Ringiovanimento epigenetico e trial clinici con senolitici sull’uomo. Il punto della situazione.

Di particolare interesse, non solo per chi si interessa di biogerontologia, sono i risultati di due studi recentemente effettuati sull’uomo. Prima di approfondire questo argomento va rimarcato che stiamo parlando di studi clinici preliminari e che quindi i trattamenti di cui mi appresto a parlare possono avere effetti collaterali seri che in larga parte non si possono ancora conoscere. Pertanto, invito tutti i lettori a non pensare neanche lontanamente di fare una sperimentazione su sé stessi. I pericoli ci sono, e questi trattamenti non vanno affrontati al di fuori di trial clinici rigorosamente controllati ed approvati.

Il primo studio riguarda un intervento che sembra essere stato in grado di far tornare indietro le lancette dell’orologio epigenetico nell’uomo (1).

Il secondo riguarda la prima prova di concetto sulla rimozione delle cellule senescenti attraverso un trattamento con un senolitico nell’uomo (2).

In questo post cercherò di descrivere i risultati e i dettagli metodologici rilevanti di questi studi e proverò anche ad evidenziare quelli che secondo me sono i limiti e le cose che necessitano approfondimenti. Poiché il post è un po' più lungo del solito, ho cercato di suddividerlo in brevi capitoli in modo che il lettore possa soffermarsi su ciò che ritiene più interessante.

1. Il TRIMM study e la prima dimostrazione di un ringiovanimento epigenetico sull’uomo.

Lo studio in cui si è evidenziato che le lancette dell’orologio epigenetico possono tornare indietro nell’uomo (per un approfondimento dell’orologio epigenetico vedere il mio post qui) è stato in origine disegnato per cercare di recuperare la funzionalità del timo.

1.1. Breve parentesi sull’involuzione timica nell’invecchiamento

La perdita della funzionalità del timo (involuzione timica) è una delle alterazioni più caratteristiche dell’invecchiamento ed è strettamente associata al declino del sistema immunitario e al rischio di malattie età associate. Già intorno ai 30 anni si osserva una riduzione del peso dell’organo di circa il 30% e intorno ai 60 anni la massa del timo è all’incirca dimezzata. Il timo è l’organo dove vengono fatti maturare i linfociti T e dove imparano a distinguere ciò che fa parte del nostro corpo da ciò che è estraneo. Esperimenti effettuati in topi di laboratorio hanno dimostrato che il trapianto di timo neonatale in topi vecchi può risultare in un modesto ma significativo aumento della lunghezza della vita (3). Sono inoltre stati evidenziati da numerosi studi alcuni fattori ormonali e non ormonali che sembrerebbero influire positivamente sul timo e su una sua potenziale “ricrescita” funzionale (4-6).

1.2. Il cocktail di ormoni, farmaci e integratori utilizzato nello studio

Il trial (“TRIIM study”) è stato condotto utilizzando un cocktail contenente un fattore di crescita (l’ormone della crescita, GH, noto anche come somatotropina – dose 0.015 mg/kg a partire dalla prima settimana), un ormone steroideo (il 5-deidroepiandrosterone, DHEA – dose 50 mg a partire dalla seconda settimana), un farmaco antidiabetico (metformina – dose 500 mg a partire dalla terza settimana) e due micronutrienti (Zinco e Vitamina D). Il GH, secondo l’ipotesi iniziale dello studio è il principale fattore che dovrebbe aiutare a recuperare la funzionalità timica (7-8). La metformina è stata aggiunta per contrastare l’eventuale effetto pro-diabetico del GH e per i suoi potenziali effetti sulla longevità umana (9). Il DHEA è stato aggiunto perché i suoi livelli diminuiscono con l’invecchiamento e può contribuire alla funzionalità immunitaria e alla produzione di altri fattori di crescita indirettamente coinvolti nell’involuzione timica (10). Infine, lo zinco (50 mg a partire dalla prima settimana) e la vitamina D (dose 3,000 IU a partire dalla prima settimana) sono stati aggiunti per i loro effetti anti-infiammatori (11-12) e per il loro potenziale effetto positivo sull’involuzione timica (5, 13).

Lo studio è stato effettuato su 9 volontari di età compresa tra i 51-65 anni e l’intervento è durato un anno.

1.3. I risultati dello studio

Le indagini condotte con la risonanza magnetica hanno evidenziato che, dopo un anno di intervento, la parte funzionale del timo era ricresciuta, i marcatori infiammatori diminuiti e alcuni parametri immunitari erano cambiati positivamente. Tuttavia, il risultato che ha destato più scalpore riguarda l’analisi dell’orologio epigenetico effettuata con diverse metodiche nel sangue di questi volontari. I risultati di uno degli orologi maggiormente associati al rischio di mortalità e alla lunghezza della vita nell’uomo, il “GrimAge clock” (14), hanno indicato un guadagno di 2 anni sull’aspettativa di vita. Anche le altre metodologie utilizzate per misurare l’orologio epigenetico sono state in accordo con questo potenziale effetto di “ringiovanimento”.
 

1.4.  Limiti dello studio

I risultati sono di grande interesse perché non era mai stato comprovato prima sull’uomo un intervento in grado di riportare indietro le lancette dell’orologio epigenetico. Tuttavia, va considerato il fatto che si tratta di uno studio pilota (effettuato su un numero limitatissimo di individui) che non aveva un gruppo di controllo (placebo) e che quindi è soggetto a potenziali bias, primi fra tutti i famigerati “batch effects” (variabilità dei dati dovuta a manipolazioni effettuate in tempi differenti).

1.5.  Che significato biologico può avere il ringiovanimento epigenetico che è stato osservato?

Considerando che l’effetto sia veramente reale, ci sono comunque diverse cose da tenere in considerazione. La prima è che ancora non sappiamo bene cosa misurano gli orologi epigenetici. Sono davvero una misura diretta di un orologio biologico che determina l’invecchiamento al pari dello sviluppo e che dopo una certa età innesca una specie di meccanismo di “auto-distruzione” (questo secondo le teorie deterministiche dell’invecchiamento)? Oppure sono una misura indiretta dei danni che si accumulano nelle nostre cellule col passare del tempo (questo secondo le più accreditate teorie non-deterministiche dell’invecchiamento)? Oppure è qualcosa di ancora diverso. Negli studi effettuati sull’uomo, l’orologio epigenetico viene normalmente elaborato da misurazioni effettuate su campioni di sangue. In questo tipo di campioni è ragionevole chiedersi se l’output timico (la produzione di cellule T “naive”) possa avere una qualche influenza sui marcatori epigenetici rilevati nel sangue, soprattutto in considerazione che l’intervento ha dimostrato una ricrescita funzionale del timo.

1.6.  Quale componete o sinergia di componenti del cocktail utilizzato potrebbe essere responsabile degli effetti sull’orologio epigenetico?

Per quanto ne sappiamo finora, l’ormone della crescita e il DHEA agiscono stimolando il pathway dell’IGF1 (Fattore di crescita insulino simile 1) che, in base a numerosi studi, sembrerebbe avere un effetto di accelerazione del processo di invecchiamento (15). Tuttavia, ci sono anche argomenti a favore di una terapia basata su questi fattori di crescita nell’invecchiamento (16). Probabilmente ci sono alcune cose da rivedere sperimentalmente su questo argomento. Siamo infatti giunti alla conclusione di un effetto negativo della stimolazione del pathway dell’IGF-1 sull’invecchiamento basandoci prevalentemente sui risultati ottenuti in modelli animali in cui le mutazioni avevano un effetto a partire dallo sviluppo. Non è escluso quindi che i risultati di una stimolazione transiente di tale pathway in organismi adulti o anziani possa avere effetti differenti. Anche la metformina potrebbe contribuire a modulare l’orologio epigenetico poiché sembra avere effetti positivi sulla longevità nei topi di laboratorio e forse anche nell’uomo (6). Però, anche la metformina non è esente da effetti collaterali e non sembra agire su tutti gli individui allo stesso modo. Gli ultimi due componenti del cocktail sono la vitamina D e lo zinco. Anche questi micronutrienti non possono essere esclusi degli effetti osservati sull’orologio epigenetico. Infatti, interventi di supplementazione effettuati nell’uomo e nel topo con ciascuno di questi due micronutrienti hanno dimostrato effetti positivi a carico del sistema immunitario e su alcuni “outcome” di salute negli anziani (11). È interessante adesso cercare di capire, anche attraverso specifici studi pre-clinici, quale combinazione o quale componente può essere responsabile di questo effetto e se i cambiamenti epigenetici rilevati corrispondono ad un incremento della lunghezza della vita, e soprattutto della vita in salute.

2. La combinazione di Dasatinib e quercetina, uno dei più noti senolitici, può ridurre l’accumulo di cellule senescenti nell’uomo.

Anche in questo caso si tratta di uno studio pilota (2). Lo studio è stato effettuato su 9 pazienti affetti da diabete di tipo 2 e con evidenza di disfunzioni renali. Lo studio aveva lo scopo di dimostrare che anche nell’uomo, come evidenziato nel topo, la somministrazione di un senolitico (per saperne di più sui i senolitici rileggete il mio post qui) è in grado di eliminare l’eccessivo carico di cellule senescenti che, probabilmente, contribuisce a questa patologia e a numerose altre patologie associate all’invecchiamento. Oltre a questo, si andava anche a rilevare la sicurezza della somministrazione e gli eventuali benefici nelle condizioni di salute dei pazienti.

2.1. Il design dello studio

Lo studio pilota è stato registrato nel database ClinicalTrials.gov (NCT02848131). Ai 9 pazienti (che presentavano diabete di tipo 2 e disfunzioni renali) sono stati somministrati per 3 giorni 100 mg di Dasatinib e 1000 mg di quercetina (la combinazione di questo farmaco antitumorale e di questo flavonoide ha dimostrato effetti senolitici in numerosi studi pre-clinici). I dosaggi sono volutamente più alti rispetto ai trattamenti effettuati precedentemente con dasatinib nei tumori e alle supplementazioni con quercetina.   Infatti, il dosaggio senolitico ha lo scopo di rimuovere l’eccesso di cellule senescenti uccidendole con un composto cui sono particolarmente sensibili minimizzando altri danni all’organismo. Nei modelli preclinici in cui vengono sperimentati i senolitici si somministrano quindi dosi alte per tempi brevissimi. Prima della somministrazione del senolitico e all’11esimo giorno dal termine della somministrazione ai pazienti è stato effettuato un prelievo di sangue e sono state effettuate biopsie del tessuto adiposo e della pelle.

2.2. I risultati dello studio

Purtroppo non sono stati ancora riportati i risultati degli outcome clinici (ad esempio, i cambiamenti nella funzionalità renale e negli indici di fragilità dei pazienti), ma è ragionevole aspettarsi che lo saranno a breve. Tuttavia è stata riportata una diminuzione significativa di molteplici marcatori associati alla senescenza cellulare sia nel tessuto adiposo (diminuzione di cellule che esprimono p16 e p21, diminuzione di cellule con alta attività di beta-galattosidasi, diminuzione di cellule progenitrici degli adipociti con limitata capacità proliferativa) che nella pelle (diminuzione dell’espressione di p16 e p21) compatibili con l’interpretazione di una diminuzione del numero di cellule senescenti. Tale diminuzione è stata osservata anche in fattori circolanti (IL-6, MMP-9 e MMP12) che possono in parte essere originati dalle secrezioni prodotte dalle cellule senescenti.

È altresì importante rilevare che non sono stati registrati eventi avversi di seria entità e che tutti i pazienti hanno completato lo studio.

2.3. Limiti dello studio

Anche in questo caso si tratta di uno studio pilota (effettuato su un numero limitatissimo di individui) che non aveva un gruppo assegnato al placebo. Non è inoltre possibile escludere che le analisi possano avere subito l’influenza di “batch effects”. Un altro trial clinico pilota effettuato con Dasatinib + quercetina in pazienti con fibrosi polmonare idiopatica ha fornito risultati positivi (miglioramento delle performance fisiche) ma non entusiasmanti (nessun cambiamento nella funzionalità polmonare) (17). Questo suggerisce che la strada verso l’ottimizzazione dei dosaggi e verso un’evidenza che tali farmaci abbiano un’utilità clinica superiore alle terapie convenzionali è ancora molto lunga e non priva di imprevisti.

2.4. Rilevanza e implicazioni dei risultati dello studio

Gli interventi con senolitici fanno parte di una nuova generazione di trattamenti che cerca di intervenire sui processi fondamentali dell’invecchiamento, quali la senescenza cellulare, con lo scopo di ritardare, prevenire o alleviare le sofferenze dovute a malattie associate all’invecchiamento. I risultati pre-clinici finora ottenuti con i senolitici sui topi sembrano confermare che questa idea può aprire nuove strade terapeutiche in molteplici patologie. Tuttavia, l’ipotesi che i senolitici agiscano effettivamente attraverso la rimozione delle cellule senescenti nell’uomo è difficile da confermare per una serie di limitazioni che non mi dilungo ad elencare. Questo studio, sebbene anch’esso con numerose limitazioni, sembra confermare che quanto osservato nel topo potrebbe avvenire anche nell’uomo. Il passaggio dalla sperimentazione sul topo alla conclusione dei primi trial effettuati sull’uomo è stato rapidissimo (meno di 4 anni), e stando ai primi risultati è possibile che ci troviamo di fronte ad uno dei migliori esempi di efficienza di ricerca traslazionale. Resta tuttavia ancora molto lavoro da fare per verificare l’efficacia di tali farmaci, per ottimizzare i dosaggi nell’uomo e per chiarire quali siano i possibili rischi dovuti ad effetti avversi. Resta inoltre ancora irrisolto il problema della specificità dei senolitici (che attualmente sono solo selettivi) ma si stanno già programmando ulteriori studi pre-clinici destinati ad affrontare questo problema attraverso l’ausilio di innovative tecnologie biomediche.

Referenze

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3. Basso A, Malavolta M, Piacenza F, Santarelli L, Marcellini F, Papa R, Mocchegiani E. Noninvasive neonatal thymus graft into the axillary cavity extends the lifespan of old mice. Rejuvenation Res. 2010 Apr-Jun;13(2-3):288-91. doi: 10.1089/rej.2009.0936

4. Chidgey A. Effects of growth hormone in enhancing thymic regrowth and T-cell reconstitution. Expert Rev Clin Immunol. 2008 Jul;4(4):433-9. doi: 10.1586/1744666X.4.4.433

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6. May M, Holmes E, Rogers W, Poth M. Protection from glucocorticoid induced thymic involution by dehydroepiandrosterone. Life Sci. 1990;46(22):1627-31.

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8. Plana M, Garcia F, Darwich L, Romeu J, López A, Cabrera C, Massanella M, Canto E, Ruiz-Hernandez R, Blanco J, Sánchez M, Gatell JM, Clotet B, Ruiz L, Bofill M; Red de Investigación en Sida (RIS). The reconstitution of the thymus in immunosuppressed individuals restores CD4-specific cellular and humoral immune responses. Immunology. 2011 Jul;133(3):318-28. doi: 10.1111/j.1365-2567.2011.03442.x.

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10. Filipin Mdel V, Caetano LC, Brazão V, Santello FH, Toldo MP, do Prado JC Jr. DHEA and testosterone therapies in Trypanosoma cruzi-infected rats are associated with thymic changes. Res Vet Sci. 2010 Aug;89(1):98-103. doi: 10.1016/j.rvsc.2010.01.016.

11. Mocchegiani E, Romeo J, Malavolta M, Costarelli L, Giacconi R, Diaz LE, Marcos A. Zinc: dietary intake and impact of supplementation on immune function in elderly. Age (Dordr). 2013 Jun;35(3):839-60. doi: 10.1007/s11357-011-9377-3.

12. Haussler MR, Saini RK, Sabir MS, Dussik CM, Khan Z, Whitfield GK, Griffin KP, Kaneko I and Jurutka PW. Vitamin D nutrient-gene interactions and healthful aging. Chapter 33 in Molecular Basis of Nutrition and Aging, First Edition, Marco Malavolta and Eugenio Mocchegiani, eds., Elsevier Academic Press, San Diego, pp. 449-471 (2016).

13. Wang Z, Wang Y, Xu B, Liu J, Ren Y, Dai Z, Cui D, Su X, Si S, Song SJ. Vitamin D improves immune function in immunosuppressant mice induced by glucocorticoid. Biomed Rep. 2017 Jan;6(1):120-124. doi: 10.3892/br.2016.817.

14. Lu AT, Quach A, Wilson JG, Reiner AP, Aviv A, Raj K, Hou L, Baccarelli AA, Li Y, Stewart JD, Whitsel EA, Assimes TL, Ferrucci L, Horvath S. DNA methylation GrimAge strongly predicts lifespan and healthspan. Aging (Albany NY). 2019 Jan 21;11(2):303-327. doi: 10.18632/aging.101684.

15. Junnila RK, List EO, Berryman DE, Murrey JW, Kopchick JJ. The GH/IGF-1 axis in ageing and longevity. Nat Rev Endocrinol. 2013 Jun;9(6):366-376. doi: 10.1038/nrendo.2013.67.

16. Vitale G, Barbieri M, Kamenetskaya M, Paolisso G. GH/IGF-I/insulin system in centenarians. Mech Ageing Dev. 2017 Jul;165(Pt B):107-114. doi: 10.1016/j.mad.2016.12.001. Epub 2016 Dec 5.

17. Justice JN, Nambiar AM, Tchkonia T, LeBrasseur NK, Pascual R, Hashmi SK, Prata L, Masternak MM, Kritchevsky SB, Musi N, Kirkland JL. Senolytics in idiopathic pulmonary fibrosis: Results from a first-in-human, open-label, pilot study. EBioMedicine. 2019 Feb;40:554-563. doi: 10.1016/j.ebiom.2018.12.052.

Il viroma e l’invecchiamento

Prendo spunto da un recente lavoro (1), una “review” per l’esattezza (ovvero una revisione della letteratura finalizzata all'aggiornamento su un determinato argomento), per introdurre un argomento che è stato ampiamente sottovalutato dalla biogerontologia ma che grazie alle nuove tecnologie sta emergendo in tutta la sua rilevanza e complessità. Mi riferisco in particolare al ruolo del viroma nell’invecchiamento.

Cos’è il viroma vi starete chiedendo? Ebbene, in termini semplicistici non è altro che l’insieme delle comunità virali che risiedono nel nostro organismo. Probabilmente avrete già sentito parlare di microbiota, termine che si riferisce non solo ai batteri ma a tutte le comunità di microorganismi (batteri, protisti, archea, funghi e virus) che vivono nel nostro organismo (n.b. non solo nell’intestino). Questo significa che il nostro corpo non è formato solo da cellule “umane” ma è piuttosto formato da una moltitudine di organismi che vivono in simbiosi. Se pensiamo solo ai batteri, considerate il fatto che in un uomo ci sono circa 30 trilioni di cellule e 39 trilioni di batteri (un trilione equivale a mille miliardi). In altre parole siamo formati da quasi un 50% di cellule umane e un 50% di batteri.

Non è quindi sorprendente che cambiamenti nel microbiota, solitamente studiato limitatamente alla sua componente batterica (batteriota), si associno a cambiamenti nello stile di vita e ad altri fattori ambientali, a malattie e perfino all’invecchiamento (2). Purtroppo la maggior parte degli studi è limitata a studi di tipo osservazionali, per cui una relazione di causa-effetto è difficile da estrapolare. Tuttavia, appare ragionevole pensare che gli effetti dei cambiamenti del microbioma sulla salute umana e sull’invecchiamento siano rilevanti. 

Se ci soffermiamo solo alle cellule del nostro organismo, sappiamo che generalmente il loro fato consiste nell’andare incontro a senescenza cellulare, ad apoptosi (morte cellulare) o a trasformazioni neoplastiche (i.e. diventano una cellula che può dare origine ad un tumore).  All’origine di questi fenomeni vi sono dei danni di varia natura che caratterizzano l’invecchiamento biologico. Fenomeni simili non possono essere esclusi anche per quel che riguarda il nostro microbioma ma le ricerche in questo campo sono ancora limitate.

Lo studio del viroma è ancora più complesso di quello dei batteri che formano il nostro organismo, infatti, i virus spesso non possiedono sequenze genetiche note (come nel caso delle sequenze dei geni ribosomiali utilizzate per i batteri) che consentono la loro identificazione. Il viroma dei mammiferi comprende virus che infettano le cellule eucariotiche (quelle che possiamo considerare le “nostre” cellule”), virus che infettano i batteri (batteriofagi) e gli archea (viroma degli archea) che fanno parte del nostro organismo e virus che sono ormai integrati nel nostro DNA o di quello dei nostri batteri (retrovirus endogeni, elementi virali endogeni e profagi). Tutti questi virus sono potenzialmente in grado di replicarsi e, in particolari casi o circostanze, di dare origine a fenomeni simili ad un’infezione.

Tali virus possono semplicemente cercare di sopravvivere all’interno del nostro organismo in forma latente fino a quando non si verificano le condizioni necessarie alla loro riattivazione. Molti di questi virus sono specializzati nell’evadere le difese del sistema immunitario e possono diversificarsi ed evolvere fino a sviluppare delle relazioni simbiotiche con le cellule e l’organismo che li ospita (3).

I virus del nostro viroma risiedono non solo nel DNA delle nostre cellule e dei nostri batteri, ma anche nelle mucose e possono persistere in diverse forme latenti in cellule neuronali, ematopoietiche, staminali, vascolari e probabilmente di qualunque altro tipo.

Le moderne tecniche di “next generation sequencing” hanno permesso di analizzare e pubblicare almeno in parte quella che è la composizione del nostro viroma in condizioni normali. Restano tuttavia ancora molte sequenze sconosciute che non sono riconducibili a quelle di virus o batteri noti e che fanno sospettare che il viroma sia molto più ampio di quello che conosciamo adesso.

Sono state identificate 10⁹ (un miliardo) particelle virali per ogni grammo di contenuto del nostro intestino, 10⁷ (10 milioni) particelle virali per ogni ml di urina e 10⁵ (centomila) particelle virali per ogni ml del nostro sangue (4). La maggior parte dei virus che si trovano nell’intestino sono batteriofagi. Questi virus sono in grado di modulare le funzioni batteriche, ad esempio alterando la loro capacità di produrre tossine o la loro resistenza agli antibiotici. Se a questo aggiungiamo il fatto che la metà del nostro genoma è formata da elementi genomici mobili (trasposoni; vedi post relativo a questo argomento) che comprendono anche retrovirus endogeni (i.e. virus che hanno infettato i nostri antenati e si sono integrati nel nostro DNA) è più che mai ragionevole considerare un ruolo di primaria importanza del viroma nel processo di invecchiamento.

Cosa sappiamo finora (elenco solo alcuni degli aspetti conosciuti per non dilungare troppo il post):

• I cambiamenti epigenetici che accompagnano l’invecchiamento determinano un processo di ipermetilazione focale e demetilazione generale. Quest’ultima può essere associata ad un aumento dell’attività dei trasposoni e di retrovirus endogeni (5).
• L’attivazione di alcuni trasposoni, (in particolare LINE-1) oltre a aumentare il rischio di instabilità genomica determina l’attivazione di alcuni “pathways” (vedi post relativo all’argomento) che comportano un aumento dell’infiammazione cronica che accompagna l’invecchiamento (fenomeno noto come “inflammaging”) (6).
• Per ciò che riguarda i retrovirus endogeni, sappiamo che, nonostante questi abbiano perso la loro capacità infettiva nel corso dell’evoluzione, possono essere coinvolti nella patogenesi di alcune malattie autoimmunitarie, nell’attivazione di linfociti B e T e nella carcinogenesi (7). Purtroppo i meccanismi non sono ancora chiari e tutto è complicato dal fatto che ci sono migliaia di retrovirus endogeni differenti con differente attività biologica. L’espressione di alcuni di questi aumenta nei campioni biologici prelevati da individui anziani, lasciando aperta la domanda se il declino immunitario o i cambiamenti epigenetici o altri processi sono coinvolti in questo fenomeno (8).
• Altri virus, quali il citomegalovirus (CMV) possono persistere in forma latente nel nostro organismo e indurre cambiamenti deleteri nel sistema immunitario (9). Lo stesso è stato in parte dimostrato per diversi altri Herpes virus. A questo si aggiunge anche la recente scoperta che il titolo di Torque teno virus (TTV) nel sangue è associato alla mortalità nell’anziano (10).
• Sappiamo che il viroma batterico oltre a modulare le funzioni del microbiota può anche interagire direttamente col nostro sistema immunitario. Particelle dei batteriofagi possono entrare in contatto con le cellule epiteliali e possono anche attraversare la mucosa intestinale o venire trasportate da cellule dendritiche e avere accesso sistemico (11). Alcune di queste particelle possono anche stimolare la produzione di citochine pro-infiammatorie e interagire a vari livelli col sistema immunitario (12).
• Il viroma è talmente integrato nel nostro organismo che assolve funzioni importanti per la nostra salute. Il genoma dei batteriofagi può stimolare la produzione di interferone aiutandoci a proteggerci dall’infezione di altri virus (13). Le proteine prodotte dai batteriofagi possono proteggerci da infezioni batteriche di natura esogena (14).
• Il nostro viroma influenza i geni e le proteine che producono le nostre cellule, incluse le cellule che non sono “infettate”, determinando quello che viene chiamato “imprinting trascrizionale mediato dal viroma” (3).
• Le funzioni positive e negative che assolve il viroma sono ancora per gran parte inesplorate e probabilmente alcune di queste facciamo fatica ad immaginarle. Basti pensare come esempio (ma ce ne sono molti altri) che una proteina prodotta da batteriofagi che infettano i batteri degli afidi riesce a proteggere questa specie da larve parassite iniettatigli dalle vespe. 

Alla luce di queste evidenze e di quanto ancora non conosciamo mi viene da chiedere quale sia il reale contributo del viroma (e del microbiota) all’invecchiamento. Può essere talmente grande da risultare uno dei fattori primari oppure i cambiamenti del viroma sono per lo più un “riflesso” del decadimento del sistema immunitario? Quanto è rilevante la competizione tra i vari virus e batteri nel preservare la vitalità del nostro organismo? Seguendo il concetto dell’antagonismo pleiotropico non è difficile ipotizzare che si siano selezionate alcune funzioni del viroma che siano benefiche durante la nostra età riproduttiva e deleterie durate l’invecchiamento.

Come è possibile quantificare l’impatto del viroma nell’invecchiamento? È possibile generare un organismo (anche molto semplice) “epurato” da tutto il viroma e studiare il suo processo di invecchiamento?

E infine…..perché questo fenomeno è ancora così scarsamente considerato in biogerontologia?

Referenze

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12. Duerkop BA, Hooper LV. Resident viruses and their interactions with the immune system. Nat Immunol. 2013 Jul;14(7):654-9
13. Mori K, Kubo T, Kibayashi Y, Ohkuma T, Kaji A. Anti-vaccinia virus effect of M13 bacteriophage DNA. Antiviral Res. 1996 Jun; 31(1-2):79-86.
14. Barr JJ, Auro R, Furlan M, Whiteson KL, Erb ML, Pogliano J, Stotland A, Wolkowicz R, Cutting AS, Doran KS, Salamon P, Youle M, Rohwer F. Bacteriophage adhering to mucus provide a non-host-derived immunity. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Jun 25; 110(26):10771-6.

Le vescicole extracellulari (esosomi) prodotti dalle cellule senescenti inducono senescenza nelle cellule adiacenti

In un post precedente (Effetto “contagio” e ruolo del sistema immunitario nell’accumulo delle cellule senescenti) avevo anticipato che lo studio delle vescicole extracellulari prodotte dalle cellule senescenti avrebbe aiutato a chiarire alcuni aspetti dell’”effetto contagio” (fenomeno attraverso il quale la senescenza cellulare si propaga in cellule circostanti – in inglese “bystander effect”).

Ebbene, non c’è stato molto da attendere. Proprio ad aprile di quest’anno, i ricercatori del Buck Institute of Aging in collaborazione con altri gruppi di ricerca hanno pubblicato un lavoro focalizzato sul ruolo delle vescicole extracellulari prodotte da condrociti senescenti (1). I condrociti sono le cellule che compongono la cartilagine e la loro senescenza ha un ruolo causale in una patologia età associata seriamente invalidante quale l’artrosi (2). Un eccessivo accumulo di condrociti senescenti non è solo un limite alla rigenerazione del tessuto cartilagineo ma è anche la sorgente di una serie di citochine infiammatorie, chemochine e proteasi (secrezione denominata “fenotipo secretorio associato alla senescenza” e abbreviato dall’inglese in SASP) che contribuiscono alla degradazione della cartilagine e al dolore persistente e quindi anche alle limitazioni di mobilità che ne conseguono.

Un aspetto particolarmente importante della senescenza cellulare riguarda la propagazione di questo fenomeno a cellule adiacenti, come se fosse una specie di contagio che contribuisce all’accumularsi delle cellule senescenti nei tessuti. Uno studio effettuato con trapianti di cellule senescenti sottocutanee e intramuscolari nel topo (inclusi modelli immunodeficienti) ha chiaramente dimostrato che l’effetto contagio è consistente e contribuisce in modo significativo all’accumulo di cellule senescenti con l’invecchiamento, in particolare quando l’efficienza del sistema immunitario inizia a diminuire col progredire dell’età. Tuttavia, questo stesso studio non era riuscito a dimostrare che l’effetto contagio fosse mediato da un aumento di fattori solubili originati dal SASP (3). Sebbene tale osservazione potrebbe essere la conseguenza della bassa riproducibilità dei sistemi di misura delle citochine, era ragionevole aspettarsi che qualche altro fattore potesse essere coinvolto nell’effetto contagio. Il lavoro appena pubblicato sulla senescenza dei condrociti (1) dimostra per la prima volta che le vescicole extracellulari (prevalentemente di tipo esosomi), isolate da colture “in vitro” di condrociti senescenti, inducono senescenza nei condrociti non senescenti. Tali vescicole inducono anche le caratteristiche patologiche dell’artrosi quando vengono iniettati nell’articolazione degli animali. Il lavoro ha inoltre identificato alcuni microRNA (quali miR-34a-5p) contenuti in tali vescicole che potrebbero mediare questo effetto e che potrebbero anche essere utilizzati quali marcatori prognostici nella terapia dell’artrosi. Va considerato che parte dei ricercatori coinvolti nel lavoro hanno depositato brevetti e sono coinvolti a vari livelli in una “Company” americana (Unity Biotechnology) dedicata allo sviluppo di senolitici. Infatti, parte del lavoro era intesa a dimostrare come gli effetti deleteri delle vescicole prodotte dalle cellule senescenti venivano soppressi somministrando localmente il composto senolitico UBX0101. Questo composto (che favorisce la morte cellulare selettiva delle cellule senescenti inibendo l’interazione tra p53 e MDM2) è attualmente impiegato nel primo clinical trial sull’uomo e ci si aspetta di avere i primi risultati verso la fine o dopo l’estate. Probabilmente non ci aspettiamo i miracoli annunciati da qualche articolo un po' troppo ottimista, ma è comunque una speranza in più di ritardare la protesi per tutti quelli che (come me) soffrono di artrosi al ginocchio.

Un aspetto interessante del lavoro è quello di avere aperto una nuova strada di ricerca indirizzata allo studio del contenuto e degli effetti indotti dalle microvescicole prodotte dalle cellule senescenti. È probabile che tali vescicole extracellulari possano giocare un ruolo in numerose patologie associate all’invecchiamento. Nuovi studi seguiranno sicuramente questa strada al fine di sviluppare marcatori e target terapeutici.

1. Jeon OH, Wilson DR, Clement CC, Rathod S, Cherry C, Powell B, Lee Z, Khalil AM, Green JJ, Campisi J, Santambrogio L, Witwer KW, Elisseeff JH. Senescence cell-associated extracellular vesicles serve as osteoarthritis disease and therapeutic markers. JCI Insight. 2019 Apr 4;4(7). pii: 125019. doi: 10.1172/jci.insight.125019.
2. Jeon OH, Kim C, Laberge RM, Demaria M, Rathod S, Vasserot AP, Chung JW, Kim DH, Poon Y, David N, Baker DJ, van Deursen JM, Campisi J, Elisseeff JH. Local clearance of senescent cells attenuates the development of post-traumatic osteoarthritis and creates a pro-regenerative environment. Nat Med. 2017 Jun;23(6):775-781. doi: 10.1038/nm.4324
3. da Silva PFL, Ogrodnik M, Kucheryavenko O, Glibert J, Miwa S, Cameron K, Ishaq A, Saretzki G, Nagaraja-Grellscheid S, Nelson G, von Zglinicki T. The bystander effect contributes to the accumulation of senescent cells in vivo. Aging Cell. 2018 Nov 21:e12848. doi: 10.1111/acel.12848.

News sulle origini dell’infiammazione cronica associata all’invecchiamento e prospettive di trattamento terapeutico

È ormai un dato ben consolidato dalla letteratura che un aumento di infiammazione sub-clinica caratterizza l’invecchiamento e contribuisce a danneggiare i tessuti degli individui più anziani. Questo concetto è stato in origine definito “inflammaging” e, sebbene nel tempo abbia subito varie evoluzioni e raffinazioni, l’idea di base è rimasta immutata. Numerosi studi sono stati effettuati per investigare i motivi dell’incremento di questa infiammazione cronica. Con molta probabilità alcuni dei meccanismi maggiormente coinvolti includono l’accumularsi di patogeni responsabili di infezioni latenti e i cambiamenti nel microbioma che non sono graditi al nostro organismo. In quest’ultimo periodo, tuttavia, sta emergendo il concetto che l’accumularsi di cellule senescenti sia uno dei maggiori fattori che contribuisce all’infiammazione sistemica e tissutale associata all’invecchiamento. Le cellule senescenti possono infatti produrre un secretoma a carattere pro infiammatorio (denominato SASP= “senescence associated secretory phenotype”) che può essere responsabile di disfunzioni tissutali e che può anche contribuire allo sviluppo di diverse patologie età associate.

In questi ultimi mesi sono usciti dei lavori che mettono in evidenza quali meccanismi all’interno delle cellule senescenti o non-senescenti (ma comunque di organismi che invecchiano) possono scatenare l’aumento di infiammazione. 

Sappiamo tutti che il DNA è ben confinato nel nucleo della cellula, ma probabilmente in pochi sanno che in particolari circostanze si può ritrovare del DNA di origine nucleare anche al di fuori del nucleo. Nella maggior parte dei casi, si tratta di DNA che ha subito dei danni e che viene trasportato mediante il meccanismo di autofagia per poi essere degradato dalle nucleasi lisosomiali. Tuttavia, nel caso in cui ci siano difetti nel processo di autofagia o nel caso in cui la presenza di tale DNA aumenta notevolmente questo DNA innesca un pathway denominato STING (stimolatore dei geni dell’interferone) che origina una risposta infiammatoria mediata da interferone di tipo I; la stessa risposta che avverrebbe nel caso in cui la cellula fosse infettata da un virus o altri tipi di patogeni intracellulari. Anche le cellule senescenti subiscono cambiamenti consistenti nella cromatina e sembra che in queste condizioni la presenza di DNA extra-nucleare possa aumentare.  Un recente lavoro (1) dimostra che i fibroblasti umani che si avvicinano allo stadio di senescenza replicativa accumulano questo DNA extra-nucleare con conseguente produzione di citochine pro-infiammatorie mediate dall’attivazione dello STING pathway. Questo fenomeno pro-infiammatorio contribuiva all’accumulo di cellule senescenti nel topo e poteva essere attenuato attraverso un aumento di espressione di DNASE2A (una nucleasi lisosomiale convolta nella degradazione del DNA extra-nucleare).

Parallelamente a questo lavoro, è stato osservato che nelle cellule senescenti, in particolare quelle che si sono formate da più tempo (possiamo chiamarle cellule senescenti “tardive”), sussiste un intensa attività di elementi retrotrasponibili (chiamiamoli trasposoni per semplicità e vi suggerisco di vedere un mio precedente post su questo argomento). I trasposoni di tipo L1 (noti anche come LINE-1) sembrano quelli maggiormente attivati nella senescenza cellulare e, non sembra una semplice coincidenza il fatto che siano in grado di attivare una risposta infiammatoria mediata da interferone di tipo I (2). Questa risposta è mediata proprio dalla presenza di DNA di L1 nel citoplasma e può essere repressa in presenza di inibitori delle trascrittasi inverse, quale la Lamivudina, un farmaco noto per le sue proprietà benefiche nell’infezione sostenuta da virus dell'Immunodeficienza Umana (HIV). L’effetto anti-infiammatorio di tale inibitore è stato osservato anche “in vivo” sul topo con una riduzione significativa dell’infiammazione associata all’invecchiamento. Questi risultati aprono una nuova strada terapeutica nel trattamento delle condizioni associate all’invecchiamento in cui la senescenza cellulare e l’infiammazione cronica sono un fattore comune. Poiché diversi inibitori delle trascrittasi inverse sono già approvati per l’uso nell’uomo (in particolare per il trattamento dell’HIV) non escludo che vedremo a breve dei trial clinici in pazienti con Alzheimer, artrosi o condizione estrema di fragilità.

1.  Lan YY, Heather JM, Eisenhaure T, Garris CS, Lieb D, Raychowdhury R, Hacohen N. Extranuclear DNA accumulates in aged cells and contributes to senescence and inflammation. Aging Cell. 2019 Apr;18(2):e12901.
2. De Cecco M, Ito T, Petrashen AP, Elias AE, Skvir NJ, Criscione SW, Caligiana A, Brocculi G, Adney EM, Boeke JD, Le O, Beauséjour C, Ambati J, Ambati K, Simon M, Seluanov A, Gorbunova V, Slagboom PE, Helfand SL, Neretti N, Sedivy JM. L1 drives IFN in senescent cells and promotes age-associated inflammation. Nature. 2019 Feb;566(7742):73-78.

Effetto “contagio” e ruolo del sistema immunitario nell’accumulo delle cellule senescenti

Siamo all’inizio del 2019 e mi sembrava opportuno aprire il nuovo anno con un aggiornamento riguardante un argomento che è ormai di dominio pubblico oltre che scientifico, ovvero la senescenza cellulare.

Se vi siete persi il precedente post dedicato alla senescenza cellulare e ai senolitici potete comunque recuperarlo facilmente cliccando qui: http://www.biogerontologiasperimentale.com/2018/09/senescenza-cellulare-e-senolitici.html

Ebbene, cosa c’è di nuovo su questo argomento? Tanto, tantissimo, così tanto che si fa davvero fatica a seguire tutti gli aggiornamenti. Comunque, tre lavori usciti a cavallo della fine del 2018 e inizio del 2019 mi hanno particolarmente colpito.

Il primo (1) riguarda la conferma che le cellule senescenti possono effettivamente “contagiare” altre cellule adiacenti inducendone la senescenza (un fenomeno un po' in stile “zombie”). Tale fenomeno era stato documentato “in vitro” ma ancora non si era certi se “l’effetto contagio” era evidente “in vivo” (n.b. in inglese è denominato “bystander effect” che letteralmente significa “l'effetto spettatore”, un termine che a mio parere non rende bene l’idea del fenomeno attraverso cui la senescenza viene trasmessa alle cellule adiacenti, per cui ho preferito “effetto contagio”). Un gruppo di ricerca dell’Università di Newcastle (UK) è riuscito a documentare questo fenomeno attraverso il trapianto di cellule senescenti nei muscoli e nella pelle di topi con deficit immunitari (1). Questi topi, le cui cellule senescenti non possono essere efficacemente rimosse dal sistema immunitario (vedi più avanti in questo post), dimostravano la presenza di marcatori di senescenza cellulare nelle cellule adiacenti ai trapianti già dopo tre settimane. Questo fenomeno non si osservava se invece venivano trapiantate cellule non senescenti. Gli autori hanno altresì dimostrato con altri modelli che l’effetto bystander contribuisce in modo significativo all’accumulo di cellule senescenti con l’invecchiamento ma non sono riusciti a dimostrare un influenza dei classici componenti del SASP (letteralmente “senescence associated secretory phenotype”, ovvero il profilo secretorio associato alla senescenza e costituito per la maggior parte da fattori pro-infiammatori, fattori di crescita e enzimi che degradano localmente la matrice extracellulare quali le metalloproteasi). Resta quindi aperta la ricerca verso i meccanismi di questo contagio (il morso in stile “zombie” è chiaramente escluso trattandosi di cellule) ed è ragionevole aspettarsi che la componente “nano-“ e “micro-“ vescicolare secreta dalle cellule sarà la prossima indiziata in questo fenomeno. Un aspetto interessante di questo lavoro riguarda la prospettiva di poter ridurre il grado di accumulo di cellule senescenti agendo sui meccanismi di questo contagio. Infatti, impedire l’effetto contagio potrebbe contribuire a ridurre la velocità di formazione delle cellule senescenti e quindi agevolare il sistema immunitario nella loro rimozione.

Il secondo (2) riguarda la prova sperimentale che il sistema immunitario contribuisce in modo significativo a contrastare l’accumulo di cellule senescenti nell’invecchiamento. Anche questa scoperta è stata realizzata attraverso l’utilizzo di un modello di topo transgenico con un deficit di citotossicità riguardante alcune cellule del suo sistema immunitario. Ebbene, questi topi accumulano più velocemente cellule senescenti dei topi normali. Questo accumulo determina anche un consistente incremento di fattori pro-infiammatori e una maggiore incidenza di patologie con l’avanzare dell’età (oltre che una ridotta longevità). Questi difetti però sono in parte risolti attraverso la rimozione farmacologica delle cellule senescenti (effettuata nel lavoro con ABT-737, un composto simile ad un altro famoso senolitico, l’ABT-263 noto anche come navitoclax). Questo lavoro rafforza l’idea che il sistema immunitario può costituire un target alternativo ai senolitici, posto che si riesca a potenziarlo in modo selettivo verso le cellule senescenti in maniera analoga a quello che sta avvenendo con successo nella terapia di alcuni tumori.

L’ultimo lavoro che a mio parere merita di essere menzionato è uno studio riguardante gli effetti negativi dovuti all’accumulo di cellule senescenti (3).

Alcuni ricercatori della Mayo Clinic (USA) in collaborazione con l’Università di Newcastle (UK) hanno dimostrato che nel topo, l’obesità si accompagna ad un aumento di cellule senescenti nel cervello (in particolare cellule gliali in prossimità del ventricolo laterale) e che questo accumulo determina un deficit di neurogenesi e un incremento di ansia e depressione (due fenomeni comunemente associati all’obesità). Infatti, sia la rimozione genetica che farmacologica delle cellule senescenti contrastava questi fenomeni. Questo lavoro dimostra che l’utilizzo di senolitici può essere utile anche in condizioni non strettamente associate all’invecchiamento in cui è dimostrato un accumulo di cellule senescenti.

In conclusione, questi tre lavori ci confermano che l’accumulo di cellule senescenti ha effetti deleteri e che tale accumulo è in parte dovuto all’effetto “bystender” (effetto contagio) durante l’invecchiamento. In questo contesto, il sistema immunitario è una forte barriera all’accumulo di cellule senescenti ma sappiamo anche che questo sistema va incontro ad un declino progressivo durante l’invecchiamento che ragionevolmente favorisce l’accumulo delle cellule senescenti. Potremmo aspettarci lo sviluppo di nuove immunoterapie atte a contrastare l’accumulo di cellule senescenti? Non credo ci sarà molto da aspettare, quantomeno a livello pre-clinico sperimentale.

1. da Silva PFL, Ogrodnik M, Kucheryavenko O, Glibert J, Miwa S, Cameron K, Ishaq A, Saretzki G, Nagaraja-Grellscheid S, Nelson G, von Zglinicki T. The bystander effect contributes to the accumulation of senescent cells in vivo. Aging Cell. 2018 Nov 21:e12848. doi: 10.1111/acel.12848.
2. Ovadya Y, Landsberger T, Leins H, Vadai E, Gal H, Biran A, Yosef R, Sagiv A, Agrawal A, Shapira A, Windheim J, Tsoory M, Schirmbeck R, Amit I, Geiger H, Krizhanovsky V. Impaired immune surveillance accelerates accumulation of senescent cells and aging. Nat Commun. 2018 Dec 21;9(1):5435. doi: 10.1038/s41467-018-07825-3.
3. Ogrodnik M, Zhu Y, Langhi LGP, Tchkonia T, Krüger P, Fielder E, Victorelli S, Ruswhandi RA, Giorgadze N, Pirtskhalava T, Podgorni O, Enikolopov G, Johnson KO, Xu M, Inman C, Schafer M, Weigl M, Ikeno Y, Burns TC, Passos JF, von Zglinicki T, Kirkland JL, Jurk D. Obesity-Induced Cellular Senescence Drives Anxiety and Impairs Neurogenesis. Cell Metab. 2018 Dec 28. pii: S1550-4131(18)30745-9. doi: 10.1016/j.cmet.2018.12.008.

Focus su cancro e invecchiamento: il progresso dell’epigenetica verso la diagnosi dei tumori.

Parlare di cancro in un blog dedicato alla biogerontologia è prima o poi inevitabile. Cancro e invecchiamento sono strettamente interconnessi non solo dal punto di vista epidemiologico (l’incidenza dei tumori aumenta esponenzialmente con l’avanzare dell’età) (1) ma anche dal punto di vista dei meccanismi biologici che li caratterizzano.

Ad esempio, accorciamento dei telomeri e accumulo di cellule senescenti sono due tra i più rilevanti determinanti di invecchiamento. Per quanto ne sappiamo, tutti i tipi di cancro necessitano di attivare un sistema che consente loro di riallungare i telomeri (es. riattivazione della telomerasi o del meccanismo alternativo di allungamento dei telomeri noto col l’acronimo di ALT) e di aggirare la barriera imposta alla proliferazione da parte della senescenza cellulare (2-5).

Un altro aspetto di rilevanza in questo settore è il contributo dell’immunosenescenza alla ridotta sorveglianza dei tumori nell’invecchiamento. Infatti, l’invecchiamento contribuisce al declino del sistema immunitario e quindi ad una ridotta efficienza nella rimozione di cellule che vanno incontro a trasformazioni pericolose per l’organismo (6).

Infine, una particolare analogia emerge dai recenti progressi nel campo dell’epigenetica (di cui abbiamo già discusso nel precedente post). L’invecchiamento è infatti caratterizzato da una serie di alterazioni epigenetiche, in particolare riguardo alla densità e alla distribuzione della metilazione del DNA. In maniera del tutto analoga, anche le cellule cancerose dimostrano una serie di cambiamenti epigenetici caratteristici. Il cancro è una malattia estremamente variabile e differenti tipi di cancro hanno un profilo epigenetico differente. Tuttavia, alcuni di questi cambiamenti sembrano particolarmente comuni in diversi tipi di cancro, in particolare la densità di metilazione risulta globalmente diminuita e aumentata solo in specifiche regioni del DNA (7) (un fenomeno simile, ma apparentemente più marcato, a quello che si osserva con l’invecchiamento).

Un team di ricercatori ha notato che queste alterazioni conferiscono al DNA isolato da cellule cancerose una particolare struttura tridimensionale che ne riduce l’assorbimento in superfici rivestite d’oro (8). Questa caratteristica è stata sufficiente a consentire lo sviluppo di una tecnologia a basso costo che consente di identificare la presenza di cellule cancerose con un’accuratezza del 90% (su 200 campioni testati che includevano casi e controlli).

Tale tecnologia non deve necessariamente essere fatta su biopsie di tumore ma può essere applicabile anche al sangue dei pazienti poiché il DNA proveniente da cellule cancerose può essere rilevato anche nel sangue (9). Infatti, le cellule cancerose che muoiono rilasciano il loro DNA (generalmente in forma di microvescicole) nell’ambiente circostante andando spesso ad arricchire il pool di DNA noto come “circulating free DNA” che è rilevabile nel siero.

Al momento, i ricercatori sono coinvolti in progetti che stanno portando alla commercializzazione della loro scoperta. È altresì probabile che ulteriori studi in questo settore possano portare a migliorare ulteriormente l’accuratezza della metodica e non è escluso che vedremo tali metodi diagnostici, o altri basati sulle alterazioni epigenetiche caratteristiche dei tumori, trasferiti in clinica in un prossimo futuro.

1. Kamangar F, Dores GM, Anderson WF. Patterns of cancer incidence, mortality, and prevalence across five continents: defining priorities to reduce cancer disparities in different geographic regions of the world. J Clin Oncol. 2006;24:2137-50. DOI: 10.1200/JCO.2005.05.2308
2. Cesare AJ, Reddel RR. Alternative lengthening of telomeres: models, mechanisms and implications. Nat Rev Genet. 2010;11:319-30. DOI: 10.1038/nrg2763  
3. Stewart SA, Weinberg RA. Telomeres: cancer to human aging. Annu Rev Cell Dev Biol. 2006;22:531-57. DOI: 10.1146/annurev.cellbio.22.010305.104518
4. Blasco MA. Telomeres and human disease: ageing, cancer and beyond. Nat Rev Genet. 2005;6:611-22. DOI: 10.1038/nrg1656
5. Collado M, Blasco MA, Serrano M. Cellular senescence in cancer and aging. Cell. 2007;130:223-33. DOI: 10.1016/j.cell.2007.07.003
6. Pawelec G. Immunosenescence and cancer. Biogerontology. 2017;18:717-721. DOI: 10.1007/s10522-017-9682-z.
7. Suzuki MM, Bird A. DNA methylation landscapes: provocative insights from epigenomics. Nat Rev Genet. 2008;9:465-76. DOI: 10.1038/nrg2341.
8. Sina AA, Carrascosa LG, Liang Z, Grewal YS, Wardiana A, Shiddiky MJA, Gardiner RA, Samaratunga H, Gandhi MK, Scott RJ, Korbie D, Trau M. Epigenetically reprogrammed methylation landscape drives the DNA self-assembly and serves as a universal cancer biomarker. Nat Commun. 2018;9:4915. DOI: 10.1038/s41467-018-07214-w.
9. Underhill HR, Kitzman JO, Hellwig S, Welker NC, Daza R, Baker DN, Gligorich KM, Rostomily RC, Bronner MP, Shendure J. Fragment Length of Circulating Tumor DNA. PLoS Genet. 2016;12:e1006162. DOI: 10.1371/journal.pgen.1006162.

Cosa misurano gli orologi epigenetici?

Le modifiche di metilazione del DNA sono una delle maggiori e meglio caratterizzate alterazioni che intervengono durante il processo di invecchiamento. Le cellule di soggetti giovani presentano un genoma in cui la maggior parte dei siti CpG hanno le citosine in forma metilata. Con l’avanzare dell’età, si osserva una perdita generalizzata di metilazione mentre alcuni specifici loci vanno incontro a ipermetilazione. Tra i geni caratterizzati da un aumento di metilazione con l’invecchiamento, i più noti sono alcuni geni target dei complessi Polycomb (1-3). Al contrario, la perdita di metilazione è più marcata nelle zone di DNA caratterizzate da sequenze ripetute. Dato che gli elementi retrotrasponibili costituiscono la maggior parte delle regioni a sequenze ripetute, la loro perdita di metilazione aumenta la probabilità che avvengano fenomeni di retrotrasposizione con conseguenti inserzioni e instabilità genomica (4). Per maggiori informazioni su questo argomento vi rimando al capitolo 3.3 del mio libro di Biogerontologia (link per download gratuito).

Questi cambiamenti di metilazione del DNA che avvengono con l’invecchiamento sono talmente riproducibili da essere considerati attualmente i migliori candidati per lo sviluppo di biomarcatori di invecchiamento. Sebbene la scoperta di questo orologio epigenetico è relativamente recente (2, 5) (Tab. 1), la sua rilevanza nel campo di ricerche della biogerontologia è stata subito chiara a moltissimi ricercatori, tanto che nel giro di pochi anni abbiamo visto un imponente sviluppo di metodi in grado di rilevare orologi epigenetici con crescente grado di accuratezza nella misurazione dell’età biologica.

Tabella 1. Descrizione di due tra i primi orologi epigenetici che sono stati sviluppati.

Biomarcatore	Metodologia generalmente utilizzata	Tessuto utilizzato	Variabilità della misurazione	Effetto dell’età	Correlazione con l’età cronologica stimata (r)a	Fonte
“Epigenetic Clock” (basato su 353 siti CpG di metilazione)	Illumina DNA methylation array (27K o 450K)	Sangue o altri tessuti	3.6 anni di deviazione mediana assoluta sul calcolo finale dell’età biologica	Aumento dell’indice globale; Aumento per 193 CpG (ipermetilate con l’età) e diminuzione per 160 CpG (ipometilate con l’età)	r = 0.96 ± 3.6 anni (indipendente dal sesso) considerando i dati medi da tutti i tessuti	(Horvath 2013) (Ref. 2)
“DNA methylation age” (basato su 71 siti CpG di metilazione)	Illumina DNA methylation array (450K)	Sangue o altri tessuti	3.9 anni di deviazione mediana assoluta sul calcolo finale dell’età biologica	Aumento dell’indice globale	r = 0.96 ± 3.9 anni (indipendente dal sesso)	(Hannum et al. 2013) (Ref. 5)

Alcuni orologi epigenetici appaiono particolarmente interessanti in quanto sono indipendenti dal tessuto in cui vengono misurati (2, 6) e quindi non riflettono un diverso stato proliferativo delle cellule nei diversi tessuti.

Inoltre, la differenza tra l’età epigenetica e l’età cronologica, che in teoria dovrebbe riflettere il reale grado di invecchiamento biologico, è associata con l’insorgenza di numerose patologie e condizioni associate all’invecchiamento (7).

Un altro aspetto importante dell’orologio epigenetico è che questo può essere invertito o “resettato” dall’espressione dei fattori di Yamanaka in cellule somatiche adulte (8). N. B. I fattori di Yamanaka, in termini grossolani, sono una serie di fattori che quando opportunamente trasfettati sono in grado di riportare una cellula somatica adulta allo stato staminale.

Questi dati supportano quindi l’idea che l’orologio epigenetico può realmente offrire una misurazione intrinseca dell’età biologica. Ma quale sia la natura di questi cambiamenti non è ancora ben chiaro.

A tal proposito, meritano di essere menzionati tre recenti articoli, il vero focus di questo post, che hanno sicuramente aumentato la nostra capacità di interpretazione del fenomeno biologico che si nasconde dietro l’orologio epigenetico.

Il primo di questi tre lavori, a gennaio di quest’anno aveva messo in luce un paradosso sorprendente. Ovvero, da una analisi dell’orologio epigenetico condotta su circa 10000 individui emergeva che alcune varianti geniche della hTERT (la subunità catalitica della telomerasi, ovvero l’enzima che “riallunga” i telomeri), che erano notoriamente associate ad una lunghezza maggiore dei telomeri, risultavano in un’età epigenetica maggiore (9). In termini molto semplici, i risultati sembravano indicare che individui con telomeri più corti erano “epigeneticamente” più giovani di individui con i telomeri più lunghi. Il dato appariva sorprendente in quanto una minore lunghezza dei telomeri riflette generalmente un grado di senescenza cellulare più rapido e un invecchiamento precoce. Tuttavia, sappiamo bene come i lavori di associazione effettuati sull’uomo siano molto carenti dal punto di vista interpretativo e solo studi più approfonditi su modelli cellulari o animali possono aiutare a comprendere i reali meccanismi.

La spiegazione a questo paradosso è stata fornita, infatti, in un articolo uscito ad ottobre di quest’anno. Attraverso uno studio effettuato su modelli cellulari in cui veniva modulata l’espressione della hTERT (10) si è scoperto che l’orologio epigenetico non misura il grado di senescenza cellulare, anzi appare profondamente distinto dalla senescenza cellulare (rimarcando il fatto altresì noto che la senescenza cellulare non è una misura dell’invecchiamento di una cellula). Infatti, le cellule i cui veniva riattivata l’hTERT continuavano ad “invecchiare” in base all’orologio epigenetico nonostante fosse stata “bypassata” la senescenza cellulare. Per cui, le cellule con telomeri più lunghi possono “invecchiare” più a lungo di cellule con i telomeri corti in cui la senescenza cellulare impedisce loro di continuare a invecchiare. Quello che avviene quindi negli individui con le varianti di hTERT associate ai telomeri più lunghi (9) è semplicemente che le loro cellule possono vivere più a lungo e quindi essere soggette ad un maggior grado di invecchiamento epigenetico.

Infine, merita di essere menzionato un lavoro che ha studiato l’impatto di alcuni noti trattamenti “anti-aging” sull’orologio epigenetico del topo di laboratorio (11). L’orologio epigenetico può essere infatti applicato, con specifici adattamenti, anche ad altri organismi differenti dall’uomo, tra cui il topo.  In questo lavoro, sono stati sviluppati quattro modelli differenti di orologio epigenetico e ciascuno di essi era in grado di fornire una buona stima dell’età degli animali. Tuttavia, solo uno di questi confermava che i topi “dwarf” (un ceppo di topi nani caratterizzato da una vita estremamente longeva) erano più giovani dei rispettivi topi “wild-type” e nessuno di questi ha rilevato un effetto sull’orologio epigenetico del trattamento con rapamicina (che in precedenti studi ha dimostrato un consistente incremento nella lunghezza della vita del topo di laboratorio). Tuttavia, tutti gli orologi epigenetici hanno evidenziato come la restrizione calorica (il più consolidato intervento in grado di aumentare la lunghezza della vita in modelli animali) sia in grado di ritardare l’orologio epigenetico.   

Quest’ultimi risultati suggeriscono che gli orologi epigenetici misurano un qualche fenomeno legato all’invecchiamento (Causa? Oppure conseguenza di un qualche altro tipo di danno?) che appare specifico per ciascun tipo di orologio epigenetico e che non sono probabilmente in grado di sostituirsi attualmente agli outcome più tradizionali (quali sopravvivenza e performance funzionali) negli studi effettuati con interventi mirati a contrastare l’invecchiamento e l’insorgenza delle patologie età associate. Questo sembra tanto valido con il topo tanto quanto potrebbe esserlo nell’uomo. Va tuttavia rilevato che sono in via di sviluppo ulteriori orologi epigenetici che sembrano maggiormente associati agli outcome più importanti in studi di invecchiamento, quali mortalità, cancro, funzionalità fisica e cognitiva. Uno di questi è il recente “DNAm PhenoAge” (12) che appare particolarmente promettente per la sua capacità di associarsi al rischio dei maggiori outcome associati all’età indipendentemente dal tessuto in cui viene misurato.

Referenze

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