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Perché invecchiamo?

Lo stress ossidativo e l'invecchiamento: meccanismi, effetti funzionali, patologie associate e prospettive terapeutiche.

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di
G. Vendemiale1,2, A. Romano1, G. Serviddio1, F. Bellanti1
1 Cattedra di Geriatria, Università di Foggia
2Medicina Generale, IRCCS Casa Sollievo della Sofferenza, San Giovanni Rotondo, Foggia

La ricerca sull'invecchiamento affascina da sempre la comunità scientifica e riscuote un crescente interesse da parte dei media a causa di una serie di aspetti quali, lo straordinario aumento dell'aspettativa media di vita nel mondo, il meno straordinario ma più significativo aumento dell'aspettativa di vita massima, l'aumento dei centenari in gruppi selezionati di popolazioni e l'incremento della spesa sociale causato dagli anziani. Nonostante tale argomento sia diffusamente studiato, i meccanismi molecolari responsabili dell'invecchiamento non sono ancora ben noti così come non lo è la loro sequenza temporale, la gerarchia ed il confine tra fisiologia e patologia.

Sono state formulate diverse ipotesi di lavoro per spiegare l'invecchiamento (vedi tabella)1. L'aging è un processo complesso e multifattoriale e pertanto è plausibile che gli eventi in grado di determinare la senescenza della cellula si sovrappongano a diversi livelli: le modificazioni molecolari occorrenti in corso di invecchiamento conducono ad alterazioni cellulari le quali, a loro volta, contribuiscono alla senescenza dell'organo e all'insufficienza del sistema a cui appartiene2.

Una delle Teorie più accreditate dell'invecchiamento è quella "Ossidativa". Negli ultimi anni sono stati compiuti notevoli passi avanti nella comprensione delle malattie associate all'invecchiamento, come il diabete, le malattie cardiovascolari, le malattie neurodegenerative, e l'associazione con le alterazioni funzionali del mitocondrio3. I mitocondri rivestono un ruolo centrale nella sopravvivenza della cellula. Sono essenziali per la produzione dell'energia impiegata nei processi metabolici e, allo stesso tempo, sono i regolatori della morte cellulare per apoptosi. Inoltre i mitocondri sono la principale fonte di produzione dei Radicali Liberi dell'Ossigeno (ROS). I ROS, specie chimiche con un elettrone spaiato nel loro orbitale più esterno, sono dotati di elevata reattività e instabilità chimica; hanno la capacità di reagire con svariate molecole con cui vengono in contatto e dalle quali sottraggono o alle quali cedono un elettrone nel tentativo di acquisire stabilità, producendo in tal modo altri radicali secondo reazioni che si propagano spesso a catena. I radicali liberi dell'ossigeno ROS sono fisiologicamente prodotti dalle cellule come "prodotto di scarto" dell'attività della catena mitocondriale di trasporto degli elettroni. Il loro accumulo comporta il cosiddetto "stress ossidativo", ossia l'esistenza di uno squilibrio tra la produzione dei radicali liberi dell'ossigeno (ROS) e l'attività di difesa dei sistemi antiossidanti.

I principali tessuti a farne le spese sono quelli post-mitotici, cioè non più replicativi, come il cuore, il fegato, i reni e il cervello. I sistemi di difesa antiossidante sono costituiti da sostanze di tipo enzimatico (come il complesso del Glutatione e la Super Ossido Dismutasi) e da composti non enzimatici come ad esempio le vitamine A, C, E, e i polifenoli (flavonoidi, procianidine). Tali sistemi possono però essere insufficienti sia per loro consumo, sia per ridotta sintesi. Diverse condizioni correlate allo stress ossidativo interagirebbero nell'invecchiamento: un aumento della velocità con cui vengono prodotti i ROS, un declino dei sistemi di difesa antiossidante ed una diminuita efficienza nel riparare molecole danneggiate. La teoria radicalica, formulata da Harman nel 1956, e successivamente corroborata da numerose osservazioni, sostiene infatti che l'invecchiamento sarebbe il prodotto della serie di reazioni ossidative di natura radicalica (non più bilanciate da un efficiente sistema antiossidante) in grado di accelerare la degradazione dei sistemi biologici determinando un'usura somatica; la longevità dipenderebbe dunque dall'efficienza dei sistemi di protezione antiossidante4. Le evidenze scientifiche più recenti confermano l'intuizione di Harman ponendo il mitocondrio come centro di produzione dei ROS. I siti di maggior produzione di ROS a livello della catena respiratoria sono il complesso I e III. Lo stress ossidativo innesca un circolo vizioso nel quale il mitocondrio stesso, a seguito del danno indotto dai radicali liberi, produce ulteriori ROS portando, in ultima analisi, ad una progressiva distruzione cellulare5.

Alti livelli di ROS possono alterare direttamente la struttura di macromolecole come i lipidi, gli acidi nucleici e le proteine; gli acidi nucleici, in particolare, sono suscettibili di essere ossidati dai ROS inducendo mutazioni e delezioni nel DNA nucleare e mitocondriale. Le mutazioni del mtDNA tenderanno ad accumularsi e a condurre a morte principalmente le cellule post-mitotiche, particolarmente quelle dove il metabolismo ossidativo è elevato come i neuroni, e i tessuti a elevato burst ossidativo, come il tessuto muscolare scheletrico. Oggi si ritiene che alla base dei processi di invecchiamento cellulare esistano delle pathway redox-mediate e mitocondrio dipendenti: alti livelli di radicali liberi e dei prodotti della perossidazione delle membrane lipidiche come il 4-idrossinonenale (HNE) e il malonilaldeide (MDA), sono in grado di modulare l'attivazione di alcuni fattori di trascrizione, direttamente, mediante la modificazione di alcuni residui amminoacidi o indirettamente, mediante la formazioni di ponti sulfidrilici in prossimità dei binding domains a livello del DNA; tali modificazioni possono tradursi indifferentemente nell'attivazione o disattivazione dei fattori di trascrizione interessati. E' noto che fattori di trascrizione legati ai processi di invecchiamento cellulare e alla longevità come p53, AP-1 e NF-?B sono rispondenti allo stato redox cellulare.

L'apoptosi mitocondrio dipendente è innescata dal rilascio dell'olo-citocromo c (forma attiva, presente nei complessi III e IV della catena respiratoria) da parte del mitocondrio e conseguente formazione di un complesso di alto peso molecolare, l'Apoptosoma (APAF), in grado di attivare le Caspasi, delle endonucleasi che porteranno a loro volta alla frammentazione oligonucleosomica del DNA nucleare e conseguente apoptosi cellulare (vedi figura). Il ruolo dello stress ossidativo nell'invecchiamento cellulare va quindi riconsiderato come parte integrante di un processo continuo e multifattoriale. Il nostro gruppo ha recentemente dimostrato che l'invecchiamento cellulare è associato a profonde modificazioni della bioenergetica mitocondriale: il potenziale di membrana nei tessuti di ratti anziani è significativamente minore rispetto a quello misurato nei tessuti di ratti giovani; questa condizione è associata a un aumento della conduttanza protonica, che dissipa parzialmente il potenziale di membrana, ma non a una riduzione della capacità del mitocondrio di ossidare substrati. Tale meccanismo nella cellula "anziana" sembra essere protettivo dato che, attraverso la dissipazione del gradiente elettrochimico in eccesso, previene l'eccessiva produzione dei ROS6.

Senza dubbio esiste la necessità di comprendere "come" la cellula invecchia ma anche "perché" l'uomo che invecchia va incontro a varie patologie croniche. In questo senso, la teoria radicalica e quella mitocondriale dell'invecchiamento consentono di spiegare non soltanto i meccanismi molecolari alla base dell'aging ma anche la patogenesi di diverse condizioni cliniche che ad essa sono associate. Sia lo stress ossidativo che le alterazioni della funzionalità mitocondriale sono eventi comuni dell'invecchiamento. Tali condizioni sono però notevolmente più frequenti in alcune patologie neurodegenerative come la Malattia di Alzheimer (AD) e le Demenze Vascolari (VaD). A proposito della Demenza di Alzheimer, diversi lavori hanno riportato un'associazione tra la fosforilazione della proteina Tau, una componente delle placche senili, e lo stress ossidativo, suggerendo l'idea che alcuni prodotti della perossidazione lipidica, come HNE, potessero essere coinvolti nei fenomeni di aggregazione e fibrillazione delle placche senili. Crescenti evidenze indicano le alterazioni funzionali della catena respiratoria del mitocondrio come fattore chiave nello sviluppo dell'AD. Diversi studi hanno dimostrato un incremento dello stress ossidativo e del danno del DNA mitocondriale in neuroni di soggetti affetti da AD7.

In uno studio condotto dal nostro gruppo in modelli di topi transgenici che esprimevano contemporaneamente tre mutazioni (presenilina1, APP, proteina TAU) e che presentavano le stesse caratteristiche patologiche della malattia di Alzheimer, abbiamo osservato a livello cerebrale profonde alterazioni della bio-energetica mitocondriale. In particolare, il complesso I della catena respiratoria per mantenere lo stesso potenziale di membrana utilizza e consuma più ossigeno e questo è associato ad una maggior produzione di ROS e una ridotta produzione di ATP8. Relativamente alle patologie cardiovascolari dell'anziano, è stato dimostrato il ruolo fondamentale dell'infiammazione e dell'ossidazione delle LDL presenti nella placca aterogena a causa delle ROS, che conduce a una serie di alterazioni della funzione endoteliale quali il richiamo dei monociti e loro trasformazione in macrofagi. Questi ultimi fagocitando le LDL ossidate si trasformano in cellule schiumose che rappresentano il costituente principale dalla stria lipidica, primo evento del processo aterogenetico. La nostra esperienza su pazienti ambulatoriali "fragili" ha messo in evidenza l'esistenza di una netta correlazione tra "infiammazione", valutata mediante il dosaggio del TNF-? e livelli di stress ossidativo circolante, valutati mediante il dosaggio degli addotti plasmatici HNE e MDA e mediante il GSSG ratio, espressione della capacità antiossidante dell'organismo9. Esiste quindi una correlazione positiva tra l'infiammazione cronica e lo sviluppo-progressione di patologie età - dipendenti.

Ci sono evidenze dell'utilità di alcuni trattamenti antiossidanti nell'attenuare la progressione di alcune malattie in modelli animali e in patologie neurodegenerative. Alcuni antiossidanti, come la Vitamina E, il Coenzima Q e i polifenoli hanno dimostrato di essere protettivi in modelli animali di AD, Parkinson e Sclerosi Laterale Amiotrofica. Tuttavia l'uso di tali molecole non ha dato gli stessi positivi riscontri nell'uomo. E' verosimile che la gran parte della perdita dell'effetto antiossidante sia dipendente dalla presenza della barriera emato-encefalica e comunque, dall'eccessiva dispersione delle molecole antiossidanti in circolo; a questo proposito aumentano sempre più gli studi di molecole in grado di essere coniugate ad agenti antiossidanti e di raggiungere specifici target cellulari. La nuova frontiera della "medicina antiossidante" è infatti, la "mitochondria-targeted therapy", ovvero l'uso di sostanze in grado di penetrare selettivamente nel mitocondrio là dove la massima efficienza antiossidante è richiesta1.

Tre decadi di ricerca sulla fisiologia dell'invecchiamento hanno portato ad affermare il ruolo chiave del mitocondrio e dello stress ossidativo nell'aging e nella progressione delle malattie neurodegenerative. Negli ultimi anni sempre più si rafforza nei Ricercatori l'idea che il mitocondrio, e lo stress ossidativo, giochino un ruolo di primo piano nei processi d'invecchiamento cellulare. E' nota l'esistenza di un gran numero di patologie croniche legate allo stress ossidativo; è indubbio che la mortalità nell'anziano sia funzione della progressiva poli-patologia e non della sua età. In tale scenario le teorie dello stress ossidativo e quella mitocondriale dell'invecchiamento possono fornire un'interpretazione integrata della biologia dell'aging ma, soprattutto, un razionale per l'intervento farmacologico. Siamo forse finalmente in grado di sintetizzare piccole molecole in grado di raggiungere direttamente il mitocondrio e di influenzarne la funzione. E' stata dimostrata l'efficacia di tali molecole in studi pre-clinici o studi clinici su coorti di piccole dimensioni. E' auspicabile che tali studi vengano confermati in più larga scala.

Riferimenti Bibliografici

1 Serviddio, G. et al. Principles and therapeutic relevance for targeting mitochondria in aging and neurodegenerative diseases. Current pharmaceutical design 17, 2036-2055 (2011).
2 Kowald, A. & Kirkwood, T. B. A network theory of ageing: the interactions of defective mitochondria, aberrant proteins, free radicals and scavengers in the ageing process. Mutat.Res. 316, 209-236 (1996).
3 Gibson, G. E., Starkov, A., Blass, J. P., Ratan, R. R. & Beal, M. F. Cause and consequence: mitochondrial dysfunction initiates and propagates neuronal dysfunction, neuronal death and behavioral abnormalities in age-associated neurodegenerative diseases. Biochim.Biophys.Acta 1802, 122-134 (2010).
4 Harman, D. Aging: a theory based on free radical and radiation chemistry. J.Gerontol. 11, 298-300 (1956).
5 Miquel, J. An integrated theory of aging as the result of mitochondrial-DNA mutation in differentiated cells. Arch.Gerontol.Geriatr. 12, 99-117 (1991).
6 Serviddio, G. et al. Bioenergetics in aging: mitochondrial proton leak in aging rat liver, kidney and heart. Redox.Rep. 12, 91-95 (2007).
7 Baloyannis, S. J. Mitochondrial alterations in Alzheimer's disease. J.Alzheimers.Dis. 9, 119-126 (2006).
8 Cassano, T. et al. Glutamatergic alterations and mitochondrial impairment in a murine model of Alzheimer disease. Neurobiol Aging, doi:10.1016/j.neurobiolaging.2011.09.021 (2011).
9 Serviddio, G. et al. Frailty syndrome is associated with altered circulating redox balance and increased markers of oxidative stress. Int.J.Immunopathol.Pharmacol. 22, 819-827 (2009).

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