Polmoni Sotto Assedio: Ratti e Umani Reagiscono Diversamente alle Particelle? La Scienza Risponde!

Ciao a tutti, appassionati di scienza e curiosi! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel microscopico mondo dei nostri polmoni, un luogo dove minuscole particelle possono scatenare reazioni inaspettate. Parliamo di biossido di titanio (TiO2) e nero di carbonio (Carbon Black, CB), materiali comunissimi, usati ovunque, dalle vernici alle gomme. Talmente comuni che per anni li abbiamo considerati quasi inerti, a basso rischio. Addirittura, venivano usati come “controlli negativi” negli esperimenti, cioè come termine di paragone innocuo!

Il Campanello d’Allarme: I Ratti e il Cancro

Poi, circa 40 anni fa, la doccia fredda. Studi su ratti esposti cronicamente a dosi elevate di queste particelle hanno mostrato risultati preoccupanti: infiammazione cronica e, udite udite, cancro ai polmoni. Panico? Non proprio, ma un bel po’ di preoccupazione sì, soprattutto per chi lavora a contatto con queste sostanze. La domanda che da allora tormenta scienziati e agenzie regolatorie è: quello che succede nei ratti può succedere anche a noi umani?

Il problema è che, nonostante decenni di ricerche, non abbiamo ancora una risposta definitiva. Gli studi epidemiologici su lavoratori esposti non hanno mostrato chiaramente un aumento del rischio di malattie polmonari. Però, l’Agenzia Internazionale per la Ricerca sul Cancro (IARC) ha classificato queste particelle come “possibilmente cancerogene per l’uomo“, basandosi sulle prove (sufficienti) nei roditori e (inadeguate) nell’uomo. Una classificazione prudente, certo, ma che lascia aperti molti interrogativi.

Il Concetto Chiave: Il Sovraccarico Polmonare

Ma come si arriva a questi effetti avversi nei ratti? Il meccanismo principale sembra legato al cosiddetto “sovraccarico polmonare“. Immaginate le nostre prime linee di difesa nei polmoni: i macrofagi alveolari. Sono cellule spazzine fantastiche, che inglobano e rimuovono particelle estranee. Però, anche loro hanno un limite. Quando la quantità di particelle inalate è troppo alta, i macrofagi si “ingolfano”. Si stima che il sovraccarico inizi quando il volume delle particelle internalizzate supera circa il 6% del volume totale del macrofago.

Quando questo accade, la loro capacità di pulizia (clearance) si riduce drasticamente, le particelle si accumulano, e nei ratti questo può innescare una cascata di eventi negativi: infiammazione persistente (soprattutto con neutrofili), stress ossidativo, fibrosi e, alla fine, anche il cancro. Curiosamente, anche se il sovraccarico è stato osservato in altre specie (topi, criceti, scimmie), gli effetti così gravi sembrano essere una peculiarità del ratto. Perché? Bella domanda!

L’Esperimento: Ratti vs Umani in Provetta

Ed è qui che entra in gioco il nostro studio. Visto che trovare coorti umane esposte a livelli così alti da causare sovraccarico è quasi impossibile, abbiamo pensato: perché non confrontare direttamente le cellule chiave, i macrofagi alveolari, di ratti e umani in vitro? L’idea era di vedere se, esponendoli a condizioni di sovraccarico con le stesse particelle usate negli studi sui ratti (TiO2 P25 e Carbon Black Printex 90), mostrassero risposte diverse a livello molecolare, in particolare guardando quali geni venivano “accesi” o “spenti”.

Abbiamo quindi prelevato macrofagi alveolari freschi da ratti e da volontari umani sani (giovani studenti non fumatori, grazie ragazzi!). Li abbiamo coltivati in laboratorio per qualche giorno, finché non si sono ambientati e hanno iniziato a comportarsi come veri “guardiani” cellulari, aderendo bene alla piastra e sviluppando delle specie di braccia (pseudopodi). Poi, li abbiamo esposti per 4 giorni a dosi diverse di P25 e Printex 90: una dose di controllo (nessuna particella), una dose “non-sovraccarico” (sotto la soglia del 6%) e una dose “sovraccarico” (sopra la soglia del 6%). Era importante usare dosi non tossiche, per essere sicuri che le risposte osservate fossero specifiche del sovraccarico e non dovute a morte cellulare generalizzata.

Risultati Sorprendenti: I Ratti Urlano, gli Umani Sussurrano

E qui arriva la sorpresa. Dopo 4 giorni, abbiamo analizzato l’espressione di migliaia di geni (trascrittomica) in queste cellule. Risultato? I macrofagi di ratto erano nettamente più reattivi al sovraccarico! Parliamo di centinaia, a volte migliaia, di geni la cui attività cambiava significativamente. Non solo, abbiamo identificato un gruppo super robusto di 18 geni che si comportavano allo stesso modo sia con P25 che con Printex 90, in condizioni di sovraccarico, in esperimenti ripetuti e confermati con un’altra tecnica (RT-qPCR). Una vera e propria “firma genica” del sovraccarico nel ratto.

La cosa affascinante è che le funzioni note di molti di questi 18 geni sembrano collegarsi perfettamente ai problemi visti nei ratti in vivo:

• Geni legati alla mobilità cellulare e alla capacità di “mangiare” detriti (efferocitosi) erano meno attivi (es. Ssh2, geni del complemento come C1q). Questo ha senso, perché i macrofagi sovraccarichi sono meno mobili e meno efficienti nel pulire.
• Un gene che richiama cellule infiammatorie (Cxcr4) era più attivo. Voilà l’infiammazione cronica.
• Un gene recettore scavenger coinvolto nella rimozione di proteine legate alla fibrosi (Stab1) era meno attivo. Possibile collegamento con la fibrosi?
• Altri geni (Irs2, Alox5, geni MHCII come RT1-Ba) mostravano cambiamenti simili a quelli visti nei macrofagi associati ai tumori, suggerendo vie che potrebbero favorire la crescita tumorale o ridurre la risposta immunitaria contro il tumore.

Insomma, questa firma genica sembra davvero raccontare la storia degli effetti avversi osservati nei ratti.

E i Macrofagi Umani? Una Storia Diversa

Ma veniamo agli umani. Come hanno reagito i nostri macrofagi? Beh, in modo molto più pacato. In generale, il numero di geni la cui espressione cambiava era drasticamente inferiore. E i 18 geni della “firma del ratto”? La maggior parte di essi (quelli con un corrispettivo diretto nell’uomo) mostrava una tendenza simile (cioè si accendevano o spegnevano nella stessa direzione), ma l’intensità del cambiamento era molto, molto più bassa, tanto da non risultare statisticamente significativa nella maggior parte dei casi. È come se i macrofagi di ratto urlassero in risposta al sovraccarico, mentre quelli umani… sussurrassero appena.

Questa differenza potrebbe dipendere in parte dal fatto che i macrofagi umani sono più grandi di quelli di ratto, quindi a parità di dose esterna, la percentuale di volume occupata dalle particelle era leggermente inferiore nelle cellule umane. Ma probabilmente c’è anche una differenza intrinseca di sensibilità.

La Firma Umana: Una Risposta Specifica

Ma non è finita qui! C’è stato un altro colpo di scena. Analizzando i dati umani, abbiamo trovato una firma genica specifica composta da 16 geni, che si attivava in modo significativo con il sovraccarico da Printex 90 (e mostrava una tendenza simile, anche se più debole, con P25), ma che non era presente nei ratti!

Cosa fanno questi geni “umani”? Anche qui, troviamo collegamenti interessanti:

• Alcuni (es. ABI3, CD302, JAML) sono legati alla migrazione cellulare, alla mobilità o alla fagocitosi. La loro ridotta attività suggerisce che anche i macrofagi umani, se sovraccarichi, diventano meno mobili ed efficienti.
• Altri (es. ABHD12, LACC1, CD101) sembrano regolare la risposta immunitaria, sia innata che adattativa.
• Altri ancora (es. TGM2, TNFSF15) sono spesso associati allo sviluppo di fibrosi e infiammazione.

Quindi, anche se meno reattivi in generale, i macrofagi umani sembrano avere un loro modo specifico di rispondere al sovraccarico, attivando percorsi legati a infiammazione e potenzialmente fibrosi, anche se forse diversi da quelli visti nei ratti.

Cosa Portiamo a Casa?

Questo studio ci dice alcune cose importanti. Primo, conferma che i macrofagi di ratto sono particolarmente sensibili al sovraccarico di particelle come TiO2 e CB, e le risposte geniche che vediamo in vitro sembrano rispecchiare i meccanismi che portano ai danni polmonari osservati in vivo in questa specie. Secondo, i macrofagi umani sono decisamente meno reattivi, il che potrebbe spiegare, almeno in parte, perché non vediamo gli stessi gravi effetti negli umani esposti. Terzo, però, i macrofagi umani non sono inerti: mostrano una loro specifica firma di risposta al sovraccarico, che coinvolge geni legati a infiammazione e rimodellamento tissutale.

Attenzione però! Questo è uno studio in vitro, su un solo tipo di cellula e in un momento specifico. Il nostro corpo è molto più complesso, con tante cellule che interagiscono in un ambiente dinamico. Non possiamo ancora dire con certezza cosa significhino queste firme geniche per la salute umana a lungo termine. Serviranno altri studi, magari usando modelli più complessi o analizzando anche proteine e metaboliti, per capire meglio la rilevanza di queste scoperte.

Resta il fatto che abbiamo aggiunto un tassello importante al puzzle, evidenziando sia somiglianze che differenze cruciali tra ratti e umani nella risposta a queste particelle onnipresenti. La ricerca continua!

Fonte: Springer