Invecchiamento cellulare e senescenza

Quali sono le cause che portano a una risposta inadeguata agli insulti? Come cambia un organo come il polmone con l’età, rendendo la popolazione anziana più suscettibile alle malattie legate all’età, come la BPCO, il cancro ai polmoni e la fibrosi polmonare idiopatica (IPF), con conseguente riduzione dell’aspettativa di vita, della qualità della vita e delle esigenze di assistenza? E a che punto siamo nella ricerca del Santo Graal che fermerà l’invecchiamento e ci offrirà un’opzione terapeutica adeguata per la vecchiaia?

Alla luce della pandemia COVID-19 e delle sue gravi complicazioni respiratorie, è stato riconosciuto che gli anziani sono più suscettibili alle malattie respiratorie. Nei pazienti in età avanzata, le conseguenze delle infezioni respiratorie come la SARS-CoV-2 sono più gravi e il tasso di mortalità è più alto. Con l’invecchiamento della popolazione mondiale, le società e i sistemi sanitari stanno affrontando un aumento significativo delle malattie respiratorie e delle complicazioni ad esse associate. Oltre alla correlazione tra l’età e una maggiore incidenza di infezioni, con l’età si osserva anche una maggiore prevalenza di malattie polmonari croniche (CLD). Ma quali sono le cause che portano a una risposta inadeguata agli insulti? In che modo un organo come il polmone cambia con l’età, rendendo la popolazione anziana più suscettibile alle malattie legate all’età, come la broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO), il cancro ai polmoni e la fibrosi polmonare idiopatica (IPF), con conseguente riduzione dell’aspettativa di vita, della qualità della vita e una maggiore necessità di assistenza? E a che punto siamo nella ricerca del Santo Graal che fermerà l’invecchiamento e ci offrirà un trattamento adeguato per la vecchiaia e i capelli grigi?

Senescenza

In generale, l’invecchiamento è associato a un progressivo deterioramento della funzione degli organi, che rende le persone anziane più suscettibili allo sviluppo di malattie, seguite da una possibile morte dovuta alle sfide quotidiane. I meccanismi degenerativi alla base dell’invecchiamento sono meccanismi cellulari che López-Otín et al. hanno descritto come un segno distintivo dell’invecchiamento. Recentemente, hanno aggiornato i loro precedenti nove tratti distintivi a dodici tratti distintivi dell’invecchiamento, che includono instabilità genomiche, logorio dei telomeri, alterazioni epigenetiche, perdita della proteostasi, macroautofagia compromessa, sensibilità ai nutrienti deregolata, disfunzione mitocondriale, senescenza cellulare, comunicazione intercellulare alterata, infiammazione cronica, disbiosi ed esaurimento delle cellule staminali [1]. Una caratteristica centrale è la senescenza cellulare e i processi che la accompagnano, scoperti più di 60 anni fa da Hayflick e Moorehead. Hanno osservato che i fibroblasti umani primari in coltura hanno un numero limitato di repliche prima di entrare in uno stato irreversibile di arresto della crescita cellulare. Da allora, la senescenza è diventata un argomento e un nuovo campo di ricerca per comprendere i meccanismi sottostanti e aprire la strada ad approcci farmaceutici per prevenire e trattare le malattie legate all’età.

Diversi segni di invecchiamento sono associati alle malattie polmonari croniche più mortali: BPCO, IPF e cancro ai polmoni [2]. L’accumulo di cellule senescenti è considerato una delle cause principali della disfunzione degli organi in età avanzata e dello sviluppo di queste malattie. La senescenza cellulare è un arresto irreversibile della crescita che si verifica dopo un certo numero di repliche nel ciclo cellulare o a causa di fattori esogeni come lo stress. È caratterizzata dal fatto che il rientro nel ciclo cellulare e quindi la capacità di proliferare sono irreversibili. L’arresto della crescita può essere causato sia dall’accorciamento dei telomeri durante ogni replicazione, sia da un danno al DNA indotto, dovuto allo stress o ad altri fattori. I telomeri sono le estremità dei cromosomi che non contengono informazioni genetiche codificate, ma hanno una funzione protettiva.

L’enzima telomerasi, responsabile del mantenimento dei telomeri, è spesso il bersaglio di mutazioni e il pato-meccanismo di alcune malattie, tra cui le malattie polmonari croniche come l’IPF. I difetti nel processo di riparazione del DNA e le instabilità genomiche, insieme all’accorciamento dei telomeri legato all’età, contribuiscono al danno genetico, un altro segno distintivo dell’invecchiamento. Il danno al DNA causato dall’accorciamento dei telomeri attiva il percorso di soppressione del tumore p53 a livello cellulare. I fattori che contribuiscono alla senescenza includono lo stress cellulare, le radiazioni ionizzanti, le terapie citotossiche e le mutazioni somatiche che portano all’attivazione della via di segnalazione p16. L’attivazione delle vie di segnalazione p53 e p16 porta all’induzione di p21, un marcatore di senescenza, e quindi all’arresto del ciclo cellulare. Una cellula senescente è caratterizzata dalla secrezione di citochine proinfiammatorie e dal fenotipo secretorio associato alla senescenza profibrotica (SASP), attraverso il quale la cellula media le sue funzioni cellula-esterno. Il SASP è composto da varie citochine e mediatori infiammatori che agiscono come messaggeri di segnalazione. Uno di questi è il fattore di crescita trasformante beta (TGF-β). Il TGF-β induce la senescenza nelle cellule circostanti attraverso la secrezione paracrina, portando al rimodellamento del tessuto (Fig. 1) . Inoltre, il SASP recluta le cellule immunitarie come macrofagi, neutrofili, cellule natural killer (NK) e cellule T, che portano all’eliminazione delle cellule senescenti mediante fagocitosi e apoptosi, una morte cellulare programmata. Nel complesso, questo porta all’esaurimento delle cellule staminali e all’infiammazione cronica. I cambiamenti epigenetici e legati all’età nel comportamento di crescita intrinseco delle cellule e nella comunicazione intercellulare potrebbero anche contribuire all’impoverimento osservato delle cellule staminali e portare a una compromissione della funzione rigenerativa dell’intero corpo umano.

Gli anziani sono più sensibili agli agenti patogeni esterni

La perdita della proteostasi può essere spiegata dalla disregolazione della funzione proteasomica, che porta alla degradazione inefficiente delle proteine proprie della cellula. Questo può portare a un maggiore accumulo di prodotti di scarto all’interno della cellula, con conseguente risposta esagerata allo stress cellulare. Si possono osservare anche cambiamenti metabolici come l’aumento della glicolisi, la disfunzione mitocondriale e la comparsa di specie reattive dell’ossigeno (ROS). Mentre bassi livelli di ROS generalmente innescano l’apoptosi, alti livelli di ROS sono associati all’invecchiamento. Questo stress ossidativo potrebbe contribuire alla riduzione dell’attività proteasomica, all’aumento trascrizionale di p53, all’induzione di p21 e alla senescenza indotta dallo stress [3].

Il corpo umano funziona attraverso l’interazione di vari sistemi di organi circolanti che si influenzano a vicenda. In risposta al contatto con agenti patogeni che causano malattie, la prima linea di difesa dell’organismo segnala al sistema immunitario innato di combattere l’invasione eliminando la minaccia e quindi evitando danni ai tessuti. Poiché le persone anziane sono più suscettibili alle malattie scatenate da agenti patogeni esterni, come i virus, e poiché anche l’infiammazione cronica è considerata un segno distintivo dell’invecchiamento, è fondamentale studiare i cambiamenti del sistema immunitario legati all’età e il loro potenziale contributo alle malattie legate all’età o addirittura il loro effetto preventivo. Le cellule immunitarie sono reclutate dal SASP secreto dalle cellule senescenti, il che è un altro motivo per studiare il sistema immunitario nel contesto dell’invecchiamento. Il processo di invecchiamento del sistema immunitario è noto come immunosenescenza ed è stato originariamente descritto da Roy Walford.

In sintesi, il sistema immunitario che invecchia non riesce ad eliminare in modo efficiente le cellule senescenti, portando ad un aumento del loro numero e accumulo. Le caratteristiche e i cambiamenti dell’invecchiamento descritti sopra si applicano anche al sistema immunitario. Studi recenti hanno portato alla luce diverse caratteristiche del sistema immunitario che invecchia. Un aspetto chiave è il fenomeno dell'”infiammazione”. Come ha scoperto Claudio Fransceschi nel 2000, l’invecchiamento porta a un’infiammazione cronica costante e di basso grado, caratterizzata da un aumento dei marcatori infiammatori nel sangue. Un altro cambiamento significativo nella terza età è la regressione del timo, che porta a un cambiamento nella composizione delle cellule. Questo porta a una ridotta produzione di linfociti T nel timo, ma anche a un numero ridotto di linfociti B nel midollo osseo e a una diminuzione delle cellule T fresche ingenue. Inoltre, i linfociti maturi sono meno funzionali e le cellule T sono meno attivate. Di conseguenza, la funzione del sistema immunitario adattativo diminuisce notevolmente. La stimolazione antigenica prolungata da parte di fattori ambientali e agenti patogeni con l’avanzare dell’età può stimolare ulteriormente il sistema immunitario attraverso l’attivazione costante dei macrofagi, portando a uno stress cronico e a uno stato infiammatorio. Inoltre, la funzione delle singole cellule si deteriora con l’avanzare dell’età. I macrofagi hanno una capacità fagocitica ridotta, mentre le cellule presentanti l’antigene hanno una capacità ridotta a causa dell’espressione ridotta dei co-recettori e delle molecole MHCII, che sono fondamentali per riconoscere gli agenti patogeni invasori ed eliminare la funzione di legame. Questa consapevolezza relativamente recente del modo in cui il sistema immunitario contribuisce al processo di invecchiamento ha portato a molte domande sulla comprensione, ma anche sui possibili interventi e su una notevole quantità di ricerche in corso [4].

Tuttavia, è importante capire che la senescenza è un fenomeno naturale e necessario. Allertando il sistema immunitario per eliminare le cellule senescenti, si previene l’instabilità genomica e l’accumulo di danni al DNA. L’attivazione di alcuni oncogeni e la perdita di geni soppressori tumorali inducono la senescenza. In questo contesto, la senescenza indotta dagli oncogeni agisce come soppressione del tumore, promuovendo l’eliminazione dei tumori e prevenendo così l’accumulo di cellule senescenti e il potenziale verificarsi di disfunzioni degli organi. La senescenza è già presente nei polmoni subito dopo la nascita e svolge un ruolo centrale nello sviluppo postnatale dei polmoni. Con l’aumentare dell’età, tuttavia, l’equilibrio tra l’accumulo e la degradazione delle cellule senescenti si sposta [5].

Invecchiamento nei polmoni

Le malattie polmonari croniche, in particolare la BPCO, sono diventate la terza causa di morte più comune. I fattori che contribuiscono a questa tendenza allarmante includono l’aumento dei fattori di rischio come l’inquinamento e il fumo, ma anche l’invecchiamento della popolazione gioca un ruolo importante in questo sviluppo [6]. I polmoni occupano una posizione unica in quanto organo attivamente esposto al mondo esterno attraverso l’inalazione dell’aria e potenzialmente portatore di agenti patogeni come batteri, pollini, particelle, vapori e molti altri. Di conseguenza, una risposta immunitaria ben funzionante è di fondamentale importanza. Come già detto, è noto che il processo di invecchiamento porta a una risposta immunitaria meno robusta, un fenomeno noto come immunosenescenza. Sulla base di queste conoscenze, sono state sviluppate vaccinazioni speciali per la popolazione anziana, che contengono una maggiore concentrazione di antigene e un ulteriore richiamo per potenziare la risposta immunitaria.

Per capire come i polmoni cambiano con l’età, dobbiamo dare un’occhiata più da vicino alla loro struttura. Due bronchi principali si estendono dalla trachea a ciascun polmone. Si diramano in bronchi più piccoli e infine in bronchioli. Alle estremità di questi bronchioli si trovano gli alveoli, dove avviene lo scambio di gas (Fig. 2) . Gli alveoli dei polmoni sono composti da diversi tipi di cellule, che insieme contribuiscono alla loro funzionalità. La membrana alveolare, composta da cellule epiteliali alveolari, è ricoperta da uno strato di tensioattivo e riveste la superficie interna dell’alveolo, che entra in contatto con l’aria inalata. Intorno a questi alveoli, le cellule endoteliali formano i capillari che sono responsabili dell’apporto di sangue deossigenato agli alveoli e del trasporto di sangue ricco di ossigeno dai polmoni al resto del corpo umano. Il tessuto connettivo sotto forma di matrice extracellulare (ECM) e i fibroblasti che lo producono si trovano tra queste cellule endoteliali e le cellule epiteliali alveolari nell’alveolo. Inoltre, le cellule immunitarie, sia circolanti che sessili, come i macrofagi alveolari, sono presenti nel tessuto polmonare e svolgono un ruolo decisivo nella difesa primaria contro gli agenti patogeni invasori. Le cellule epiteliali alveolari di tipo 2 (AEC2), che producono surfattante per ridurre la tensione superficiale negli alveoli, fungono da cellule staminali epiteliali del polmone. Sono in grado di differenziarsi attraverso stadi intermedi in cellule epiteliali alveolari di tipo 1 (AEC1), che sono responsabili di facilitare lo scambio di gas. Queste AEC1 costituiscono la maggior parte delle cellule degli alveoli [7].

L’invecchiamento porta a diversi cambiamenti, tra cui la modifica della composizione cellulare dei polmoni. In particolare, si osserva una diminuzione del numero di cellule epiteliali alveolari e un aumento dei fibroblasti e delle cellule endoteliali. Questi cambiamenti sono accompagnati da un ingrossamento degli alveoli, una riduzione dell’elasticità polmonare e un ispessimento delle pareti delle piccole vie aeree, che porta a una riduzione complessiva della capacità polmonare. Questi cambiamenti sono attribuiti alla deplezione delle cellule staminali polmonari e alla composizione alterata della ECM. Una maggiore predisposizione alla polmonite nella popolazione anziana è stata spiegata da una ridotta clearance mucociliare e da una minore frequenza di battito delle ciglia dell’epitelio ciliato respiratorio nelle vie aeree, che svolge un ruolo centrale nella clearance degli agenti patogeni [2].

Le mutazioni genetiche portano all’accorciamento dei telomeri nell’IPF

Le malattie polmonari interstiziali fibrose come l’IPF sono caratterizzate dalla formazione progressiva e irreversibile di tessuto cicatriziale nel parenchima polmonare. Parallelamente alla BPCO come malattia legata all’età, l’IPF è fortemente associata all’invecchiamento. Mentre i fibroblasti sono considerati uno dei principali tipi di cellule responsabili dello sviluppo e della progressione dell’IPF, producendo un ingrossamento dell’ECM e quindi un tessuto cicatriziale, sono stati osservati numerosi cambiamenti cellula-specifici nei diversi tipi di cellule. Nei campioni dei pazienti sono state identificate mutazioni del gene del telomero, che portano a telomeri accorciati nell’IPF. In AEC2, in particolare, sono state identificate numerose mutazioni geniche che sono associate al danno al DNA e sono attribuibili a cambiamenti telomerici. Pertanto, l’erosione dei telomeri è considerata uno dei fattori trainanti dell’IPF. Inoltre, la disfunzione mitocondriale e la presenza di SASP vengono rilevate nei polmoni IPF. Ulteriori analisi hanno rivelato marcatori tissutali specifici associati all’apoptosi e alla senescenza negli AEC2, come p21, p16 e una maggiore attivazione della beta-galattosidasi associata alla senescenza (SA-β-galattosidasi) rispetto ai controlli. La SA-β-galattosidasi serve come biomarcatore aggiuntivo per misurare la senescenza nelle cellule. Nel complesso, l’aumento dell’attività di senescenza osservato nell’IPF compromette la capacità rigenerativa delle cellule staminali polmonari e di conseguenza influisce sulla rigenerazione polmonare complessiva [8,9].

Poiché i polmoni sono esposti agli agenti patogeni provenienti dall’esterno, hanno bisogno di un meccanismo di difesa locale. Nei polmoni sono presenti cellule immunitarie residenti e circolanti, la maggior parte delle quali sono macrofagi alveolari (AM). Queste AM specializzate agiscono come prima risposta del sistema immunitario. Nel polmone omeostatico, gli AM secernono citochine antinfiammatorie per mantenere l’ambiente polmonare fino a quando non vengono attivati da agenti patogeni. Tuttavia, nel polmone invecchiato o durante l’infiammazione, le AM rilasciano mediatori infiammatori come le citochine pro-infiammatorie, influenzando così le cellule epiteliali alveolari e altri tipi di cellule nel polmone. Tra le citochine proinfiammatorie secrete, il TGF-β ha un’influenza specifica sulle cellule. I fibroblasti sono attivati dal TGF-β e spinti a differenziarsi in miofibroblasti. Poiché i fibroblasti producono componenti della ECM, la loro attivazione porta alla sua espansione. Questo porta alla fibrosi, tipicamente caratterizzata da una maggiore deposizione di ECM, che impedisce un sufficiente scambio di gas a causa dell’aumento della distanza tra AEC1 e i capillari. Come già detto, questo cambiamento è considerato una delle cause principali dell’IPF [4]. Inoltre, la compromissione della funzione del sistema immunitario associata al processo di invecchiamento e la sua ridotta difesa contro gli agenti patogeni possono esacerbare ulteriormente l’IPF persistente e la sua progressione.

Il crescente interesse per la senescenza non solo ha contribuito in modo significativo alla comprensione di questo processo, ma anche alla ricerca di una cura per le malattie legate all’età. Nuovi senolitici sono stati lanciati sul mercato farmaceutico, ma non sono ancora utilizzati nella pratica clinica. Come suggerisce il nome, i senolitici rimediano alla senescenza inibendo i percorsi anti-apoptotici delle cellule senescenti (SCAP), inducendo così l’apoptosi nelle cellule senescenti e limitando potenzialmente le disfunzioni legate all’età. In studi recenti, i senolitici dasatinib, un inibitore della tirosin-chinasi, e la quercetina, un inibitore non specifico della chinasi che ha come obiettivo i moduli metabolici responsabili dei geni SCAP, sono stati studiati in studi clinici su pazienti con IPF. L’effetto positivo sull’epitelio alveolare e la risposta di inibizione della fibrosi di questi farmaci sono stati dimostrati in studi sperimentali ex vivo [10].

Gli studi sottolineano la capacità di modulazione delle cellule staminali da parte delle cellule immunitarie.

Nonostante tutti gli sforzi, il Santo Graal non è stato ancora trovato e nessun senolitico è stato ancora approvato come opzione terapeutica a causa dell’insufficiente selettività o degli effetti collaterali. Tuttavia, sono in corso delle sperimentazioni in fase iniziale, che aprono la strada a future scoperte. Molte interazioni cellulari, come l’interferenza con il sistema immunitario, nello sviluppo e nella progressione della senescenza non sono ancora del tutto comprese, evidenziando la necessità di ulteriori ricerche, soprattutto in vista del crescente invecchiamento della popolazione.

Nel nostro gruppo di ricerca, ci concentriamo sui cambiamenti senescenti, soprattutto nel polmone distale. Il focus più recente è sugli effetti dell’alterazione del sistema immunitario sull’epitelio alveolare. Studi recenti sottolineano la capacità di modulare le cellule staminali delle cellule immunitarie. Come descritto in precedenza, le cellule senescenti reclutano le cellule immunitarie come i macrofagi attraverso vari mediatori, al fine di eliminarle. Al contrario, i macrofagi secernono varie citochine, tra cui l’interleuchina 1β (Il-1β), 6 (Il-6) o il fattore di necrosi tumorale α (TNF-α), che colpiscono direttamente le cellule staminali compromettendo le loro capacità di proliferazione e differenziazione e sono anche associate all’immunosenescenza. Abbiamo sviluppato un modello di cellula staminale immunitaria-organoide per studiare l’interazione tra le cellule staminali alveolari e i macrofagi alveolari (AM) e dimostrare che gli AM e il loro secretoma possono influenzare il comportamento delle cellule staminali dell’epitelio alveolare in modi diversi. In futuro, questo modello potrà essere ulteriormente ampliato per trovare possibili opzioni terapeutiche che intervengano sull’effetto immunoregolatore che il sistema immunitario anziano ha sulla funzione delle cellule staminali alveolari.

Messaggi da portare a casa

• Il meccanismo alla base dell’invecchiamento è la senescenza, un’uscita irreversibile dal ciclo cellulare.
• La senescenza è un processo fisiologico che ha influenze protettive e di promozione dello sviluppo, ma contribuisce anche alla fisiopatologia di varie malattie.
• Per arrestare il processo di senescenza in malattie come la fibrosi polmonare idiopatica, si sta studiando l’uso dei senolitici.

Letteratura:

1. López-Otín C, Blasco MA, Partridge L, et al: Un universo in espansione. Cell 2023; 186(2): 243-278.
2. Meiners S, Eickelberg O, Königshoff M: Caratteristiche del polmone che invecchia. European Respiratory Journal 2015; 45(3): 807-827.
3. Muñoz-Espín D, Serrano M: Senescenza cellulare: dalla fisiologia alla patologia. Nature reviews Biologia cellulare molecolare 2014; 15(7): 482-496.
4. Li Y, Wang C, Peng M: L’invecchiamento del sistema immunitario e la sua correlazione con la responsabilità di gravi complicazioni polmonari. Front Public Health 2021; 9: 735151.
5. Yao H, Wallace J, Peterson AL, et al: La tempistica e la specificità cellulare della senescenza guidano lo sviluppo e le lesioni polmonari postnatali. Nature Communications 2023; 14(1): 273.
6. Libro EW: L’onere della malattia polmonare. Libro Bianco ERS Sheffield 2013.
7. Barkauskas CE, Cronce MJ, Rackley CR, et al: Le cellule alveolari di tipo 2 sono cellule staminali nel polmone adulto. Il Journal of clinical investigation 2013; 123(7): 3025-3036.
8. Lehmann M, Hu Q, Hu Y, et al: La segnalazione cronica di WNT/β-catenina induce la senescenza cellulare nelle cellule epiteliali polmonari. Cell Signal 2020; 70: 109588.
9. Lederer DJ, Martinez FJ: Fibrosi polmonare idiopatica. N Engl J Med 2018; 378(19): 1811-1823.
10. Lehmann M, Korfei M, Mutze K, et al: I farmaci senolitici mirano alla funzione delle cellule epiteliali alveolari e attenuano la fibrosi polmonare sperimentale ex vivo. European Respiratory Journal 2017; 50(2): 1602367.

InFo PNEUMOLOGIA & ALLERGOLOGIA 2023; 5(4): 16-20