Traduzione della review: Inflammation and metabolic disorder, Hotamisligil Nature vol 444 anno 2006 allegata in versione PDF nella cartella articoli

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1 Traduzione della review: Inflammation and metabolic disorder, Hotamisligil Nature vol 444 anno 2006 allegata in versione PDF nella cartella articoli Negli ultimi dieci anni si è fatta strada l idea che l infiammazione fosse un aspetto chiave dell obesità e del diabete di tipo 2. L infiammazione si può definire come una risposta adattativa di breve termine cruciale nella riparazione dei tessuti che coinvolge l integrazione di molti segnali complessi in vari tipi di cellule e organi. Comunque le conseguenze dell infiammazione prolungata spesso non sono benefiche; al contrario tali conseguenze sembrano poi essere la causa dei disturbi metabolici. Sebbene l obesità e il diabete abbiano molti mediatori comuni alla reazione infiammatoria, le classiche manifestazioni dell infiammazione (calor, rubor, tumor e dolor) non compaiono nelle patologie suddette. Quindi è opportuno distinguere due tipi di infiammazione, quella in risposta ad un insulto e quella invece chiamata infiammazione cronica di basso grado che può essere definita con un nuovo termine: Metaflammation (infiammazione innescata metabolicamente). Questa condizione è innescata principalmente dai nutrienti e dal surplus metabolico e coinvolge una serie di molecole e di vie di trasduzione del segnale simili a quelle coinvolte nell infiammazione classica. Prospettive evoluzionistiche Perché i disturbi metabolici sono così comuni e perché essi sono così crucialmente legati al processo infiammatorio? Tra i principali processi critici per la sopravvivenza della specie ci sono la capacità di resistere al digiuno e di far fronte ai patogeni mediante risposte del sistema immunitario. Per quanto riguarda la capacità di resistere al digiuno, è stato selezionato un sistema efficiente che favorisse l immagazzinamento dell eccesso calorico quando la possibilità di nutrirsi non era costante. Comunque in presenza di un continuo surplus nutrizionale questo stato metabolico, un tempo vantaggioso, può promuovere una condizione di obesità e di problemi ad essa associati. La capacità di far fronte alle infezioni ha portato a selezionare risposte immunitarie forti soprattutto dopo la massiccia diminuzione della popolazione in seguito a periodi di epidemie e pandemie. La combinazione di questi tratti ha probabilmente portato ad un organizzazione biologica che fosse altamente capace di processare e immagazzinare energia e dotata di un potente e forse, a volte, troppo sensibile sistema immunitario. C è una stretta correlazione tra i sistemi di risposte metaboliche e le risposte immunitarie che ha molte prove evoluzionistiche.

2 Primo: Le unità funzionali che controllano le funzioni chiave metaboliche e immuni negli organismi più evoluti sono evolute da strutture ancestrali comuni. Una di queste strutture è il corpo grasso (fat body) della Drosophila che comprende quegli organi che nel mammifero corrispondono al fegato, sistema immunitario e ematopoietico. Questo sito è anche riconosciuto come l equivalente del tessuto adiposo dei mammiferi. Il corpo grasso della Drosophila svolge una funzione cruciale nella percezione dello stato energetico e nella biodisponibilità dei nutrienti e coordina le appropriate risposte metaboliche. E anche il sito di coordinazione tra la risposta ai patogeni e lo stato metabolico. Negli organismi superiori il tessuto adiposo, il fegato e il sistema ematopoietico sono organizzati in organi distinti. Comunque questi organi hanno mantenuto la stessa eredità evolutiva che era mostrata nei primi organismi. E possibile immaginare una situazione in cui vie del segnale comuni o in parte sovrapposte regolino sia le funzioni immuni sia quelle metaboliche attraverso molecole e segnali regolatori chiave comuni. Questo potrebbe permettere ai nutrienti di agire attraverso PRR come i Toll-like dando luogo a risposte infiammatorie indotte metabolicamente o nutrizionalmente. E interessante notare che sia il tessuto adiposo sia il fegato hanno un organizzazione architetturale in cui le cellule metaboliche (epatociti e adipociti) sono associate alle cellule immunitarie (Kupffer e macrofagi, rispettivamente) ed entrambi hanno immediato accesso al vasto network dei vasi sanguigni. Grazie a questa configurazione entrambi i tessuti formano un ambiente favorevole alle continue e dinamiche interazioni tra risposte immuni e metaboliche ed inoltre stabiliscono comunicazioni con altri siti come il pancreas e il muscolo. Proprio questa interfaccia potrebbe contribuire all emergente importanza di questi due organi nell inizio e nello sviluppo delle malattie metaboliche particolarmente in riferimento all obesità e al diabete di tipo 2. Una coordinazione così stretta tra risposte metaboliche e immunitarie è probabilmente vantaggiosa in certe condizioni dal momento che un organismo ha bisogno di riorganizzare e ridistribuire le risorse energetiche durante le risposte infiammatorie e immunitarie. Infatti i sistemi di risposta più primitivi integrano vie del segnale che percepiscono i patogeni e i nutrienti in modo che i nutrienti possano indurre risposte immunitarie e i patogeni possano evocare e regolare risposte metaboliche.

3 Il metabolismo e il sistema immunitario sono strettamente associati. Sia l overnutrizione che la denutrizione sono condizioni che determinano conseguenze sul funzionamento del sistema immunitario. La denutrizione comporta una soppressione delle funzioni immunitarie rendendo l individuo più suscettibile a contrarre infezioni. L overnutrizione e la conseguente obesità sono associate ad uno stato di attivazione del sistema immunitario e ad una aumentata suscettibilità verso patologie infiammatorie quali: aterosclerosi, diabete, malattie respiratorie, e steatosi epatica. Benchè ci siano misure compensatorie e adattative di breve termine per mantenere in equilibrio le risposte metaboliche e infiammatorie, possono verificarsi conseguenze deleterie quando un braccio della bilancia pende più da una parte per periodi prolungati. Le odierne abitudini alimentari e lo stile di vita moderno favoriscono pesantemente un sovraccarico metabolico aggravato dalla diminuzione di attività fisica. Obesità, insulino-resistenza e diabete di tipo 2 sono strettamente associati ad uno stato di infiammazione cronica caratterizzato da un anormale produzione di citochine, un aumento di proteine di fase acuta, e l attivazione di network di vie del segnale infiammatorie. Evidenze sperimentali, epidemiologiche e cliniche prodotte nell ultima decade hanno rivelato un legame causa-effetto tra infiammazione e le molecole o i network innescati dalle risposte infiammatorie, e lo sviluppo di queste malattie metaboliche e/o alle complicanze che accompagnano le stesse. TNFα ha fornito il primo chiaro legame tra obesità, diabete e infiammazione cronica. TNF-α è una citochina pro infiammatoria che attiva varie cascate di segnali inclusi molti dei pathway che saranno discussi poi come inibitori critici del segnale dell insulina. Nei modelli murini di obesità, la mancata funzionalità di TNF-α determina un miglioramento della sensibilit à all insulina e

4 dell omeostasi del glucosio, confermando che questa risposta infiammatoria ha un ruolo critico nella regolazione dell azione dell insulina in condizioni di obesità. TNF-α è sovraespresso anche nel tessuto adiposo e nel tessuto muscolare degli umani obesi e se viene somministrato per via esogena, porta a insulino-resistenza. Se il TNF-α da solo sia coinvolto nell insulino-resistenza umana non è ancora stato adeguatamente compreso dal momento che non si sono evidenziati benefici in seguito alla sua neutralizzazione. E chiaro da studi pubblicati nell ultima decade che oltre al TNF-α altri mediatori di infiammazione e citochine sono iper-espressi dal tessuto adiposo e da altri tessuti sia in modelli animali di obesità che negli umani. Poichè citochine e chemochine lavorano in network, l effetto di una singola molecola sulle funzioni metaboliche dipendono dal posto che occupano nella gerarchia del network, quelle più potenti e prossimali come il TNF-α hanno grandi effetti. L azione combinatoria e additiva delle citochine nell omeostasi metabolica è cruciale ma è ancora un area poco esporata. Tessuto adiposo e risposte immuni La risposta infiammatoria che si osserva in condizioni di obesità sembra essere innescata dal tessuto adiposo e qui risiede principalmente, sebbene altri siti metabolicamente cruciali, come per esempio il fegato, potrebbero essere coinvolti nel corso della malattia. Recenti studi hanno documentato proprietà insolite dell adipocita e hanno inserito il tessuto adiposo come sito centrale della produzione di risposte infiammatorie e di mediatori. Oltre alle proprietà di immagazzinare grassi e di partecipare all omeostasi metabolica, il tessuto adiposo è un sito chiave nell interazione tra adipociti e effettori del sistema immunitario. Ci sono anche caratteristiche comuni tra adipociti e cellule del sistema immunitario incluse le cellule T, i macrofagi e le cellule dendritiche. Queste caratteristiche sono varie e vanno dall attivazione del complemento e la produzione di mediatori infiammatori, alla percezione dei patogeni e alle proprietà fagocitiche. Quindi una potenziale finestra attraverso cui esplorare il legame tra metabolismo e infiammazione potrebbe risiedere nell interfaccia funzionale delle cellule di natura immunitaria e metabolica, come gli adipociti e i macrofagi, e i comuni sistemi di risposta. Comunque il tessuto adiposo non è l unico esempio di organo in cui si osserva l associazione tra cellule metaboliche e immunitarie, infatti questa caratteristica è presente anche nel fegato. Un importante caratteristica dell infiammazione è l infiltrazione nel tessuto infiammato di cellule del sistema immunitario come i neutrofili, gli eosinofili e i macrofagi. L infiltrazione dei macrofagi nel tessuto adiposo è stata descritta in condizioni di obesità sia nei topi sia nell uomo. Sembra infatti che gli adipociti allargati

5 o i preadipociti producano segnali chemiotattici per il reclutamento dei macrofagi. In situazioni di obesità inoltre, degli studi morfologici hanno mostrato la convergenza dei macrofagi sugli adipociti necrotici suggerendo che la presenza di tali macrofagi fosse da collegare alla rimozione degli adipociti necrotici. La morte degli adipociti potrebbe essere l evento principale innescato dall obesità o potrebbe invece essere un evento conseguente all infiammazione e alla infiltrazione dei macrofagi. In ogni caso potrebbe riflettere il tentativo di limitare l espansione di queste cellule. Sebbene sia probabile che l infiltrazione dei macrofagi nel tessuto adiposo dia qualche contributo al mantenimento delle risposte infiammatorie indotte dall obesità, l entità di questo fenomeno e il coinvolgimento funzionale dei macrofagi nel metabolismo sistemico non sono chiari. E stato evidenziato da studi su una linea cellulare mieloide, che manipolazioni genetiche di IKK-β (la chinasi inibitrice di NF-kB) possono influenzare le risposte metaboliche sistemiche, supportando l idea di un coinvolgimento dei macrofagi e dei neutrofili nel segnale dell insulina. Non è ancora stata chiarito se anche altre cellule immunitarie come i linfociti possano partecipare a tale regolazione. Lipidi nell infiammazione e nell insulino-resistenza I processi metabolici, infiammatori e le risposte immunitarie innate sono regolate anche dai lipidi. Vari fattori di trascrizione in particolare quelli della famiglia del PPAR e dei LXR sembrano essere cruciali nel modulare l intersezione di questi pathway. Nei macrofagi e negli adipociti, l attivazione di questi fattori di trascrizione inibisce l espressione di vari geni coinvolti nelle risposte infiammatorie. I ligandi di tutti e tre i membri della famiglia PPAR sopprimono la produzione di citochine pro infiammatorie, principalmente attraverso l inibizione di NF-kB. PPAR-δ non legato sembra avere funzioni infiammatorie, mediate almeno in parte dalla sua associazione con il repressore trascrizionale BCL-6. Come i PPARs LXR sopprime la produzione di mediatori infiammatori in maniera reciproca alla sua regolazione del metabolismo lipidico. Il segnale del TLRs inibisce l attività di LXR nei macrofagi causando un aumento dell accumulo di colesterolo nei macrofagi, spiegando così almeno in parte gli effetti proaterogeni dell infiammazione. I TLRs sono presenti anche negli adipociti e sono direttamente attivati dai nutrienti in particolare dagli acidi grassi. Un altro gruppo di molecole che coordina le risposte ai lipidi negli adipociti e nei macrofagi e che è legato ai pathway descritti sopra è costituito dalle proteine chaperone dei lipidi. Animali in cui manca la proteina legante gli acidi grassi ap2 e MAL1 negli adipociti e nei macrofagi, esibiscono un

6 fenotipo simile a quello di topi e umani trattati con i ligandi dei PPAR, indicando che FABPs e PPAR potrebbero agire in pathway simili nel controllare gli effetti biologici dei lipidi. I pathway infiammatori inclusa l attivazione di JNK e IKK e l azione dell insulina nelle cellule bersaglio sono strettamente influenzati dall azione di queste FABPs. I topi in cui mancano ap2 e MAL1 sono protetti contro quasi ogni aspetto della sindrome metabolica, inclusa l obesità viscerale, l insulinoresistenza, la steatosi epatica e l aterosclerosi. Interessante notare che una rara perdita di funzione genetica di ap2 produce un fenotipo protettivo anche nell uomo. Più recentemente è stata dimostrata anche la resistenza all asma nei topi mancanti di ap2, stabilendo così il primo potenziale legame tra regolazione metabolica e infiammazione delle vie respiratorie. Anche se la comprensione del preciso meccanismo dell azione delle FABP non è ancora completa, è chiaro che la loro assenza è sia antiinfiammatoria sia protettiva delle funzioni metaboliche durante il sovraccarico di nutrienti. Le proteine FABP modulano anche la composizione lipidica e i flussi, un punto cruciale della loro azione. Infatti sembra che la localizzazione nel corpo sia un fattore cruciale per determinare se i lipidi promuoveranno o sopprimeranno l infiammazione e l insulinoresistenza. Perfino elevati livelli di lipidi nel plasma potrebbero non essere pro-infiammatori da soli, ma invece potrebbero essere correlati con l entità della stimolazione dei pathway infiammatori, perché lo stato iperlipidemico è indicativo di una ridistribuzione di lipidi dal tessuto adiposo al muscolo e al fegato. Segnali infiammatori e azione dell insulina Come fanno i segnali infiammatori a distruggere l azione dell insulina e mediare l insulinoresistenza nell obesità? Il pathway di segnalazione dell insulina non è presentato nel dettaglio, comunque in breve i recettori per l insulina e per IGF appartengono a una famiglia di recettori con attività tirosin-chinasica e hanno una famiglia di proteine che contribuiscono alla trasmissione del segnale: le IRS (1-6). L insulina stimola la fosforilazione sulle tirosine delle proteine IRS e questo è un evento cruciale nel mediare l azione dell insulina. Questo passaggio è difettoso in molti casi di insulino-resistenza sistemica sia in modelli animali sia nell uomo. Anche TNF-α agisce a questo livello promuovendo la fosforilazione inibitoria sulle serine di IRS-1. E stato dimostrato che varie chinasi sono in grado di fosforilare IRS-1 sui residui di serina interferendo così con la capacità di questa proteina di trasmettere il segnale dell insulina e determinando un alterazione dell azione insulinica. Inoltre le proteine SOCS (soppressori del segnale delle citochine) sembrano inibire il segnale dell insulina a questo livello sebbene attraverso un differente meccanismo. Tra questi

7 enzimi che modificano le IRS, crescenti evidenze indicano che l attivazione di JNK, IKK e della convenzionale proteina chinasi C sia centrale nel mediare l insulino resistenza in risposta a vari stress che avvengono nell obesità e ad altre condizioni di insulino-resistenza. Queste chinasi esercitano effetti potenti anche sull espressione genica inclusa l espressione di ulteriori geni pro infiammatori attraverso l attivazione del complesso dell attivatore della proteina 1 (AP-1) e dell NF-kb. Più importante, nell obesità c è un forte aumento nell attività di JNK in siti metabolici critici quali il tessuto adiposo, il fegato e l ipotalamo. JNK è attivato dall esposizione a citochine quali il TNF-α, così come dagli acidi grassi liberi e da stimoli interni quali lo stress del reticolo endoplasmatico, situazioni tutte che possono indurre l attività in condizione di obesità. La deficienza su base genetica di JNK-1 protegge i topi dalla attivazione di JNK indotta dall obesità, dalla fosforilazione di serine su IRS-1, dall insulino-resistenza, dal fegato grasso e dal diabete. Recenti studi che hanno esaminato le interazioni funzionali tra le isoforme JNK hanno rivelato che anche JNK2 partecipa alla regolazione metabolica ma che questa funzione è normalmente mascherata a causa di JNK-1. L attività di JNK-2 è stata implicata nella patogenesi dell aterosclerosi. Non è ancora chiaro se questi stati patologici siano esclusivi all aberrante azione delle isoforme individuali di JNK o alla funzione della totale attività di JNK negli specifici tessuti target. Un altra chinasi infiammatoria che è critica nello sviluppo dell insulino-resistenza e nella disfunzione metabolica è IKK-β. Topi che sono eterozigoti per una mutazione nulla di IKK-β sono parzialmente protetti dall insulino-resistenza indotta dall obesità, e l inibizione di IKK β mediante somministrazione di alte dosi di salicilati migliora l azione insulinica in modelli sperimentali e nell uomo. Studi che coinvolgono la modulazione cellulo-specifica o tessuto-specifica di IKKβ rivelano che la sua attività nel fegato influenza il metabolismo sistemico, comunque il suo ruolo nel muscolo è probabilmente meno importante in termini di regolazione metabolica. In modo simile a JNK, esperimenti di attivazione di questa chinasi nel fegato sembrano essere sufficienti a dare insulino-resistenza sistemica. Anche la proteina chinasi C è importante nell interazione tra pathway infiammatori e metabolici e in particolare è stata implicata come chinasi a valle del segnale dei lipidi. I metaboliti degli acidi grassi come gli AcilCoA e il diacilglicerolo possono attivare la protein chinasi PKCθ nel muscolo o la PKCδ nel fegato e inibire l azione dell insulina. Topi deficienti di PKCθ sono protetti dall insulinoresistenza indotta dagli acidi grassi, confermando il contributo di questa chinasi alla regolazione

8 metabolica in vivo. A livello meccanicistico, PKCθ si sa che attiva IKK e può contribuire all insulino resistenza attraverso questo pathway. In modo interessante, l interazione avviene anche tra PKC, JNK e IKK anche se questi non sono stati testati nel contesto dell omeostasi metabolica. La caratterizzazione delle isoforme di queste chinasi coinvolte nella distruzione dell azione dell insulina tra le diverse specie, specialmente nell uomo, è un argomento critico che è stato indagato solo in parte. Stress del reticolo endoplasmatico nell obesità e nel diabete di tipo 2 Un argomento importante che non è stato ben spiegato è perché l infiammazione si sviluppa nell obesità. Quale stress inizialmente causa l attivazione dei pathway infiammatori? Ci sono pathway di segnalazione che emergono da una piattaforma meccanicistica comune e che si integrano l un l altro? Recenti dati da modelli sperimentali indicano che lo stress del reticolo endoplasmatico è critico nell iniziare e nell integrare pathway infiammatori e dell azione dell insulina in obesità e diabete di tipo 2. Il RE è un vasto network di membrane in cui vengono assemblate nella loro struttura secondaria e terziaria tutte le proteine secretorie e di membrana. Il corretto ripiegamento, la maturazione, la conservazione e il trasporto di queste proteine avviene in quest organello. Le proteine srotolate o mal avvolte sono rivelate, rimosse dal reticolo endoplasmatico mediante il sistema proteasomiale 26S. L accumulo di proteine srotolate (unfolded), le fluttuazioni di energia e nutrienti, l ipossia, le tossine, le infezioni virali e l aumentata domanda biosintetica, da origine a una perturbazione nel lume del reticolo endoplasmatico e crea stress. Sotto queste condizioni, il Re attiva una complessa risposta conosciuta come la risposta alle proteina unfolded (UPR) per ristabilire l integrità funzionale dell organello. Il segnale dell UPR si esplica mediante l azione di tre molecole: enzima che richiede l inositolo (IRE-1), la PERK e il fattore 6 attivante la trascrizione (ATF6). Da notare che i due principali pathway infiammatori che distruggono l azione dell insulina, JNK-AP1 e IKK-NF-kB, sono legati all attività di IRE e PERK durante lo stress del reticolo endoplasmatico. IRE-1 è legato all attivazione di JNK attraverso un pathway che coinvolge il fattore 2 associato al recettore di TNF. L attivazione sia di IRE-1 che di PERK è anche legata al pathway IKK-NFkB sebbene con meccanismi diversi. Mentre IRE-1 interagisce con IKKβ attraverso il fattore 2 attivato dal recettore di TNF (TRAf2), l attivazione di PERK porta alla degradazione di IKB e quindi facilita l attività di NF-kB. Quindi si può supporre che il RE può essere un sito per percepire lo stress metabolico e tradurre questo stress in segnali e risposte infiammatorie. Infatti il RE può essere considerato sito essenziale ed ancestrale di

9 integrazione tra nutrienti e risposte ai patogeni dal momento che esso è molto sensibile al glucosio e alla disponibilità di energia, lipidi, patogeni e componenti associati ai patogeni. Oltre all aumentata domanda biosintetica di vari organi quali il fegato e il tessuto adiposo, la condizione di obesità produce un ambiente che ulteriormente stimola le funzioni del RE. L obesità è una condizione che porta a stress del RE. Sia l obesità indotta dalla dieta che quella genetica porta ad un aumentato stress del RE nel tessuto adiposo ed epatico.