Istituzioni di Patologia

Istituzioni di patologia generale e immunologia

Appunti revisionati dal docente delle lezioni 2018/19 (Docente: prof. Adriano Angelucci)

1. Invecchiamento e senescenza cellulare

L’invecchiamento è un processo fisiopatologico che porta ad una progressiva perdita dell’integrità e funzionalità dell’individuo: l’organismo è meno attivo e riesce a fare meno cose rispetto a quelle che svolgeva quando era più giovane. L’invecchiamento va di pari passo con un generale fenomeno di senescenza dei tessuti e organi inteso come il risultato di un progressivo declino nella funzione e nella vitalità delle cellule.

Non è così ovvio e facile definire un momento della vita in cui un organismo può essere considerato vecchio. Un primo ragionamento può essere fatto valutando la durata della vita. Possiamo individuare una frazione della vita, nell’ultimo periodo, prima della morte, che può essere definito come vecchiaia. Ma già qui c’è un problema poiché cambiando ambiente cambia la durata di vita, ad esempio molti animali tenuti in cattività hanno una durata di vita più lunga perché vengono curati e sono sottoposti a meno rischi. Quindi, nel momento in cui abbiamo a che fare con organismi che nascono in un determinato ambiente è meglio parlare di attesa di vita.

L’attesa di vita è un concetto legato alle condizioni dell’ambiente in cui si vive, e quanto possa essere variabile è testimoniato in maniera eclatante dalla storia dell’uomo. L’attesa di vita dell’uomo in tutto il mondo nel 1950 era di 46 anni, con il passare del tempo (pochi decenni) è aumentata notevolmente (quasi raddoppiata). Tale fenomeno sta creando un dibattito nelle società scientifiche sulla necessità di aumentare l’età accettata finora per l’ingresso dell’uomo nella vecchiaia (65 anni) a 75 anni. Infatti le condizioni di vita fanno sì che un 65enne di oggi abbia la forma fisica e cognitiva di un 40-45enne di 30 anni fa. E un 75enne quella di uno nel 1980 aveva 55 anni.

Una visione biologica del problema potrebbe far riferimento all’età riproduttiva, considerando la vecchiaia il periodo che segue questa fase. Più si diventa maturi in tarda età, più si vive a lungo (l’evoluzione va a favore della riproduzione). I determinanti dell’attività riproduttiva sono gli ormoni sessuali, quando si ha una diminuzione degli ormoni sessuali, si entra nella vecchiaia. Ad esempio, nella donna, la menopausa, in cui si ha l’atrofia dei tessuti sotto il controllo degli ormoni sessuali (perdita di funzionalità), può rappresentare un plausibile confine in cui si può iniziare a parlare di invecchiamento.

Una riduzione sostanziale di ormoni, soprattutto quelli sessuali, gioca un ruolo chiave nella formazione di diverse patologie; la vecchiaia, infatti, rappresenta il periodo in cui è più probabile ammalarsi. Possiamo quindi capire che è importante studiare l’invecchiamento nell’uomo perché la probabilità di ammalarsi aumenta con l’aumentare dell’età del soggetto. Riuscire a scoprire i determinanti dell’invecchiamento rappresenta la chiave per prevenire molte patologie.

Determinanti dell'invecchiamento

• Fattori genetici: Ogni individuo possiede un programma genetico che regola crescita e riparazione dell’organismo. L’individuo deve crescere e riprodursi, ma nello stesso tempo deve anche proteggersi dalle condizioni avverse ambientali (robustezza somatica). C’è una dicotomia tra il crescere, riprodursi e il fatto di essere abbastanza solidi per sopravvivere alle condizioni avverse (pleiotropismo antagonista).
• Invecchiamento cellulare: L’invecchiamento sistematico ha una base cellulare. Ci possono essere diverse cause che determinano senescenza cellulare, tra cui quelle genetiche (telomeri), e quelle legate a disfunzioni endogene che portano ad accumulo (proteine, AGE).
• Fattori ambientali: Le condizioni ambientali determinano i programmi di crescita e adattamento. Inoltre un ambiente può essere più o meno ricco di cause di malattia/fonti di stress cellulare. Dobbiamo considerare sempre l’organismo in quale ambiente vive. Se le fonti di danno sono ripetute è più probabile che i segni dell’invecchiamento (e le patologie associate) si manifestino prima.
• Dieta: Bilancio energetico e qualità degli alimenti, elemento molto importante per l’uomo perché può scegliere la propria dieta. Rappresenta un determinante importante nella capacità dell’organismo di rallentare l’invecchiamento o migliorarne i segni.

Molti elementi ambientali sono causa di danno cellulare. Sostanze geno-tossiche, ammine aromatiche, idrocarburi policiclici, si legano al DNA portando alla rottura della struttura del DNA, oppure ad una variazione della struttura con formazione di dimeri di timina. Il DNA può essere danneggiato anche da agenti endogeni i radicali liberi, e le specie reattive dell’ossigeno. Benchè la maggior parte dei danni del DNA sia riparata dai sistemi di riparazione del DNA, alcuni persistono e si accumulano con l’invecchiamento cellulare.

A seguito di un evento che colpisce il DNA, la prima cosa che avviene nella cellula è l’azione dei sistemi di riparazione, ognuno riconosce un danno diverso a livello del DNA e attiva un apparato proteico che cerca di riparare il danno. L’attivazione dei sistemi di riparazione è associata al blocco del ciclo cellulare. Se il riparo non è possibile, come ad esempio nel caso dell’accorciamento dei telomeri, la cellula va in apoptosi o in senescenza. Fenomeni di senescenza cellulare tendono ad essere più frequenti nel tempo, e determinano una delle componenti che contribuiscono all’invecchiamento di tutto l’organismo. Con questi meccanismi di morte e senescenza, le cellule, nel corso della loro vita, si proteggono anche dalle neoplasie. Infatti se ciò non avvenisse, con la propagazione dei danni al DNA non riparati, la probabilità di avere mutazioni oncogeniche in cellule proliferanti sarebbe molto più alta.

Un altro evento che avviene frequentemente nelle cellule è quello dell’accumulo di alcune sostanze chimiche dette AGE (prodotti di glicazione finale), una serie di prodotti abbastanza eterogenei che hanno come elemento comune la presenza di una catena glucidica. Tali catene tramite reazioni non enzimatiche si vanno a legare ad altre macromolecole, soprattutto alle proteine, generando glicati (prodotto finale dell’azione chimica degli zuccheri). Si tratta di un fenomeno progressivo che porta all’invecchiamento delle cellule.

Formazione degli AGE

• Il glucosio può dar vita, attraverso reazioni relativamente rapide, a basi di Shiff per la fusione di una ammina con un chetone o un’aldeide. Queste molecole costituiscono la base per una successiva reazione chimica e la formazione di intermedi reattivi.
• Il glucosio, attraverso reazioni di ossidoriduzione, può legare i lipidi. I prodotti che si andranno a formare (ossaldeidi) sono prodotti di accumulo. Si assiste quindi ad un accumulo di prodotti glicati con una progressiva perdita di funzionalità.

Spesso anche in molti protocolli sperimentali, per andare a vedere la fase di invecchiamento è sufficiente misurare la produzione dei prodotti glicati. I prodotti glicati sono anche quelli che formano la crosta negli alimenti, sono zuccheri che legano le proteine ad alta temperatura. Un esempio non strettamente correlato all’invecchiamento cellulare è la formazione dell’emoglobina glicata, attraverso l’unione del glucosio con l’emoglobina. Nei soggetti diabetici la sua misurazione può darci varie informazioni.

Andando a misurare i livelli di glucosio di un determinato individuo la mattina a digiuno, possiamo vedere se quel soggetto ha un cattivo controllo del glucosio. Noi sappiamo che questo zucchero non ha sempre la stessa concentrazione, dipende dalla distanza dai pasti e dal loro contenuto in zuccheri, per questo l’esame viene svolto a digiuno, per porre l’individuo in condizioni basali. Nei soggetti diabetici vengono controllati i livelli di glucosio anche attraverso la formazione esogena di prodotti glicati e in particolare dell’emoglobina glicata che è un marcatore della glicemia a lungo termine.

Quindi, in conclusione, sappiamo che il processo di glicazione è dovuto all’accumulo di proteine e zuccheri e a uno stress ossidativo. Non è dato da una reazione enzimatica, ma è un evento che avviene nel tempo passando da reazioni rapide fino a reazioni che hanno bisogno di mesi per arrivare a termine. Le proteine perdono funzione, conformazione, precipitano e si accumulano.

L’accumulo di proteine può derivare da omeostasi proteica insufficiente: L’omeostasi proteica coinvolge due meccanismi: quello che mantiene le proteine nelle loro conformazioni correttamente ripiegate (mediante chaperoni) e quello che degrada le proteine mal ripiegate mediante il sistema lisosomiale. Esistono evidenze che sia la normale ripiegatura sia la degradazione delle proteine mal ripiegate si deteriorino con l’età.

Un topo mutante con deficit di chaperoni invecchia rapidamente, viceversa, topi che esprimono un eccesso di chaperoni hanno lunga vita.

1.1 Senescenza replicativa e progerie

Ogni cellula sana possiede una capacità di replicazione limitata, quindi, dopo un certo numero di divisioni cellulari, si ferma in uno stato di assoluta impossibilità di divisione, conosciuto come senescenza replicativa. Le cellule dei bambini possiedono la capacità di realizzare più cicli di replicazione rispetto alle cellule delle persone anziane. La senescenza cellulare è determinata dalla riduzione della lunghezza dei telomeri. L’accorciamento dei telomeri è una causa genetica, un evento che porta invariabilmente in tutte le cellule del nostro organismo ad una senescenza, ad una impossibilità di duplicare oltre un certo limite (limite di Hayflick).

I telomeri sono brevi sequenze ripetute di DNA presenti all’estremità dei cromosomi, la cui importanza consiste nel garantire la replicazione completa delle estremità del cromosoma e nel proteggere queste ultime dalla fusione e dalla degradazione. Se andiamo ad analizzare le sequenze terminali, vediamo che alcune sono altamente ripetute e il numero di volte in cui vengono ripetute vede una grossa differenza tra individui giovani e individui adulti o anziani.

Negli individui giovani queste sequenze sono molto più lunghe, poiché l’accorciamento dei telomeri è dipendente dal numero delle replicazioni che ha svolto la cellula (più si è anziani, più le cellule in quell’individuo hanno svolto replicazioni). I telomeri non si autoriproducono, ma la loro struttura e lunghezza è mantenuta da un particolare sistema enzimatico, la telomerasi, un complesso specializzato di ribonucleoproteine che utilizza uno stampo di RNA per aggiungere nucleotidi alle estremità dei cromosomi.

La telomerasi, quindi, gioca un ruolo fondamentale nel mantenimento dell’integrità e della lunghezza dei telomeri. Il telomero, quindi, è un elemento importante nel decidere la senescenza cellulare, ogni volta che la cellula si divide diventa sempre più corto e a lungo andare porta instabilità nei cromosomi e ad una situazione valutata dalla cellula come allarme. La cellula che presenta telomeri troppo corti va incontro a morte per apoptosi o entra in senescenza.

Viceversa, nelle cellule cancerose o immortalizzate, la telomerasi di norma viene riattivata e la lunghezza dei telomeri ristabilizzata, consentendo alle cellule di proliferare ad oltranza. In generale il meccanismo del limite replicativo è presente in tutte le cellule degli organismi pluricellulari, ma perché esiste? Perché è un meccanismo di protezione, in buona parte efficace, che cerca di evitare la formazione di cellule non volute (neoplasie).

Funziona anche in vitro, si possono contare il numero di replicazioni della cellula e ci si accorge, invariabilmente, che se mettiamo in coltura un fibroblasto, esso non andrà più avanti dopo un certo numero di replicazioni. Se noi prendiamo un fibroblasto da un neonato, possiamo aspettarci circa 70 replicazioni, invece, se lo prendiamo da un centenario, il numero di replicazioni sarà sicuramente minore. Questo non è un evento patologico, ma fisiologico che impedisce un’eccessiva proliferazione delle cellule.

Possiamo però riscontrare anche degli effetti patologici, ad esempio ci sono delle sindromi di invecchiamento precoce che sono legate a instabilità nucleare e accorciamento precoce dei telomeri. Questa è una chiara dimostrazione di come l’invecchiamento cellulare possa avere effetto anche a livello sistemico.

Ci sono diverse sindromi che vengono generalmente dette di progeria (invecchiamento precoce) come quelle di Hutchinson-Gilford o di Werner. L’invecchiamento precoce può essere legato anche alla sindrome di Down per cause dovute ad una instabilità dei cromosomi. Questi soggetti invecchiano molto precocemente, non superano quasi mai i 50 anni. A questo punto è interessante constatare che le cause di morte di questi soggetti siano le patologie cardiovascolari e i tumori.

Il tumore legato ad una sindrome di invecchiamento precoce ci dice due cose: 1 i tumori sono una patologia della vecchiaia, essendo questi organismi precoci nell’invecchiamento, presentano dapprima le classiche patologie della vecchiaia. 2 il limite di Hayflick ci protegge dai tumori in età giovanile. Le cause genetiche di queste sindromi vanno ritrovate in difetti, mutazioni di alcune proteine, in particolare c’è una mutazione a livello di una proteina che si chiama LMNA (Lamin A). Nella sindrome di Werner, invece, abbiamo un difetto della DNA elicasi, una proteina impiegata nella replicazione del DNA, ma anche in altre funzioni che richiedono uno svolgimento del DNA.

Un difetto di questo enzima determina un rapido accumulo di danni cromosomici che può mimare i danni presenti normalmente durante l’invecchiamento. Comunque sono tutte mutazioni e difetti che riguardano la stabilità del DNA. Ad esempio LMNA serve per il mantenimento della membrana nucleare, la laminina va a posizionarsi al di sotto della membrana nucleare e mantiene l’integrità. Nei soggetti con progeria c’è un difetto nella maturazione della proteina, che si va a posizionare in maniera anomala e porterà ad una membrana nucleare non perfettamente funzionale.

1.2 Restrizione calorica e invecchiamento

Sebbene il senso comune dica il contrario, paradossalmente mangiare meno aumenta la longevità. Studi hanno dimostrato che la restrizione calorica, studiata nei topi da laboratorio, è collegata ad un ritardo nell’invecchiamento e ad una minore sensibilità verso alcune patologie, tra cui i tumori. Negli esperimenti effettuati, i topi sono stati divisi in gruppi che ricevevano un’alimentazione diversa per quanto riguarda l’apporto calorico. I risultati dimostrano che i gruppi con maggiore restrizione calorica (50%) vivevano di più e avevano un’incidenza più bassa di tumori.

Sull’uomo è più difficile indagare sperimentalmente questo aspetto, ma alcuni dati storici sembrano essere significativi. Ad esempio gli antichi egizi (ma anche i Greci) usavano la “fame intermittente” più di 2.500 anni fa per ottenere una salute migliore e una durata prolungata della vita. Recentemente alcuni studi hanno dimostrato che il digiuno intermittente agendo sulle reti di controllo del metabolismo mitocondriale può far aumentare la durata di vita.

In virtù di tali osservazioni, si è risvegliato un notevole interesse per la decifrazione del ruolo della percezione dei nutrienti nell’invecchiamento. La base di questa restrizione calorica ha fatto vedere tutta una serie di eventi legati ad un mantenimento del soma. L’omeostasi della componente somatica è mantenuta tramite diversi meccanismi di rigenerazione e riparo (energeticamente dispendiosi). Allo stesso tempo la “manutenzione” è inversamente proporzionale all’insorgenza di patologie: diabete, malattie cardiovascolari e tumori.

Se la restrizione calorica funziona, vuol dire che ci devono essere delle vie di segnalazione capaci di ridistribuire le risorse energetiche tra crescita e manutenzione del soma. Una di queste vie è stata trovata ed è riconducibile ai fattori che vengono modulati dalle fonti caloriche fino a determinare la velocità di crescita, l’invecchiamento e le patologie nell’individuo.

I due fattori principali neuro-ormonali che regolano il metabolismo sono la l’ormone della crescita (GH) e il fattore di crescita IGF-1, prodotto autonomamente in alcuni organi oppure in risposta alla secrezione di GH da parte dell’ipofisi. Questi fattori si controllano a vicenda tramite un feedback negativo. Il bersaglio dell’ormone della crescita e dell’IGF-1 è tutto l’organismo. Alti livelli di IGF-1 sono legati ad una ridotta durata della vita, alla crescita e alla riproduzione; bassi livelli di IGF-1 sono legati a funzioni di mantenimento e riproduzione ritardata. Questo schema è legato all’introito alimentare.

Uno degli ormoni che regola l’alimentazione è la grelina, prodotta dallo stomaco e dal pancreas, in risposta all’alimentazione. Quando ci alimentiamo regolarmente e in maniera adeguata, la grelina stimola l’ipotalamo per la produzione dell’ormone della crescita.

Gli studi sull’invecchiamento negli ultimi anni hanno messo in evidenza che nell’arco della vita di un individuo, sono presenti delle finestre particolarmente sensibili all’ambiente, soprattutto nel...