EFFETTI ANTI-INFIAMMATORI DELL ESERCIZIO FISICO (Petersen et al J. Appl. Physiol. Vol.98 pp , anno allegato in formato PDF)

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1 EFFETTI ANTI-INFIAMMATORI DELL ESERCIZIO FISICO (Petersen et al J. Appl. Physiol. Vol.98 pp , anno allegato in formato PDF) INTRODUZIONE Le malattie croniche causano la maggior parte dei decessi nel mondo, prime tra tutte le malattie cardiovascolari (17 milioni di morti nel 2002), seguite dal cancro (7 milioni), dalle malattie croniche polmonari (4 milioni) e dal diabete (1 milione). Le malattie cardiovascolari ed il diabete sono causa di morte e di invalidità non solo nei paesi industrializzati, ma stanno diventando un serio problema di salute in tutto il mondo. Il regolare esercizio fisico rappresenta una protezione nei confronti di tutte le cause di mortalità, in particolare verso l aterosclerosi, il diabete di tipo 2, il cancro al colon e alla mammella. L aterosclerosi è caratterizzata dall accumulo e di elementi fibrosi nelle grandi arterie. La visione attuale sulla fisiopatologia dell aterosclerosi sta cambiando. Fino agli anni 70 si riteneva che ci fosse un legame tra lipidi ed aterosclerosi. Ma le evidenze che stavano emergendo sulla biologia vascolare hanno portato poi, negli anni 70-80, a focalizzare l attenzione sui fattori di crescita e di proliferazione delle cellule muscolari lisce. Nell ultima decade è diventato chiaro il ruolo dell infiammazione nella patogenesi dell aterosclerosi. Inoltre l infiammazione sembra essere un fattore chiave anche per l insulino-resistenza. L aumento della concentrazione della proteina C reattiva (PCR), oltre all aumento dei livelli sistemici di alcune citochine, costituisce la prova della presenza di uno stato infiammatorio di basso grado. In numerosi studi in cui sono stati valutati i livelli di vari marcatori di infiammazione in differenti gruppi di popolazione, si è trovata un associazione tra uno stato infiammatorio sistemico di basso grado, da un lato, e la sindrome metabolica, il diabete di tipo 2 e l aterosclerosi, dall altro. Dal momento che uno stato di infiammazione cronica di basso grado può essere coinvolto nella patogenesi del diabete di tipo 2 e dell aterosclerosi e che, da recenti ricerche, si è visto che l attività fisica determina l aumento dei livelli sistemici di citochine con proprietà anti-infiammatorie, in questa review viene discussa la possibilità che l esercizio fisico eserciti effetti anti-infiammatori e probabilmente protegga contro la malattie associate ad uno stato infiammatorio cronico di basso grado. I PROTAGONISTI DELL INFIAMMAZIONE CRONICA La risposta locale alle infezioni o ai danni tessutali coinvolge la produzione di citochine che sono rilasciate nel sito dell infiammazione. Le citochine sono piccoli polipeptidi che facilitano l afflusso nel sito infiammato di linfociti, monociti, neutrofili e altre cellule. La risposta infiammatoria locale è accompagnata da una risposta sistemica conosciuta come risposta di fase acuta. Questa risposta include la produzione di un gran numero di proteine da parte del fegato dette di fase acuta come

2 la proteina C reattiva (PCR). Le citochine iniziali nella cascata di citochine che caratterizza una risposta infiammatoria sono in ordine: TNF-α, IL-1β, IL-6, IL-1ra e il recettore solubile di TNF-α (stnf-r). IL-1ra inibisce la trasduzione del segnale di IL-1, mentre il recettore solubile di TNF-α rappresenta l inibitore naturale di TNF-α. In risposta all infiammazione acuta o ad un trauma, le citochine e gli inibitori delle citochine possono aumentare di varie volte e decrescono poi quando l infezione o il trauma sono risolti. L infiammazione sistemica di basso grado è stata introdotta come termine per condizioni in cui tipicamente l aumento di TNF-α, IL-1, IL-6, IL-1ra, stnf-r e PCR è aumentato di 2 o 3 volte rispetto ai valori normali. INFIAMMAZIONE DI BASSO GRADO NELL INVECCHIAMENTO E IN MALATTIE Un basso grado di infiammazione cronica è associato all invecchiamento, così come ad alcune patologie croniche. Durante l invecchiamento sono stati osservati aumenti nei livelli di TNF-α, IL-1, IL-6, IL-1ra, stnf-r e PCR. Queste citochine lavorano in un network e i loro livelli correlano: i livelli di TNF-α correlano positivamente con IL-6, stnf-r e PCR nei centenari. Comunque, nonostante sia stata trovata una relazione lineare tra TNF-α e IL-6, alti livelli di TNF-α ma non di IL-6 sono associati con la demenza e l aterosclerosi. Elevati livelli di IL-6 circolante sono stati associati con vari disordini. Livelli aumentati di IL-6 e TNF-α si osservano negli individui obesi, nei fumatori e in soggetti con il diabete di tipo 2. Vari studi hanno evidenziato che livelli elevati di TNF-α e di IL-6 nel plasma rappresentano un fattore di rischio per l infarto miocardio. Recentemente è stato dimostrato che il livello di proteina C reattiva costituisce un predittore di eventi cardiovascolari più attendibile rispetto ai al livello di LDL (lipoproteine a bassa densità). LEGAME TRA INFIAMMAZIONE, INSULINO-RESISTENZA E ATEROSCLEROSI Dato che l infiammazione cronica di basso grado è stata trovasta in pazienti con obesità, insulino-resistenza, diabete di tipo 2 e aterosclerosi, la domanda che sorge spontanea è: esiste un legame causale tra infiammazione da un lato e insulino resistenza e dislipidemia dall altro? In questa sessione si discuterà il ruolo individuale di TNF-α e IL-6. Ci sono vari dati che suggeriscono che il TNF-α giochi un ruolo diretto nella sindrome metabolica. Pazienti con diabete mostrano una elevata espressione di TNFα nel muscolo e nel plasma ed è probabile che il tessuto adiposo, il quale produce TNF-α, sia la principale fonte di questa citochina in circolo. Molti dati riportano l effetto del TNF-α sul segnale dell insulina. Il TNF-α altera l immagazzinamento del glucosio stimolato dall insulina nelle cellule muscolari in coltura ed altera l uptake di glucosio nei ratti. I topi obesi con il gene knock-out per il TNF-α sono protetti dall insulino-resistenza, inoltre l inibizione di TNF-α con un anticorpo anti- TNF-α migliora la sensibilità all insulina nei modelli di ratto resistenti all insulina. Il TNF-α

3 ha effetti inibitori diretti sul segnale dell insulina ed è stato proposto che il TNF-α causi insulino-resistenza in vivo indipendentemente dall incremento del rilascio di acidi grassi liberi da parte del tessuto adiposo. Nell uomo il TNF-α induce un aumento della lipolisi (scissione dei trigliceridi del tessuto adiposo e liberazione in circolo di acidi grassi liberi, che vi ricordo essere soppressa dall azione dell insulina). Recentemente si è visto che il TNF-α non ha effetti sull ossidazione degli acidi grassi nel muscolo, ma determina un aumento dell incorporazione degli acidi grassi nel diacilglicerolo, che può essere coinvolto nello sviluppo dell insulino-resistenza del muscolo scheletrico indotta dal TNF-α (vedi Disfunzioni mitocondriali nel diabete di tipo2 ). Riguardo all IL-6 il suo ruolo nell insulino-resistenza è controverso. Nell uomo i livelli circolanti di IL-6 potrebbero o forse no essere associati con l insulinoresistenza. L infusione di IL-6 ricombinante umana in soggetti sani a riposo non determina nulla di rilevante. La proteina chinasi attivata da AMP (AMPK, la stessa attivata dall adiponectina) stimola una varietà di processi che aumentano la produzione di ATP, compresi l ossidazione degli acidi grassi e il trasporto del glucosio nel muscolo scheletrico. Nel muscolo scheletrico, l incubazione con IL-6 aumenta la fosforilazione di AMPK (indice di attivazione della chinasi) e quella delle sue molecole target quali l acetilcoa carbossilasi. Inoltre l attività dell AMPK e i livelli di acetilcoa carbossilasi sono molto bassi nei topi knock-out per IL-6 (topi che non hanno il gene per IL-6 e quindi non la esprimono); questo dato suggerisce un ruolo importante di IL-6 nell attivazione di AMPK. Un numero rilevante di studi indica che IL-6 fa aumentare la lipolisi, ma stimola anche l ossidazione degli acidi grassi senza causare quindi ipertrigliceridemia (al contrario TNF-α causa solo lipolisi, quindi aumento di FFA in circolo). Nei pazienti con sindrome metabolica elevati livelli di IL-6 e TNF-α sono associati con il grasso viscerale. Sia IL-6 sia TNF-α possono essere prodotti nel tessuto adiposo, da adipociti e macrofagi richiamati nel tessuto adiposo, ma dato che le due citochine sono caratterizzate da profili biologici diversi e dato che il TNF-α può innescare il rilascio di IL-6 è stata formulata una teoria la quale afferma che il TNF-α prodotto dal tessuto adiposo possa effettivamente essere il traghettatore verso la sindrome metabolica e che il TNF-α prodotto localmente causi un incremento sistemico di IL-6. Dal momento che TNF-α può stimolare la produzione di IL-6 e conseguentemente di IL-1ra e di PCR si può dedurre che i livelli in circolo cronicamente elevati di IL-6, IL-1ra e PCR riflettono una produzione in corso di TNF-α.

4 Fig.1 Infiammazione cronica di basso grado. La citochina TNF-α è prodotta dal tessuto adiposo e stimola la produzione di IL-6 nel tessuto adiposo e nelle cellule mononucleate del sangue. IL-6 fa aumentare il livello sistemico di IL-1ra, del recettore solubile di TNF-α, di IL-10 e di proteina C reattiva (PCR) LA RISPOSTA DELLE CITOCHINE ALLA SEPSI E ALL ESERCIZIO La maggior parte degli studi sulle citochine deriva dalle ricerche sulla sepsi. Nella sepsi la cascata delle citochine consiste di TNF-α, IL-1β, IL-6, IL-1ra, stnf-r e IL- 10. Le prime due citochine della cascata (TNF-α, IL-1β) sono prodotte localmente. Queste citochine sono generalmente dette citochine pro-infiammatorie. Successivamente TNF-α e IL-1β stimolano la produzione di IL-6, che è classificata sia come citochina pro- che anti-infiammatoria. La risposta delle citochine è diversa rispetto a quella osservata in caso di sepsi. Il fatto che le classiche citochine TNF-α e IL-1β non aumentino in seguito all esercizio indica che la cascata delle citochine indotta dall esercizio differisce notevolmente da quella innescata dall infezione. Tipicamente IL-6 è la prima citochina ad aumentare notevolmente nel circolo in seguito all esercizio ed il suo aumento può essere fino a 100 volte rispetto ai valori normali, per poi ridiscendere nel periodo post-esercizio. Nell esercizio c è un aumento in circolo anche di citochine anti-infiammatorie quali IL-1ra e s-tnf-r. In sostanza l esercizio provoca un aumento di IL-6, seguito poi da un aumento di IL-1ra e IL-10. La concentrazione raggiunta da IL-6 in circolo è di gran lunga la più marcata e la sua comparsa precede quella delle altre citochine anti-infiammatorie.

5 Fig.2. Cascata delle citochine in caso di sepsi (A), ed in risposta all esercizio (B) IL-6 IN RISPOSTA ALL ESERCIZIO Vari lavori in letteratura hanno riportato che dopo esercizio fisico, che non ha prodotto danni muscolari, si osserva un marcato aumento della concentrazione di IL- 6. L aumento di IL-6 ha un andamento esponenziale con l esercizio ed è in relazione con l intensità dell esercizio, con la durata, con la massa muscolare reclutata e con la capacità individuale di resistenza. Ricerche svolte negli ultimi anni hanno dimostrato

6 che l mrna di IL-6 è up-regolato nel muscolo che si contrae e che la velocità trascrizionale del gene dell IL-6 è marcatamente aumentata con l esercizio. Inoltre è stato dimostrato che la proteina IL-6 è espressa dalle fibre muscolari in contrazione e che IL-6 è rilasciata dal muscolo durante l esercizio, ma questo non vale invece per TNF-α. Vari studi hanno riportato che l ingestione di carboidrati attenua l aumento di IL-6 in circolo durante la maratona o durante il lavoro sulla cyclette. Durante l esercizio, l ingestione di carboidrati esercita i propri effetti a livello posttrascrizionale, mentre al contrario le basse concentrazioni di glicogeno muscolare fanno aumentare l mrna di IL-6 e la sua trascrizione. Quindi sembra che IL-6 derivata dal muscolo agisca come sensore di energia. Numerosi studi supportano l ipotesi che il ruolo dell IL-6 rilasciata dal muscolo che si contrae sia quello di agire, in modo simile agli ormoni, sulla mobilizzazione dei substrati aumentando la disponibilità di nutrienti durante l esercizio. Inoltre IL-6 ha importanti effetti antinfiammatori. EFFETTI ANTIINFIAMMATORI DI IL-6 Vari dati suggeriscono che IL-6 esercita effetti inibitori sulla produzione di TNFα e IL-1. IL-6 inibisce la produzione di TNF-α indotta dal lipopolisaccaride (stimolo infiammatorio di origine batterica) in monociti umani in coltura. Inoltre i livelli di TNF-α sono marcatamente elevati in topi trattati con anticorpi anti IL-6 (che neutralizzano l azione di IL-6) e anche in topi knock-out per IL-6 (non esprimono il gene di IL-6 e quindi ovviamente neanche la proteina). Inoltre l infusione di rhil-6 (IL-6 ricombinante) inibisce l aumento dei livelli circolanti di TNF-α indotti da endotossina in soggetti umani sani. Questi fatti indicano che l IL-6 circolante è coinvolta nella regolazione dei livelli di TNF-α. Gli effetti anti-infiammatori di IL-6 sono anche dimostrati dal fatto che IL-6 stimola la produzione di IL-1ra e IL-10. Inoltre IL-6 stimola i recettori solubili di TNF-α, ma non stimola il rilascio di TNF-α e IL-1β e sembra essere la principale proteina di fase acuta prodotta dal fegato insieme ad altre che hanno anch esse proprietà antinfiammatorie.

7 EFFETTI ANTIINFIAMMATORI DI IL-10, IL-1ra E PCR La comparsa di IL-10 e IL-1ra in circolo dopo l esercizio contribuisce a mediare gli effetti antinfiammatori dell esercizio. Il concetto che IL-10 agisse come molecola antinfiammatoria è stato suggerito da studi che mostravano una inibizione della sintesi di un vasto spettro di citochine proinfiammatorie da diverse cellule, particolarmente dalla linea monocitica. IL-10 inibisce la produzione di IL-1 α, IL-1β e TNF-α, così come la produzione di chemiochine, inclusa la IL -8 da parte dei monociti umani attivati dal lipolisaccaride. Queste citochine e chemiochine giocano un ruolo cruciale nell attivazione dei granulociti, monociti/macrofagi, natural killer e cellule Te B e nel loro reclutamento nei siti di infiammazione. Tutte queste osservazioni suggeriscono che IL-10 gioca un importante ruolo nell orchestrare la reazione infiammatoria coinvolgendo in particolare l attivazione dei monociti/macrofagi. L aggiunta di IL-10 a cellule umane mononucleate e a granulociti neutrofili stimolati con LPS, sopprime la sintesi di citochine, principalmente attraverso l inibizione della trascrizione dei corrispondenti geni. IL- 10 previene anche la sintesi di citochine mediante meccanismi post-trascrizionali, come mostrato nei macrofagi umani dove l inibizione del rilascio di IL-1α, IL-1β e TNFα indotto dal LPS è una diretta conseguenza della degradazione dell mrna dei corrispondenti geni. Mentre IL-10 influenza molte citochine, il ruolo biologico di IL- 1ra è quello di inibire la trasduzione del segnale del complesso recettoriale di IL-1. IL-1 ra è un membro della famiglia IL-1 che si lega al recettore di IL-1 ma non induce alcuna risposta intracellulare. Un modesto aumento di PCR viene osservato il giorno dopo l esercizio di lunga durata. PCR ha il ruolo sia di indurre citochine anti-

8 infiammatorie nei monociti circolanti sia di sopprimere la sintesi di citochine proinfiammatorie nei macrofagi tessutali. EFFETTI ANTI-INFIAMMATORI DELL ESERCIZIO Studi trasversali dimostrano un associazione tra l inattività fisica e il basso grado di infiammazione in soggetti sani, in anziani, così come nei pazienti con claudicazione intermittente. Questa correlazione, comunque, non fornisce alcuna informazione riguardo a una possibile relazione causale. Dato che l allenamento produce una riduzione di PCR, si pensa che l attività fisica, come tale, possa sopprimere l infiammazione di basso grado. Per studiare se l esercizio acuto induce una effettiva risposta anti-infiammatoria, gli autori hanno sviluppato un modello di infiammazione di basso grado, che consisteva nell iniezione di basse dosi di endotossina da Escherichia coli in volontari sani che, prima della somministrazione, erano stati o a riposo o avevano fatto attività. Nei soggetti a riposo la somministrazione di endotossina determinava un aumento di 2-3 volte dei livelli circolanti di TNF-α, mentre nei soggetti che avevano fatto 3 ore al cicloergomentro e che avevano ricevuto l endotossina dopo 2,5 ore (mentre si esercitavano), non si osservò alcun aumento di TNF-α. MECCANISMI ALLA BASE DELLA RISPOSTA ANTI-INFIAMMATORIA DELL ESERCIZIO ACUTO Dopo l esercizio, gli elevati livelli circolanti di IL-6 sono seguiti da un aumento di IL-1ra e IL-10, le quali possono essere indotte da IL-6. IL-6, oltre ad indurre la produzione di IL-1ra e IL-10, inibisce anche la produzione di TNF-α. Inoltre l infusione di IL-6 ricombinante umana, che causa un aumento di IL-6 nel plasma simile a quello indotto dall esercizio, inibisce l aumento di TNF-α prodotto dall endotossina (uno stimolo infiammatorio).comunque l esercizio probabilmente sopprime TNF-α anche attraverso pathway indipendenti dall IL-6, come dimostrato dall evidenza che dopo l esercizio c è un decremento di TNF-α anche in topi knockout per IL-6. L esercizio induce alti livelli di adrenalina, e l infusione di adrenalina si è visto che smorza la comparsa di TNF-α in risposta all endotossina in vivo. Dal momento che l adrenalina induce solo un piccolo aumento di IL-6, il meccanismo attraverso il quale essa blocca la produzione di TNF-α è ancora incerto.comunque dai dati a disposizione, sembra che l adrenalina e l IL-6 inibiscano la comparsa di TNF-α indotta dall endotossina, attraverso meccanismi indipendenti. Esiste la possibilità che, con il regolare esercizio fisico, gli effetti anti-infiammatori di una sessione acuta di esercizio possano proteggere contro l infiammazione cronica di basso grado, ma il legame tra gli effetti dell esercizio acuto e i benefici a lungo termine non sono stati ancora provati. Dato che il processo aterosclerotico è caratterizzato da infiammazione, una spiegazione alternativa potrebbe essere che il regolare esercizio, che offre protezione contro l aterosclerosi, indirettamente offra protezione contro l infiammazione vascolare e l infiammazione sistemica di basso grado. In conclusione, il regolare esercizio fisico protegge contro patologie associate

9 con l infiammazione cronica sistemica di basso grado. Questo effetto a lungo termine dell esercizio può essere associato ad una risposta anti-infiammatoria innescata da una acuta sessione di esercizio, il quale è parzialmente mediato dall IL-6 derivato dal muscolo. Le concentrazioni fisiologiche di IL-6 stimolano la comparsa di citochine anti-infiammatorie quali IL-1ra e IL-10 e inibiscono la produzione della citochina proinfiammatoria TNF-α. Inoltre IL-6 stimola la lipolisi così come l ossidazione degli acidi grassi. Gli effetti anti-infiammatori dell esercizio possono offrire protezione contro la resistenza all insulina indotta da TNF-α. Recentemente il gruppo di Pedersen ha proposto di annoverare l IL-6 tra le MIOCHINE, in quanto questa citochina prodotta dal muscolo in contrazione esercita i suoi effetti in altri organi del corpo. Ora si suggerisce che le miochime siano coinvolte nel mediare gli effetti benefici dell esercizio fisico e che giochino un ruolo nella protezione contro le malattie associate con l infiammazione di basso grado.