Fisiopatologia

Fisiopatologia

Nozioni generali di fisiopatologia

Durante il corso di fisiopatologia esamineremo la patologia generale, i meccanismi generali con cui danno all’organismo l’infiammazione e la morte cellulare. Si può verificare un fenomeno in cui indagheremo alcune patologie in cui l’alimentazione ha un ruolo rilevante.

La patologia generale è la materia che fa da tramite tra le materie di base della medicina (chimica, fisica, anatomia, immunologia, fisiologia, ecc.) e le materie cliniche (chirurgia, medicina interna, ostetricia, radiologia, ecc.). La patologia (scienza della sofferenza) è lo studio della malattia, delle sue cause, dei meccanismi di insorgenza e delle alterazioni morfologiche e funzionali associate. La malattia può essere definita come una condizione del corpo o della mente che diminuisce la probabilità di sopravvivenza di un individuo. Nella malattia il cattivo funzionamento di uno o più organi porta ad un’alterazione della condizione di normalità fisiologica (omeostasi) e al contempo induce uno stato di reattività.

Se una cellula in equilibrio viene sottoposta ad una perturbazione esterna fisiologica o patologica (es. stress, aumento delle richieste) va incontro ad un adattamento oppure, se questo non è possibile, ad un danno ed eventualmente alla morte. Lo stimolo dannoso può anche portare inizialmente ad un adattamento e solo in seguito alla morte cellulare se aumenta di intensità o si protrae per un certo tempo. La riserva funzionale rappresenta la differenza fra la massima capacità di esercitare una certa funzione e la capacità di esercitare la stessa funzione in condizioni medie o di riposo.

Tra gli stimoli che possono portare ad un’alterazione delle condizioni di equilibrio c’è anche l'alimentazione. Ad esempio, nel corso dell’evoluzione cambiamenti delle condizioni climatiche hanno portato a variazioni dell’alimentazione e queste a modificazioni della dentatura.

La patologia studia le cause (eziologia), i meccanismi di insorgenza (patogenesi) e le alterazioni morfologiche e funzionali delle malattie. Le malattie conosciute sono più di 8000-9000. La patologia generale studia i processi basilari comuni a molte malattie facendo riferimento agli eventi che hanno luogo a livello cellulare. La patologia generale, come altre scienze mediche, utilizza un approccio scientifico, sì accurato, ma non dogmatico. L’approccio scientifico prevede che le ipotesi debbano essere non solo plausibili a livello logico, ma anche verificate attraverso sperimentazioni metodologicamente rigorose. Anche una volta verificate, le ipotesi possono essere smentite da successive evidenze e per questo assumono il carattere di paradigmi e non di dogmi.

Gli articoli scientifici di un certo livello (peer-reviewed), dopo la sottomissione al comitato di redazione di una rivista scientifica, sono inviati a 2-3 revisori anonimi competenti nel settore di pertinenza che nel giro di 2-3 settimane devono dare il loro parere sullo scritto con i possibili esiti: accettazione, respingimento, invito ad apportare modifiche e/o fornire altri dati.

Con alcune eccezioni non esistono sostanze assolutamente benefiche o assolutamente dannose. Ciò nonostante spesso taluni alimenti vengono demonizzati o glorificati. Ad esempio, spesso vengono promossi, senza basi scientifiche, alimenti “detossificanti” per cui non è nemmeno chiaro cosa significhi “detossificare”. Un altro problema riguardante le evidenze scientifiche in ambito nutrizionale è rappresentato dal fatto che gli studi nutrizionali sono per la maggior parte epidemiologici e si basano su quanto affermato da individui che riportano la loro dieta tramite questionari e/o diari alimentari, quasi sempre senza possibilità di controllo. È stato dimostrato che questi strumenti soggettivi che si affidano al ricordo e ad una onesta descrizione dell’apporto alimentare sono molto poco affidabili e contribuiscono almeno in parte alla errata interpretazione degli studi.

Le malattie possono essere studiate a diversi livelli: a livello di popolazioni (epidemiologia), di individui (medicina clinica), organi (fisiologia), tessuti (istologia), cellule (citologia), organuli (biochimica), molecole (biofisica) o geni (biologia molecolare). La patologia generale, pur utilizzando metodiche biochimiche, istologiche e della biologia cellulare e molecolare, ha come base di riferimento le cellule. Fino a qualche decennio fa era una disciplina più che altro descrittiva che si occupava soprattutto della morfologia di cellule e tessuti, mentre oggi ha spostato il suo interesse verso il funzionamento di queste strutture.

Le malattie possono essere causate da fattori intrinseci (genoma) o acquisiti/ambientali, cioè infettivi, fisici, chimici, nutrizionali, ecc. C’è un’interazione molto stretta fra fattori intrinseci ed estrinseci, sia i geni che l’ambiente concorrono a determinare l’insorgenza e l’evoluzione delle malattie; non c’è una relazione diretta fra genotipo e fenotipo perché l’ambiente influenza l’espressione del primo.

Poiché del fenotipo fa parte anche lo stato di salute, a parità di genotipo si può avere un diverso stato di salute in relazione alle condizioni ambientali. L’impatto dell’ambiente è minimo nelle malattie genetiche, ma le mutazioni da cui la maggior parte di esse sono causate da fattori ambientali come sostanza mutagene, radiazioni, errori nella replicazione del DNA, ecc.

Gli errori del DNA possono essere: sostituzioni per transizione, sostituzioni per trasversione, inserzioni, delezioni, duplicazioni o inversioni. Le mutazioni possono non produrre alcun effetto visibile oppure portare alla produzione di proteine anomale in forma, funzione o quantità. Ad esempio, una mutazione a livello di un introne può non produrre nessun effetto, mentre una mutazione a livello del promotore (regione di regolazione) può portare ad un’aumentata o ridotta espressione del gene. Mutazioni nella regione codificante (esoni) possono portare alla produzione di proteine meno funzionali, in quantità ridotta o tronche.

Le alterazioni possono essere genomiche, cromosomiche, genetiche o puntiformi. Anche mutazioni puntiformi (sostituzione di un singolo nucleotide) possono portare a malattie molto gravi (es. anemia falciforme). Ci sono anche mutazioni che non causano una malattia, ma predispongono al suo sviluppo. Ad esempio, ci sono mutazioni che predispongono allo sviluppo di tumori come quella del gene APC in cui la sostituzione di una timina con un’adenina non determina alcuna variazione della proteina prodotta che risulta funzionale (ATA = AAA = fenilalanina). Tuttavia, considerando l’intorno della mutazione, la sequenza di basi passa da GAA ATA AAA a GAA AAA AAA. La presenza di adenine consecutive predispone all’introduzione di una base aggiuntiva durante la replicazione cellulare (GAA AAA AAAA) il che porta ad un’alterazione fenotipicamente rilevante con la formazione di polipi adenomatosi a livello del colon. La mutazione, quindi, non causa una patologia, ma aumenta la probabilità della sua insorgenza.

Le mutazioni responsabili dei tumori sono a carico di cellule somatiche, non germinali, e quindi non vengono trasmesse alla progenie, al contrario di quanto accade nelle malattie genetiche, dove la mutazione presente nella cellula germinale viene trasmessa a tutte le cellule della progenie, sebbene l’effetto possa manifestarsi solo in alcune di esse (es. la mutazione del gene che codifica per β-globina è presente in tutte le cellule, ma si manifesta nei precursori dei globuli rossi).

Le mutazioni dinamiche sono dovute alla ripetizione di brevi triplette nucleotidiche all'interno di una regione codificante (frequentemente CAG che codifica la glutammina) o non-codificante di un gene. La mutazione, che si origina nel corso della replicazione del DNA, provoca una variazione nel numero di queste sequenze ripetute; il nuovo filamento di DNA potrà presentarne in eccesso o in difetto (più raramente). Il fenomeno che causa la mutazione è detto slittamento della replicazione (replication slippage) ed è dovuto al cattivo appaiamento dei due filamenti complementari. Malattie genetiche associate a questo tipo di mutazione colpiscono di frequente il sistema neuromuscolare; ne sono un esempio la Corea di Huntington e la sindrome dell'X fragile, una delle principali cause di ritardo mentale. Nella seconda, c’è una correlazione fra il numero di triplette e la gravità dei sintomi. Il gene coinvolto è l’FMRP che codifica per un mRNA binding protein che regola la traduzione di alcune sequenze. È disponibile il modello di topo KO per questo gene.

Salvo qualche eccezione alla genesi delle malattie concorrono una componente genetica innata ed una componente ambientale acquisita. Le malattie puramente genetiche sono dovute esclusivamente o quasi alla mutazione di un singolo gene e nella loro insorgenza la componente ambientale ha un ruolo nullo o comunque molto limitato. Sono per la maggior parte molto gravi, ma colpiscono una porzione ristretta di popolazione (rare) e conoscendo il genotipo dei genitori è possibile conoscere la probabilità di malattia della prole. Molto più diffuse sono condizioni meno gravi alla cui genesi concorrono più alterazioni geniche. Infatti, l’ereditabilità delle malattie più diffuse è dovuta, non a un singolo gene, ma a piccole variazioni in tanti geni che producono un effetto contenuto, ma che nel complesso portano alla perdita dell’equilibrio fisiologico.

Le malattie monogeniche hanno un’alta penetranza ossia una totale corrispondenza fra genotipo e fenotipo. Ci sono però anche malattie genetiche a bassa penetranza dove l’ambiente può contrastare gli effetti della patologia e portare a sintomi modesti. La maggior parte delle malattie sono multifattoriali, ossia alla loro insorgenza concorrono l’ambiente ed una predisposizione genetica poligenica. C’è un continuum fra malattie in cui è esclusiva la componente genetica (malattie monogeniche ad alta penetranza come l’anemia falciforme) e malattie in cui è esclusiva la componente ambientale (es. malattie infettive come la tubercolosi). In particolare, ci sono malattie monogeniche ad alta penetranza, malattie monogeniche a bassa penetranza (es. emocromatosi), malattie poligeniche, malattie con una predisposizione genica (es. diabete di tipo II) e malattie acquisite (es. infezioni).

Responsabile dell’emocromatosi è una mutazione del gene HFE; è una malattia caratterizzata dall’accumulo di ferro ed è a bassa penetranza in quanto il genere femminile e la riduzione dell’assunzione di alimenti ricchi in ferro portano a non sviluppare sintomi da accumulo. Nelle malattie acquisite può comunque esserci una componente genetica che determina una maggiore o minore capacità nel contrastare la malattia stessa. La mancata corrispondenza totale nell’insorgenza di malattie multifattoriali con riconosciuta componente genetica in gemelli monozigoti indica la presenza e l’importanza della componente ambientale.

Per eterogeneità si intende un fenotipo identico o quasi prodotto da mutazioni in geni diversi. Ad esempio, un tipo di distrofia muscolare può essere causata da mutazioni in 24 geni diversi e la retinite pigmentosa da mutazioni in oltre 100 geni. Una malattia con un fenotipo meno definito come il ritardo mentale può implicare la presenza di mutazioni in uno o più di 1600 geni. Per poligenicità si intende invece una condizione in cui il fenotipo è il risultato della combinazione di varianti di molti geni differenti. Di norma le malattie genetiche sono molto penetranti o molto frequenti; malattie genetiche molto rare e a bassa penetranza sono difficili da identificare, mentre sono di fatto non esistenti malattie genetiche comuni a penetranza completa.

Nel 2011 un ricercatore che lavorava con un ceppo attenuato di Yersinia pestis a cui erano stati deleti i geni necessari per l’acquisizione di ferro, metallo necessario per la crescita e virulenza del microorganismo, è morto di peste. Si è scoperto poi che era affetto da emocromatosi genetica non diagnosticata (bassa penetranza) e aveva quindi alti livelli di ferro nell’organismo che hanno favorito la proliferazione di Y. pestis.

È lecito chiedersi perché i geni mutati responsabili di malattie come l’emocromatosi vengano evolutivamente mantenuti. Le ragioni sono essenzialmente due: innanzitutto, sono patologie non sufficientemente gravi da compromettere la capacità di riprodursi e, quindi, di trasmettere il gene mutato alla progenie e, in secondo luogo, perché in specifiche condizioni ambientali possono perfino risultare vantaggiose (es. carenza di ferro).

I batteri, attraverso la proteina di membrana TbpA, riescono a competere con la transferrina per il legame con il ferro. Nel corso dell’evoluzione la transferrina ha subito delle modificazioni attraverso mutazioni casuali che si sono mostrate vantaggiose perché la rendevano più affine al ferro. Allo stesso modo anche la molecola batterica è diventata sempre più affine al ferro tenendo il passo nella competizione. Queste piccole mutazioni puntiformi sono chiamate polimorfismi a singolo nucleotide (SNPs). Sono alterazioni di una singola base azotata che può avere o meno un effetto fenotipico.

Mediamente ogni 1000 nucleotidi si ha un’alterazione di questo tipo e, poiché il DNA è composto da 3 miliardi di basi, vi sono mediamente 3 milioni di differenze fra due codici genetici. I SNPs possono cadere nelle regioni regolatrici del promotore, negli introni o negli esoni (regioni codificanti). Possono, inoltre, essere silenti o portare ad un cambio di aminoacido con o senza un effetto che può essere sul ripiegamento della proteina, sulla stabilità, sul targeting o sulla capacità di interagire con altre proteine e con le membrane.

I SNPs possono essere importanti nella genesi di alcune malattie:

• GPR120 è un sensore degli acidi grassi, in particolare è sensibile alla presenza di acidi grassi polinsaturi a lunga catena. È implicato nel controllo dell’equilibrio energetico. È stato osservato che uno SNP del GPR120 con cambio di amminoacido determina un aumentato rischio di obesità nelle popolazioni europee in quanto inibisce la sua attività di signaling.
• SOD è un enzima antiossidante sia citoplasmatico che mitocondriale. Questa seconda forma è sintetizzata nel citoplasma e trasferita in seguito nei mitocondri. Uno SNP nella sequenza che codifica per la porzione della proteina che si lega all’elemento di trasporto riduce la sua traslocazione nei mitocondri con aumentato rischio di epatopatia alcolica in pazienti non astemi (SOD è uno degli enzimi di detossificazione dell’etanolo).
• Alcune varianti genetiche del gene TM6SF2 (transmembrane 6 superfamily member 2), che codifica una proteina coinvolta nella secrezione di very-low-density lipoproteins (VLDL), causano predisposizione alla ritenzione di trigliceridi nel fegato (steatosi). Tuttavia, questi soggetti, avendo meno VLDL circolanti, sono meno esposti alle malattie cardiovascolari e hanno un ridotto rischio di infarto. Se sia vantaggioso il polimorfismo per la sua riduzione del rischio di malattie cardiovascolari o sia svantaggioso per il suo incremento del rischio di steatosi epatica dipende dagli altri fattori di rischio per queste due patologie.
• Analizzando oltre 2000 soggetti, è stata trovata un’associazione fra contenuto epatico di trigliceridi e SNP nel gene della PNPLA3, una proteina del metabolismo lipidico il cui substrato fisiologico non è ben definito, potrebbe idrolizzare i trigliceridi o trasferire acidi grassi tra lipidi diversi (transacetilazione).
• MDR1 è un gene che codifica per una proteina coinvolta nell’eliminazione dalle cellule del colon di numerosi xenobiotici, dai cancerogeni ai farmaci chemioterapici. Una mutazione di questo gene rende meno efficace l’eliminazione degli xenobiotici trattenendo le sostanze estranee, aumentando il rischio di tumori al colon, ma anche l’efficacia dei chemioterapici. Al contrario, una sovra-espressione riduce il rischio di cancro, ma rende meno efficaci i farmaci.
• È stato osservato che la metilene-THF reduttasi che trasforma il metilene-THF in metil-THF, presenta alcuni polimorfismi. In particolare, si è visto che quelli con una T in luogo alla C alla posizione 677 e quelli con una C in luogo alla A nella posizione 1298 sono associati ad un rischio ridotto fino a 4 volte di cancro al colon e leucemia linfoblastica acuta. Le forme di metilene-THF reduttasi con 667T e 1298C sono meno efficaci (30% in meno) di quelle con 667C e 1298A. Ciò significa che in presenza di questi polimorfismi si ha una minore produzione di metil-THF ed un accumulo di metilene-THF. Il primo è necessario per la trasformazione di omocisteina in metionina per cui il polimorfismo aumenta il rischio di infarto, in modo rilevante se vi è una carenza di vitamina B12. Il metilene-THF, invece, è implicato nella trasformazione dell’dUMP in dTMP. Un aumento del rapporto dUMP/dTMP può portare all’inserimento di una U in luogo ad una T nel DNA dove non dovrebbe essere. Ciò provoca l’appaiamento della U con un’altra U e l’attivazione di meccanismi di riparazione che provocano un SS break difficile da riparare con aumento del rischio di tumore. L’accumulo di metilene-THF diminuisce il rapporto dUMP/dTMP perché favorisce la conversione del primo nel secondo, riducendo il rischio di tumore.