La fibrosi cistica (FC) è una malattia genetica causata da mutazioni del gene CFTR. È una patologia multiorgano, che colpisce soprattutto l’apparato respiratorio e quello digerente.
La malattia colpisce indifferentemente maschi e femmine. Oggi quasi 6.000 bambini, adolescenti e adulti affetti da FC vengono curati nei Centri Specializzati in Italia.
Cos'è la Fibrosi Cistica?
La fibrosi cistica è una malattia genetica che colpisce le ghiandole esocrine, come quelle che producono muco e sudore. Chi soffre di fibrosi cistica produce un muco denso e appiccicoso che, anziché umidificare la superficie con cui è a contatto, si deposita bloccando prime fra tutte le vie respiratorie.
Qualsiasi dotto, inclusi quelli che permettono ai succhi pancreatici di arrivare nell'intestino tenue per partecipare alla digestione, viene ostruito. Inoltre la fibrosi cistica porta a perdere molti sali attraverso il sudore, causando scompensi elettrolitici, disidratazione, aumento della frequenza cardiaca, affaticamento e debolezza, riduzione della pressione sanguigna e colpi di calore.
La fibrosi cistica è una delle malattie genetiche letali più comuni nella popolazione caucasica; viene trasmessa con modalità autosomica recessiva ed è causata da mutazioni nel gene CFTR, dalle quali dipende la produzione della corrispettiva forma alterata della proteina canale transmembrana del cloro.
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I pazienti affetti da fibrosi cistica in Europa e nell’America settentrionale sono più di 70.000; in Italia viene diagnosticata in un neonato ogni 2.700, e si stima che i portatori sani siano circa 2 milioni e mezzo.
La fibrosi cistica si presenta come una malattia sistemica che ha effetti sulle ghiandole esocrine di polmoni, fegato, pancreas, e intestino, causando malattie croniche dell’apparato respiratorio, insufficienza pancreatica esocrina, disturbi dell’apparato gastro-intestinale.
Il Gene CFTR
E’ dovuta ad un gene alterato, cioè mutato, chiamato gene CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Regulator), che determina la produzione di muco eccessivamente denso. La malattia si manifesta quando un bambino eredita due copie alterate, cioè mutate, del gene CFTR, una da ciascun genitore.
Il locus della mutazione nel gene CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator gene) è stato localizzato nel 1989 sul braccio lungo del cromosoma 7; il gene è costituito da 250 kb di DNA genomico, contiene 27 esoni e produce un mRNA di 6,5 kb. Sequenziando il DNA di persone affette sono state individuati più di 750 alleli patogeni e più di mille diverse mutazioni.
Il gene CFTR codifica una proteina costituita da 1.480 amminoacidi, localizzata nella membrana apicale delle cellule degli epiteli. La proteina CFTR è un canale transmembrana del cloro, attivato dalla proteina chinasi A mediante AMP ciclico, con la funzione di regolare gli scambi elettrolitici tra l’interno e l’esterno delle cellule di molte ghiandole dell’organismo.
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La sua alterazione causa anomalie del trasporto di ioni cloro attraverso le membrane cellulari e, in generale, della produzione delle secrezioni esocrine dell’organismo, che risultano dense e viscose, causando un danno progressivo degli organi coinvolti.
Le cause della fibrosi cistica sono mutazioni nel gene CFTR, che codifica una proteina che controlla il passaggio di acqua e di alcuni sali all'interno e all'esterno delle cellule. La proteina mutata non funziona in modo appropriato e porta alla produzione di muco denso e sudore molto ricco di sali.
Le possibili mutazioni a carico di CFTR sono più di mille e possono causare forme di fibrosi cistica di gravità differente. Il rischio di avere un bambino affetto da fibrosi cistica può essere valutato con analisi del proprio DNA e di quello del partner.
Il gene CFTR codifica per un canale transmembrana costituito da due domini transmembrana ognuno costituito da 6 alfa eliche (MSD, Membrane Spanning Domain). Ogni dominio MSD è connesso a un dominio citoplasmatico legante nucleotidi come ATP, chiamato Nucleotide Binding Domain (NBD). Il canale CFTR si colloca sulla membrana cellulare di alcune ghiandole (salivari, pancreatiche e sudoripare), dei vasi deferenti, dell’intestino, delle vie respiratorie e delle vie biliari.
Si definisce mutazione un cambiamento nella sequenza del gene CFTR in grado di dare la malattia FC (ovviamente se combinata con un’altra mutazione nel cromosoma 7 gemello). Il gene CFTR difettoso produce una proteina CFTR difettosa. Si conoscono oggi oltre 2000 mutazioni del gene CFTR.
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Funzionamento della Proteina CFTR
Il malfunzionamento o l’assenza della proteina CFTR interessa tutte le ghiandole a secrezione mucosa determinando una carenza di cloro e acqua nelle secrezioni. Le secrezioni mucose povere di acqua e vischiose tendono a ristagnare provocando così l’ostruzione degli organi interessati, prevalentemente bronchi, intestino e pancreas.
Nell’albero bronchiale (il cui grado di coinvolgimento è il principale responsabile della gravità della malattia), si innesca un circolo vizioso infiammazione-infezione che porta infine alla destrutturazione del tessuto polmonare.
Ad esclusione delle ghiandole sudoripare, se il canale è assente o mal funzionante, le cellule epiteliali secernono meno ioni Cl- e riassorbono Na+ in eccesso, determinando di conseguenza una riduzione di acqua. La conseguenza del difetto del canale CFTR è la produzione di secrezioni più asciutte, disidratate, dense e viscose.
Nelle vie aeree, il muco più viscoso tende ad accumularsi lungo la parete bronchiale e la clearance mucociliare diventa inefficace, favorendo l’instaurarsi di infezione broncopolmonare e la tendenza al ripetersi di infezioni polmonari.
Nelle ghiandole sudoripare, il difetto del canale CFTR comporta invece un’incapacità della ghiandola a recuperare attraverso il suo dotto escretore il cloro e il sodio, che vengono prodotti all’origine in concentrazione uguale a quella del plasma. Ne consegue una secrezione di sudore ad alto contenuto di elettroliti e notoriamente “salato”.
Da ciò consegue che poca acqua esce dalla cellula e quindi è molto scarso il liquido periciliare. Il battito ciliare è perciò inefficace ed il muco, che è anche più viscoso, si accumula lungo la parete bronchiale.
Classificazione delle Mutazioni del Gene CFTR
Nella popolazione caucasica la mutazione più frequente del gene CTFR consiste nella delezione dell’amminoacido fenilalanina, presente nella posizione 508 della proteina normale. Questa mutazione è chiamata ΔF508 ed è responsabile della maggior parte dei casi di fibrosi cistica; a seconda della regione geografica, circa il 50÷70% degli individui affetti sono omozigoti.
Finora sono state identificate più di un migliaio di altre mutazioni nel gene CFTR, la cui frequenza relativa è molto variabile in relazione all’area geografica.
Le mutazioni nel gene CFTR sono catalogate in cinque classi, in base al meccanismo con cui alterano la funzione della proteina.
- Le mutazioni di classe I portano alla interruzione prematura della trascrizione, che ha come risultato un trascritto CFTR troncato e instabile, oppure un’espressione del tutto assente di CFTR.
- Le mutazioni missense (classe II) danno origine a un codone che specifica un amminoacido diverso da quello originario, o deleto, come nella mutazione (ΔF508. Queste mutazioni causano un avvolgimento errato della proteina che porta al trattenimento della proteina stessa nel reticolo endoplasmatico, e alla sua prematura degradazione.
CFTR è un membro della superfamiglia di proteine del trasporto ABC (ATP-Binding Cassette). Queste proteine sono regolate dall’AMP ciclico, e hanno in comune la funzione di trasporto di soluti, dagli ioni organici ai carboidrati, attraverso la membrana cellulare. Le mutazioni nei geni ABC sono associate a molte malattie genetiche, tra cui la sindrome di Dubin-Johnson e la degenerazione della macula.
Strutturalmente la proteina CFTR è un canale ionico formato da quattro domini disposti in due metà simmetriche, ciascuna comprendente un dominio transmembrana (MSD1 e MSD2) composto di sei segmenti, e un dominio NBD (Nucleotide Binding Domain) citoplasmatico, con proprietà di idrolisi dell’ATP. Le due metà della proteina sono collegate da un dominio regolativo che, in accordo con i domini NBD, modula l’apertura del canale del cloro.
Quando l’ATP è legato ai due domini NBD, il canale è aperto. L’idrolisi di una delle due molecole di ATP distrugge l’interazione NBD1-NBD2 e chiude il canale del cloro, interrompendo il flusso degli ioni.
Le mutazioni del gene CFTR interessano solitamente una o poche basi nucleotidiche e sono distribuite principalmente negli esoni o nelle sequenze di giunzione tra esoni ed introni. Al momento non è noto il tipo di difetto che ogni mutazione provoca nella proteina CFTR e pertanto non per tutte è nota la corrispondenza del quadro clinico e sintomatologico della fibrosi cistica.
Le mutazioni nel gene CFTR possono essere raggruppate in 6 classi, in base ai meccanismi biomolecolari responsabili del deficit funzionale della proteina:
- classe I: mutazioni che determinano l’assenza della proteina CFTR funzionante
- classe II: mutazioni che alterano il processamento della proteina.
- classe III: mutazioni che provocano un deficit nell’attivazione del canale, nella sua funzione di “gating”. Le mutazioni colpiscono i siti di legame dell’ATP
- classe IV: mutazioni che determinano un difetto della permeabilità ionica.
Le mutazioni appartenenti alle classi I, II e III alterano maggiormente il destino della proteina, non consentendone affatto la produzione (classe I) o producendo una proteina molto difettosa (classe II e III); quelle di classe IV consentono la sintesi di una proteina difettosa ma capace di svolgere, seppure in piccolissima misura, la sua funzione; quelle di classe V permettono la produzione di una certa quota, anche se piccola, di proteina normale. In base al tipo di mutazione si hanno diversi effetti sulla proteina CFTR.
Si può variare dalla totale mancanza della proteina stessa (difetto più grave: il canale non viene prodotto per niente), a una maturazione incompleta (si assemblano i pezzi del canale ma la produzione non va a termine), oppure a un funzionamento ridotto rispetto al normale (casi più lievi: il canale si apre poco o irregolarmente).
In generale i pazienti con combinazioni nei due alleli delle varianti patogenetiche di classe I, II e III, che determinano la perdita della funzionalità della proteina CFTR, manifestano per lo più un fenotipo severo della malattia, con caratteristiche cliniche che comprendono:
- insufficienza pancreatica,
- ileo da meconio alla nascita,
- malassorbimento e difetto di crescita,
- broncopneumopatia e compromissione della funzionalità respiratoria con andamento peggiorativo nel tempo,
- malattia epatica.
Le mutazioni appartenenti alle classi IV, V e VI sono in genere associate a un quadro clinico di fibrosi cistica più lieve con sufficienza pancreatica, compromissione polmonare più modesta e migliori aspettative di vita.
Le varianti patogenetiche di classe IV, V e VI sono fenotipicamente dominanti quando associate a varianti patogenetiche di classe I, II e III. Tuttavia, sia la variabilità genetica sia quella ambientale, nonché le terapie, rendono la correlazione genotipo - fenotipo complicata e spesso difficilmente prevedibile. Pertanto, la previsione del decorso della malattia a partire dal genotipo non è una prassi raccomandata.
Spesso, infatti, pazienti con il medesimo genotipo possono presentare manifestazioni cliniche differenti, soprattutto per quanto concerne la compromissione polmonare. La presenza di varianti in cis del gene CFTR o di varianti in altri geni definiti come “geni modificatori”, di cui ancora non è definito il ruolo funzionale, potrebbe spiegare parte di queste discrepanze. Tali variazioni di sequenza sono state infatti associate, in alcuni casi, ad una più frequente insorgenza di specifiche manifestazioni cliniche.
E’ importante sottolineare che non esiste al momento una chiara correlazione genotipo-fenotipo, poiché nella manifestazione della fibrosi cistica concorrono anche i cosiddetti geni modificatori e i fattori epigenetici.
Misura dell'Attività della Proteina CFTR
La misura dell’attività della proteina CFTR nei monociti (che si possono ottenere attraverso un semplice prelievo di sangue) potrebbe diventare un nuovo test accurato e specifico per sapere se e quanto è efficace un farmaco somministrato per correggere il difetto di base della malattia.
A partire dal 2010, i ricercatori FFC hanno dimostrato che la proteina CFTR è presente in particolari cellule, chiamate “monociti”, che circolano nel sangue (Progetto FFC#6/2010). In seguito, gli stessi ricercatori hanno indagato se queste cellule possono essere utilizzate per valutare gli effetti di nuovi farmaci sulla proteina CFTR mutata, misurando il funzionamento della proteina prima e dopo l’assunzione del farmaco (progetto FFC#26/2011).
I risultati sono stati messi a confronto con quelli forniti da altre tecniche correntemente in uso per misurare il funzionamento di CFTR. Con il progetto#26/2011, i ricercatori hanno sostanzialmente messo a punto un metodo per misurare il funzionamento di CFTR mediante saggio di fluorescenza (citometria a flusso). Il metodo pone le basi per utilizzare i monociti come cellule adatte a seguire la variazione di espressione e funzione di CFTR in pazienti FC.
Ricordiamo che CFTR è responsabile del passaggio di ioni cloro attraverso la membrana cellulare e che gli ioni cloro, essendo elettricamente carichi, generano corrente elettrica. Questa corrente può essere registrata per mezzo di Patch Clamp, una tecnica sperimentale introdotta negli anni ’80, utile per misurare le correnti che attraversano singoli canali ionici.
Gli autori del lavoro si sono avvalsi della tecnica di Patch Clamp per misurare la corrente dovuta agli ioni cloro attraverso CFTR. Le correnti risultano sensibili a specifici inibitori del canale CFTR e sono assenti nei monociti FC nei quali CFTR non funziona. Hanno ripetuto gli esperimenti sia con monociti sani, sia con cellule da pazienti che portano la mutazione F508 del, in presenza del correttore Vertex-325.
I risultati confermano la presenza di CFTR funzionante nei monociti umani, dimostrando che i monociti del sangue possono essere una sorgente valida per cellule primarie, utili ad analizzare il comportamento di CFTR.
L'Evoluzione della Fibrosi Cistica
L’evoluzione della fibrosi cistica, e di conseguenza la durata e la qualità della vita, dipende da una combinazione di fattori. Questi sono in parte genetici, come le mutazioni del gene CFTR e l’influenza dei geni modificatori, ma anche legati a elementi di diversa natura.
Tra i fattori non genetici si annoverano le cure praticate e il livello di aderenza terapeutica da parte del paziente, l’ambiente di vita, che comprende famiglia, scuola, attività ricreative, sport, lavoro, socializzazione e condizioni climatiche, lo stile di vita adottato dalla persona, inclusa l’attività fisica, la dieta e l’attenzione alla salute generale.
La grande variabilità nella combinazione di questi fattori rende ogni malato unico. Chiarezza, empatia e disponibilità sono qualità fondamentali per costruire un rapporto solido tra il medico e la persona con Fibrosi Cistica, insieme alla sua famiglia e al caregiver.
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