Fisiopatologia, parte 1

Corso di malattie correlate all'alimentazione

Mod. fisiopatologia

Prof. Gaetano Cairo

Parte 1: dall’introduzione alle difese dell’organismo contro i microrganismi

Laila Pansera

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Introduzione

La seguente è la raffigurazione dell’albero della medicina. Partendo dalle scienze di base (radici) si arriva alle materie cliniche (chioma). Al tronco, a connettere scienze di base e materie cliniche, c’è la patologia generale. Essa infatti è la materia di transizione, in cui si inizia a parlare delle malattie, in particolare si vedono le basi cellulari e molecolari delle malattie. La patologia generale è una materia che connette le conoscenze generali con il malato. Essa è una materia di base, pre-clinica.

La patologia generale ha anche delle sue sottocategorie, come la fisiopatologia. Gli argomenti tipici della patologia generale sono danno cellulare, morte cellulare, trasformazione neoplastica delle cellule, etc. Tipici argomenti della fisiopatologia sono invece correlati a malattie più specifiche, es. diabete, aterosclerosi, anemie, malattie metaboliche, etc, di cui si guardano i meccanismi di base. In questo corso affrontiamo le malattie che hanno una connessione diretta con l’alimentazione (forte componente legata all’ambiente alimentazione).

La patologia è letteralmente lo studio della sofferenza, quindi lo studio delle malattie, in particolare:

• Cause (eziologia)
• Meccanismi di insorgenza (patogenesi)
• Alterazioni morfologiche e funzionali.

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La malattia è una condizione del corpo (anche della mente), che diminuisce la probabilità di sopravvivenza di un individuo, quindi è un allontanamento dalla condizione di normalità fisiologica (omeostasi). Le malattie conosciute sono 8000-9000. La patologia generale è la scienza che studia i processi di base che sono comuni a certe malattie, tenendo come base di riferimento la cellula (R. Virchow). Essi sono fondamentali da comprendere, perché in molti casi cambiano solo i singoli attori di ogni patologia, ma il meccanismo è lo stesso di altre patologie. Essa però non è una scienza esatta, come può essere la matematica, questo perché è complessa e non conosciamo perfettamente tutte le componenti che la costituiscono, quindi c’è una certa variabilità biologica. Tuttavia utilizza gli strumenti della conoscenza scientifica.

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. Il paradigma è la somma delle convinzioni derivate dalle prove sperimentali, che permettono di costruire una teoria su come funziona una determinata cosa. 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 scienza non ha verità immutabili, in quanto i paradigmi possono cambiare, e venire aggiornati, a seguito di nuove evidenze sperimentali.

Spesso si assume un atteggiamento anti-scientifico, in quanto la scienza non può offrire certezze, mentre la gente ha bisogno di certezze. Rudolf Virchow ha posto le fondamenta per la patologia generale, e ha avuto l’intuizione di utilizzare come riferimento la cellula.

Struttura di un articolo scientifico

Essa è anche la struttura di una tesi, e comprende:

• 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
• Figure e/o tabelle.

Esso poi viene sottoposto alla revisione dei pari (peer-review).

Iter di una pubblicazione scientifica

• Tipo di pubblicazione: lavoro, libro, comunicazione a congresso
• Qualità della rivista: internazionale-locale; peer-reviewed o no; Medline-pubmed; Impact factor (importante valutare il prestigio della rivista)
• Riviste con peer-review: dopo la sottomissione, il comitato di redazione (formato da scienziati) invia il manoscritto a 2-3 revisori anonimi competenti in quel particolare settore che nel giro di 2-3 settimane devono dare il loro parere (giustificato) con i seguenti possibili esiti:
• Lavoro accettato
• Invito ad apportare modifiche e/o a fornire altri dati (che sono spesso ulteriori controlli)
• Lavoro respinto.

Occorre stare attenti a come vengono esposti certi messaggi. Spesso è la dose che fa il veleno: sicuramente ci sono dati epidemiologici che dicono che persone che seguono un’alimentazione sana hanno una minore insorgenza di tumori. Tuttavia sono difficili da fare studi su questo argomento, quindi è difficile capire le componenti di questa dieta. Inoltre le persone che seguono una dieta sana, spesso hanno anche uno stile di vita sano, che concorre a un maggiore benessere.

Eziologia

L’eziologia è un argomento trattato dalla patologia generale. L’eziologia studia le cause di una malattia. Esse possono dipendere da fattori intrinseci (genoma), o acquisiti, ossia agenti infettivi, microrganismi patogeni, agenti fisici, chimici, nutrizionali (carenza o eccesso di ossigeno, calorie, proteine, etc). Una carenza di ossigeno è spesso causa acquisita di malattia, perché causa sofferenza alla cellula.

In biologia, non c’è niente che abbia senso, se non alla luce della teoria darwiniana dell’evoluzione. Il genotipo, ossia l’informazione contenuta nel DNA, si esplica nel fenotipo, ossia l’informazione del nostro DNA diventa proteine. Nel passaggio tra genotipo e fenotipo c’è l’influenza dell’ambiente (pressione selettiva) nel corso dei millenni. L’ambiente ha fatto sì che alcuni fenotipi fossero più favorevoli all’ambiente stesso.

Centinaia di milioni di anni fa c’era un ambiente riducente, poi alcuni batteri hanno iniziato a produrre ossigeno, e l’atmosfera è diventata ossidante, così che solo i microrganismi e le cellule che si sono adattati all’ossigeno hanno potuto sopravvivere adattandosi all’ambiente. Anche l’alimentazione fa parte dell’ambiente, è essenziale per la sopravvivenza. Quindi durante l’evoluzione gli organismi hanno dovuto adattarsi alla disponibilità di nuove sostanze nutritive.

La divergenza fra antenati dell’uomo e degli scimpanzé, avvenuta 5-10 milioni di anni fa, è coincisa con cambiamenti climatici che hanno portato in Africa orientale a una riduzione della foresta a spese della savana. Di conseguenza sono anche cambiati i vegetali edibili che sono divenuti più duri da masticare. C’è stato un adattamento conseguente della dentizione (canini più piccoli e molari più grandi, smalto più forte). In condizioni naturali, la salute dei mammiferi dipende molto dallo stato dei denti, che assicurano buon processamento del cibo e difesa dalle infezioni.

L’adattamento evolutivo dipende da nuove mutazioni nel DNA. La mutazione, che di solito ha un connotato negativo, è invece una cosa positiva e ci permette di adattarci all’ambiente. Le mutazioni comunque possono essere anche dannose, ed essere causa di malattie genetiche. Le patologie genetiche sono una piccola fetta delle patologie, es. la talassemia è una piccola fetta dei casi di anemia. Tuttavia molto spesso le malattie genetiche sono informative sull’importanza di un certo gene, una certa proteina e quindi una certa funzione.

Un approccio sperimentale per diagnosticare una malattia è quello di togliere una proteina (topi knock out), per capire la funzione della stessa, es. se tolgo la mioglobina al topo, il topo sta bene (perché ci sono meccanismi di adattamento), quindi in questo caso il topo ne fa a meno. Per altre proteine, il topo non nasce, oppure muore appena nato. Le malattie genetiche informano sull’importanza di una certa funzione, perché posso capire che l’assenza di una certa proteina porta a un forte disagio nell’organismo, oppure a un disagio più lieve.

Il tumore è una malattia che nasce da un’alterazione del DNA, ma non è una malattia genetica. Nella malattia genetica tutte le cellule sono colpite, ed è quindi una malattia ereditaria, quindi l’informazione mutata stava già nelle cellule dei genitori, che hanno trasmesso la malattia al figlio. Quindi il figlio ha lo stesso difetto genetico in tutte le cellule (es. se ho un difetto cerebrale, non devo esaminare i neuroni, ma basta il globulo bianco). Tuttavia la disfunzione non si manifesta in tutte le cellule.

Il tumore è una malattia che si manifesta in una cellula somatica, perché la mutazione avviene in un momento della vita; da questa cellula somatica poi generano le altre cellule tumorali. Quindi nel caso del tumore non tutte le cellule dell’individuo presentano la mutazione, ma solo quelle derivanti dalla cellula che ha subito per prima la mutazione.

Gli agenti mutageni sono:

• Chimici, es. sostanze mutagene
• Fisici, es. radiazioni
• Enzimatici, es. replicazione del DNA.

L’immagine raffigura un gene, in posizione 5’ abbiamo delle regioni regolatrici, anche molto lunghe; c’è poi la regione codificante. La trascrizione è il processo di copiatura del DNA in mRNA, in cui la RNA-polimerasi-2 produce mRNA. Le regioni in rosso sono gli introni, ossia parti che non codificano informazione, che poi vengono rimossi a dare l’mRNA maturo, che esce dal nucleo e nel citoplasma avviene la traduzione, quindi si sintetizza la proteina corrispondente.

Le mutazioni avvengono sia nelle regioni codificanti, che in quelle regolatrici, sia negli esoni che negli introni. Le mutazioni che avvengono nelle regioni regolatrici, portano a una quantità alterata di proteina funzionalmente corretta (quindi la produco giusta funzionalmente, ma è troppa o troppo poca). Se la mutazione avviene nella zona codificante, si ottiene un’alterazione della funzione della proteina, ma la quantità è quella giusta; infatti durante la traduzione posso inserire amminoacidi diversi, che portano alla produzione di una proteina strutturalmente diversa, quindi che può avere una funzione diversa, migliore o peggiore.

Malattie genetiche

Le malattie genetiche in genere sono causate da mutazioni del DNA, e possono interessare grosse parti del genoma, le aneuploidie, dove addirittura il numero di cromosomi è diverso, es. trisomia 21 o sindrome di Down, oppure esistono aneuploidie sul cromosoma X o Y, che portano a malattie endocrine. Se es. manca un cromosoma, non si arriva alla fine della gravidanza, perché queste grosse anomalie spesso non sono compatibili con la vita; quindi molto spesso gli aborti spontanei sono dovuti a queste anomale genetiche, che in questo modo rimangono nascoste.

Possiamo avere mutazioni sempre più piccole: cromosomi, pezzi di cromosomi, geni, pezzi di geni, fino alle mutazioni puntiformi, ossia di una sola base. Quindi le alterazioni possono essere: genomiche, cromosomiche, geniche o puntiformi (dalle più grandi alle più piccole).

Ci possono essere sostituzioni di basi (per transizione o per transversione, a seconda che interessi una purina o una pirimidina), inserzioni (una base in più) o delezioni (una base in meno), duplicazioni o inversioni tra 2 frammenti di DNA. Tutte queste alterazioni avvengono ogni volta che la cellula si divide.

Anche se non riparo il danno attraverso meccanismi di riparazione del DNA, non è detto che la mutazione possa portare a una modificazione del fenotipo, che sia loss of function oppure gain of function. Infatti possiamo avere una mutazione in una zona che non codifica per nessuna proteina, oppure grazie alla degenerazione del codice genetico, diverse triplette possono codificare per uno stesso amminoacido, per cui cambio la tripletta, ma non l’amminoacido. Inoltre in alcuni casi abbiamo una grossa tolleranza delle mutazioni, per cui la funzione della proteina non viene alterata anche se la sua struttura è un po’ diversa, e questo va in base anche al tipo di proteina che vado a sintetizzare (es. gli enzimi sono meno tolleranti in questo senso, quindi perdono la funzione più facilmente rispetto ad altre proteine).

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Malattie monogeniche

Esse sono dovute a un difetto, dato dall’alterazione di un solo gene, e possono essere:

• Mutazioni puntiformi che producono varianti strutturali, es. emoglobine anomale, deficienza di G6PD, deficienza di amiloidosi ereditaria, ipercolesterolemia familiare; in questo caso ho un singolo nucleotide che varia e produce una varietà strutturale, cioè altera la qualità della proteina, ma non la quantità prodotta
• Mutazioni non senso: es. introduco un codone di stop al posto di un codone che codifica per un amminoacido, la sintesi della proteina viene troncata, per cui si ha una proteina non completa e quindi assente o difettosa; es. talassemia β, ipercolesterolemia familiare (recettore per le LDL), deficienza dei fattori VIII e IX, fibrosi cistica
• Mutazioni che causano uno sfalsamento del sistema di lettura, es. inserzioni e delezioni, in cui sfalso la lettura aggiungendo o togliendo una base; es. talassemia β, ipercolesterolemia familiare (recettore per le LDL), deficienza dei fattori VIII e IX, fibrosi cistica
• Mutazioni del promotore: la proteina è strutturalmente corretta, ma dal momento che le mutazioni sono nella zona che regola la produzione della proteina, si modifica la quantità di proteina prodotta; es. talassemia β
• Delezioni: es. talassemie. Le talassemie coprono lo spettro di tutte le possibili mutazioni; es. l’anemia falciforme è causata dalla stessa mutazione al codone 6 in tutti i pazienti. Quindi la domanda è: si ha sempre un certo tropismo verso un certo obiettivo? No, in quanto dobbiamo considerare mutazione e selezione; nel caso dell’anemia falciforme è quella mutazione a generare il problema, se venisse mutato un altro nucleotide, probabilmente sarebbe una mutazione silente. Inoltre per le talassemie, molto studiate, si sono trovate diverse alterazioni genetiche che le provocano, al contrario delle malattie orfane, che sono meno studiate, e quindi meno caratterizzate. Altri es. sono deficienza del fattore di crescita, deficienza del fattore antitrombina III, deficienza dei fattori VIII e IX, ellissocitosi, sindrome di Lesch-Nyhan, distrofia muscolare di Duchenne, osteogenesi imperfetta, ipercolesterolemia familiare (deficienza di LDL), deficienza della lattotropina placentare umana, retinoblasma, tumore di Wilms
• Inversioni, es. talassemia δβ
• Fusione genica, in cui pezzi di cromosoma si mischiano durante la divisione cellulare, es. l’8 va a finire con il 14, etc. A volte gli scambi sono reciproci, a volte no. Es. varianti dell’emoglobina, talassemia, cecità di colori rosso e verde
• Mutazioni nei codoni di inizio, es. talassemia α
• Mutazioni nei codoni di terminazione, es. talassemia α
• Mutazioni che interferiscono con la maturazione dell’RNA, ossia del taglio degli introni. Il taglio degli introni avviene grazie all’intervento di enzimi che tagliano gli introni riconoscendone l’inizio (GT) e la fine (AG); se questa zona è mutata, l’enzima non la riconosce, e rimane inserito l’introne, quindi viene tradotto, generando una proteina diversa, sempre che venga tradotta. Tanto più la mutazione è vicino alla parte conservata (GT), tanto più la mutazione è grave. Es. talassemie β-zero, se la mutazione è a livello del GT si hanno le talassemie in cui la catena è 0, ossia non viene proprio prodotta emoglobina. Se invece la mutazione è nei nucleotidi immediatamente successivi al GT (che sono meno essenziali per il riconoscimento), l’enzima fatica a riconoscerli ma in alcuni casi opera il taglio, quindi avremo una minore efficienza di produzione, talassemia β+, in cui c’è poca emoglobina, ma non è 0, quindi ci sarà un benessere maggiore del soggetto.

Negli ultimi anni le malattie genetiche sono state molto studiate, e si sono visti anche meccanismi più particolari. La mutazione predisponente interessa più i tumori, e non le malattie genetiche. Il gene APC, importante soprattutto per i tumori del colon, codifica per dei polipi (tumori benigni) che si possono formare nel colon; possiamo averlo normale (wt), oppure possiamo avere una premutazione ereditaria, che fa avere un AAA invece che ATA. Questa non è una mutazione, perché entrambe le triplette codificano per lo stesso amminoacido (ridondanza genetica). Ma questo porta a una maggiore probabilità di lettura sbagliata della sequenza, infatti questa fila di 8A, durante la divisione cellulare, può appaiarsi in maniera non corretta (come una cerniera che non si chiude bene).