Ruolo del secretoma muscolare in condizioni fisiologiche e patologiche ​

Università degli studi di Pavia

Dipartimento di sanità pubblica, medicina sperimentale e forense

Corso di laurea in scienze motorie

Il ruolo del secretoma muscolare in condizioni fisiologiche e patologiche

Relatore: Prof.ssa Monica Canepari

Tesi di Laurea Triennale di Daniel Dragomir

Matricola n° 493885

Anno Accademico 2022/2023

Dichiarazione di originalità della tesi di laurea

Con la presente, il sottoscritto Dragomir Daniel matr. n. 493885, reso edotto delle conseguenze derivanti dalla inosservanza dell’art. 11 del DM 270/2004 in esami o concorsi, prescritti o richiesti da autorità che recita “Chiunque pubbliche amministrazioni per il conferimento di lauree o di ogni altro grado o titolo scolastico o accademico, per l’abilitazione all’insegnamento ed all’esercizio di una professione, per il rilascio di diplomi o patenti, presenta, come propri, dissertazioni, studi, pubblicazioni, progetti tecnici e, in genere, lavori che siano opera di altri, è punito con la sanzione amministrativa pecuniaria da euro 6.000 ad euro 60.000.", dichiara, sotto la propria responsabilità, che la tesi di laurea è stata dallo stesso realizzata personalmente e che quanto è estraneo al proprio pensiero è opportunamente evidenziato con il ricorso ai necessari riferimenti bibliografici nelle note riportate in calce o in fondo alla tesi stessa.

Il/la sottoscritto/a si impegna a tenere, e a far tenere a parenti e amici, un comportamento dignitoso e rispettoso delle regole di civile convivenza durante e dopo la proclamazione.

Dragomir Daniel

PAVIA, 28/08/2023 In fede

Approvato dal Consiglio di Corso di Studio in Scienze Motorie il 20 marzo 2017

Riassunto (Abstract)

Il segreto per mantenere in salute i nostri muscoli ed il nostro corpo potrebbe essere nascosto nel misterioso mondo del secretoma muscolare. Il secretoma muscolare consiste in un gruppo di proteine ed altre molecole secrete dalle cellule muscolari che potrebbe rappresentare la chiave per la comprensione di molti meccanismi fisiologici e patologici e perciò utile nella prevenzione di malattie e nel processo di rigenerazione cellulare. La mia tesi ha esplorato il vasto territorio del secretoma muscolare, composto da migliaia di molecole, dove le miochine rappresentano i principali attori che permettono al muscolo di comunicare con altri organi anche molto distanti. Attraverso l’analisi dei dati scientifici più recenti, ho scoperto alcune importanti implicazioni di questo aspetto della fisiologia umana, che potrebbero essere di fondamentale importanza per il benessere corporeo. Durante il mio corso di studi ho letto molti articoli che citavano l’irisina, molecola definita come “ormone dello sport”, oppure la miostatina, molecola che agisce come “freno” per la crescita dei muscoli. Tutte queste “molecole misteriose” mi hanno sempre affascinato, e ho colto quest’occasione per approfondire questa tematica tanto complessa e tanto attuale.

Indice

• Riassunto (Abstract) 3
• Introduzione 5
• Metodologia 6
• Relazione tra secretoma e patologie 8
• Attività del secretoma in risposta all’endurance training (ET) e al resistance training (RT) 10
• Endurance Training 10
• PGC1-alfa 11
• IL-6 11
• IL-8 11
• BNP 12
• Irisina 12
• Resistance Training 13
• IGF-1 13
• Miostatina 15
• Follistatina 15
• IL-6 16
• Leukemia Inhibitory Factor 17
• IL-8 17
• Molecole secrete da altre cellule nel muscolo scheletrico 18
• Relazione tra esercizio fisico e piccole vescicole extracellulari (SEV) 19
• Tipologie di vescicole extracellulari 20
• Ruolo delle piccole vescicole extracellulari in risposta all’esercizio 21
• Il metabolismo energetico: relazione tra AMPK e miochine 22
• AMPK ed Interleuchina 6 23
• Interleuchina 10 e AMPK 24
• Relazione tra IL-15 ed AMPK 24
• Rapporto tra AMPK ed IL-18 25
• Conclusioni 27
• Referenze bibliografiche 29
• Ringraziamenti 39

Introduzione

Il muscolo scheletrico rappresenta circa il 40% del peso corporeo totale e contiene tra il 50% ed il 75% di tutte le proteine nel nostro corpo. Recentemente è stato scoperto che ha molte più funzioni della semplice contrazione che permette il movimento. Il secretoma, l’argomento cardine della tesi, è stato recentemente definito come “l’insieme ricco e complesso di molecole secrete dalle cellule viventi”. (Makridakis M et al., 2010).

Nel nostro caso, parlando del muscolo e delle cellule che lo compongono (miociti), si parla di secretoma muscolare. Lo studio di questo campo innovativo ed in parte inesplorato, può aiutare a comprendere i processi metabolici che governano la sintesi e l’organizzazione del muscolo scheletrico, la sua relazione con il tessuto adiposo e con il sistema immunitario, oltre che a indentificare i fattori responsabili dell’invecchiamento. Inoltre il secretoma delle cellule muscolari potrebbe essere fonte di biomarcatori di malattie muscolari e non, quindi in grado di fornire una fotografia della situazione fisiologica utile nella prevenzione di molte patologie (Florin A. et al., 2020).

Tra le molecole più importanti secrete dal muscolo ci sono le citochine, che sono delle piccole molecole di natura proteica capaci di fornire istruzioni precise alle cellule. Storicamente, il primo rapporto che dimostra un aumento di citochine nel circolo sanguigno in acuto dopo un esercizio è stato pubblicato nel 1983 da Cannon e colleghi (Cannon e Kluger, 1983), e la prima descrizione di una molecola secreta dal muscolo scheletrico, la miostatina, risale al 1997 (McPherron et al., 1997).

Sarà solo nel nuovo millennio, precisamente nel 2003, che Pedersen (ricercatore danese divenuto esperto mondiale in questo campo) introduce il termine “miochine”. Da allora, centinaia e centinaia di articoli descrivono queste nuove citochine con tante differenti espressioni (citochine muscolari, fattori di crescita muscolare, ecc…).

Per cercare di fare chiarezza, ci sono 3 punti fondamentali nella definizione di miochina:

• Una miochina è una proteina oppure un frammento di una proteina, cioè un peptide (altre molecole come i metaboliti non sono miochine).
• Una miochina viene secreta dalle cellule del muscolo scheletrico (nell’interstizio o nel circolo sanguigno), pertanto l’aumento dei livelli circolanti di un peptide non è sufficiente per definirlo come miochina (potrebbe essere secreto da altri organi o tessuti).
• Una miochina può essere secreta indipendentemente dalla contrazione muscolare.

A causa della continua scoperta di nuove molecole secrete dal muscolo (acidi nucleici, peptidi, vescicole…), il concetto di secretoma è in continua evoluzione, e non è “sinonimo di miochine” date le tantissime sostanze chimiche che ne fanno parte. (Aguer et al., 2020).

Questa introduzione ci fa capire che, nell’ultimo decennio, la letteratura scientifica su questo argomento ha fatto passi da gigante, ma c’è ancora molto da scoprire per sfruttare le potenzialità del secretoma muscolare umano.

Metodologia

Questo elaborato di tesi è basato sul metodo scientifico. Il metodo scientifico è tra le invenzioni più importanti che ha fatto l’uomo. La scienza altro non è che il risultato, anzi, il processo, con cui scopriamo, impariamo e inventiamo nuove cose.

La letteratura scientifica comprende qualunque tipo di articolo scientifico, esperimento (condotto con il metodo scientifico), linee guida o raccomandazioni basate, appunto, sulle evidenze scientifiche. La scienza serve ad aiutarci a fare selezione di ciò che è vero o falso. O meglio, ciò che è più o meno certo.

Tecnicamente, infatti, si dovrebbe parlare di “incertezza” a parer mio. Quanto più ci sono evidenze scientifiche su una affermazione, meno incertezza c’è su quanto quell’affermazione sia vera/reale. Gli studi scientifici non sono tutti uguali, e non pesano tutti allo stesso modo ovviamente. Per questo mi sono basato anche sulla piramide delle evidenze scientifiche (Fig.1).

Figura 1 – Fin dal 1991 è stata definita questa “gerarchia delle evidenze” esemplificata da una piramide che cataloga la progressiva affidabilità scientifica delle prove.

Il ruolo di questa piramide è far comprendere, a colpo d’occhio, che ci sono diversi tipi di evidenze scientifiche, e che alcuni studi sono più importanti di altri. Alla base abbiamo ciò che è meno “informativo”, mentre man mano che saliamo, fino ad arrivare al vertice, abbiamo i tipi di studi scientifici più forti, che portano a risultati più solidi.

In estrema sintesi possiamo dire che gli studi che veramente ci dovrebbero interessare nel mondo scientifico dello sport sono soprattutto gli studi randomizzati e controllati con placebo e, ovviamente, meta analisi e review sistematiche che includono tanti studi (di qualità) randomizzati e controllati con placebo.

Ovviamente ho cercato di includere diverse revisioni sistematiche nel mio progetto (in cima alla piramide), ma delle volte ho fatto riferimento anche ad alcuni studi singoli (alla base della piramide).

Ho cercato di confrontarne diverse meta analisi e quelle di maggiore qualità. Se una meta-analisi racchiude pochi studi, allora è di qualità più bassa già solo per questo motivo. Se gli studi inclusi sono di bassa qualità allora anche la meta-analisi è di bassa qualità. E viceversa.

Idealmente, per proteggersi il più possibile dalla variabile della qualità degli studi scientifici, la cosa migliore da fare è leggere tanti studi. In questo caso, leggere tante meta-analisi. Se tutte o quasi tutte giungono alle stesse conclusioni, allora quella conclusione è più probabile. Se le conclusioni sono molto diverse tra le varie meta-analisi è chiaro che non c’è un certo accordo della comunità scientifica sull’argomento (in tal caso ho specificato nella tesi quando c'era questa limitazione in un tema specifico).

Quando possibile ho cercato anche di citare articoli pubblicati su riviste scientifiche prestigiose. Non è un metodo affidabile al 100%, però esistono riviste più “serie” e riviste meno prestigiose, tanto che sono stati definiti degli indici di qualità delle stesse. Spesso mi sono consultato con dei colleghi universitari che mi dicevano di avere letto solo l'abstract (riassunto) di alcuni articoli per la propria tesi. Io ho cercato sempre di approfondire ogni studio leggendo l’articolo completo, perché un abstract può essere volontariamente o involontariamente fuorviante. Non fornisce un contesto e non indica, né chiarisce, i limiti dello studio o l’applicabilità dei risultati nel mondo reale.

Inoltre, è importante capire quanto è grande il campione analizzato. Uno studio su poche persone diventa meno solido (meno affidabile) di uno studio con un campione più ampio. Ho cercato ovviamente di includere sia studi longitudinali che trasversali.

Gli studi longitudinali hanno il vantaggio di fornire intuizioni uniche che non possono essere ottenute in altro modo, e sono utili per osservare i fenomeni legati allo sviluppo e alla durata della vita. Dall’altro canto, purtroppo, sono molto lunghi e molto costosi.

Gli studi trasversali, invece, consentono ai ricercatori di raccogliere informazioni molto rapidamente osservando diverse variabili in contemporanea. Come però si può immaginare, non è tutto oro quel che luccica. È importante considerare che anche negli studi trasversali si presenta la sfida nel determinare le relazioni di causa ed effetto. Questo deriva dalla natura stessa di questi studi, che si concentrano su un momento specifico nel tempo anziché seguire le persone nel corso del tempo.

Mentre gli studi trasversali sono utili per esaminare le relazioni tra variabili in un determinato momento, dobbiamo essere cauti nell'interpretare i risultati come relazioni di causa ed effetto dirette. Spesso è necessario combinare studi trasversali con altri tipi di ricerche, per ottenere una comprensione più completa delle dinamiche tra le variabili.

Un ultimo fattore che ho tenuto in considerazione, anche se non ultimo per importanza, riguarda eventuali conflitti di interesse per gli studi che ho citato nella tesi. I conflitti di interesse, se esistono, sono generalmente comunicati alla fine dell’articolo, dopo la conclusione. Il conflitto di interesse esiste quando uno o più autori che hanno progettato e condotto lo studio ha dei motivi per trovare determinati specifici risultati. La fonte più ovvia di un conflitto di interesse è finanziaria, ad esempio quando lo studio è stato sponsorizzato/finanziato da un’azienda o quando uno degli autori lavora per un’azienda che trarrebbe vantaggio dallo studio sostenendo un certo effetto.

Di nuovo, questo rafforza l’idea di leggere più studi e non focalizzarci solo su pochi che ci danno ragione o ci smentiscono.

Relazione tra secretoma e patologie

Come ormai tutti sappiamo, e come ormai confermato da tantissimi studi, l’attività fisica riduce la probabilità dell’insorgenza di patologie cardio-metaboliche, mentre la sedentarietà ne aumenta il rischio (Zhao et al., 2021). La contrazione muscolare che si verifica durante l’esercizio fisico migliora la regolazione metabolica in tutti i tessuti. Il muscolo scheletrico, grazie al rilascio di miochine, interagisce con organi metabolici quali fegato, tessuto adiposo e pancreas. (Pedersen BK, 2008; Brandt and Pedersen, 2010; Pedersen and Saltin, 2015).

Ci sono studi recenti che mostrano come le miochine abbiano compiti ancora, data la loro probabile interazione anche con il cervello, con le ossa, con l’intestino, con il sistema vascolare e anche con la pelle. (Severinsen MCK et al., 2020).

Uno studio del 2020 di Laurens e colleghi suggerisce che alcune miochine siano anche in grado di modulare la produzione epatica di glucosio e la secrezione di insulina dalle cellule beta. Questa ipotesi potrebbe in parte spiegare, in parte, la correlazione tra inattività fisica e malattie croniche come il diabete. (Laurens et al., 2020). Secondo uno studio già citato in precedenza le miochine possono anche contrastare l’insulino resistenza (causa del diabete di tipo 2) attraverso l’induzione di un ambiente antiinfiammatorio nel muscolo stesso (Brandt and Pedersen, 2010).

Parlando sempre degli effetti esercitati sul muscolo stesso da parte delle molecole del secretoma muscolare, sappiamo che alcune molecole come la miostatina, la proteina LIF, l’IL-6 e l’IL-7 sono coinvolte nell’ipertrofia muscolare (aumento delle dimensioni delle fibre muscolari) e nella miogenesi (formazione di nuove fibre). Mentre altre molecole come la proteina BDNF e l’IL-6 sono coinvolte nell’ossidazione dei grassi attraverso l’attivazione di AMPK, considerato un “sensore” dello stato energetico della cellula.

L’inattività fisica porta probabilmente ad una risposta miochinica alterata, un meccanismo che potrebbe essere responsabile dell’insorgenza o dello sviluppo di diverse malattie croniche. (Pedersen BK, 2012).

Sempre Pedersen e colleghi, nell’articolo pubblicato su Nature Reviews Endocrinology, hanno diffuso un’immagine a parer mio molto interessante, che rende chiaro uno dei più importanti effetti delle miochine.

Figura 2 – Questa immagine mostra la correlazione tra miochine (secrete dal muscolo), adipochine (secrete dal tessuto adiposo) e alcune tra le più diffuse patologie del ventunesimo secolo.

Specialmente in condizioni di obesità, il tessuto adiposo secerne le adipochine, delle molecole biologicamente attive. Molte di queste molecole agiscono come effettori positivi, regolando il bilancio energetico e garantendo la normale omeostasi metabolica, mentre altre sono secrete dal tessuto adiposo in risposta a condizioni di stress o in presenza di obesità, specie viscerale, con effetti negativi sui tessuti bersaglio come l’induzione di insulino-resistenza, che costituisce il substrato patogenetico della sindrome metabolica e delle sue complicanze.

Alcune miochine possono contrastare gli effetti pro-infiammatori negativi di queste adipochine, ed è anche per questo motivo che l’attività fisica è fondamentale nella prevenzione di molte patologie.

Parlando sempre dell’Interleuchina-6 diversi studi affermano che è la citochina “predominante” durante esercizio fisico (Pedersen BK et al, 2004; Pedersen BK et al, 2001). Questa molecola viene rilasciata in risposta alla contrazione muscolare sia dalle fibre di tipo 1 che dalle fibre di tipo 2. (Pedersen, Akerstrom et al, 2007).

Il tessuto muscolare scheletrico è un tessuto eterogeneo per quanto riguarda la composizione in fibre muscolari, che vanno dalle fibre di tipo I a contrazione lenta a quelle di tipo IIx a contrazione veloce. Le fibre di tipo I hanno una produzione energetica principalmente sostenuta dal metabolismo ossidativo e bassa affaticabilità, mentre le fibre di tipo IIx hanno un'elevata affaticabilità e producono energia principalmente dal metabolismo glicolitico (Andersen JL et al, 1997).

Mentre la secrezione di IL-6 è dipendente dalla proteina AMPK nelle fibre di tipo 1, il pathway coinvolto nella secrezione di IL6 da parte delle fibre di tipo II rimane sconosciuto. (Glund S. et al, 2009).

Avendo dedicato una parte di questa tesi alla relazione tra secretoma e le varie patologie, non potevo esimermi dal trattare anche la principale causa di morte negli Stati Uniti e in tutto il mondo, cioè le malattie cardiovascolari.

Una rigorosa analisi del 2010 dell'Organizzazione mondiale della sanità suggerisce che la riduzione dei fattori di rischio nei giovani e il mantenimento di un profilo di rischio ottimale...