Malattie correlate all'alimentazione - Modulo Fisiopatologia

Malattie correlate all'alimentazione

Modulo: Fisiopatologia

Prof: Recalcati

Anno accademico: 22/23

Introduzione

La patologia generale permette di collegare le alterazioni molecolari alla base delle malattie ossia come e perché si sviluppano le malattie. Andremo a vedere l'importanza della ricerca di base per la comprensione delle patologie. La patologia (lett. studio della sofferenza) studia:

• Le cause (eziologia)
• I meccanismi di insorgenza (patogenesi)
• Alterazioni morfologiche e funzionali

La patologia generale è una scienza che studia i processi basilari comuni a molte malattie, tenendo come base di riferimento la cellula (Virchow). Possiamo definire un sistema come scientifico quando la sua forma logica possa non solo essere verificata, ma possa essere evidenziata per mezzo di controlli sperimentali in senso negativo, cioè sia falsificabile.

Nelle varie discipline scientifiche si affermano teorie che, per la loro validità e gli eccellenti risultati conoscitivi che permettono di raggiungere, assumono col tempo il carattere di “paradigmi”. Tuttavia, non esistono scoperte definitive ed intoccabili e prima o poi nuove evidenze sperimentali fanno vacillare le antiche convinzioni e portano al superamento o adattamento del “paradigma”. La medicina non è una scienza esatta, ma un metodo scientifico sperimentale.

Struttura di un articolo scientifico

• Titolo: Breve, chiaro, pertinente, stimolante
• Abstract: Riassunto molto sintetico e chiaro
• Introduzione: Ricapitolazione oggettiva ed aggiornata dei dati esistenti; messa in luce dei punti oscuri; esposizione della base razionale e dello scopo del lavoro
• Materiali e Metodi: Descrizione dettagliata che permetta ad altri di capire in che modo sono stati ottenuti i risultati ed eventualmente di riprodurre i dati
• Risultati: Esposizione sintetica dei dati ottenuti con riferimento a figure e tabelle (importanza dei controlli)
• Discussione: Deve trarre conclusioni logiche derivabili dai dati ottenuti, nel contesto della conoscenza generale del soggetto
• Bibliografia: Deve fornire documentazione e riconoscere i contributi precedenti (e pertinenti) di altri autori

Quando ho delle ipotesi circa l’efficacia di una molecola devo fare degli esperimenti per dimostrare. Quando scrivo un articolo scientifico (anche la tesi) devo analizzare la letteratura, scrivendo nell’introduzione i risultati ottenuti in quell’ambito in letteratura. Dopodiché arriviamo a dire ciò che è noto e ciò che non si conosce, e che quindi è l’obiettivo del mio lavoro scopo. Poi bisogna descrivere come viene svolta la parte sperimentale, quindi come faccio a dimostrare la mia idea (se uso le cellule ecc.) materiali e metodi.

Infine, descrivo i risultati, che devono essere visibilmente interpretabili in maniera semplice. Questo perché i risultati vengono spediti a una rivista, che ha un gruppo di esperti che valuta il lavoro. La cosa più importante è il modo in cui vado a comunicare il risultato. Poi si traggono le conclusioni, per mostrare a che cosa potrebbe servire ciò che ho scoperto. Anche il titolo è importante nel titolo deve esserci il risultato più importante. Sotto al titolo c’è l’abstract, che deve racchiudere le info essenziali. La bibliografia sono tutti i lavori letti per entrare nell’argomento. Il lavoro scientifico può essere pubblicato solo se il revisore approva il lavoro.

Copia slide ‘iter di una pubblicazione scientifica’.

Patologia generale

La base di riferimento è la cellula: qualche volta andremo ad analizzare anche le modificazioni molecolari che possono avvenire dentro la cellula, oppure osserveremo le modificazioni che coinvolgono gruppi di cellule/organi/sistemi. La cellula e di conseguenza i tessuti, gli organi e l’intero organismo possiedono una notevole capacità di adattamento attraverso la quale modulano le loro funzioni raggiungendo una fase di equilibrio omeostatico differente da quella originaria, ma comunque sufficiente a mantenere lo stato di salute. La riserva funzionale rappresenta la differenza fra la massima capacità di esercitare una certa funzione e la capacità fornita in condizioni medie o “di riposo”.

La patologia è la malattia, quindi quando si parla di malattia qualcosa non funziona lo stato di salute uno stato di equilibrio tra i vari meccanismi biochimici o cellulari. Se partiamo dalla cellula, l’omeostasi è lo stato di equilibrio capacità di adattamento che protegge dall’insorgenza di patologie. Quando non riusciamo più a adattarci arriva la patologia. Omeostasi = meccanismi messi in atto per mantenere lo stato di equilibrio costante. Adattamento: capacità che hanno le cellule di modulare alcune loro funzioni in occasione di eventi perturbanti di vario tipo e persistenti nel tempo, in modo da raggiungere una condizione di equilibrio diversa da quella originaria, ma sufficiente a consentire il mantenimento dello stato di salute.

La patologia (letteralmente “studio della sofferenza”) studia:

• Le cause (eziologia)
• I meccanismi di insorgenza (patogenesi)
• Le alterazioni morfologiche e funzionali

L'eziologia delle malattie

C’è una divisione in:

• Fattori estrinseci (alterazioni del patrimonio genetico) genetiche o ereditarie
• Fattori acquisiti malattie determinate dall’ambiente

Infettivi:

• Fisici
• Chimici
• Nutrizionali

Noi abbiamo un genotipo, caratterizzato dai geni, e un fenotipo, caratterizzato dalle proteine. L’interazione tra genotipo e fenotipo è dato dall’ambiente, ossia andrò a esprimere le proteine in modo diverso a seconda dell’influenza ambientale. Tutto ciò che studieremo è il risultato di un processo evoluzionistico malattie genetiche sono arrivate fino ai nostri giorni perché evidentemente proteggevano da qualcos’altro (es. anemia falciforme proteggeva dalla malaria). Alcuni geni dell’obesità, ad esempio, sono stati selezionati per sopravvivere a qualcos’altro. Anche la dentizione ha avuto un’evoluzione perché i cambiamenti climatici hanno portato una modificazione dei vegetali e anche dei geni deputati a questo aspetto.

Cause e meccanismi di formazione delle mutazioni

Cosa sono le malattie genetiche? Sono malattie che riguardano geni. Anche le malattie genetiche derivano da modificazioni provenienti dall’esterno. Definizioni:

• Genoma: costituito da 46 filamenti di DNA a doppia elica ciascuno organizzato in un cromosoma. Si pensa comprenda almeno 100.000 geni
• Cromosoma: struttura a forma di bastoncino che si forma nel nucleo al momento della mitosi. Contiene i geni.
• Gene: porzione di materiale genetico (DNA) che codifica per una proteina. Nel contesto dello stesso gene ci sono sequenze codificanti (esoni) e sequenze mute sotto l’aspetto funzionale (introni). Ciascun gene è presente in coppia, cioè presente su cromosomi omologhi (padre, madre)
• Allele: le due o più forme alternative dello stesso gene che si trovano nella stessa posizione su ciascun cromosoma omologo (locus genico). Gli alleli controllano lo stesso carattere ma possono portare a prodotti quantitativamente o qualitativamente diversi

In ogni gene ci sono 2 alleli, di provenienza materna e paterna è importante che siano funzionalmente uguali altrimenti avremmo una malattia genetica. Il passaggio da genotipo a fenotipo comprende trascrizione e traduzione. Posso avere malattie che sono la conseguenza di espressione trascrizionale e post traduzionale. Nel DNA ci sono introni e esoni (questi ultimi sono la parte codificante). Gli introni vengono eliminati con la creazione dell’RNA. Se gli introni vengono ritenuti splicing alternativo.

Malattie genetiche = malattie dovute a una mutazione nei geni; sono sempre congenite, anche se possono manifestarsi in seguito. Malattie congenite = malattia che ho dalla nascita; non è detto che sia genetica. Le malattie genetiche sono dovute a:

• Mutazioni: alterazioni DNA genomico (patrimonio ereditario individuo)
• Mutazione: alterazione della struttura e funzione del DNA a carico di uno o più geni nello stesso o in diversi cromosomi
• Mutazione di un gene: alterazione proteica, enzimatica o strutturale che sarà codificata in modo anomalo malfunzionamento o non funzione

Le alterazioni nelle patologie possono essere:

• Puntiformi: mutazione di una singola base azotata
• Geniche: alterazioni nel gene (ogni gene codifica per una sola proteina)
• Cromosomiche: alterazioni nel numero, forma ecc. dei cromosomi (sono + gravi perché nel cromosoma ci sono moltissimi geni)
• Genomiche: ancora più complesse, spesso incompatibili con la vita

Eredità mendeliana

Malattie autosomiche recessive

• Si manifestano in omozigosi
• Fratelli (25%)
• Ha uguale distribuzione nei 2 sessi
• Comprendono quasi tutti gli errori congeniti del metabolismo
• Sono la maggior parte delle malattie genetiche ereditarie che riguardano i metabolismi

Malattie autosomiche dominanti

• Si manifestano in eterozigosi
• 1/2 dei figli è malato
• Espressività variabile
• Non esistono portatori sani, tutti gli eterozigoti sono malati

Eredità legata al sesso

• Trasmissione ereditaria di caratteri normali e patologici controllati da geni presenti nei cromosomi sessuali (XX; XY).
• Quelle legate al cromosoma X si ereditano dalla madre al figlio maschio e di solito saltano una generazione

Ci sono molte malattie comuni, risultato di geni multipli che hanno un piccolo difetto e quindi un piccolo effetto. Se ho la mutazione in un singolo gene che svolge una determinata funzione, perdo quella funzione il gene si eredita in modo mendeliano. Se ho una malattia che ha carattere multifattoriale (fattori genetici e ambientali) ci sono svariati geni che concorrono allo sviluppo della patologia.

Le malattie multifattoriali

Le malattie multifattoriali si manifestano per un insieme di gene e ambiente. La mancata concordanza totale (100%) dell’insorgenza di malattie multifattoriali con riconosciuta componente genetica (es. obesità, neuropatie, leucemie) in gemelli monozigoti indica la presenza ed importanza della componente ambientale. Le malattie a componente genetica possono essere raffigurate come il rapporto tra la frequenza delle variazioni causative nella popolazione generale e la loro penetranza:

• Monogeniche alta penetranza: basta 1 mutazione per avere la malattia
• Monogeniche bassa penetranza: malattie che si manifestano poco, solo se c’è un certo tipo di ambiente/stile di vita
• Poligeniche: l’ambiente svolge un ruolo essenziale
• Con predisposizione: la predisposizione genetica non è sufficiente per sviluppare la malattia

I polimorfismi sono alterazioni genetiche che possono associarsi a una certa malattia. Polimorfismi = variazioni della sequenza di DNA senza gravi conseguenze su espressione o struttura proteina. SNP (Single Nucleotide Polimorphism): gli SNP sono mutazioni con effetto fenotipico modesto (o nullo), la maggior parte cade nelle regioni del genoma che non sono codificati (la stragrande maggioranza del DNA).

Inoltre, sono:

N.B. Gli studi fatti per cercare gli SNP sono tramite prelievo di sangue e le cellule target sono i globuli bianchi perché hanno il DNA.

Malattie determinate dall'ambiente

Nei tumori la mutazione la incontro nel corso della vita e riguarda una singola cellula somatica; la malattia genetica viene ereditata e la mutazione è presente nella cellula germinale, mentre per le patologie determinate dall’ambiente ci sono dei fattori acquisiti ambientali che sono rilevanti, quali:

• Fattori infettivi: I virus sono patogeni intracellulari obbligati, mentre i batteri possono proliferare sia dentro sia fuori dalle cellule.
• Fattori fisici:
  • Energia meccanica: traumi
  • Energia termica: azione locale, ustioni (locale) o congelamenti (locale)
  • Elevata o bassa T ambientale si sole e colpo di calore (sistemica), assideramento (sistemico)

N.B. Nei bambini piccoli il colpo di calore è più grave perché la superficie corporea a disposizione è minore, quindi minore scambio termico.

• Fattori chimici:
  • Possono penetrare per ingestione, inalazione o iniezione
  • L’entità del danno è dipendente:
  • Dalla dose
  • Dalla durata del contatto
  • Il danno può essere:
    • Di tipo diffusivo: si verifica in conseguenza di proprietà comuni a molti composti chimici quali quelle di provocare variazione di pH, solubilizzazione costituenti cellulari, denaturazione proteine
    • Di tipo selettivo: si verifica quando gli agenti chimici alterano uno specifico costituente cellulare inducendone riduzione o perdita di funzione (veleni)

Lo stress ossidativo

È una delle cause che possono scatenare la sofferenza e la morte cellulare, inoltre, possono anche andare ad agire a livello del DNA. Lo stress ossidativo è una condizione che si viene a creare quando abbiamo un eccesso di radicali (molecole che hanno un e- spaiato e che sono molto reattive). In particolare, quelli più importanti sono i radicali dell’ossigeno (ROS) che sono inevitabilmente prodotti da tutte le cellule che vivono in ambiente aerobico.

Quindi:

• I radicali sono molecole con un elettrone non appaiato e quindi molto reattive
• I radicali dell’ossigeno (ROS) sono inevitabilmente prodotti da tutte le cellule che vivono in ambiente aerobico
• Esistono sistemi antiossidanti per difendere gli organismi dai potenziali danni provocati dall’interazione dei ROS con le macromolecole biologiche

Dobbiamo sempre considerare che lo stato di salute è in equilibrio tra l’eccesso che fa male e il poco che serve per far sì che si mantenga un corretto equilibrio corporeo; per questo motivo non sempre gli antiossidanti sono sempre protettori. Parliamo di stress ossidativo quando abbiamo un disequilibrio tra le difese antiossidanti della cellula e la produzione di ROS. Si dovrebbe tuttavia considerare anche la loro localizzazione tissutale e intracellulare, la loro natura, la cinetica di esposizione e la durata dell’esposizione.

I radicali liberi dell’ossigeno sono molecole che derivano dall’ossigeno e che perdono elettroni:

• L’anione superossido
• Perossido d’idrogeno (formato dall’anione superossido dalla SOD)
• Radicale idrossile

Se l’ossigeno accetta un elettrone diventa anione superossido, se accetta due elettroni si produce il perossido d’idrogeno (H₂O₂, acqua ossigenata). Dall’1 al 4% di O₂ consumato da ogni cellula va a produrre forme parzialmente ridotte dell’ossigeno:

• Anione superossido O₂-
• Perossido di idrogeno H₂O₂

Quindi l’anione superossido e l’acqua ossigenata sono in realtà dei radicali che possono essere usati per signaling intracellulare anche utili per la sopravvivenza, quindi sono anche poco reattivi e tossici (ma dipende dalla quantità), mentre il radicale idrossile (OH-) è quello che è maggiormente tossico, reattivo e dannoso.

Caratteristiche dei ROS

C’è una differenza importante dall’acqua ossigenata agli altri radicali. La diversa reattività dei ROS modula la loro vita media e quindi anche l’effetto. La vita media di H₂O₂ è circa 1ms, cioè 10^-3 secondi, mentre quella di OH- è di 10^-9 sec. L’OH- reagisce con le molecole che lo hanno prodotto o nelle più immediate vicinanze, mentre H₂O₂ può diffondere un po' di più nella cellula dove raggiungerà concentrazioni (da nanomolare a micromolare) che non saranno identiche nelle varie parti della cellula.

Vista l’instabilità dei ROS, è possibile dosare nel plasma solo dei markers di avvenuta ossidazione di bersagli dei ROS come i derivati dell’ossidazione dei lipidi o del DNA.

Fondi fisiologiche e non di produzione ROS

Non fisiologiche:

• Radiazioni
• Raggi X
• Raggi UV
• Prodotti chimici
• Enzimi ossidativi (es. NADPH ossidasi)

Fisiologiche:

• Cellule immunitarie (macrofagi, neutrofili)
• Respirazione mitocondriale

Questi portano problemi a vari livelli, quali: danni al DNA, perossidazione lipidica, ossidazione proteica e degradazione enzimatica.

NADPH ossidasi

Le NOX sono gli unici enzimi che hanno la produzione di ROS come sola funzione (trasformano O₂ in anione superossido usando NADPH come cofattore). Esistono più di 5 isoforme di NOX, con diversa regolazione, tessuto-specificità e localizzazione subcellulare (membrane ER).

• NOX2: ruolo importante nei fagociti (risposta endogena ai patogeni), ma è presente anche in altre cellule
• NOX1 e NOX4 hanno un ruolo patogenetico in molte malattie

L’orientamento delle NOX è tale che la parte NH₂ terminale, che lega NADPH, è nel citoplasma, mentre la generazione di superossido avviene nello spazio extracellulare o all’interno di un organello. O₂-, che ha carica negativa, non passa le membrane biologiche.

Sono stati sviluppati dei farmaci selettivi rispetto ad alcuni tipi di NADPH ossidasi ma non per altri e questo ci permette di proteggerci dallo stress ossidativo tipico di una determinata patologia.