Obesità, cancro e infiammazione

L’obesità e lo sviluppo di cancro sono entrambi dipendenti dall’assunzione di energia e dalla disponibilità di nutrienti, ma sono anche caratterizzati da un’infiammazione di basso grado (piccolo, ma cronico aumento di differenti marker infiammatori nel sangue e negli organi) (Iyengar et al., 2016, Deng et al., 2016) (Figura 12). In uno studio nel 2007, l’infiammazione nei topi, associata all’obesità, ha trovato la sua origine all’interno dell’intestino e più precisamente attraverso la fuoriuscita di specifiche molecole derivanti dal microbiota intestinale, come LPS, condizione definita endotossiemia metabolica (Akira et al., 2001). Da questa scoperta, diversi studi hanno dimostrato l’esistenza di endotossiemia metabolica nell’uomo con obesità e/o diabete (Gomes et al., 2017). In effetti, la

maggior parte dei pazienti con

Figura 12. Disfunzione della barriera intestinale e infiammazione di

80 obesità e/o DMT2 mostra un aumento nei livelli circolanti di marker infiammatori, come IL-6 (aumentato anche in organi specifici come muscoli, fegato e tessuto adiposo), IL-1, TNF e proteina-1 chemoattractant dei monociti (MCP1 o CCL2) (Weisberg et al., 2003, Creely et al., 2007). Da notare che, tutte queste specifiche citochine sono segnalate attraverso NF-B e, oltre alla sua associazione con l’obesità e il diabete, una regolazione anormale di NF-B è stata correlata anche al cancro (Clevers et al., 2004, Mantovani et al., 2010). Nel 2004 due articoli, pubblicati da Pikarsky et al. (Pikarsky et al., 2004) e Greten et al. (Greten et al., 2004), hanno dimostrato che NF-B svolge un ruolo importante all’inizio della carcinogenesi epatica e intestinale, rispettivamente. Ad esempio, Pikarsky et al. hanno scoperto che, prevenire l’attivazione di NF-B negli epatociti è stato sufficiente per inibire lo sviluppo di tumori epatici nei topi esposti a infiammazione epatica cronica per 7 mesi (Pikarsky et al., 2004). Il secondo studio ha dimostrato che, la colite classica indotta ha soppresso la carcinogenesi in topi in cui il target è la via NF-B (Greten et al., 2004).

Pertanto, entrambi gli studi hanno scoperto che, prevenire l’attivazione di NF-B porta alla morte di più cellule che in teoria avrebbero provocato il cancro (Pikarsky et al., 2004, Greten et al., 2004, Mantovani et al., 2010) (Figura 13). Pertanto, gli stati infiammatori di basso grado, associati con l’obesità e il cancro, condividono fattori simili scatenanti e LPS è uno degli esempi più studiati di questi agenti scatenanti. Fisiologicamente, LPS viene continuamente rilasciato nell’intestino dalla morte di batteri Gram-negativi e poi traslocato nelle cellule intestinali, attraverso un meccanismo TLR4-dipendente (Neal et al., 2006). Questo viene, quindi, trasportato dall’intestino verso i tessuti target nella circolazione da un meccanismo che coinvolge i chilomicroni appena sintetizzati dalle cellule epiteliali intestinali, in risposta all’ingestione di grassi (Ghoshal et al., 2009). In situazioni normali, l’ingresso di LPS nella circolazione è adeguatamente gestito dal sistema immunitario e da meccanismi di disintossicazione (Guerville et al., 2016), ma sia negli uomini che nei topi con obesità e diabete, i livelli plasmatici di LPS sono almeno raddoppiati, rispetto ai controlli sani, anche in uno stato di digiuno (Cani et al., 2007, Gomes et al., 2017, Cani et al., 2008, Derrien et al., 2010). Tuttavia, nonostante l’elevato volume di microrganismi che vive all’interno dell’intestino, separato dall’ambiente interno solo da un’unica singola cellula epiteliale, nessuno o solo pochi microrganismi o componenti batterici della membrana si trovano nel sistema circolatorio. Pertanto, la funzione batterica intestinale deve essere altamente efficace.

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a) Funzione immunitaria

Sebbene sia noto che, una dieta ricca di grassi induca cambiamenti nel microbiota intestinale e nella permeabilità intestinale e aumenti l’infiammazione di basso grado, un’analisi del 2017 di studi randomizzati controllati dal 2010 al 2016 ha riscontrato che, la maggior parte degli interventi dietetici mostravano effetti nulli o minori dell’assunzione di grassi nella dieta sui marker infiammatori in pazienti con sovrappeso e obesità (Telle-Hansen et al., 2017).

Oltre alla dieta e ai fattori fisici che contribuiscono sulla barriera intestinale (muco, rinnovamento delle cellule epiteliali e proteine tight junction), si deve prendere in considerazione il sistema

immunitario dell’intestino. In effetti, il sistema immunitario intestinale si basa su una precisa organizzazione delle cellule immunitarie nei diversi strati della mucosa intestinale; per esempio, le cellule T risiedono in tutta la mucosa, mentre le cellule B e le cellule immunitarie innate si trovano principalmente nelle strutture linfoidi e nella lamina propria (Schulz et al., 2013). Usando l’intervento dietetico o la delezione genetica di cellule intestinali

immuni, Luck et al. (Luck et al., 2015) hanno mostrato prove meccanicistiche e un legame inequivocabile tra dieta ricca di grassi indotta dall’obesità, infiammazione a basso grado e cambiamenti nelle residenti cellule immunitarie nell’intestino. Ad esempio, nutrendosi con una dieta ricca di grassi, gli autori hanno trovato una riduzione di cellule T regolatorie (Treg) nell’intestino, uno spostamento pro-infiammatorio in alcune popolazioni di cellule T adattative e innate e traslocazione di LPS.

È interessante notare che, nonostante l’infiammazione intestinale e la perdita della tolleranza immunitaria siano state associate a una grave infiammazione intestinale, a danni tissutali e al cancro colon-rettale (Wang et al., 2013), i dati confermano anche un accumulo di

Figura 13. Meccanismi attraverso i quali l’infiammazione legata

all’obesità e i metaboliti microbici modulano il cancro gastrointestinale (Cani et al., 2018).

82 cellule T nell’intestino di pazienti con obesità, che praticano una dieta ricca di grassi e povera di carboidrati, fenomeni che si correlano anche con le co-morbilità di rischio cardiovascolare, come l’infiammazione sistemica, iperglicemia e insulino-resistenza (Monteiro-Sepulveda et al., 2015). Al contrario, un altro tipo di cellule immunitarie, le cellule T invarianti associate alla mucosa (MAIT) (cellule T innate-simili), si sono drammaticamente ridotte nel sangue di pazienti con obesità e DMT2, ma queste cellule mostrano un fenotipo attivato con l’elevatore T elevato (Tn1) cellule simili e TH17, cellula simile a una cellula che produce citochine

(Magalhaes et al.,2015). Vale la pena notare che, alcuni studi hanno suggerito che, anche queste cellule hanno un effetto (benefico o deleterio) sull’immunità della barriera intestinale e sull’immunità tumorale, rivelando quindi la dicotomica naturale delle cellule TH17 nel cancro (Dahal et al., 2017, Stockinger et al., 2017).

b) Caratteristiche comuni nell’obesità e nel cancro

Simile all’obesità e ai disturbi metabolici, l’infiammazione è riconosciuta come la caratteristica abilitante dello sviluppo del cancro, fornendo supporto per molteplici caratteristiche distintive di tumori, compresa la fornitura di molecole bioattive, come la crescita, la sopravvivenza e i fattori pro-angiogenici, ad un microambiente tumorale e a segnali induttori, portando all’attivazione della transizione epiteliale-mesenchimale e all’espressione degli enzimi di rimodellamento dei tessuti (Hanahan et al., 2011) (Figura 13). Inoltre, anche l’infiammazione è responsabile della produzione di specie reattive dell’ossigeno (ROS) e specie reattive dell’azoto, che sono mutagene e possono guidare le mutazioni negli oncogeni e nei geni tumorali soppressori, una caratteristica che non è limitata al cancro gastrointestinale, ma è valido per altri tipi di tumore (Dzutsev et al., 2015, Grivennikov et al., Hussain et al., 2003). In effetti, l’aumento di ROS dai neutrofili polimorfonucleari (PMN) nel sito dell’infiammazione provoca disfunzione endoteliale e lesioni tissutali. In condizioni infiammatorie, lo stress ossidativo prodotto da PMN porta all’apertura delle giunzioni inter-endoteliali e promuove la migrazione di cellule infiammatorie attraverso la barriera endoteliale (Mittal et al., 2014). È interessante notare che, la presenza di cellule immunitarie adattive all’interno del tumore dimostra di essere un buon predittore della progressione del tumore nel carcinoma del colon-retto (Galon et al., 2013). Le molecole chiave coinvolte nell’infiammazione, mediata dalla carcinogenesi, sono simili a quelle implicate nell’obesità: TLR, molecole di segnalazione NF-B e citochine pro- infiammatorie e anti-infiammatorie, ma la carcinogenesi, guidata dall’infiammazione,

83 coinvolge anche la proteina chinasi attivata dal mitogeno (MAPK), una chinasi regolata dal segnale extracellulare di segnalazione (ERK), un traduttore di segnale e attivatore della via di trascrizione 3 (STAT3), i fattori di crescita, come il fattore di crescita epidermica (EGF), il fattore di crescita vascolare endoteliale (VEGF) e il fattore di crescita dei fibroblasti 2 (FGF2), le proteine chinasi soppressori del tumore e della degradazione della matrice di enzimi, come la matrice metallo-proteinasi 9 (MMP9) (REFS Hanahan et al., 2011, Li et al., 2014, Oke et al., 2017). Di conseguenza, infiltrazioni tumorali di cellule infiammatorie hanno dimostrato di indurre e aiutare a sostenere l’angiogenesi tumorale, di stimolare la proliferazione di cellule tumorali, di facilitare l’invasione dei tessuti e supportare la diffusione metastatica e la semina di cellule tumorali (Hanahan et al., 2011).

Esistono collegamenti diretti tra il microbiota intestinale e lo sviluppo del cancro gastrointestinale, attraverso la modulazione dell’infiammazione e della funzione immunitaria. Per esempio, l’esaurimento del microbiota intestinale, che fornisce l’attivazione di TLR- MAMP, come LPS, nei topi riduce lo sviluppo del cancro nel colon e nel fegato (Pradere et al., 2014, Li et al., 2012). TLR, regolatore chiave di segnalazione infiammatoria, mediato da MYD88-dipendenti e MYD88-indipendenti, potrebbe promuovere la carcinogenesi, attraverso segnali pro-infiammatori, anti-apoptotici, proliferativi e pro-fibrogenici nel microambiente tumorale o nelle stesse cellule tumorali (Pradere et al., 2014) (Figura 13). Un’associazione tra l’espressione genica TLR positiva e l’aumento dei livelli della proteina TLR nel sangue è stata osservata nella carcinogenesi al colon umano (Pimentel-Nunes et al., 2013). Allo stesso modo, Lu et al. hanno dimostrato che, i tessuti tumorali del colon-retto umani hanno livelli di espressione genica più elevati di TLR1, TLR2, TLR4, TLR8, IL-6 e IL-8, rispetto alla normale mucosa del colon. È importante notare che, i TLR esercitino un ruolo dicotomico nel cancro (Pradere et al., 2014): l’entità e la durata dell’attivazione del recettore potrebbero avere un effetto critico sul risultato, per cui l’attivazione di TLR a basso grado di cronicità potrebbe favorire la promozione dello stato pro-infiammatorio del tumore, mentre l’attivazione di TLR ad alto livello potrebbe promuovere una risposta tumorale. Infatti, l’alta espressione dei TLR da parte di cellule anti-geniche, comprese le cellule dendritiche, e la loro capacità di indurre mediatori antitumorali, come l’interferone di tipo I, sono i motivi per cui gli antagonisti del TLR sono considerati nel tumore una terapia per convertire la risposta immunitaria spesso tollerante verso una riposta antitumorale. Al contrario, i TLR sono anche riconosciuti come regolatori dell’infiammazione, che promuovono il tumore, e promotori di segnali tumorali di sopravvivenza (Pradere et al., 2014).

84 Gli effetti di TLR2 e TLR4 e i membri MYD88 della famiglia TLR sembrano essere le funzioni globali della promozione tumorale nel colon, nel fegato e nel pancreas (Pradere et al., 2014) (Figura 13). Ad esempio, l’eliminazione di TLR4 o MYD88 riduce lo sviluppo del cancro al colon nei topi (Fukata et al., 2011, Rakoff-Nahoum et al., 2007), mentre la sovra- espressione di TLR4 aumenta la neoplasia associata alla colite (Fukata et al., 2009). È stato dimostrato che, l’attivazione di MYD88 promuova lo sviluppo del cancro colon-rettale in modo spontaneo e in modelli induttori carcinogenesi di tumore intestinale (Rakoff-Nahoum et al., 2007) da segnali, attraverso il recettore IL-18 (Salcedo et al., 2010). Uno studio ha dimostrato risultati opposti riguardo la sovra-espressione di TLR4, trovando una riduzione del carico tumorale nel cancro colon-rettale, tramite l’aumento dell’apoptosi delle cellule tumorali (Li et al., 2014). I dati favoriscono anche un ruolo di promozione tumorale di TLR4 nel fegato e nel pancreas (Pradere et al., 2014, Yu et al., 2010, Ochi et al., 2012). In effetti, l’ablazione di TLR4 ha dimostrato di sensibilizzare il fegato dalla tossicità indotta da sostanze cancerogene, attraverso il blocco dell’attivazione di NF-B, e da ROS, ma ha anche dimostrato di ridurre l’infiammazione mediante la proliferazione compensata (Yu et al., 2010). Altri hanno mostrato che, TLR4 era richiesto per la promozione del carcinoma epatocellulare (HCC), dove media una maggiore proliferazione cellulare e previene l’apoptosi (Dapito et al., 2012). Nel pancreas, l’inibizione di TLR4 e il blocco di MYD88 ha dimostrato di essere protettivo contro la tumorigenesi (Ochi et al., 2012). Gli effetti promotori del tumore di TLR4 nel cancro al pancreas sono mediati da cellule che derivano dal midollo osseo (Ochi et al., 2012). È interessante notare che, topi, privi di segnalazione TLR4, erano protetti dall’obesità indotta dalla dieta, dall’infiammazione, dalla disfunzione della barriera intestinale ed eventualmente infiammazione (Cani et al., 2007, Everard et al., 2014). Inoltre, il microbiota intestinale da topi privi di epitelio intestinale MYD88 protegge i topi GF riceventi dai disordini metabolici, indotti dai grassi e infiammazioni, suggerendo un ruolo importante del microbiota intestinale nell’obesità indotta dalla dieta (Everard et al., 2014). Oltre ai TLR, i membri della famiglia NLR (Recettori NOD-like) hanno suggerito di svolgere un ruolo nel carcinoma colon-rettale ed è stato descritto un ruolo protettivo per NOD1 (Dominio di oligomerizzazione legante il nucleotide 1), recettore delle cellule immunitarie ed epiteliali, che segnala la via NF-B (Salcedo et al., 2010). L’eliminazione di NOD1 o NOD2 (Dominio di oligomerizzazione legante il nucleotide 2) nei topi è risultata in un up-regolazione di citochine infiammatorie e formazione di tumore intestinale (Chen et al., 2008, Couturier- Maillard et al., 2013). I dati suggeriscono che, durante l’obesità indotta dalla dieta il

85 rilevamento del peptidoglicano da parte di NOD2 è la chiave per mantenere la funzione della barriera intestinale (Denou et al., 2015). Più precisamente, è stato dimostrato che, l’eliminazione di NOD aumenta la colonizzazione batterica della mucosa intestinale, l’infiammazione metabolica e l’insulino-resistenza (Denou et al., 2015). Ancora una volta, tutti questi dati suggeriscono forti somiglianze tra le vie di segnalazione del microbiota intestinale nell’infiammazione, relative all’obesità e allo sviluppo del cancro.

In sintesi, simile all’obesità e ai disturbi correlati, tutti questi esempi mostrano la prova che, diversi tipi di tumore gastrointestinale sono associati con la disfunzione della barriera intestinale, innescata dalle vie LPS, TLR4, MYD88 o NF-B (Li et al., 2014, Dapito et al., 2012, Ochi et al., 2012, Ikebe et al., 2009) e anche dalla segnalazione NOD (Chen et al., 2008, Denou et al., 2015). L’associazione più comune è nella colite ulcerosa, che conferisce il cancro colon-rettale (Velcich et al., 2002, Huang et al., 2017), in cui l’alterazione della barriera intestinale e le diverse infiammazioni e i fattori immunitari contribuiscono allo sviluppo del cancro.

Oltre allo stretto rapporto tra fattori microbici nelle vie infiammatorie, il microbiota intestinale esercita effetti in siti anatomici distanti, come nel fegato, che riceve nutrienti ma anche componenti microbici provenienti direttamente dal tratto gastrointestinale, attraverso il sangue dal sistema venoso portale. In effetti, la traslocazione di componenti batterici, come LPS, sembra essere legato con il tumore epatico (Dapito et al., 2012, Yu et al., 2010, Li et al., 2017), spiegando così perché un organo, che non contiene un microbiota noto, potrebbe essere influenzato dal microbiota intestinale (Yoshimoto et al., 2013). Ad esempio, sebbene sia associato con LPS, il cancro pancreatico sembra essere per lo più collegato con LPS proveniente dalla cavità orale (Ikebe et al., 2009, Ogrendik et al., 2017), suggerendo fortemente che il ruolo del microbiota nella carcinogenesi è organo-specifico, ma collegato a inneschi simili, come LPS (Figura 13).