Nei primi decenni del ventesimo secolo, la biochimica emerge come scienza di punta in biologia e medicina. Il paradigma dominante cerca di spiegare ogni fenomeno biologico, dalla fermentazione allo sviluppo, passando per i processi fisiologici e patologici, attraverso cicli di reazioni chimiche catalizzate da enzimi.
Il Ciclo di Krebs e l'Importanza delle Reti Metaboliche
Centrale tra gli obiettivi di ricerca è lo studio delle reti metaboliche, che forniscono alle cellule forme utilizzabili di energia e precursori per la biosintesi, in particolare delle proteine. Il modello di questo tipo di spiegazione scientifica è il “ciclo di Krebs”, un complesso insieme di reazioni chimiche presente in tutte le cellule, mediante il quale la respirazione cellulare fornisce l’energia necessaria agli esseri viventi per la sintesi di lipidi, carboidrati e proteine.
Hans Krebs, biochimico tedesco emigrato in Inghilterra dopo l’ascesa al potere dei nazisti, ottiene il premio Nobel per la fisiologia e la medicina nel 1953 per le sue scoperte realizzate negli anni ’30, dopo essersi formato alla scuola del professor Otto Warburg presso l’Istituto Kaiser-Wilhelm a Berlin-Dalhem. Al suo maestro, Krebs dedicherà un libro biografico dal titolo Otto Warburg: fisiologo cellulare, biochimico ed eccentrico (1981), manifestando la sua grande ammirazione per “l’intelligenza penetrante e l’approccio originale e fantasioso a qualsiasi situazione” e per la sua “indipendenza da credenze e pregiudizi”.
Otto Warburg e la Ricerca sulla Respirazione Cellulare
Tra il 1908 e il 1914, Otto Warburg trascorre diversi periodi di ricerca alla Stazione Zoologica di Napoli, allora considerata la “Mecca” della ricerca biologica, dove effettua ricerche sul consumo di ossigeno da parte dell’uovo di riccio dopo la fecondazione, dando così inizio a un nuovo programma di ricerca sulla respirazione cellulare. Warburg misura con precisione il consumo di ossigeno, osservando che aumenta da sei a sette volte dopo la fecondazione.
Per realizzare queste ricerche, Warburg mette a punto delle tecniche di laboratorio e introduce nuovi strumenti, che diverranno dei classici in tutti i laboratori di fisiologia cellulare e di biochimica per studiare sottili campioni biologici. Con il microtomo vengono realizzate sezioni istologiche sottili di campioni di tessuto animale o vegetale, mentre un complesso apparato sperimentale, chiamato appunto “apparato di Warburg”, permette di misurare la pressione di un gas a volume e temperatura costanti in modo che le variazioni di pressione riflettano la produzione o l’assorbimento di gas.
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La difficoltà maggiore in questo tipo di ricerche è conservare vivo il tessuto durante tutta la durata, anche di ore, delle osservazioni manometriche. Si tagliano con un rasoio fette sottili di tessuto, che devono avere uno spessore abbastanza sottile per essere attraversate dalla luce, ma al tempo stesso abbastanza grande per diminuire la percentuale delle cellule uccise dai tagli. Warburg sviluppa una teoria matematica per calcolare lo “spessore limite” delle fette, cioè lo spessore massimo compatibile con la sopravvivenza dei tessuti. Nel caso del tessuto epatico, ad esempio, lo spessore limite calcolato era di 0,5 mm, corrispondente a circa 150 strati di cellule.
Applicando con rigore e per la prima volta le tecniche dell’enzimologia allo studio della fisiologia cellulare, Warburg isola i coenzimi responsabili del trasporto di idrogeno, come la nicotinamide, e un “enzima giallo”, che più tardi sarà identificato come una flavoproteina. In questo modo Warburg fornisce una descrizione delle reazioni di ossidazione e riduzione cellulare, aprendo nuovi indirizzi alla ricerca sul metabolismo e sulla respirazione cellulare. Si tratta di un processo vitale fondamentale attraverso il quale le sostanze fornite direttamente alle cellule o immagazzinate in esse vengono scomposte in componenti più semplici consumando ossigeno.
Un sistema sperimentale particolarmente adatto allo studio del metabolismo cellulare, diventando un modello alla Stazione Zoologica di Napoli, è l’embrione di riccio di mare in sviluppo, caratterizzato dalla rapida divisione cellulare accompagnata da un elevato metabolismo, con un aumento significativo del consumo di ossigeno.
L'Ipotesi di Warburg sui Tessuti Tumorali
Dato che anche i tessuti tumorali sono caratterizzati da una rapida e incontrollata divisione cellulare, Warburg immagina che anche in questi tessuti si deve poter osservare un aumento simile del consumo di ossigeno. Secondo il tipico “paradigma biochimico” dominate in quel periodo, Warburg sostiene che per spiegare la crescita dei tumori, l’attenzione dovrebbe essere posta sulle reazioni che generano l’energia necessaria per la crescita, in particolare la respirazione.
Avendo osservato che la respirazione delle uova di riccio di mare aumenta di sei volte al momento della fecondazione, Warburg si attende di trovare tassi di respirazione molto più elevati nel tessuto carcinomatoso rispetto all’epitelio normale, ma le prime misurazioni mostrano che la respirazione del carcinoma posto in soluzione alla temperatura corporea è notevolmente inferiore a quella del tessuto epatico e renale nelle identiche condizioni. A questa sorpresa se ne accompagna un’altra: poco dopo aver collocato fette del tumore in una soluzione contenente concentrazioni fisiologiche di glucosio, la soluzione diviene acida.
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Dato che l’acidificazione non è osservata in assenza di glucosio, Warburg la attribuisce alla generazione di acido lattico a partire dallo zucchero: l’alto tasso di produzione di acido lattico esibito dal carcinoma del ratto Flexner risulta da capacità fermentativa insolitamente elevata - o, nella terminologia di Warburg, ad un’elevata capacità glicolitica (glykolytische Fähigkeit) o ‘“glicolisi aerobica”. Le cellule normali rilasciano energia principalmente attraverso la glicolisi seguita dal ciclo mitocondriale dell’acido citrico e dalla fosforilazione ossidativa.
La Teoria Metabolica di Warburg
Sulla base delle sue osservazioni di laboratorio e delle misure monometriche sui tessuti, Warburg elabora anche una teoria metabolica per spiegare la causa dei tumori, ipotizzando che il passaggio dalla crescita ordinata a quella disordinata avvenisse attraverso una perturbazione nel rapporto tra fermentazione e respirazione. La fermentazione aerobica è una caratteristica distintiva delle cellule tumorali, non condivisa dai tessuti normali.
Mentre tutti i tessuti in crescita, normali o maligni, mostrano un’elevata capacità fermentativa, solo nei tessuti normali in proliferazione la respirazione è sufficiente ad abolire la fermentazione aerobica. In altre parole, la differenza tra crescita ordinata e disordinata risiederebbe nella capacità della respirazione di arrestare la fermentazione in presenza di ossigeno. Di conseguenza, il metabolismo aerobico delle cellule normali, sia in crescita che mature, è solo respirazione, mentre quello delle cellule tumorali in generale, sia maligne che benigne, è un misto di fermentazione e respirazione.
Se in un tessuto a riposo si realizza carenza di ossigeno sopravviveranno quelle poche cellule con un’elevata capacità fermentativa, mentre tutte le altre cellule muoiono. Per tutta la vita Warburg continuerà a sostenere che la glicolisi aerobica è “la causa primaria del cancro”, ma il paradigma biochimico a cui questa teoria si richiama è ormai sostituito da un nuovo paradigma, basato sulla funzione dei geni e sul ruolo in alcuni casi dei virus (che non sono altro che “geni liberi”) nell’origine dei tumori.
L'Oncologia Molecolare e le Basi Genetiche dei Tumori
Il nuovo tipo di spiegazione proposto dall’oncologia molecolare si concentra sulle basi genetiche della proliferazione, differenziazione e morte cellulare che caratterizzano i tumori. Attualmente si ritiene che la trasformazione maligna avvenga attraverso mutazioni successive in specifici geni cellulari, che portano all’attivazione di oncogeni e all’inattivazione dei geni oncosoppressori. Gli oncogeni e i geni oncosoppressori funzionano normalmente come regolatori chiave di processi fisiologici quali la proliferazione, la morte o apoptosi cellulare, la differenziazione e la senescenza, nonché il modo in cui questi programmi cellulari vengono deregolamentati nel cancro a causa di mutazioni.
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La Riscoperta dell'Effetto Warburg
Dopo un lungo periodo di oblio, il fenomeno scoperto da Warburg verrà riconsiderato solo decenni più tardi e chiamato “Warburg Effect” da Efraim Racker nel 1972, in un articolo sulla bioenergetica della crescita tumorale, per designare un fenotipo metabolico tipico di molte cellule tumorali, l’elevata attività di glicolisi anaerobica, cioè di produzione di acido lattico, anche in presenza di un’elevata concentrazione di ossigeno. Si parla anche di un nuovo campo di ricerca, l’oncometabolismo, che si concentra sui cambiamenti metabolici che si verificano nelle cellule che costituiscono il microambiente tumorale (Tumor Microenvironment, o Tme) e accompagnano l’oncogenesi e la progressione neoplastica.
L'Utilizzo Diagnostico dell'Effetto Warburg
L’aumento del consumo di glucosio da parte delle cellule tumorali derivante dall’effetto Warburg viene utilizzato come strumento diagnostico di un’ampia varietà di tumori in combinazione con le tecniche di imaging con la tomografia a emissione di positroni, utilizzando un isotopo radioattivo del glucosio (18F-desossiglucosio Fdg-Pet). Questa tecnica permette di diagnosticare un tumore, dato che il glucosio viene rilevato a concentrazioni più elevate nei tumori maligni rispetto ad altri tessuti.
Le cause dell’effetto Warburg restano in gran parte poco chiare. L’ipotesi più diffusa è che potrebbe essere semplicemente una conseguenza del danno che si produce a causa di mutazioni che bloccano i mitocondri (gli organuli sede della respirazione cellulare aerobica). Negli anni più recenti si è sottolineata l’importanza dei cambiamenti nel metabolismo cellulare che accompagnano l’oncogenesi, anche al di là del metabolismo energetico rivelato dall’effetto Warburg, per includere molti cicli di biosintesi cellulari. Questo ha portato a una rivalutazione del ruolo svolto dal “disordine bioenergetico” nella cancerogenesi.
Douglas Hanahan e Robert A. Weinberg nel 2000 in un celebre articolo nella rivista Cell hanno definito le sei capacità distintive (Hallmarks) dei tumori (l’autosufficienza nei segnali di crescita, l’insensibilità ai segnali inibitori della crescita, la capacità di evitare l’apoptosi, la capacità di replicarsi indefinitamente, l’induzione dell’angiogenesi e la capacità di formare metastasi). In un successivo articolo del 2011, sempre nella rivista Cell, con il titolo “Hallmarks of cancer: the next generation”, gli stessi autori identificano le due caratteristiche emergenti distintive delle forme tumorali, la deregolazione del metabolismo energetico cellulare e la capacità di evitare la distruzione da parte del sistema immunitario.
La Glicolisi Aerobica e l'Adattamento delle Cellule Tumorali
Risale ai primi del Novecento la scoperta della cosiddetta “glicolisi aerobica” per la quale Otto Warburg, medico e fisiologo tedesco, vinse il premio Nobel per la Medicina nel 1931. Costui dimostrò un aspetto fondamentale del metabolismo delle cellule tumorali che prende il nome di “effetto Warburg”: è la loro tendenza a ricorrere alla glicolisi per la produzione di energia in misura maggiore rispetto alle cellule sane.
Ma c’è un problema: la glicolisi, che le cellule tumorali sembrano gradire particolarmente, consente un’ossidazione solo parziale delle molecole di glucosio ed è quindi scarsamente efficiente da un punto di vista energetico. Facciamo un passo indietro e parliamo del metabolismo cellulare. È l’insieme delle reazioni chimiche che avvengono all’interno della cellula: si classificano in “cataboliche“, che degradano molecole in sostanze più semplici liberando energia, e “anaboliche”, che viceversa impiegano l’energia per costruire nuove molecole.
L’energia nella cellula si misura come quantità di molecole di ATP prodotte: nel caso della glicolisi la resa netta è di due ATP. Con uno sguardo più dettagliato al metabolismo cellulare possiamo rispondere senza ombra di dubbio che due molecole di ATP sono molto poche. Per aumentare la resa, il piruvato prodotto dalla glicolisi entra nella via del ciclo di Krebs e della fosforilazione ossidativa, che insieme costituiscono la cosiddetta respirazione cellulare. Una sequenza di reazioni che consente l’ossidazione completa ad anidride carbonica producendo ben trenta molecole di ATP.
Ma anche le cellule per “respirare” hanno bisogno di ossigeno: in condizioni di anaerobiosi, la glicolisi rimane l’unico modo per procurare energia rapidamente. Il piruvato viene ridotto ad acido lattico, un processo noto come fermentazione lattica, con una bassa resa energetica.
I tumori sono composti da cellule che proliferano rapidamente e senza controllo. Hanno bisogno di molta energia, eppure sono inspiegabilmente “affezionati” a un processo inefficiente come la glicolisi accoppiata alla fermentazione. Frutto di un’eccessiva semplificazione è l’idea che le cellule tumorali producano energia SOLO tramite la glicolisi. Questo non è vero: anche il tumore più aggressivo non supera il 50% di produzione energetica tramite la glicolisi; il resto passa comunque attraverso la respirazione cellulare. Ciononostante, l’attività glicolitica è fino a 200 volte superiore che nelle cellule normali, anche in abbondanza di ossigeno.
La primissima ipotesi, proposta dallo stesso Warburg, era che i mitocondri delle cellule tumorali (gli organelli responsabili della respirazione cellulare) fossero difettosi. Addirittura, Warburg aveva creduto di identificare quella che chiamò “causa primaria del cancro”, una teoria screditata da studi successivi. Oggi è appurato che l’effetto Warburg paradossalmente aiuta le cellule tumorali a crescere, ma le ragioni non sono ancora del tutto chiare.
Un’ipotesi è che la glicolisi, benché meno redditizia da un punto di vista energetico, sia un processo molto più rapido rispetto alla completa ossidazione del glucosio: le cellule tumorali potrebbero prediligere la velocità alla resa, una strategia che le renderebbe più competitive in caso di risorse limitate o condivise. Infine, l’effetto Warburg proteggerebbe il tumore e ne aumenterebbe l’aggressività e la resistenza. La fermentazione del piruvato produce acido lattico, che acidifica il micro-ambiente circostante, creando condizioni sfavorevoli ad esempio all’ingresso di cellule immunitarie.
Tutte queste ipotesi hanno del fondamento, ma anche delle criticità. Solo negli ultimi anni si è riscoperta la fondamentale importanza dell’effetto Warburg per la medicina e l’oncologia. Il metabolismo è uno dei tratti caratteristici delle cellule tumorali e come tale può essere utilizzato per la diagnosi e riconoscimento di una massa maligna o per la sua localizzazione.
Metabolismo cellulare: catabolismo e anabolismo
| Processo | Descrizione | Esempio |
|---|---|---|
| Catabolismo | Degradazione di molecole complesse in sostanze più semplici con rilascio di energia | Glicolisi |
| Anabolismo | Utilizzo di energia per costruire nuove molecole complesse | Sintesi proteica |
La Teoria Metabolica Mitocondriale del Cancro
Il rapporto tra metabolismo cellulare e cancro rappresenta uno dei campi di ricerca più affascinanti della medicina moderna. Quasi un secolo fa, Otto Warburg propose una teoria rivoluzionaria che ancora oggi continua a influenzare la nostra comprensione della patogenesi tumorale. Questo approfondimento esplora la teoria metabolica mitocondriale del cancro, partendo dalle intuizioni pionieristiche di Warburg fino alle più recenti scoperte scientifiche.
La Teoria Originale di Warburg
Otto Warburg ipotizzò che il cancro derivasse da un processo in due fasi:
- Una insufficienza cronica della fosforilazione ossidativa mitocondriale (OxPhos)
- Una compensazione energetica prolungata attraverso la fermentazione dell'acido lattico
Le sue estese ricerche dimostrarono che nei tessuti cancerosi il consumo di ossigeno era inferiore mentre la produzione di lattato era superiore rispetto ai tessuti normali. Warburg considerava entrambi questi parametri come indicatori accurati della produzione di ATP attraverso, rispettivamente, la fosforilazione ossidativa e la glicolisi.
La teoria di Warburg venne però contestata quando si osservò che in alcune cellule tumorali il consumo di ossigeno rimaneva elevato nonostante l'aumentata produzione di lattato, suggerendo che l'OxPhos non fosse necessariamente compromessa.
Nuove Scoperte e Limiti dei Biomarcatori Tradizionali
Recenti studi hanno rivelato che né il consumo di ossigeno né la produzione di lattato sono indicatori accurati per quantificare la produzione di ATP nelle cellule tumorali. Warburg inoltre non poteva sapere che una significativa quantità di ATP può derivare dalla fosforilazione a livello del substrato mitocondriale (mSLP) nel pathway della glutaminolisi, con il succinato prodotto come prodotto finale, confondendo così la relazione tra consumo di ossigeno e origine della produzione di ATP all'interno dei mitocondri.
Nuove evidenze mostrano inoltre che sia le goccioline lipidiche citoplasmatiche che l'elevata fermentazione aerobica dell'acido lattico sono entrambi biomarcatori di insufficienza OxPhos. L'ipotesi originale di Warburg può quindi essere ora collegata a una comprensione più completa di come l'insufficienza OxPhos sia alla base della crescita cellulare tumorale disregolata.
I Tre Meccanismi di Produzione di ATP nelle Cellule Tumorali
La ricerca attuale ha identificato tre principali vie di produzione energetica nelle cellule tumorali:
- Fosforilazione ossidativa (OxPhos) - compromessa nelle cellule tumorali
- Fosforilazione a livello del substrato citoplasmatico (cSLP) - aumentata nella glicolisi
- Fosforilazione a livello del substrato mitocondriale (mSLP) - derivante dalla glutaminolisi
Studi recenti su gliomi murini e umani hanno dimostrato che la produzione di ATP attraverso OxPhos non è né necessaria né sufficiente per la crescita tumorale, mentre la SLP citoplasmatica e mitocondriale appaiono sia necessarie che sufficienti.
Anomalie Mitocondriali nei Tumori
Un'ampia gamma di tumori mostra evidenti anomalie nella struttura, nel numero e nella funzione mitocondriale. In particolare, nessun tumore è stato finora descritto con un contenuto o una composizione normale di cardiolipina, un fosfolipide essenziale per l'efficienza della fosforilazione ossidativa.
Le alterazioni strutturali e funzionali nei mitocondri delle cellule tumorali compromettono l'efficienza OxPhos e contribuiscono all'accumulo di goccioline lipidiche trigliceridiche nel citoplasma delle cellule tumorali. La presenza di queste goccioline lipidiche e la fermentazione aerobica comunemente osservata nella maggior parte dei tumori maligni possono quindi servire insieme come biomarcatori di insufficienza OxPhos.
Implicazioni Terapeutiche: la Terapia Metabolica Chetogenica
La strategia terapeutica "Press-Pulse", sviluppata sulla base della nuova comprensione del cancro come disturbo del metabolismo energetico mitocondriale, prevede la restrizione simultanea di glucosio e glutammina mentre l'organismo viene posto in uno stato di chetosi nutrizionale.
Il beta-idrossibutirrato, un corpo chetonico, è stato designato come un "super carburante" perché:
- Non disaccoppia il gradiente elettrochimico come gli acidi grassi
- Aumenta il ΔG' dell'idrolisi dell'ATP
- Ha più legami carbonio-idrogeno del piruvato
- Produce pochi radicali dell'ossigeno durante il suo metabolismo
- Può sostituire il glucosio come fonte energetica per il cervello e altri organi
La terapia metabolica chetogenica (KMT), che prevede il targeting simultaneo della SLP citosolica e mitocondriale nelle cellule tumorali, offre una strategia terapeutica per la gestione della maggior parte dei tumori. KMT riduce anche l'acidificazione e l'infiammazione nel microambiente tumorale, facilitando così una gestione metabolica non tossica del cancro.
Teoria Mitocondriale Metabolica vs Teoria della Mutazione Somatica
Mentre la teoria della mutazione somatica (SMT) considera il cancro una malattia genetica basata su anomalie genomiche e numerose mutazioni in oncogeni e geni soppressori del tumore, la teoria metabolica mitocondriale (MMT) offre una spiegazione più credibile che può portare a strategie terapeutiche più efficaci e meno tossiche.
L'assenza di mutazioni del DNA nucleare in alcune cellule tumorali, la presenza di mutazioni di geni driver del cancro in tessuti normali, insieme ai dati degli esperimenti di trasferimento nucleare/mitocondriale, rappresentano incongruenze irriconciliabili che mettono in discussione la SMT come spiegazione credibile per l'origine del cancro.
La teoria metabolica mitocondriale del cancro, basata sull'ipotesi originale di Warburg, fornisce una spiegazione unificante che collega l'insufficienza della fosforilazione ossidativa con l'aumentata dipendenza dalla fosforilazione a livello del substrato, sia nel citosol che nei mitocondri.
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