionotropi și metabotropi, prin stimularea probabilă a factorului neurotrop derivat din creier (BDNF), in primele săptămâni de dezvoltare embrionară[ix]

Figura nr. 7 Accelerarea cresterii neuronale după aplicarea în mediul de cultură a agonistului receptorului GABAA  muscimol, evidentă după prima săptămână de cultură şi absent (sau reversat) la celulele tratate cu muscimol la trei săptămâni de cultură

Pasajul GABA la nivelul barierei hematoencefalice (BHE) este insuficient demonstrat, există studii ce infirmă sau confirmă pasajul BHE, ce utilizează gaba sintetică sau naturală, la animalul de experientă, culturi celulare sau RMN, la om. Există evidenţe clinice privind rolul anxiolitic al GABA, însă mecanismul de penetrare a BHE nu este complet descris. Interesant, administrarea GABA cu L-arginină a crescut nivelul cerebral de GABA de la +33% la +383% la şobolan[x]. Autorii sugerează că permeabilitatea BHE este modificată de L- arginină pe calea oxidului nitric[xi] însă sunt necesare studii pe celule umane pentru a demonstra acest efect.

 

Figura nr. 8 Diferenţele dintre membrana capilară şi bariera hemato-encefalică. Astrocitele condiţionează transferul la nivelul SNC a substanţelor din capilarele cerebrale[xii]

Efectul central GABA a fost explicat, în absenţa evidenţei pasajului BHE, prin acţiunea la nivel digestiv prin intermediul nervului vag.

 

Farmacocinetica

GABA administrat oral este absorbit rapid în intestinul subţire şi persistă în circulaţie în concentraţii crecute circa 4 ore.

Figura nr.  9 Profilul plasmatic mediu la administrarea GABA orala în doză unică (verde) sau doză repetată (roşu) cu control placebo (Junfeng Li et al., 2015)

Tabel 1

Parametrii farmacocinetici la administrarea orală a 2000 mg GABA[xiii] în doză unică (2 g sau doza repetată 2 gx3/zi  timp de 7 ore)

Phase Tmax(h) Cmax(ng/ml) t1∕2(h) CL/F(L/h) V/F (L) AUC0–24h (h·ng/ml) AUCinf (h·ng/ml) RA
Doza unică 1.5 (0.75–2) 688.53 ± 140.70% 5.08 ± 53.11% 2090.38 ± 85.17% 15924.60 ± 116.84% 932.91 ± 81.29% 956.77 ± 80.28%
Doza repetată 1 (0.75–2) 767.77 ± 224.25% 5.24 ± 24.31% 1723.03 ± 83.54% 19029.00 ± 123.72% 1078.11 ± 129.72% 1160.75 ± 121.64% 1.11

 

Deficienţa GABA în organism

 

Nivelele scăzute de GABA în organism sunt asociate cu o serie de afecţiuni psihiatrice şi neurologice ca anxietate, depresie, insomnie, epilepsie. Dezechilibrul dintre starea de excitaţie neuronală indusă de hormonii adrenergici, glutamină şi sistemul inhibitor exercitat de GABA, glicină poate să conducă, în forme de intensitate variabilă la manifestări de hiperexcitatie percepute ca anxietate, depresie, insomnie sau ca tulburări olfactive sau gustative[xiv].Este motivul pentru care o serie de medicamente anxiolitice si sedative, antiepileptice sunt cu ţintă de acţiune asupra receptorilor GABA – exemple – benzodiazepine (alprazolam, diazepam, flurazepam, triazolam, etc), zopiclona, zolpidem, baclofen. Barbituraţi, steroizi neuroactivi acţionează ca modulatori allosterici asupra receptorulul GABA A. B – carbolina şi barbituricele sunt agonişti direcţi, valproatul, gabapentina, pregabalina şi vigabarina cresc nivelele cerebrale de GABA prin interferarea căilor metabolice ale GABA. Tiagabina blochează recaptarea presinaptică a GABA prin inhibarea transportorului.

Cauzele deficienţei GABA pot fi genetice, asociat cu un un dezechilibru al dopaminei rezultă corea, ca si in cazul maladiei Huntington. Tlburări de excitabilitate contractilitate apar şi în sindromul Tourrete, boala Parkinson sau diskinezia tardivă.

Întrucât sinteza de GABA endogen se realizează utilizând glutamină, având cofactor vitamina B6) piridoxalfosfatul, aportul insuficient sau malabsorbţia acestor nutrienţi poate sa conducă la deficienţe ale GABA. Se menţionează şi faptul că stările prelungite de stress şi anxietate pot întreţine şi accentua deficite de GABA.

O serie de factori promotori (aport exogen de GABA, probiotice), inhibitori (creşterea nivelelor de cupru, scăderea nivelelor de zinc, magneziu, B6, stress cronic cu descărcări susţinute de glucocorticoizi) sau factori ce întrerup căile metabolice gabaergice (inflamaţia, prin glutamin sintetaza sau glutamat decarboxilaza) determină alterarea mecanismelor gabaergice în organism cu consecinţe funcţionale subclinice sau clinice.

 

Figura nr. 10 Sistemele gabaergice şi factori promotori sau inhibitori

Aplicaţii clinice

 

Studiile clinice privind suplimentarea GABA sunt limitate, concentrate pe produse de sinteză, analogi (gabapentina) medicamente ce se leagă de receptorii GABA sau chiar GABA. Există o serie de studii si sunt necesare noi studii pe scară largă privind aportul de GABA (din alimentatie, suplimentar) şi legătura directă cu anumite afecţiuni.

 

GABA a fost studiat în tulburări legate de anxietate, stres, depresie, insomnie, epilepsie, tulburări hiperkinetice (sindrom Parkinson, Tourette, diskinezia tardivă). Aportul de GABA în tulburări de stress şi anxietate este justificat de legătura dovedită între nivelele scăzute de GABA şi aceste patologii. Este menţionat un studiu prin care gabapentina cu structură similară GABA, creşte nivelele de GABA şi este eficace în atacurile de panică[xv]

 

Un studiu clinic comparativ observaţional dintre gabapentin, GABA de origine alimentară (naturală) şi zolpidem administrate unui lot de pacienţi femei, cu varsta medie 45 ani, cu simptomatologie depresivă asociată cu alte patologii (depresie, anxietate, boli cronice, insomnie, durere cronică, sevraj în tabagism) arată pentru GABA un efect moderat şi intens în atenuarea simptomelor. Reacţiile adverse pe termen lung pentru suplimentul alimentar cu GABA de origine naturală au fost mult mai reduse comparativ cu gabapentin şi zolpidem.

 

 

 

 

În 2006 un alt studiu a corelat nivele scăzute de GABA în lobul occipital inferior vizibil prin RMN cu depresia postpartum[xvi] sau cu depresia recurentă, chiar în perioadele fără episoade depresive, nivelele scăzute de GABA fiind presupuse o vulnerabilitate neurobiologică pentru recurenţă[xvii].

Figura nr. 11 concentraţia GABA  (A, B) se corelează invers cu perfuzia sanguină bazală (C)  în lobul occipital la om[xviii] (ml sange/100 g ţesut/minut)

GABA în stress şi anxietate

Starea de anxietate a fost corelată cu nivele scăzute de GABA în consecinţă de mai bine de 40 de ani au fost dezvoltate medicamente anxiolitice cu ţintă pe receptorul GABAA[xix]. Gabapentina, analog de GABA cu efect de crestere a nivelelor cerebrale de GABA este

Alte pobenefic în atacurile de panică. Într-un studiu pilot s-a observat că 60 de minute de yoga au crescut semnificativ nivelele de GABA comparativ cu o sesiune de lectură[xx]

 

Un studiu pilot a comparat administrarea a 100 mg GABA  (de origine naturală), placebo şi 200 mg L teanina, (aminoacid derivat din Camelia sinensis, cu efecte cunoscute de creştere a nivelelor undelor alfa cerebrale la controlul electroencefalografic[xxi]), perioadă de spălare de 7 zile. A fost investigat raportul dinte undele alfa şi beta EEG la momentul 0, 30 minute şi 60 minute, cu pondere de modificare pre şi post administrare. Administrarea GABA a determinat efecte semnificative de creştere a undelor alfa (generate în repaos) şi de reducere a undelor beta (generate în stari de stres).

 

Au fost mentioneate utilizări ale GABA pentru modularea somnului în insomnii, efect posibil adjuvant în tulburări hiperkinetice, epilepsie, în plus administrarea GABA este investigată cu posibil efect de creştere a nivelelor de insulină şi de reducere a glucagonului la pacienţii diabetici, dar nu si la pacienţii sănătoşi.

 

Alte potentiale utilizări ale GABA. Boli inflamatorii intestinale

In intestin se găseşte sistemul nervos enteric (ENS) cu peste 100 milioane neuroni, distribuit de-a lungul tractului intestinal, coordonat de nervul vag, se descrie un spațiu de contact între neurosinapse, microbiota cu bacterii generatoare de GABA și celule imune, facându-se astfel o corelatie intre boli inflamatorii cronice digestive (sindrom de colon iritabil, boala Crohn) și afectări psihice depresive prin intermediul sistemelor gabaergice[xxii]. Anumiţi neuroni enterici prezintă enzima de sinteză GABA L-glutamat decarboxilaza, cu activitatea cea mai intensă în plexul mienteric. Celulele endocrin-like mucoase prezintă GABA, ceea ce sugerează că acesta ar prezenta un rol neural şi endocrin în tractul intestinal. GABA intervine şi în modularea răspunsului imun pe calea unei reglări negative a preoducţiei de citochine inflamatorii şi a proliferării imune. Au fost evidenţiate sisteme fine de reglaj ale răspunsului imun în cadrul ţesutului limfoid intestinal (GALT) cu rol esenţial în menţinerea toleranţei faţă de alergeni alimentari inofensivi în microclimatul enteric, status tolerogen afectat în boli autoimune intestinale.[xxiii]

Diabet zaharat

Administrarea de 5 și 10 g GABA oral monodoza, a determinat cresterea concentratiei GABA in celulele insulare panceatice[xxiv], creșterea nivelelor de insulină (imunoreactivă) plasmatică, creșterea peptidului C, fără afectarea nivelelor glicemiei. GABA, este produs de către celulele β pancreatice în cantităţi crescute (Adeghate and Ponery, 2002). Receptorii GABA sunt exprimaţi într-o largă varietate de ţesuturi periferice, inclusiv la nivelul celulelor insulare pancreatce şi celule imune ca si limfocitele T şi B (Tian et al., 2011). La nivelul insulei pancreatice GABA şuprimă secreţia de glucagon la nivelul celulelor α prin hiper – polarizare (Rorsman et al., 1989; Braun et al., 2004) şi în contrast creşte secreţia insulinică a celulelor beta prin depolarizare membranară (Rorsman et al., 1989; Dong et al., 2006; Bansal and Wang, 2008).

Efecte adverse şi toxicitate

 

Agonistii GABA de sinteză pot prezenta numeroase efecte adverse, de la ameţeală, confuzie până la dependenţă, GABA naturală nu prezintă efecte adverse pe termen lung. Diferenţa profilelor de siguranţă pentru produsele de sinteză şi GABA natural se explică printr-o capacitate limitată a creierului de a reţine şi stoca GABA în exces. Astfel, sistemul eflux GABA la nivelul BHE este de 17 ori mai intens decât sistemul influx[xxv].

Teste de toxicitate LD50 efectuate pentru GABA  de origine natural  în doze de 5000 mg/kg la şobolan nu au determinat mortalitate.

Doze şi administrare

Doza uzuală pentru anxietate sau insomnie este de 125 – 250 mg de trei ori pe zi. Au fost administrate doze de până la 1500 – 2500 mg pe zi în tulburări hiperkinetice, epilepsie.

Precauţii şi contraindicaţii

Fiind neurotransmiţător GABA nu a fost testat la gravide şi nu este recomandat în sarcină şi lactaţie din acest motiv, totuşi alimentele bogate în GABA (orez brun, orz, etc.) nu sunt contraindicate la aceste grupe.

 

Surse alimentare de GABA

 

[i]  Roth RJ, Cooper JR, Bloom FE (2003). The Biochemical Basis of Neuropharmacology. Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. p. 106. ISBN 0-19-514008-7.

[ii] K. Kuriyama a, bP.Y. Sze a, b, Blood-brain barrier to H3-γ-aminobutyric acid in normal and amino oxyacetic acid-treated animals Neuropharmacology Volume 10, Issue 1, January 1971, Pages 103-108

[iii]  Joanna M Wierońska, K. Stachowicz, G. Nowak and A. Pilc The Loss of Glutamate-GABA Harmony in Anxiety Disorders Mental and Behavioural Disorders and Diseases of the Nervous System » “Anxiety Disorders”, book edited by Vladimir Kalinin, ISBN 978-953-307-592-1, Published: August 1, 2011

[iv]  Petroff OA (December 2002). “GABA and glutamate in the human brain”.Neuroscientist 8 (6): 562–573. doi:10.1177/1073858402238515PMID 12467378.

[v] Purves D, Augustine GJ, Fitzpatrick D, et al., editors. Neuroscience. 2nd edition. Sunderland (MA): Sinauer Associates; 2001. GABA and Glycine.Available from: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK11084/

[vi]https://www.google.ro/imgres?imgurl=http://revitalizemindbodysoul.com/wp-content/uploads/2015/05/GABA-receptor.jpg&imgrefurl=http://revitalizemindbodysoul.com/gaba-yoga/&h=708&w=657&tbnid=pM4hUy74vYkX7M:&docid=

 

[vii] Smith TA. Type 1. A gamma-aminobutyric acid (GABAA) receptor subunits and benzodiazepine binding: significance to clinical syndromes and their treatment. Br J Biomed Sci 2001;58:111-121.

[viii] Cavagnini F, Pinto M, Dubini A, et al. Effects of gamma aminobutyric acid (GABA) and muscimol on endocrine pancreatic function in man. Metabolism 1982;31:73-77.

[ix] David F. Owens & Arnold R. Kriegstein AIs there more to gaba than synaptic inhibition? Nature Reviews Neuroscience 3, 715-727 (September 2002) | doi:10.1038/nrn919

[x] Shyamaladevi N1Jayakumar ARSujatha RPaul VSubramanian EH. Brain Res Bull.  Evidence that nitric oxide production increases gamma-amino butyric acid permeability of blood-brain barrier. 2002 Jan 15;57(2):231-6.

[xi] Shen KZ1Cox BAJohnson SW. L-arginine potentiates GABA-mediated synaptic transmission by a nitric oxide-independent mechanism in rat dopamine neurons. Neuroscience.  1997 Aug;79(3):649-58.

[xii] http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4594160/figure/F1/

[xiii] Li, J., Zhang, Z., Liu, X., Wang, Y., Mao, F., Mao, J., … Wang, Q. (2015). Study of GABA in Healthy Volunteers: Pharmacokinetics and Pharmacodynamics. Frontiers in Pharmacology, 6, 260. http://doi.org/10.3389/fphar.2015.00260

[xiv] Levy LM, Henkin RI. Brain gamma-aminobutyric acid levels are decreased in patients with phantageusia and phantosmia demonstrated by magnetic resonance spectroscopy. J Comput Assist Tomogr 2004;28:721-727.

[xv] Spila B, Szumillo A. Gabapentin (GBP) in panic disorders – case report. Psychiatr Pol 2006;40:1061- 1068. [Article in Polish

[xvi] Epperson CN1Gueorguieva RCzarkowski KAStiklus SSellers EKrystal JHRothman DLMason GF. Preliminary evidence of reduced occipital GABA concentrations in puerperal women: a 1H-MRS study. Psychopharmacology (Berl). 2006 Jun;186(3):425-33. Epub 2006 May 3.

[xvii] Bhagwagar Z, Wylezinska M, Jezzard P, et al. Low GABA concentrations in occipital cortex and anterior cingulate cortex in medication-free, recovered depressed patients. Int J Neuropsychopharmacol 2007;Jul 11:1-6.

[xviii] Manus J Donahue,1,2,3,4,* Swati Rane,1 Erin Hussey,3 Emily Mason,3,5 Subechhya Pradhan,1 Kevin W Waddell,1 andBrandon A Ally2,3 J Cereb Blood Flow Metab. 2014 Mar; 34(3): 532–541. Published online 2014 Jan 8. doi:  10.1038/jcbfm.2013.231 PMCID: PMC3948135

[xix] Nutt D. GABAA receptors: subtypes, regional distribution, and function. J Clin Sleep Med 2006;2:S7-S11.

[xx] Streeter, C. C., Whitfield, T. H., Owen, L., Rein, T., Karri, S. K., Yakhkind, A., … Jensen, J. E. (2010). Effects of Yoga Versus Walking on Mood, Anxiety, and Brain GABA Levels: A Randomized Controlled MRS Study. Journal of Alternative and Complementary Medicine, 16(11), 1145–1152. http://doi.org/10.1089/acm.2010.0007

[xxi] Nobre AC1Rao AOwen GN. L-theanine, a natural constituent in tea, and its effect on mental state. Asia Pac J Clin Nutr. 2008;17 Suppl 1:167-8.

[xxii] Boonstra, E., de Kleijn, R., Colzato, L. S., Alkemade, A., Forstmann, B. U., & Nieuwenhuis, S. (2015). Neurotransmitters as food supplements: the effects of GABA on brain and behavior. Frontiers in Psychology, 6, 1520. http://doi.org/10.3389/fpsyg.2015.01520

[xxiii] Honda K, Takeda K. Regulatory mechanisms of immune responses to intesti-nal bacteria. Mucosal Immunol 2009;2(3):187–96.

[xxiv] Cavagnini F, Pinto M, Dubini A, et al. Effects of gamma aminobutyric acid (GABA) and muscimol on endocrine pancreatic function in man. Metabolism 1982;31:73-77.

[xxv] Kakee A, Takanaga H, Terasaki T, et al. Efflux of a suppressive neurotransmitter, GABA, across the blood-brain barrier. J Neurochem 2001;79:110-118.