Gli organismi si sono evoluti per sopravvivere in ambienti rigorosi e non sono preparati a prosperare in un mondo di eccesso calorico e comportamento sedentario. Una realizzazione che l'esercizio fisico (o la mancanza di esso) svolge un ruolo fondamentale sia nella patogenesi che nella terapia del diabete mellito tipo 2 (DM2), ha portato a mimare gli effetti terapeutici dell’ esercizio in molti studi e a valutare il suo ruolo sia nella prevenzione che nella terapia del diabete di tipo 2. Un decennio fa, sono stati fatti esperimenti per simulare gli effetti benefici dell'esercizio fisico per il trattamento di pazienti diabetici di tipo 2, con 3 settimane di ipertermia quotidiana indotta dalla vasca idromassaggio ad immersione. L'intervento a breve termine aveva avuto notevole successo, con un calo 1% in HbA1, una tendenza verso la perdita di peso, e miglioramento dei sintomi neuropatici diabetici. I risultati mostrano gli effetti benefici dell'esercizio sui centri dell’ipertermia e sulla loro capacità di indurre la risposta allo stress cellulare (risposta allo shock termico) e nel ripristino dell'omeostasi cellulare. L’alterazione della risposta allo stress precede i principali difetti metabolici connessi con diabete di tipo 2 e può essere un evento fondamentale nella patogenesi della malattia, spostando l'equilibrio dalla salute alla malattia. Induttori di proteine da shock termico condividono percorsi metabolici connessi con l'esercizio e con l'attivazione di AMPK, PGC1-a, e sirtuine. Terapie antidiabetiche che inducono la risposta allo stress, sia attraverso il calore come composti bioattivi, o la manipolazione genetica, migliorano o prevengono tutti le morbilità e comorbilità associate alla malattia. Gli agenti che riducono la resistenza all'insulina, le citochine infiammatorie, l'adiposità viscerale, e il peso corporeo aumentano invece l'attività mitocondriale,
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normalizzando la struttura della membrana e la composizione lipidica e preservando la funzione degli organi. Terapie che ripristinano la risposta allo stress possono ri-pendere la bilancia dalla malattia verso la salute e affrontare i molteplici difetti associati alla malattia. Questo studio suppone che la perdita di risposta allo stress cellulare in tessuti insulino sensibili sia l'evento principale che compare nelle fasi iniziali della malattia e che sconvolge l'omeostasi metabolica, portando ad una cascata di esiti patologici dimostrandosi perciò come un fattore fondamentale per le manifestazioni cliniche della malattia, come obesità, infiammazione, disfunzione β-cellulare, insulino-resistenza, dislipidemia, disfunzione mitocondriale e vulnerabilità degli organi. È importante sottolineare che, la correzione del difetto attraverso una varietà di mezzi ripristina il funzionamento dei sistemi di diversi organi colpiti da diabete di tipo 2 (fegato, muscolo, rene, cuore, cervello e cellule β). Viceversa, inducendo il difetto si ha l’insorgenza della malattia. Infatti, difetti nella risposta allo stress si verificano prima dello sviluppo della intolleranza al glucosio, e il ripristino dei fattori adiuvanti della risposta allo stress è associato alla risoluzione di tutte le condizioni associate alla sindrome metabolica. In questa trattazione considereremo il ruolo di un’ alterata attività delle Hsp come un evento fondamentale nella patogenesi del diabete di tipo 2.
Contesto: esercizio fisico, ipertermia, e diabete
La modificazione dello stile di vita è un intervento primario nel miglioramento di tutte le caratteristiche principali della malattia: iperglicemia, dislipidemia, obesità e ipertensione. Infatti, il Diabetes Prevention Program ha rilevato che modificazioni dello stile di vita possono essere più efficaci della terapia farmacologica(122). E’ stato ipotizzato che il tentativo di imitare gli effetti fisiologici dell’esercizio
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riscaldando il corpo potrebbe duplicare gli effetti benefici dell’ esercizio sul controllo glicemico nel diabete di tipo 2. E’ stato concluso che il muscolo scheletrico è l'organo principale che consuma il glucosio in risposta all'insulina e previsto che il semplice riscaldamento muscolare potrebbe migliorare gli indici di glucosio. In effetti, trattando pazienti con diabete di tipo 2 con sommersione parziale in una vasca calda per 30 minuti, 6 giorni alla settimana per 3 settimane, si sono verificati miglioramenti dei livelli della glicemia a digiuno, un calo dell'1% in HbA1, una tendenza verso la perdita di peso, e il sollievo dei sintomi neuropatici(123). Il miglioramento neuropatico ha suggerito che il calore ha fatto di più che migliorare il flusso di sangue ai muscoli; pertanto, sono stati esplorati i meccanismi cellulari che accompagnano la risposta al calore sulla base di una vasta letteratura, al di fuori della medicina clinica, relativa alle proteine da shock termico (HSP). Kurucz ha poi riflettuto sullo studio della vasca riscaldata e esaminato RNA messaggero (mRNA) della proteina 70 di shock termico (Hsp 70) nel muscolo scheletrico di pazienti con diabete di tipo 2, di soggetti con intolleranza al glucosio e di gemelli identici euglicemici di soggetti intolleranti al glucosio. Tutti i soggetti, compresi i gemelli euglicemici, avevano mHsp70 muscolari inferiori rispetto ai soggetti di controllo e livelli positivamente correlati con la sensibilità all'insulina(124). Come vedremo di seguito, quasi tutte le caratteristiche patologiche di diabete di tipo 2 e delle sue complicanze possono essere trattate mediante l'induzione di HSP che agiscono sull'ipertermia di tutto il corpo, sulla modificazione genetica e sugli agenti farmacologici.
Che cosa sono le HSP?
Le HSP (heat shock proteins) o chaperones di I classe (così chiamate perché scoperte durante studi di denaturazione delle proteine mediante
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calore) sono normalmente presenti nelle cellule in qualità di chaperones molecolari ma vengono prodotte in maggior quantità in seguito a shock termico e proteggono le cellule ed i loro organelli dagli insulti stressanti, da fonti di calore, dal freddo, dall'ossidazione, dai radicali liberi, dalle tossine, o dall'ipossia. Esse proteggono l'integrità delle proteine favorendo il loro ripiegamento, impedendo l'aggregazione, o degradando le proteine non funzionali dal citoplasma. Sono spesso antiinfiammatori all'interno della cellula, ma possono avere un’ azione pro-infiammatoria al di fuori della cellula, agendo come sensori segnale che avvisano il corpo in presenza di minacce esterne. Le HSP garantiscono la conservazione della struttura delle membrane superficiali, dei mitocondri, del reticolo endoplasmatico; permettono la fedeltà nucleare e partecipano nel meccanismo di trasporto intracellulare. HSP contribuiscono alla guarigione delle ferite, del danno da riperfusione dell'ischemia e alla sopravvivenza dalla sepsi(125).
Livelli di HSP nel diabete
In entrambi i tipi di diabete, i livelli delle IHSP [(iHsp70 (iHsp72, HSPA1A), iHsp27, e dell’ emeossigenasi (IHSP32)] e la loro risposta allo stress sono bassi nei tessuti sensibili all'insulina, soprattutto nel muscolo scheletrico, nel cuore, nel fegato e nei monociti(124). Il calo delle iHSP è probabilmente una conseguenza della disattivazione del principale regolatore delle iHSP, HSF1(126). All'interno dei vari muscoli scheletrici, l'espressione di HSP è associata alla capacità ossidativa. Fibre a contrazione lenta mostrano livelli più elevati dell'espressione di HSP, mostrano una minore attivazione delle citochine infiammatorie, e un migliore signaling dell'insulina rispetto alle fibre a contrazione rapida
(127)
. Inoltre, i diabetici hanno una ridotta quantità di fibre lente che è correlata alla gravità dell’ insulino-resistenza(128)
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debilitante per la funzione di Hsp70 è la sua glicazione, che blocca la capacità di ripiegamento della proteina(129). La perdita di segnalazione dell'insulina è promossa dalla disattivazione di HSF1 tramite la sua fosforilazione inibitoria di da parte della glicogeno sintasi chinasi 3-β (GSK-3β). Bassi livelli di HSP quindi favoriscono una maggiore attivazione delle citochine infiammatorie, c-Jun Nterminal chinasi (JNK) e IkappaB chinasi (Pikk-β), che fosforilano la serina 307 di IRS1 e interferiscono con il signaling dell'insulina. Quindi, viene creato un circolo vizioso in cui l'infiammazione indotta dall’ insulino resistenza comporta minori livelli di HSP e un'ulteriore infiammazione(130). I livelli di iHSP sono inversamente correlati con il tasso di smaltimento del glucosio, con l'insulino resistenza, con le citochine infiammatorie, con i livelli di GLUT4, e con la funzione mitocondriale(131). Bassi livelli di iHsps contribuiscono ad una compromessa risposta allo stress in una malattia, come il diabete, in cui si verifica un’alterazione nella glicazione e nell’ossidazione delle proteine, nella formazione di radicali liberi, nell'aggregazione proteica, e nell'infiammazione, e potrebbero perciò essere un indizio per l'eziologia della malattia stessa dovuta allo squilibrio dell'omeostasi. D'altra parte, i livelli extracellulari di HSP nel siero sono superiori al normale in t2DM e aumentano ulteriormente con la durata del diabete di tipo 2, con valori maggiori di glicemia e con l'infiammazione(132). Obesità e diabete di tipo 2 sono associati allo stress del reticolo endoplasmatico. HSP72 si lega direttamente alla IRE1α e migliora il siganaling di IRE1α-XBP1 dello stress di ER e così la sopravvivenza cellulare(133). Inoltre, la riduzione dello stress di ER con agenti che aumentano chaperon ER, è associato al miglioramento di obesità e diabete(134). L'HSF1 stimola direttamente l'espressione della occludina, la proteina di giunzione a tenuta(135). Il diabete induce difetti a livello delle giunzioni strette intestinali che portano ad un’ endotossemia
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cronica e aggravano l'infiammazione sistemica(136). L'attività alterata di HSF1 nel diabete di tipo 2 può contribuire all'endotossemia dell'intestino. Inoltre, difetti nelle tight junction contribuiscono alla patologia renale e retinica associata al diabete(137).
Invecchiamento , diabete e HSP
Il t2DM è una malattia legata all'età che riduce la longevità e accelera molte delle caratteristiche associate all'invecchiamento. Si pensa che le
HSP svolgano un ruolo fondamentale nella longevità e
nell'invecchiamento(138). I livelli citoplasmatici di Hsp70 sono stati esaminati in diverse specie ed i livelli più elevati conferiscono una durata della vita maggiore(139). Ad esempio, negli invertebrati, la sovraespressione della HSP70 conferisce un'estensione di più del 40% della durata della vita(140). Nel Caenorhabditis elegans , il fattore di trascrizione che regola HSP, HSF, è necessario per i mutanti daf -2 per esprimere il loro fenotipo di longevità. Questi mutanti hanno ridotto la funzione del recettore del fattore di crescita insulino-simile e il doppio della durata prevista(141). L'invecchiamento è generalmente associato a iHSP inferiori; tuttavia, studi a lungo termine condotti su primati non umani, dimostrano che nonostante lo sviluppo di insulino-resistenza tramite una dieta ricca di grassi che riduce i livelli di iHsp, questi non invecchiano(142). È interessante notare che le malattie neurodegenerative come il Parkinson e il morbo di Alzheimer presentano una maggiore incidenza nei pazienti con diabete tipo 2 (143). Queste malattie hanno come aspetto comune una perdita di segnalazione dell'insulina nel cervello e nelle cellule β del pancreas di pazienti affetti da diabete di tipo 2, con accumulo e aggregazione del precursore dell’amiloide(144). La sensibilità all'insulina come meccanismo di invecchiamento centrale è supportata dai modelli di topo più longevi, che hanno un'alta sensibilità
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all'insulina attraverso la modificazione genetica dell’ormone della crescita biologico(145). Mentre le iHSP non sono state misurate nei neuroni o nelle cellule β in vivo, la probabile perdita di segnalazione dell'insulina riduce le iHSP in questi tessuti, con conseguente accumulo di proteine funzionalmente anomale. La somministrazione di insulina e Hsp70 può ridurre l'accumulo di amiloide nel cervello(146). Come l'invecchiamento, il t2DM accelera la perdita dei telomeri di protezione del genoma(147) in quanto la conservazione dei telomeri dipende da una funzionante risposta allo stress cellulare (148). Quindi disregolazioni dei livelli HSP indotti dal diabete di tipo 2 potrebbero accelerare l'invecchiamento(149). Infine, l'invecchiamento ed il diabete sono entrambi associati con la riduzione della fluidità della membrana. Questi
cambiamenti nell'organizzazione della membrana possono
compromettere la salute della membrana perturbando il signaling e attenuando il calore in risposta allo shock che conduce ad un circolo vizioso per cui l'invecchiamento riduce l'induzione delle Hsp, fattore che promuove l'invecchiamento attraverso la sopravvivenza delle cellule ridotte e l'accumulo di proteine ossidate(150).
L’importanza della membrana nell’induzione HSP
Nel tentativo di capire come la composizione della membrana possa modulare la risposta allo stress e agire da sensore di stress e/o di temperatura per attivare la risposta allo stress cellulare, sono state trovate prove di una correlazione diretta tra fluidizzazione della membrana e la risposta delle Hsp nelle cellule di mammifero. Lo spostamento termico della fluidità di membrana indotta dal calore è stato duplicato da fluidificanti di membrana (come l'alcool benzilico e eptanolo). La formazione di stati di membrana isofluidi in risposta agli agenti chimici ha aumentato l'espressione di Hsp70 a temperature fisiologiche. E'
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importante sottolineare che l'attivazione dell'espressione di Hsp indotta da fluidificanti della membrana non è stata indotta da un segnale di dispiegamento della proteina(151). I grassi saturi animali sono solidi, mentre la maggior parte dei grassi vegetali o di origine marina sono insaturi e liquidi a temperatura ambiente. Intuitivamente, non è sorprendente che ci sia un'associazione tra il tipo di grassi alimentari consumati, la composizione degli acidi grassi della membrana, e lo sviluppo del diabete(152). Meno evidente è il concetto che l'esercizio di resistenza da solo possa modificare il contenuto degli acidi grassi della membrana determinando così una riduzione di grassi saturi e una maggiore fluidità della membrana(153). I pazienti con diabete di tipo 2 hanno un rapporto di acidi grassi saturi/cis-insaturi maggiore nelle membrane (con conseguente minore fluidità della membrana)(152). Un elevato apporto di acido oleico normalizza il rapporto acidi grassi saturi/insaturi, ripristina la corretta fluidità di membrana e migliora la glicemia(154). Il consumo di grassi trans-insaturi, la cui struttura e gli effetti sulla struttura della membrana risultano simili a quelli dei grassi saturi, è invece associato al diabete e ad altri problemi di salute(155). Sulla base dell'ipotesi del sensore di membrana, si ipotizza che una dieta ricca di acidi grassi cis-insaturi possa essere utile nel trattamento del diabete e nel rimodellamento della membrana e quindi nell'up-regulation delle Hsp70(150).
Vie metaboliche comuni di esercizio fisico, del calore, e degli induttori Hsp
Lo stress dell’esercizio determina una risposta fisiologica che assicura la sopravvivenza tramite l’attivazione di eventi metabolici fondamentali diretti a una riduzione temporanea dell'anabolismo (grasso, glicogeno e la sintesi proteica) e alla generazione di ATP. Esercizio, shock termico, e
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molti degli induttori Hsp a livello cellulare attivano AMPK, mTOR, PGC1α e SIRT1, in particolare nel muscolo scheletrico e nel fegato. L'effetto biologico netto è l’aumento dell'ossidazione dei grassi, la produzione di energia ossidativa e la biogenesi mitocondriale(156). Con l'esercizio di condizionamento, la tolleranza allo stress aumenta, si guadagna massa muscolare, mentre l'infiammazione e la massa grassa viscerale sono ridotte. Shock termico e induttori HSP attivano le stesse vie e possono migliorare la tolleranza all'esercizio(157). L’esercizio, lo shock termico e gli induttori HSP multitargets che interagiscono con la membrana (come i derivati dell'acido idrossimico) attivando molte delle stesse vie metaboliche, aumentano l’ autofosforilazione del recettore dell'insulina, la fosforilazione inibitoria del blocco di JNK del recettore dell'insulina e la fosforilazione di Akt; attivano mTOR e il substrato 1 della tossina botulinica C3 correlata al ras (RAC1); aumentano la traslocazione del GLUT4 e l'assorbimento del glucosio e il secondo messaggero H2O2; rimodellano le membrane; aumentano AMPK;
diminuiscono l'acetilazione di HSF-1; disattivano la glicogeno sintasi chinasi (GSK) e l’inibizione di HSF-1, aumentano l'attivazione di HSF- 1, inibiscono la ribosio polimerasi poli ADP (PARP), aumentano la biogenesi e la funzione mitocondriale, aumentano le HSP che ripristinano l'elasticità della risposta allo stress e la sopravvivenza delle cellule beta, del cuore, del rene e del fegato; aumentano l'espressione dell’ occludina e la funzione di barriera delle tight junction, attivano il potenziale di recettore transitorio del sensore di calore (TRP), che rilascia il calcio come secondo messaggero per attivare la definitiva HSF1 e PGC1α per aumentare la funzione e la sintesi mitocondriale(135).
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L’induzione di HSP indirizza tutte le diverse caratteristiche patologiche associate al diabete di tipo 2
Considerando il diabete di tipo 2 come una malattia infiammatoria sistemica multiorgano e definendolo "diabete mellito sistemico"(144), non è difficile capire perché diversi organi risentono degli effetti del diabete di tipo 2 e perchè la malattia è associata a comorbilità come il cancro, malattie neurodegenerative e malattie cardiovascolari. Anche altre malattie infiammatorie apparentemente non correlate, come l'asma e l'artrite reumatoide sono associate al diabete di tipo 2(158). Il diabete di tipo 2 che promuove l'invecchiamento precoce può contribuire all’insorgenza di gravi patologie distruttive. Migliorare la risposta allo stress cellulare tramite la via dell’ induzione di proteine da shock termico può svolgere un ruolo fondamentale nel trattamento di diabete di tipo 2 e delle sue complicanze. L'induzione di Hsp è in grado di promuovere effetti pleiotropici benefici su diverse patologie associate al diabete tipo 2 come mostrato nella figura sottostante.
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Sulla base di queste considerazioni possiamo quindi asserire che la perdita della risposta allo stress cellulare è legata al nucleo della patogenesi della sindrome metabolica e nei muscoli con basso iHSP si verifica anni prima che appaiano le anomalie metaboliche. Uno stile di vita sedentario, con accesso immediato alle calorie porta ad un inadatto, fenotipo incondizionato. I nostri tessuti si sono evoluti nel corso di millenni per sopravvivere ad un ambiente rigoroso con impulsi regolari di stress e di infiammazione e non sono preparati a prosperare in uno stile di vita sedentario e calorico eccessivo. L'induzione di iHSP può garantire che i fattori di stress influenzino positivamente la sopravvivenza ed la forma fisica. E’ stato anche accennato al contributo fornito dalla dieta nella capacità ossidativa mitocondriale; poiché i nutrienti interagiscono con i fattori di trascrizione sono in grado di regolare l’espressione genica e sono implicati in numerosi processi biologici. L’aumento dell’incidenza del DM2 è il risultato anche di un
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eccessivo introito alimentare. L’eccessivo afflusso di nutrienti nei tessuti periferici determina lo sviluppo di grasso ectopico, incrementi dei livelli di ROS e disfunzioni degli organi, alterazioni definite come lipotossicità per indicare il danno dovuto all’accumulo di acidi grassi e glucotossicità per indicare il danno dovuto all’accumulo di glucosio. Ultimamente sono nate nuove discipline nel campo della nutrizione come la nutrigenomica e la nutrigenetica che esaminano rispettivamente l’impatto della nutrizione sul genoma e la risposta genetica a interventi nutrizionali.
VARIAZIONE GENETICA DEL RECETTORE ATTIVATO