Scuola di Specializzazione in Geriatria, Università di Napoli “Federico II”,
Dir. Prof. Nicola Ferrara - Seminario del 2 dicembre 2015
Meccanismi dell’invecchiamento
secondo la tesi dell’invecchiamento programmato
(Programmed Aging Paradigm)
Giacinto Libertini
www.r-site.org
www.programmed-aging.org
[email protected]
Vi sono due interpretazioni antitetiche per spiegare l’invecchiamento [1].
Esse sono del tutto differenti fra di loro e con importanti opposte implicazioni.
Per tale motivo meritano la definizione di “paradigma” [2].
La prima (“vecchio paradigma”) spiega l’invecchiamento come
l’effetto cumulativo di fattori eterogenei insufficientemente
contrastati dalla selezione naturale [3]: l’invecchiamento è forse
il principale fallimento dell’evoluzione!
La seconda (“nuovo paradigma”) spiega l’invecchiamento come un
fenomeno fisiologico determinato e favorito dalla selezione a livello
sopra-individuale in particolari condizioni [4]: l’invecchiamento è
fra le straordinarie conquiste dell’evoluzione!
Per definizione, i due paradigma sono incompatibili fra di loro.
[1] Goldsmith T. The Evolution of Aging (3rd ed.). Azinet Press, USA, 2013.
[2] Kuhn TS. The Structure of Scientific Revolutions. The University of Chicago Press, Chicago, 1962.
[3] Kirkwood TBL & Austad SN. Why do we age? Nature 2000; 408:233-8.
[4] Libertini G. Empirical evidence for various evolutionary hypotheses on species demonstrating increasing
mortality with increasing chronological age in the wild. TheScientificWorld Journal 2008; 8:183-93.
Secondo il vecchio paradigma l’invecchiamento
NON esiste come entità distinta ed è solo un termine
di comodo per indicare un insieme di fenomeni
eterogenei e distinti.
In coerenza con tale paradigma:
- Nella vigente classificazione internazionale delle
malattie (la 10 [1]), e anche nelle precedenti (v. ad es.
la 9 [2]), non esiste un codice distinto per definire
l’invecchiamento.
- Nelle stime statistiche 2014 dell’OMS / WHO, che
considerano 86 cause di morte, l’invecchiamento
NON è considerato fra le cause di morte [3].
Anziana donna sarda, morta a 110
anni nel 2015 [4]
Nessuno, nemmeno un ultracentenario, può morire ufficialmente di vecchiaia!
[1] ICD-10, www.who.int/classifications/apps/icd/icd10online/
[2] ICD-9-CM, icd9cm.chrisendres.com/
[3] Word Ranking Total Deaths, www.worldlifeexpectancy.com/world-rankings-total-deaths
[4] www.sardegnalive.net/it/news/centenari-di-sardegna-lelenco-delle-persone-in-vita-piu-longeve-dellanostra-isola
Al contrario, secondo il nuovo paradigma, l’invecchiamento è un fenomeno
fisiologico con una sua distinta identità e che ha, come tutti i fenomeni di questa
natura:
A) un normale funzionamento (ovvero fisiologia) [1];
B) una sua patologia [1];
C) cause evoluzionistiche [2];
D) una sua filogenesi [3].
Per ovvie necessità di tempo, in questa relazione ci occuperemo solo del punto A.
[1] Libertini G. Prospects of a longer life span beyond the beneficial effects of a healthy lifestyle. In:
Handbook on longevity: genetics, diet & disease. Nova Science Publ., New York, 2009, pp. 35-96.
[2] Libertini G. Non-programmed Versus Programmed Aging Paradigm. Curr Aging Sci 2015; 8:56-68.
[3] Libertini G. Phylogeny of aging and related phenoptotic phenomena. Biochem (Moscow) 2015; 80:152946.
Definizione descrittiva dell’invecchiamento:
Decremento
della
fitness,
ovvero
incremento della mortalità, in funzione
dell’età in popolazioni in condizioni naturali
[1]
vale a dire:
senescenza attuariale in condizioni naturali
[2]
Questa definizione non implica alcuna causa
o meccanismo per l’invecchiamento e ne
descrive solo l’aspetto principale.
[1] Libertini G. An Adaptive Theory of the
Increasing
Mortality
with
Increasing
Chronological Age in Populations in the Wild. J
Theor Biol 1988; 132:145-62.
[2] Holmes DJ, Austad SN. Birds as Animal
Models for the Comparative Biology of Aging: A
Prospectus. J Gerontol A Biol Sci 1995; 50:B59-66.
Alcuni concetti debbono essere chiariti in via preliminare per evitare equivoci
Primo
La condizione in cui l’invecchiamento ha
causato alterazioni massimali delle funzioni
dell’organismo, condizione che potremmo
definire “stato senile” (ad esempio, il
novantenne o il centenario), NON è un
sinonimo di invecchiamento ma solo la fase
finale di tale fenomeno
Kirkwood e Austad ritenevano che poiché non
si osservano individui in tale stato in condizioni
naturali, l’invecchiamento non esiste allo stato
selvatico e pertanto non può essere oggetto di
selezione naturale [1].
[1] Kirkwood TBL, Austad SN. Why do we age? Nature 2000; 408:233-8.
Secondo
L’invecchiamento è presente in condizioni naturali
Nel 2000 Kirkwood e Austad sostenevano che vi era scarsa evidenza che
l’invecchiamento contribuisse in modo significativo alla mortalità in condizioni
naturali [1].
Tredici anni dopo, cinque autori (fra cui l’ultimo era Austad!) dichiaravano una
inconfutabile evidenza del fatto che la senescenza è comunemente rilevata in
condizioni naturali. Ciò era documentato per 175 differenti specie animali sulla base
di 340 differenti studi! [2] “That animals do not senesce in their natural
environment is an oft-quoted fallacy” [2]
Ma in realtà questo era ben noto e documentato assai prima del 2000 [3, 4]!
[1] Kirkwood TBL , Austad SN. Why do we age? Nature 2000; 408:233-8.
[2] Nussey DH et al. Senescence in natural populations of animals: Widespread evidence and its implications
for bio-gerontology. Ageing Res Rev 2013 ; 12(1):214–25.
[3] Libertini G. An Adaptive Theory of the Increasing Mortality with Increasing Chronological Age in
Populations in the Wild. J Theor Biol 1988; 132:145-62.
[4] Ricklefs RE. Evolutionary Theories of Aging: Confirmation of a Fundamental Prediction, with
Implications for the Genetic Basis and Evolution of Life Span. Am Nat 1998; 152:24-44.
Terzo
L’invecchiamento non è affatto una
condizione universale
Esistono molte differenti forme di curve di
sopravvivenza (life table): l’invecchiamento
come l’abbiamo definito e come ci è familiare
è solo una di tali forme [1].
Da notare l’esistenza di molte specie in cui la
mortalità non cresce in funzione dell’età
(“negligible senescence” [2]). In certi casi
addirittura decresce [1].
[1] Jones OR et al. Diversity of ageing across the
tree of life. Nature 2014; 505:169–73.
[2] Finch CE, Longevity, Senescence and the
Genome. The University of Chicago Press,
London, 1990.
Terzo (continuazione) - Per il nuovo paradigma, l’invecchiamento è un particolare
tipo di una categoria generale di fenomeni definita come “fenoptosi” (phenoptosis)
Il concetto di fenoptosi [1, 2] include una vasta categoria
di fenomeni ben noti [3], caratterizzati dall’autosacrificio
di un individuo. Essi sono geneticamente causati o indotti
e regolati, e favoriti dalla selezione naturale in termini di
selezione sopra-individuale.
Etc.
Autogeny
Aphagy in adult
insects
Hormonally triggered
senescence in plants
Death after
spawning
Death of the male associated
with mating / reproduction
invecchiamento (“slow
phenoptosis” [4])
Endotokic matricide
[1] Skulachev VP. Aging is a specific biological function rather than the result of a disorder in complex living
systems: biochemical evidence in support of Weismann's hypothesis. Biochem (Mosc) 1997; 62(11):1191-5.
[2] Libertini G. Classification of Phenoptotic Phenomena. Biochem (Mosc) 2012; 77(7):707-15.
[3] Finch CE. Longevity, Senescence and the Genome, University of Chicago Press, London, 1990.
[4] Skulachev VP. Programmed Death Phenomena: From Organelle to Organism. Ann NY Acad Sci 2002;
959:214-37.
Quarto
I meccanismi dell’invecchiamento e i loro effetti non debbono essere confusi con le
molte malattie di cui frequenza e gravità crescono con l’età [1]
Queste malattie sono la conseguenza di stili di vita a cui l’organismo non è adattato e
sono frequentissime nel mondo moderno.
Spesso costituiscono una accelerazione dei processi fisiologici dell’invecchiamento.
La distinzione fondamentale è che tali processi sono perfettamente prevenibili con
un corretto stile di vita (= quello per il quale siamo modellati dall’evoluzione) e
possono essere oggetto di cure mentre i meccanismi dell’invecchiamento non sono
prevenibili in alcun modo.
Inoltre l’invecchiamente può essere modificato (con tutte le riserve tecniche ed
etiche del caso) ma non può essere oggetto di cure in quanto è un processo fisiologico
e non una malattia (definita come alterazione di un processo fisiologico).
[1] Libertini G. Prospects of a longer life span beyond the beneficial effects of a healthy
lifestyle. In: Handbook on longevity: genetics, diet & disease. Nova Science Publ., New York,
2009, pp. 35-96.
Come si invecchia e muore in condizioni
primitive? Ecco cosa accade secondo
uno studio molto attento e minuzioso [1].
CAUSA DI MORTE
Violenza e accidenti
69%
Infezioni / intossicazioni
20%
Cause congenite
5%
Età anziana
2%
Parto
1%
Altre cause / sconosciuta
3%
100%
Probabilità di decesso in funzione dell’età (in
alto) e life table (in basso) del popolo Ache in
condizioni naturali (periodo della foresta).
Data from Hill and Hurtado [1].
[1] Hill K, Hurtado AM. Ache Life History.
Aldine De Gruyter, New York, 1996.
30%
20%
Come si può avere una idea del calo della fitness utilizzando dati da individui di
popolazioni in condizioni di vita moderna?
I record mondiali di velocità distinti per gruppi di età sono ottimi in quanto si
riferiscono a individui sicuramente in ottimali condizioni di salute.
Record a seconda dell’età. Fonti: per le età < 35 (record
http://en.wikipedia.org/wiki/World_records_in_athletics; per gli altri gruppi
http://www.world-masters-athletics.org/records_output/rec_list_outdoor_m.php.
mondiali),
di
età,
In questa esposizione non saranno discussi gli argomenti teorici e l’evidenza
empirica a favore o contro i due paradigmi, esposti altrove [1]. Saranno descritti
altresì nelle loro linee generali i meccanismi dell’invecchiamento.
Il Nuovo Paradigma predice, e richiede in modo assoluto,
l’esistenza di meccanismi, geneticamente determinati e regolati,
che determinano l’invecchiamento [2].
Al contrario, il Vecchio Paradigma esclude la possibilità che
tali meccanismi esistano [3]: la loro esistenza pertanto
dimostra di per sè che il vecchio paradigma è falso [2].
Nella successiva esposizione saranno utilizzate solo evidenze empiriche chiare,
conosciute e indiscusse.
[1] Libertini G. Non-programmed Versus Programmed Aging Paradigm. Curr Aging Sci 2015; 8:56-68.
[2] Libertini G. Empirical evidence for various evolutionary hypotheses on species demonstrating
increasing mortality with increasing chronological age in the wild, TheScientificWorld Journal 2008;
8:183-93.
[3] Kirkwood TBL & Austad SN. Why do we age? Nature 2000; 408:233-8.
Già nell’ottocento Weissmann a riguardo del meccanismo dell’invecchiamento
osservò che le cellule dei vari tessuti e organi erano soggetti a continuo turnover e
che un rallentamento o il blocco di tale turnover avrebbe progressivamente
pregiudicato o azzerato la fitness dell’organismo [1].
Ma un premio Nobel, Alexis Carrel, “dimostrò” con esperimenti poi rivelatisi
erronei che cellule coltivate in vitro si moltiplicavano un numero illimitato di volte
[2] e che quindi l’ipotesi di Weissmann era insostenibile.
Nel 1961 Leonard Hayflick dimostrò che al contrario le cellule riuscivano a
moltiplicarsi solo un numero limitato di volte [3] e successivamente, nel 1977,
ipotizzò che la base cellulare dell’invecchiamento fosse proprio in questo limite
nella capacità di duplicazione [4].
In pratica dopo 80 anni l’ipotesi di Weissmann era di nuovo ammissibile!
[1] Kirkwood TBL, Cremer T. Cytogerontology Since 1881: A Reappraisal of August
Weissmann and a Review of Modern Progress. Hum Genet 1982; 60:101-21.
[2] Carrel A. Contributions to the study of the mechanism of the growth of connective
tissue. J Exp Med 1913; 18:287-99.
[3] Hayflick L, Moorhead PS. The serial cultivation of human diploid cell strains. Exp Cell
Res 1961; 25:585-621.
[4] Hayflick L. The cellular basis for biological aging. In: Handbook of the biology of aging.
Finch CE, Hayflick L eds, Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1977.
All’inizio non si capiva il meccanismo di questo limite nella duplicazione.
Si vide poi che ogni molecola di
DNA alla fine ha una sequenza
monotamente ripetitiva [1], definita
telomero, e che l’enzima che
permette la duplicazione del DNA,
la polimerasi, non riesce a duplicare
la parte terminale del telomero. Il
progressivo
accorciamento
del
telomero è il fattore che risulta alla
base dei limiti nella duplicazione
cellulare [2].
Ma un enzima, la telomerasi, è in grado di allungare il telomero e di annullare gli
effetti dell’incompleta duplicazione della molecola di DNA ad opera della
telomerasi [3].
[1] Blackburn EH, Gall JG. A tandemly repeated sequence at the termini of the extrachromosomal
ribosomal RNA genes in Tetrahymena. J Mol Biol 1978; 120:33-53.
[2] Olovnikov AM. A theory of marginotomy: The incomplete copying of template margin in enzyme
synthesis of polynucleotides and biological significance of the problem. J Theor Biol 1973; 41:181-90.
[3] Greider CW, Blackburn EH. Identification of a specific telomere terminal transferase activity in
Tetrahymena extracts. Cell 1985; 51:405-13.
Nelle cellule germinali la telomerasi è
perfettamente attiva e quindi la
capacità di duplicazione è illimitata.
Nelle cellule somatiche la telomerasi è
inattiva e quindi la duplicazione è
limitata al massimo.
Nelle cellule staminali dei vari tipi
cellulari e di vario livello l’attività
dell’enzima telomerasi è intermedia ed
è inoltre finemente e variamente
modulata.
Per brevità, i dettagli a riguardo sono omessi ma gli stessi e i riferimenti
bibliografici sono reperibili facilmente (v. [1, 2]).
[1] Libertini G. The role of telomere-telomerase system in age-related fitness decline, a
tameable process. In: Telomeres: function, shortening and lengthening. Nova Science Publ.,
New York, 2009, pp. 77-132.
[2] Libertini G. Phylogeny of aging and related phenoptotic phenomena. Biochem (Moscow)
2015; 80:1529-46.
Tuttavia, alcune evidenze empiriche indicavano che il meccanismo era più
complicato e varie cose necessitavano una spiegazione. In particolare:
A) Con l’accorciarsi del telomero si osservano una serie di alterazioni delle funzioni
cellulari [1];
B) Fra due ceppi di topo con differente lunghezza del telomero, uno di 10 kb e
l’altro di 20 kb, non si osserva una differenza di longevità [1];
C) La longevità di animali clonati a partire da cellule somatiche, e quindi con
telomeri ridotti, in genere non risulta ridotta [1];
D) Nel confronto fra le specie, mancanza di correlazione fra longevità e lunghezza
del telomero [2] o attività della telomerasi [3];
E) Partendo da una popolazione omogenea di cellule, il blocco delle capacità di
duplicazione non avviene in sincronia in tutte le cellule ma appare come un evento
casuale nelle varie cellule ma influenzato dall’accorciarsi del telomero [4, 5].
[1] Fossel MB. Cells, Aging and Human Disease. Oxford University Press, New York, 2004.
[2] Slijepcevic P, Hande MP. Chinese hamster telomeres are comparable in size to mouse telomeres.
Cytogenet. Cell Genet 1999; 85:196-9.
[3] Gorbunova V, Bozzella MJ, Seluanov A. Rodents for comparative aging studies: from mice to beavers.
Age 2008; 30:111-9.
[4] Jones RB, Whitney RG, Smith JR. Intramitotic variation in proliferative potential: stochastic events in
cellular aging. Mech Ageing Dev 1985; 29:143-9.
[5] Pontèn J, Stein WD, Shall S. A quantitative analysis of the aging of human glial cells in culture. J Cell
Phys 1983; 117, 342-52.
Queste difficoltà sono tutte perfettamente superabili (per una sintesi si veda: [1]).
A) Con l’accorciarsi del telomero si osservano una serie di alterazioni delle funzioni cellulari;
Nella cellula capostipite di una linea cellulare, nella “fase di reset”, si forma un cappuccio
nucleoproteico di lunghezza proporzionale alla lunghezza del telomero. Man mano che il
telomero si accorcia con le successive divisioni cellulari, il cappuccio - che rimane di lunghezza
fissa - scivola sulla porzione adiacente di telomero (“subtelomero”) e inibisce delle sezioni del
DNA che regolano l’espressione di altre zone del DNA [1]. Questo effetto è stato chiamato
“telomere position effect”[2] ma è forse più chiaro definirlo “gradual senescence” [3].
[1] Fossel MB. Cells, Aging and Human Disease. Oxford University Press, New York, 2004.
[2] Gottschling DE et al. Position effect at S. cerevisiae telomeres: reversible repression of Pol II
transcription. Cell 1990; 63:751-62.
[3] Libertini G. Phylogeny of aging and related phenoptotic phenomena. Biochem (Moscow) 2015; 80:1529-46.
B) Fra due ceppi di topo con differente lunghezza del telomero, uno di 10 kb e l’altro di 20 kb,
non si osserva una differenza di longevità [1];
C) La longevità di animali clonati a partire da cellule somatiche, e quindi con telomeri ridotti,
in genere non risulta ridotta [1];
Nella fase
di reset, il
cappuccio nucleoproteico si
modella sulla lunghezza del
telomero.
Pertanto
un
telomero più o meno lungo
NON influenza la successiva
inbizione del subtelomero
che
è
in
funzione
dell’accorciamento
del
telomero e non in funzione
della sua lunghezza.
Ciò spiega benissimo sia B
che C [1].
[1] Fossel MB. Cells, Aging
and Human Disease. Oxford
University Press, New York,
2004.
D) Nel confronto fra le specie, mancanza di correlazione fra longevità e lunghezza del
telomero o attività della telomerasi;
Quanto detto prima mostra che la lunghezza del telomero non deve necessariamente essere
correlata con la longevità. Elemento critico è altresì la lunghezza del subtelomero e la sua
organizzazione. Se la specie A nei confronti della specie B possiede un telomero più lungo e
altresì un subtelomero più compatto e più rapidamente represso dall’accorciamento del
telomero, essa invecchierà più rapidamente di B [1].
[1] Libertini G. Phylogeny of aging and related phenoptotic phenomena. Biochem (Moscow)
2015; 80:1529-46.
E) Partendo da una
popolazione omogenea
di cellule, il blocco
delle
capacità
di
duplicazione
non
avviene in sincronia in
tutte le cellule ma
appare come un evento
casuale nelle varie
cellule con probabilità
crescente in funzione
dell’accorciarsi
del
telomero.
Il cappuccio nucleoproteico non è rigidamente fissato al telomero. Il telomero oscilla fra una
condizione “capped” (incappucciata) e condizione “uncapped” che diventa sempre più
prevalente con l’accorciarsi del telomero. Nella condizione “uncapped” la cellula è vulnerabile
all’attivazione di un meccanismo che blocca la capacità di duplicazione (“replicative
senescence”) [1] ma altera anche gravemente le funzioni cellulari [1] (“on/off senescence” [2]).
[1] Blackburn EH. Structure and function of telomeres. Nature 1991; 350:569-73.
[2] Libertini G. Phylogeny of aging and related phenoptotic phenomena. Biochem (Moscow) 2015; 80:1529-46.
La “on/off senescence” e la “replicative senescence” insieme costituiscono la “cell
senescence”, che può essere attivata anche da altri fattori ed è determinata da un
meccanismo in cui è coinvolta la proteina p53. E’ caratterizzata sia dal blocco del
ciclo cellulare che da una lunga serie di alterazioni nelle espressioni dei geni che
regolano le funzioni cellulari [1].
Questi cambiamenti includono alterazioni della secrezioni cellulari che causano
modifiche della matrice extracellulare, infiammazione, ridotta secrezione di
importanti proteine strutturali come l’elastina e il collagene e la compromissione
delle cellule vicine [1].
Queste alterazione sono fisse e predicibili: la cell senescence è stata descritta
come un “fundamental cellular program” [2].
[1] Fossel MB. Cells, Aging and Human Disease. Oxford University Press, New York, USA,
2004.
[2] Ben-Porath I & Weinberg R. The signals and pathways activating cellular senescence.
Int J Biochem Cell Biol 2005; 37:961–76.
I fenomeni anzidetti (“gradual senescence”, “on/off senescence”, “replicative senescence”),
con qualche limitazione, a livello cellulare sono del tutto reversibili mediante l’attivazione
della telomerasi [1-5]. Con il reset dei telomeri in cellule della pelle di soggetti anziani si
ottiene un tessuto identico a quello di soggetti giovani [6].
Questa completa reversibilità è del tutto incompatibile con la tesi del Vecchio Paradigma
secondo la quale dovrebbero essere la conseguenza dell’accumulo di danni irreversibili di
molteplice natura.
cell senescence program
non-senescent
cell
senescent
cell
telomerase activation
[1] Bodnar AG et al. Extension of life-span by introduction of telomerase into normal human cells. Science
1998; 279:349-52.
[2] Counter CM et al. Dissociation among in vitro telomerase activity, telomere maintenance, and cellular
immortalization. Proc Natl Acad Sci USA 1998; 95:14723-8.
[3] Vaziri H. Extension of life span in normal human cells by telomerase activation: a revolution in cultural
senescence. J Anti-Aging Med 1998; 1:125-30.
[4] Vaziri H & Benchimol S. Reconstitution of telomerase activity in normal cells leads to elongation of
telomeres and extended replicative life span. Cur Biol 1998; 8:279-82.
[5] de Lange T & Jacks T. For better or worse? Telomerase inhibition and cancer. Cell 1999; 98:273-5.
[6] Funk WD et al. Telomerase expression restores dermal integrity to in vitro-aged fibroblasts in a
reconstituted skin model. Exp Cell Res 2000; 258:270-8.
Moltissimi sembrano essere inconsapevoli di questa realtà.
Hayflick ritiene che le alterazioni metaboliche scatenate dalla “gradual
senescence” e dalla “on/off senescence” sono la causa dell’invecchiamento della
cellula confondendo grossolanamente l’effetto con la causa.
Questo errore è ben descritto da Fossel:
“Le cellule non invecchiano per usura ma poiché permettono che l’usura abbia
effetto in conseguenza di una alterata espressione dei geni. La riattivazione della
telomerasi ripristina efficacemente la condizione iniziale, permettendo che i geni si
esprimano secondo il loro pattern originale. … le cellule non invecchiano come
conseguenza del danno, ma al contrario permettono il danno perché invecchiano.
I processi omeostatici sono sufficienti per un tempo infinito nelle cellule della linea
germinale; sono sufficienti nelle cellule somatiche se l’invecchiamento è
cancellato.” (tradotto da [1])
Da notare che tutto ciò implica che l’invecchiamento è un processo attivo,
facoltativo e reversibile.
[1] Fossel MB. Cells, Aging and Human Disease. Oxford University Press, New York, 2004.
Vediamo ora le conseguenze di questi meccanismi sull’organismo e sui singoli
tessuti e organi
La “gradual senescence” e la “on/off senescence” gradualmente aumentano la
percentuale di cellule con funzioni più o meno compromesse. Queste cellule
secernono sostanze che alterano la funzione di altre cellule, causando un declino
della funzione degli organi e dei tessuti [1].
[1] Fossel MB. Cells, Aging and Human Disease. Oxford University Press, New York, 2004.
Per valutare poi gli effetti della “replicative senescence”, occorre considerare prima i
fenomeni di morte cellulare programmata (“Programmed Cell Death”, PCD*)
*Attenzione: PCD è spesso
usato erroneamente come
sinonimo di apoptosi!
Una cellula può morire per necrosi a causa di eventi dannosi (trauma, ustione, infezione,
…), o in conseguenza di uno fra vari tipi di PCD, ad es.:
- La cheratinizzazione delle cellule dell’epidermide, delle unghie o dei peli;
- Il distacco delle cellule dalle mucose dell’intestino o di altre cavità del corpo;
- Gli osteociti fagocitati dagli osteoclasti;
- La trasformazione degli eritroblasti in eritrociti e la loro successiva rimozione da parte dei
macrofagi;
- L’apoptosi, un ordinato processo di autodistruzione con eliminazione senza dei dei detriti
cellulari, elementi che la distinguono nettamente dalla necrosi. Il fenomeno fu per la prima
volta descritto e chiarame differenziato dalla necrosi nello studio di epatociti di fegato sano
[1]. Una funzione chiave dell’apoptosi nei vertebrati è legata al turnover cellulare in organi
adulti sani, come è ben documentato per molti tessuti e organi [2].
[1] Kerr JFR et al. Apoptosis: a basic biological phenomenon with wide-ranging implications in tissue
kinetics. Br J Cancer 1972; 26:239-57.
[2] Libertini G. The Role of Telomere-Telomerase System in Age-Related Fitness Decline, a Tameable
Process, in Telomeres: Function, Shortening and Lengthening, Nova Sc. Publ., New York, 2009.
La continua morte delle cellule ad opera di fenomeni di PCD è bilanciata da una
equivalente proliferazione di appropriate cellule staminali, la quale è regolata e
limitata dal sistema telomero-telomerasi.
Ogni giorno circa 50-70 miliardi di cellule in un adulto medio muoiono a causa di
fenomeni di PCD [1]. Tale numero corrisponde a oltre 690000 cellule al secondo!
In un anno muore ed è sostituita una massa di cellule all’incirca pari al peso
dell’intero corpo [1].
[1] Reed JC. Dysregulation of Apoptosis in Cancer. J Clin Oncol 1999; 17:2941-53.
Duplicazione delle
cellule staminali
TURNOVER
CELLULARE
Morte delle cellule
causata da PCD
Il turnover cellulare è una caratteristica generale dei vertebrati, ma non di tutti
gli animali (ad es., lo stadio adulto del verme C. elegans ha un numero fisso di
cellule e la mosca D. melanogaster solo per la mucosa dell’intestino mostra un
certo turnover cellulare).
Il ritmo del turnover cellulare varia grandemente a seconda del tipo cellulare e dell’organo.
Ai due capi estremi, nell’epitelio intestinale le cellule sono rimpiazzate in 3-6 giorni [1],
mentre l’osso ha un turnover di 8-10 anni nell’uomo [1]. Il cuore, erroneamente ritenuto un
organo perenne, rimpiazza tutti i miocardiociti in circa 4,5 anni [2]. Per altri dati relativi ai
turnover si veda [3].
VERY
SLOW
SLOW
VERY QUICK
QUICK
[1] Alberts B et al. Essential Cell Biology, 4° ed., Garland Science, 2013.
[2] Anversa P et al. Life and Death of Cardiac Stem Cells. Circulation 2006; 113:1451-63.
[3] Richardson BR et al. Greater organ involution in highly proliferative tissues associated with the early
onset and acceleration of ageing in humans. Experim Geront 2014; 55:80-91.
I fenomeni anzidetti (“gradual” e “on/off
senescence”, “replicative senescence”) portano, per
ogni organo o tessuto, alla “atrophic syndrome”, che
è caratterizzata da [1]:
a) ridotta capacità media di duplicazione cellulare e
rallentato turnover cellulare;
b) ridotto numero di cellule (atrofia nel numero);
c) sostituzione di cellule specializzate mancanti con
cellule non specializzate;
d) ipertrofia delle singole rimanenti cellule
specializzate;
e) alterate funzioni delle cellule dovute alla “gradual
senescence” e alla “on/off senescence”;
f) alterazioni della sostanza intercellulare e delle
cellule dipendenti dalle funzioni delle cellule
senescenti o mancanti;
g) vulnerabilità al cancro in conseguenza della
instabilità indotta dalla disfunzione del telomero
eccessivamente ridotto [2].
[1] Libertini G. The Role of Telomere-Telomerase System in Age-Related Fitness Decline, a Tameable
Process, in Telomeres: Function, Shortening and Lengthening, Nova Sc. Publ., New York, 2009, pp. 77-132.
[2] DePinho RA . The age of cancer. Nature 2000; 408:248-54.
ALCUNI ESEMPI DI INVECCHIAMENTO
LA PELLE
Il turnover dell’epidermide è determinato da cellule staminali localizzate nella giunzione
derma-epiderma, una superficie corrugata. Negli anziani tale giunzione è spianata, un segno
indiretto della riduzione delle cellule staminali dell’epidermide, e il ritmo del rinnovo
dell’epidermide è ridotto [1].
Nel derma, come verosimile conseguenza dell’esaurimento di specifiche cellule staminali si ha
una riduzione generale di tutte le sue componenti (melanociti, cellule di Langerhans, capillari,
vasi sanguigni nel reticolo dermico, mast cells, ghiandole eccrine, peli, neurorecettori, etc.) e
inoltre le unghie crescono più lentamente [1].
“The study of aging skin is one
that presents a paradigm for
aging of other organs.” [1]
[1] Griffiths CEM. Aging of
the Skin. In: Tallis, RC et al.
(eds), Brocklehurst’s Textbook
of Geriatric Medicine and
Gerontology (5th Ed.). New
York, Churchill Livingstone,
1998.
D-E
junction
EPITELIO DELL’INTESTINO TENUE
In ogni cripta intestinale, vi sono 4-6 cellule staminali che con la loro intensa attività
riproduttiva rinnovano continuamente l’epitelio del piccolo intestino [1]. In individui
anziani sani, nei confronti con individui giovani il tempo di transito delle cellule dalle cripte
agli apici dei villi, dove esfoliano, aumenta e i villi diventano più larghi e corti e con meno
cellularità [2]. Queste modifiche, di certo dovute al declino dell’attività mitotica delle cellule
staminali delle cripte, come ipotizzato da lungo tempo [2], riduce la funzionalità dell’ileo e
verosimilmente la fitness.
[1] Barker N et al., H (2007)
Identification of stem cells in small
intestine and colon by marker gene
Lgr5. Nature 2007; 449:1003-7.
[2] Webster SGP. The gastrointestinal
system – c. The pancreas and the
small bowel. In: Brocklehurst, JC (ed)
Textbook of Geriatric Medicine and
Gerontology (2nd Ed.). Churchill
Livingstone, New York 1978.
IL MUSCOLO
Alle età di 50 e 80 anni è persa rispettivamente il 10% e il 50% della massa
muscolare [1].
Figura 78-4 da [2]: Declino
correlato con l’età nella
massima volontaria forza
isometrica (MVF, simboli
bianchi) e nell’area di
sezione (CSA, simboli neri)
in vari muscoli.
[1] Cumming WJK. Aging and neuromuscolar disease. In: Tallis, RC et al. (eds),
Brocklehurst’s Textbook etc., 1998.
[2] Bruce S. Muscle strength. In: Tallis, RC et al. (eds), Brocklehurst’s Textbook etc., 1998.
L’OSSO E LA CARTILAGINE
La rarefazione del tessuto osseo inizia fra i 35-40 anni, verosimilmente per declino della
funzione osteoblastica [1]. In parallelo, il declino della funzionalità e del numero dei
condrociti compromette le capacità di rinnovo e di resistenza agli stress meccanici della
cartilagine [2]. “There is a markedly-reduced cellularity in articular cartilage with aging,
and a moderate to strong positive correlation exists between the degree of cartilage damage
and chondrocyte apoptosis” [2].
Le articolazioni si usurano poiché sono invecchiate le componenti cellulari di osso,
cartilagine e altri elementi strutturali quali legamenti, capsule e muscoli.
L’inverso, cioé usura -> invecchiamento, è una falsa interpretazione.
[1] Francis RM. Metabolic Bone Disease. In: Tallis et al., Brocklehurst’s textbook etc., 1998.
[2] Hwang HS, Kim HA. Chondrocyte Apoptosis in the Pathogenesis of Osteoarthritis. Int J Mol Sci 2015;
16:26035-54.
IL POLMONE
I volumi polmonari (FEV1, FVC) si riducono con l’età [1].
Si ha riduzione e rarefazione degli alveoli (enfisema senile) e anche riduzione del
numero delle cellule degli epiteli delle ghiandole e delle vie aeree [2]
polmone giovane
enfisema senile in un polmone anziano
[1] Enright PL et al. Spirometry Reference Values for Women and Men 65 to 85 Years of
Age. Cardiovascular Health Study. Am Rev Respir Dis 1993; 147:125-33.
[2] Connolly MJ. Age-Related Changes in the Respiratory System. In: Tallis et al. (eds.),
Brocklehurst’s textbook etc., 1998.
ENDOTELIO
Nel 2003 fu dimostrato [1], con conferme in successivi studi [2], che il numero di cellule
endoteliali progenitrici (EPCs) era negativamente correlato con il ben noto Framingham
Risk Score e con i rischi di accidenti vascolari [3].
I cosiddetti fattori di rischio cardiovascolari riducevano i livelli di EPCs mentre i farmaci
cosiddetti cardioprotettivi e un corretto stile di vita li aumentavano.
L’interpretazione di questi dati è che le cellule endoteliali sono in continuo turnover, ad
opera delle EPCs, che derivano da cellule primarie staminali del midollo osseo. Fattori di
rischio e fattori protettivi, rispettivamente accelerano e frenano questo turnover,
modificando così il rischio cardiovascolare [1]:
rallentato turnover cellulare -> disfunzione endoteliale -> complicazioni vascolari
In assenza di fattori di rischio, in età senile si giunge ad un fisiologico esaurimento delle
EPCs e quindi il rischio di accidenti vascolari incomincia a diventare sensibile [1].
[1] Hill JM et al. Circulating endothelial progenitor cells, vascular function, and cardiovascular risk. N
Engl J Med 2003; 348:593-600.
[2] Werner N et al. Circulating endothelial progenitor cells and cardiovascular outcomes. N Engl J Med
353:999-1007.
[3] Wilson PW et al. Coronary risk prediction in adults (the Framingham Heart Study) Am J Cardiol
1987; 59:91-4G.
IL CUORE
Una vecchia e radicata credenza è che il cuore sia un organo incapace di rigenerazione e senza turnover
cellulare. Ma, in un cuore normale, ogni giorno circa 3 milioni di miociti muoiono per apoptosi e sono
rimpiazzati da cellule staminali cardiache: “the entire cell population of the heart is replaced
approximatively every 4.5 years … The human heart replaces completely its myocyte population about
18 time during the course of life, independently from cardiac diseases.” [1].
Il cuore dell’anziano ha un numero
decrescente di miociti a causa del progressivo
declino nelle capacità di rimpiazzo ad opera
delle cellule staminali [1].
Ma le camere cardiache, per il deficit della
capacità contrattile, possono essere dilatate e
così, benché vi sia atrofia come numero di
cellule, vi è morfologicamente ipertrofia [2].
Con il passare degli anni, vi è anche una
progressiva riduzione nel numero delle cellule
pacemaker nel nodo del seno “with 10 percent
of the number of cells present at age 20
remaining at age 75.” [2]
[1] Anversa P et al. Life and Death of Cardiac Stem Cells. A Paradigm Shift in Cardiac Biology.
Circulation 2006; 113:1451-63.
[2] Aronow WS (1998) Effects of Aging on the Heart. In In: Tallis et al. (eds.), Brocklehurst’s textbook
etc., 1998.
Come si spiega l’invecchiamento per cellule senza turnover?
Le cellule nervose sono riccamente connesse tra di loro e proprio queste connessioni
determinano le funzioni cerebrali di ogni tipo. Non è quindi concepibile il turnover delle cellule
nervose senza un danno per la funzione da loro svolta.
I FOTORECETTORI
I fotorecettori (coni e bastoncelli) sono
cellule nervose altamente differenziate
con
nessun
turnover,
ma
metabolicamente dipendenti da altre
cellule con turnover, le cellule
pigmentate della retina (RPCs), che
sono gliociti altamente differenziati.
Infatti, ogni giorno il 10% delle
membrane su cui sono collocate le
molecole fotorecettrici (fotopsine) è
fagocitato dalle RPCs permettendone
quindi il totale rinnovo in 10 giorni.
Senza l’attività macrofagica delle RPCs
i fotorecettori non possono sopravvivere
e gradualmente si ha la age-related
macular degeneration [1].
[1] Berger JW et al. Age-related macular degeneration, Mosby, USA, 1999.
I NEURONI DEL CERVELLO
I neuroni del cervello dipendono da
particolari tipi di gliociti (cellule della
microglia per il corpo cellulare e astrociti
per gli assoni, in particolare).
Questi gliociti, fra l’altro, degradano le
proteine β-amiloide [1] e α-sinucleina [2] ed
è noto che queste funzioni sono alterate
nella m. di Alzheimer [3] e nella m. di
Parkinson [4] con il conseguente dannoso
accumulo di tali proteine.
L’ipotesi che la m. di Alzheimer è causata
dal declino del turnover della microglia è
stata proposta [5-7]. Lo stesso è proponibile
per la m. di Parkinson [8].
[1] Qiu WQ et al. Insulin-degrading enzyme regulates extracellular levels of amyloid beta-protein by degradation. J Biol
Chem 1998; 273:32730-8.
[2] Brück D et al. Glia and alpha-synuclein in neurodegeneration: A complex interaction. Neurobiol Dis 2015; pii:S09699961(15)00064-9.
[3] Bertram L et al. Evidence for genetic linkage of Alzheimer's disease to chromosome 10q. Science 2000; 290:2302-3.
[4] Morales I et al. The degeneration of dopaminergic synapses in Parkinson's disease: A selective animal model. Behav Brain
Res 2015; 289:19-28.
[5] Fossel MB. Cells, Aging and Human Disease. Oxford University Press, New York, 2004.
[6] Libertini G. Prospects of a Longer Life Span beyond the Beneficial Effects of a Healthy Lifestyle, Ch. 4 in Handbook on
Longevity: Genetics, Diet & Disease, Nova Sc. Publ., New York, 2009.
[7] Flanary B. Telomeres: Function, Shortening, and Lengthening, in Telomeres: Function, Shortening and Lengthening, Nova
Science Publishers Inc., New York, 2009.
[8] Libertini G, Ferrara N. Aging for perennial cells and organ parts according to Programmed Aging Paradigm. 2015, in
preparazione.
E’ proponibile uno schema generale per il declino delle funzioni neuronali in conseguenza dell’azione
diretta (ad es.: cellule dell’olfatto) o indiretta del declino del turnover cellulare [1].
[1] Libertini G, Ferrara N. Aging for perennial cells and organ parts according to Programmed Aging Paradigm. 2015, in
preparazione.
SCHEMA GENERALE DELL’INVECCHIAMENTO
Cause evoluzionistiche che favoriscono una riduzione della longevità
Sistema telomero - subtelomero- telomerasi
Gradual
senescence
Cell senescence
(on/off senescence + replicative senescence)
Sindrome atrofica di tutti gli organi e tessuti
(alterazioni delle funzioni cellulari e dei liquidi intercellulari,
atrofia nel numero delle cellule e alterazioni derivate)
Progressivo declino della fitness, cioè invecchiamento
Alcuni aspetti di questi fenomeni non hanno alcuna spiegazione se non come
meccanismi che determinano l’invecchiamento.
Poiché ciò è in totale contrasto con la visione del Vecchio Paradigma, i sostenitori di tale tesi
tentano di giustificare per lo meno i limiti nella duplicazione cellulare come una difesa
generale contro il cancro [1,2].
Ma:
- Le specie con negligible senescence (vale a dire, con individui che non mostrano un declino
della fitness correlato con l’età) non hanno una riduzione dell’attività telomerasica correlata
con l’età e nessun incremento di mortalità dovuta a cancro [3].
- Nella specie umana, studiata in condizioni di vita selvatica, il declino della fitness (vale a
dire, l’invecchiamento) raggiunge livelli notevoli senza che vi sia una rilevabile incidenza di
mortalità da cancro. E’ insostenibile che una ipotetica difesa contro il cancro uccida larga
parte di una popolazione prima che il cancro come causa di morte divenga rilevabile [4].
[1] Campisi J. The biology of replicative senescence. Eur J Cancer 1997; 33(5):703–9.
[2] Wright WE & Shay JW. Telomere biology in aging and cancer. J Am Geriatr Soc 2005; 53(9 S):S292–4.
[3] Libertini G. Empirical evidence for various evolutionary hypotheses on species demonstrating
increasing mortality with increasing chronological age in the wild. The Scientific World Journal 2008;
8:182-93.
[4] Libertini G. Evidence for Aging Theories from the Study of a Hunter–Gatherer People (Ache of
Paraguay). Biochem (Mosc) 2013; 78(9):1023-32.
Conclusione
E’ ora possibile una definizione interpretativo-descrittiva dell’invecchiamento:
E’ una progressiva sindrome atrofica di tutti i tessuti e organi, geneticamente
determinata e regolata mediante il sistema telomero-subtelomero-telomerasi, che
causa un progressivo declino della fitness / incremento della mortalità.
Essendo un fenomeno fisiologico non può essere oggetto di cure ma, in linea
teorica, è possibile ipotizzare una sua modifica o anche un suo completo controllo
[1], argomento questo che necessita di una discussione a parte.
[1] Libertini G. Prospects of a Longer Life Span beyond the Beneficial Effects of a Healthy Lifestyle, Ch.
4 in Handbook on Longevity: Genetics, Diet & Disease, Nova Science Publishers Inc., New York, 2009.
Questa relazione è disponibile anche sulla mia pagina personale:
www.r-site.org
(e-mail: [email protected])
Grazie
per l’attenzione!