Gli inflammasomi come possibili target terapeutici

Gli inflammasomi sono complessi multiproteici citosolici del sistema immunitario innato che si attivano come risposta infiammatoria per azione di agenti di varia natura. Scoperti nel 2002 da Jürg Tschoppe nel Dipartimento di Biochimica dell’Università di Losanna, sono stati ben caratterizzati e studiati nelle cellule del sistema immunitario innato. Recenti studi, tuttavia, indicano alti livelli delle componenti dell’inflammasoma anche in altri tessuti. Il loro ruolo ricopre grande importanza, infatti non solo nella risposta antimicrobica, ma anche nel regolare reazioni immunitarie e vie metaboliche in diverse patologie.

Gli inflammasomi

Gli inflammasomi si attivano in risposta a strutture altamente conservate espresse da patogeni (PAMPs, Pathogen Associated Molecular Patterns), o da cellule danneggiate (DAMPs, Danger Associated Molecular Patterns). Questi attivatori possono essere agenti biologici, fisici, chimici, metabolici, elevati livelli di specie reattive dell’ossigeno (ROS) o ridotte concentrazioni citosoliche di ioni potassio (K). In particolare, questi specifici pattern sono riconosciuti dai recettori PRRs (pattern recognition receptor), presenti sulla superficie delle cellule effettrici dell’immunità innata. Tra questi i principali sono i Toll-like receptors (TLRs), i C-type lectin receptors (CLRs), il RIG-I-like receptor (RLR) e l’AIM2-like receptor (ALR). I PRRs attivano gli inflammasomi, che integrano questi segnali, si assemblano e li convertono in risposte pro-infiammatorie.
Gli inflammasomi sono strutturalmente diversi tra loro ma presentano tre componenti principali:
– un sensore proteico
– una proteina adattatrice
– un precursore proteico (pro-caspasi-1)

Ad oggi, ne sono stati identificati numerosi tipi, ognuno dei quali può essere attivato in risposta a PAMPs o DAMPs specifici. Quello attualmente più caratterizzato è l’inflammasoma intracellulare NLRP3 (Nod-Like Receptor Protein 3; Fig.1), composto da un sensore proteico intracellulare NLR (Nod-Like Receptor), dal precursore proteico pro-caspasi-1 e l’adattatore molecolare ASC (Adaptor apoptosis associated Speck-like protein containing a Caspase Recruitment Domain, CARD). Sebbene la maggior parte degli inflammasomi, in seguito all’attivazione, agisca attraverso una via dipendente dalla caspasi-1 (inflammasomi “canonici”), alcuni studi hanno descritto anche inflammasomi detti “non canonici”, che agiscono attraverso una via indipendente dalla caspasi-1. In particolare, nel topo l’inflammasoma “non canonico” attiva la caspasi-11, nelle cellule umane le caspasi corrispondenti sono la 4 e la 5. Queste caspasi svolgono lo stesso ruolo della caspasi-1.

Figura 1 - Formazione e attivazione di NRLP3.
Figura 1 – Formazione e attivazione di NRLP3. [Fonte: The NLRP3 inflammasome in traumatic brain injury: Potential as a biomarker and therapeutic target doi:10.1186/s12974-020-01778-5]

Meccanismo d’azione “canonico”

Gli inflammasomi “canonici” in seguito all’assemblaggio e all’attivazione, interagiscono con la pro-caspasi-1, che oligomerizza nella sua forma attiva, la caspasi-1. La caspasi-1 promuove il taglio proteolitico, la maturazione e la secrezione di due citochine pro-infiammatorie, l’interleuchina 1β (IL-1β) e interleuchina 18 (IL-18), ed il clivaggio della proteina Gasdermina D.
Il frammento N-terminale della Gasdermina D, risultante da questo clivaggio, induce una forma pro-infiammatoria di morte cellulare programmata distinta dall’apoptosi, conosciuta come piroptosi. Questo tipo di morte cellulare è mediata dalla secrezione delle citochine mature, che causano la formazione di pori nella membrana plasmatica.

Le cellule, quindi, rilasciano il loro contenuto citoplasmatico, attivando un processo infiammatorio. Oltre a contribuire all’attivazione del processo piroptotico (Fig.2), l’IL-1β e l’IL-18, rilasciate in seguito all’attivazione dell’inflammasoma, inducono la secrezione dell’interferon γ (IFN-γ) e l’attivazione delle cellule natural killer (NK), la frammentazione del DNA, l’inibizione degli enzimi glicolitici, l’attivazione della biositesi lipidica e la secrezione della citochina infiammatoria, pro-interleuchina-1α (pro-IL-1α).

Figura 2 - Induzione della piroptosi, un processo di morte cellulare alternativo all'apoptosi.
Figura 2 – Induzione della piroptosi, un processo di morte cellulare alternativo all’apoptosi. [Fonte: How ICE lights the pyroptosis fire https://doi.org/10.1038/cdd.2016.157]

Ruolo dell’inflammasoma nel sistema immunitario innato

Come parte del sistema immunitario innato, gli inflammasomi svolgono un ruolo importante nel coordinare la difesa dell’ospite, sia attraverso la secrezione delle citochine pro-infiammatorie che attraverso l’induzione della pirotosi. Tuttavia, gli inflammasomi non sono presenti solo nelle cellule del sistema immunitario innato. Diversi studi hanno descritto la presenza degli inflammasomi nelle cellule epiteliali e ne hanno evidenziato il ruolo cruciale nella prima linea di difesa. 

Gli epiteli infatti sono l’interfaccia tra l’ambiente esterno e l’organismo, e in particolari condizioni, possono essere il punto di ingresso per i patogeni. Alcuni studi hanno mostrato che diversi componenti dell’inflammasoma sono espressi in una varietà di tessuti epiteliali, in particolare nella mucosa intestinale e nell’epitelio della vescica. Tale localizzazione facilita il rilevamento e l’eliminazione del patogeno. L’attivazione dell’inflammasoma infatti può portare alla piroptosi della cellula epiteliale stessa, circoscrivendo il danno e favorendo il turnover epiteliale. Inoltre, il rilascio di molecole pro-infiammatorie solubili recluta le cellule immunitarie effettrici e induce la contrazione degli strati epiteliali, prevenendo la perdita di integrità nelle fasi successive dell’infezione.

Ruolo degli inflammasomi nelle patologie a base infiammatoria

Lo stress, il fumo, una dieta sbilanciata, una vita sedentaria sono fattori di rischio per il diabete, le patologie cardiovascolari, la depressione e le malattie neurodegenerative. Questi fattori di rischio attivano gli inflammasomi che sono in grado di innescare un’infiammazione cronica che contribuisce all’insulino-resistenza, all’aterosclerosi, e ai cambi di umore. Diversi studi, infatti hanno mostrato che NRLP3 risulta attivato in numerose patologie su base infiammatoria. In questo contesto, l’inibizione dell’IL-1 o di NLRP3 potrebbe essere un’utile strategia terapeutica. Infatti, è stato visto che MCC950, un inibitore sintetico di NRLP3, in modelli murini è in grado di ridurre le placche aterosclerotiche, il rischio di aterosclerosi associata al diabete e di migliorare la memoria in topi affetti dal morbo di Alzheimer.

Ruolo degli inflammasomi nel cancro

Nel cancro gli inflammasomi hanno un comportamento ambivalente: possono contribuire alla patogenesi, allo sviluppo ed alla progressione neoplastica ma possono anche sopprimere la crescita tumorale attivando il meccanismo della piroptosi, portando quindi a morte le cellule pre-maligne. Il diverso comportamento può in parte essere spiegato con l’eterogenicità delle cellule tumorali, in parte con il fatto che differenti inflammasomi ricoprono ruoli diversi.

In alcune tipologie di cancro è stato visto che gli inflammasomi possono contribuire alla formazione e al mantenimento del microambiente tumorale. Infatti, l’aumentata espressione di NLRP3 nei macrofagi associati al tumore (TAMs) del microambiente tumorale sembra essere correlata all’aggressività della neoplasia e al numero di metastasi. In particolare, è stato visto che l’attivazione dell’inflammasoma e la produzione di IL-1β nei TAMs promuovono la progressione tumorale in modelli cellulari animali e umani.

Al contrario, il blocco del recettore per l’IL-1 (IL-1R) con un composto antagonista è risultato in grado di inibire la crescita e le metastasi. L’inibizione dell’inflammasoma e dell’IL-1β nel microambiente tumorale potrebbe quindi rappresentare un approccio innovativo per il trattamento del cancro (Fig.3). Attualmente, il composto Anakinra, antagonista dell’IL-1R, approvato nel 2002 per il trattamento dell’artrite reumatoide e di altre malattie infiammatorie, è stato testato in aggiunta alle terapie antitumorali specifiche per ridurre l’infiammazione in alcuni tumori maligni metastatici (cancro del colon-retto, cancro della mammella HER2-negativo, carcinoma della prostata, carcinoma del pancreas) mostrando un miglioramento clinico e, talora, un aumento della sopravvivenza dei pazienti trattati.

Figura 3 - Strategie terapeutiche attuali contro l'IL-1.
Figura 3 – Strategie terapeutiche attuali contro l’IL-1 [Fonte: Autoinflammation: Translating mechanism to therapy doi:10.1189/jlb.1110616]

Conclusioni

Gli inflammasomi sono componenti dell’immunità innata che risultano coinvolti non sono nella difesa dell’organismo ma anche in numerosi quadri patologici alla cui base è presente un’infiammazione cronica. Nonostante il loro ruolo sia molto complesso e ancora in via di definizione, lo studio di questi complessi multiproteici potrebbe aprire la strada a nuove opzioni terapeutiche in malattie croniche e autoinfiammatorie ma anche in alcune neoplasie.

Fonti

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