Come colpire le cellule

Lara Bettinzoli, N. 10 ottobre 2004

Fino a qualche decennio fa sarebbe sembrata fantascienza o frutto di qualche mente allucinata. Eppure oggi, grazie alle biotecnologie, la manipolazione cellulare è una realtà effettiva, che sta contribuendo alla scoperta di nuove prospettive di cura per molte malattie, tra cui i tumori. Manipolare certe funzioni cellulari per curare i tessuti malati, è questa la sfida della medicina del nostro secolo.
Che la maggior parte delle cellule di un organismo non siano eterne ma, al contrario, vadano incontro a morte e siano sostituite da altre cellule, era noto fin dal 1800. Per molto tempo si è creduto che la morte cellulare fosse sempre dovuta a necrosi, cioè alla rottura della cellula stessa. Solo una trentina di anni fa si è capito che la cellula può morire non solo per rottura, ma anche per l’attivazione di un programma di morte, l’apoptosi. Si è scoperto inoltre che lesioni molecolari, per esempio quelle del DNA, possono andare incontro ad autoriparazione. Fino all’inizio degli anni ‘90, però, si riteneva che non esistessero meccanismi di autoriparazione della membrana cellulare, e che quindi le sue rotture fossero inevitabilmente seguite da necrosi. Oggi sappiamo invece che l’ autoriparazione della membrana ha luogo di continuo durante la vita della cellula: il meccanismo di questa autoriparazione è stato scoperto da un’equipe di giovani ricercatori, guidati dal professor Jacopo Meldolesi dell’Istituto San Raffaele di Milano. I ricercatori del San Raffaele hanno scoperto nelle cellule degli “organelli” aventi la specifica funzione di proteggerle. In caso di lesioni, infatti, essi fondono la propria membrana con quella plasmatica, riparandola in una frazione di secondo. Abbiamo chiesto al professor Meldolesi di spiegarci e descriverci
le tappe della scoperta, spiegandoci perché e come potrebbe risultare utile per la cura dei tumori.
Equilibrio tra nascita e morte
Una delle caratteristiche fondamentali di tutte le popolazioni cellulari dell’organismo è l’equilibrio che esse mantengono tra nascita (per divisione di cellule pre-esistenti)
e morte. La vita dei vari tipi di cellule dura un tempo molto diverso. La maggior parte dei neuroni (cioè le cellule nervose) non possono essere sostituiti. La loro vita, perciò, dura molto a lungo, e la loro morte lascia un vuoto che non può essere colmato. Altre cellule, per esempio
i globuli bianchi del sangue, hanno invece una vita molto più breve, dell’ordine di pochi giorni, e vengono quindi continuamente sostituite. Un’accelerazione del loro ritmo di “nascita”, come avviene nel corso di un’infezione, provoca l’aumento ben noto dei globuli bianchi, utile per la diagnosi e la prognosi
di malattie. In altri casi quello che accelera è il ritmo di morte, con conseguente diminuzione del numero delle cellule coinvolte.
La morte cellulare
Ormai da almeno 30 anni si sa che le cellule muoiono in almeno due modi diversi: per attivazione di un programma specifico che assomiglia al programma di morte degli organismi, non solo animali ma anche vegetali; e per rottura del loro equilibrio vitale, una specie di morte violenta.
L’apoptosi
Il primo processo è stato chiamato apoptosi, che vuol dire caduta delle foglie (in autunno). È il processo fisiologico che più contribuisce all’equilibrio vita/morte. Un aumento della “nascita” cellulare non accompagnato da un aumento parallelo della loro morte provoca un aumento della loro massa, come accade nei tumori. Gli oncogeni, i geni coinvolti nell’origine e nella crescita dei tumori, stimolano la divisione (e quindi la “nascita”) cellulare; gli anti-oncogeni, che si oppongono alla divisione cellulare, controllano l’azione degli oncogeni e/o stimolano l’apoptosi.
La necrosi
Anche la morte violenta delle cellule ha grande importanza. Se un tessuto, o anche un tumore, non riceve abbastanza ossigeno a causa di insufficiente afflusso di sangue, se viene esposto a sostanze tossiche, se viene leso meccanicamente, le sue cellule non riusciranno a mantenere le loro proprietà molecolari e cesseranno di vivere. Questo processo ha luogo soprattutto quando la membrana di superficie della cellula, detta membrana plasmatica, la barriera sottilissima che separa il citoplasma (cioè il corpo funzionante della cellula) dall’ambiente esterno, smette di funzionare o va incontro a ferite vere e proprie. In questo caso la cellula muore per un processo diverso dalla apoptosi, che si chiama necrosi.
La necrosi è un processo molto più drammatico dell’apoptosi. La cellula morta libera nello spazio adiacente alle altre cellule il proprio contenuto: nuclei, organelli, proteine e altre molecole del suo citoplasma, che devono essere poi rimosse da altre cellule “spazzine”, i macrofagi. Una parte almeno delle sostanze liberate dalle cellule necrotiche possono essere
tossiche, ed estendere così l’area di sofferenza alle cellule circonvicine, agendo direttamente su di loro e/o alterando ulteriormente il flusso del sangue. Una necrosi estesa, infine, provoca anche sintomi tossici generali, che corrispondono in parte ai sintomi che compaiono nel corso della chemioterapia. Lo scopo di quest’ultima, infatti, è la morte delle cellule tumorali, da realizzarsi soprattutto per necrosi.
Una vita movimentata
Fino a qualche anno fa noi credevamo che in condizioni normali le cellule andassero incontro solo di rado a lesioni della loro membrana plasmatica, dovute soprattutto ad eventi meccanici. In altre parole pensavamo che la membrana plasmatica fosse assai resistente e che soltanto di rado i traumi meccanici a cui le cellule sono esposte potessero condurre alla sua rottura.
In realtà la vita della maggior parte delle cellule è tutt’altro che tranquilla. Per esempio, le cellule dal sangue circolano sbattendo continuamente contro le pareti dei vasi (soprattutto le arterie), che sono ricoperte da cellule piatte, gli endoteli; le fibre muscolari si stirano e scivolano le une sulle altre; i fibroblasti e i macrofagi “camminano” lasciando frammenti del loro citoplasma attaccati ai propri substrati; i globuli bianchi entrano e, soprattutto, escono dai vasi capillari infilandosi e strisciando tra le cellule endoteliali.
Le ferite cellulari
Ragioni per domandarsi se la resistenza della membrana plasmatica fosse sufficiente a difendere le cellule da tutti questi traumi esistevano quindi, eccome.
Quando il problema fu studiato nel dettaglio, ci si accorse, infatti, che le ferite cellulari sono molto più frequenti di quanto credevamo. Per dare un esempio si calcolò che, durante una maratona, in quasi metà delle fibre muscolari delle gambe degli atleti si producono rotture della membrana plasmatica. Eppure queste fibre muoiono solo in piccola parte. Come si spiega questo fenomeno, per noi davvero inatteso? Semplice, le ferite vanno incontro a una rapida guarigione.
A questo punto dobbiamo spiegare almeno tre fenomeni che avvengono nella cellula in seguito alla ferita. Primo fenomeno: le membrane, per la loro composizione molecolare hanno la tendenza a fondersi tra loro. Quindi, quando i margini delle ferite sono vicini tra loro, essi potrebbero incontrarsi, fondersi e guarire la ferita spontaneamente. In seguito a ferite, però, una guarigione del genere può non essere possibile perché (secondo fenomeno) sotto la membrana tutte le cellule possiedono uno strato di fibre contrattili necessarie a mantenere il contenuto cellulare attaccato alla membrana stessa. Quando quest’ultima è ferita (terzo fenomeno) lo ione della contrazione, il calcio, si precipita attraverso la lesione, contrae le fibre dello strato sotto-membrana e così allontana i margini della ferita l’uno dall’altro. La guarigione spontanea diventa così impossibile a meno che un altro processo non riavvicini i margini. Questo processo di riavvicinamento è quello su cui lavoriamo noi.
La guarigione cellulare
Il processo “salvatore” delle cellule ferite consiste nel trasferimento alla membrana plasmatica di membrane che pre-esistono all’interno della
cellula. Si tratta di una fusione dei due tipi di membrana, quella interna e quella plasmatica, stimolato proprio dal calcio che entra attraverso la ferita. Tanti anni fa, quando lavoravo negli U.S.A., il mio boss, il Premio Nobel George E. Palade, chiamò questo processo exocitosi regolata. Nella cellula ferita, l’aumento della superficie cellulare, che deriva dall’exocitosi, “diluisce” la trazione delle fibre contrattili sotto-membrana, quindi i margini si avvicinano. Essi hanno così una buona probabilità di fondersi e di indurre la guarigione della cellula. Naturalmente la storia è un po’ più complicata di quanto raccontato finora.
In particolare bisogna sottolineare due punti. Primo, l’exocitosi, per salvare la cellula, deve essere molto rapida. Infatti, quando la cellula è ferita, lo scambio di materiale tra la cellula e l’ambiente, in particolare l’accumulo di calcio, porta alla morte cellulare entro pochi secondi. Secondo, all’interno della cellula esistono strutture, gli organelli appunto, alcuni dei quali sono delimitati da specifiche membrane, diverse dalla membrana di superficie. Non tutte queste membrane interne sono capaci di exocitosi regolata, anzi. Per un certo tempo le membrane capaci di salvare le cellule ferite furono identificate con quelle di un organello noto da decenni, chiamato lisosoma, specializzato nella digestione di materiali intracellulari. Non tutti però erano convinti di questa identificazione. Infatti l’exocitosi dei lisosomi non è rapida (decine di secondi), quindi la cellula rischiava di morire prima che il sistema di guarigione fosse attivato; inoltre recentemente noi abbiamo trovato che farmaci bloccanti dell’exocitosi lisosomiale non impediscono alle cellule ferite di andare incontro a guarigione.
L’allargosoma
Per guarire le ferite c’è quindi bisogno di un altro organello intracellulare (o di più di uno) capace di un’esocitosi regolata rapida ed efficiente. Due anni fa noi abbiamo scoperto un organello che sembra funzionare in proposito. Lo abbiamo chiamato allargosoma (in inglese, enlargeosome) proprio perché la sua rapida exocitosi regolata (meno di un secondo) allarga la superficie della cellula. Gli allargosomi sono espressi da molte, ma non da tutte le cellule. Aspetto interessante, quasi tutte le cellule tumorali che abbiamo studiato finora ne sono ricche, così come lo sono molte cellule normali, dai fibroblasti ai macrofagi, dagli endoteli alle cellule gliali. Queste ultime sono quelle che, nel cervello, accompagnano le cellule nervose.
In questo momento gran parte del nostro laboratorio lavora per chiarire le proprietà dell’allargosoma, in particolare per rispondere ad una serie di domande tra cui: come fa a fondersi così rapidamente con la membrana plasmatica? Come si muove dentro la cellula? Cosa gli succede dopo l’exocitosi? Resta inserito nella membrana plasmatica o viene riciclato dentro la cellula? Non siamo riusciti finora ad isolare gli allargosomi dal resto della cellula e quindi ci sono molte cose di loro che ancora non sappiamo.
Per concludere, il nostro laboratorio ha aperto un nuovo capitolo della ricerca biomedica che potrebbe dare luogo in futuro anche a sviluppi a livello di terapia. Dal punto di vista dei tumori l’importanza della nostra scoperta resta ancora oggi solo di prospettiva, ma essa potrebbe concretizzarsi nel prossimo futuro, soprattutto se (e quando) avremo a disposizione farmaci bloccanti dell’exocitosi degli allargosomi, che oggi ancora non esistono. Farmaci del genere, infatti, potrebbero prevenire la guarigione delle cellule ferite e favorire quindi la loro eliminazione. Le cellule di molti tumori, proprio per la loro rapida crescita e per effetto della chemioterapia, sono a rischio costante di morte per necrosi. Intervenendo a bloccare gli allargosomi si potrebbe aumentare questo rischio, e favorire quindi l’eliminazione del tumore. Si tratta di una ipotesi affascinante, soprattutto perché è basata su criteri e, probabilmente, anche su strumenti completamente diversi da quelli delle terapie in atto, con cui potrebbe essere combinata. Al momento però siamo ancora ad un livello che, come sempre nel caso di ipotesi, rimane tutto da verificare.

Com’è fatta la cellula?
La cellula è la più piccola unità dove ha luogo la vita (diametro tra 0,01 e 0,1 mm). Tutti gli esseri viventi sono formati da cellule il cui numero varia: da una nel caso dei batteri, a moltissime negli organismi superiori. Per esempio, nel nostro cervello le cellule sono oltre 1000 miliardi.
La cellula ha una forma quanto mai variabile: da quasi sferica o cubica fino ad irregolare come nel caso delle cellule nervose, fornite di sottilissimi prolungamenti lunghi fino ad un metro ed oltre. La cellula è racchiusa e protetta da una membrana di superficie o plasmatica, una barriera sottilissima che separa il citoplasma (cioè il corpo funzionante della cellula) dall’ambiente esterno. La sostanza gelatinosa del citoplasma racchiude il nucleo e gli organelli, alcuni dei quali delimitati da membrane diverse dalla membrana plasmatica. I principali organelli sono i mitocondri, vere e proprie centrali energetiche; i ribosomi dove, attraverso la sintesi delle proteine, viene tradotta l’informazione genetica del DNA; il citoscheletro, che costituisce una sorta di rete stradale interna alla cellula; i lisosomi, che contengono gli enzimi necessari per la digestione delle sostanze da eliminare; l’apparato di Golgi, grazie al quale le proteine sintetizzate vengono distribuite dentro la cellula o secrete all’esterno.

Le biotecnologie: un po’ di storia
Pasteur viene considerato il padre della biotecnologia: tra il 1857 e il 1876 studia e scopre i microrganismi che permettono la produzione della birra, i batteri responsabili della fermentazione del latte e del burro e i microbi responsabili delle alterazioni della birra e del vino. Crea un vaccino per la rabbia. La tecnica da lui utilizzata anticipa la biotecnologia moderna basata sull’ingegneria genetica.
Gli antibiotici
La scoperta del primo antibiotico, la penicillina, è dovuta a Fleming. Da quel momento in poi verranno studiati e prodotti molti altri tipi di antibiotici.
L’ingegneria genetica
Il padre dell’ingegneria genetica viene considerato Griffith. A lui si deve la scoperta che i batteri, attraverso un processo definito trasformazione batterica, possono acquisire, riconoscere e mantenere materiale ereditario esterno, derivante da altri batteri.
Griffith, però, non sapeva ancora che il materiale ereditario era costituito da DNA. Saranno Avery, MacLeod e McCarthy nel 1944 a fare questa scoperta. Nel 1953 Watson e Crick identificano la struttura del DNA e anticipano i meccanismi della sua duplicazione.
L’avvento delle tecnologie del DNA ricombinante (o ingegneria genetica) segna una linea di demarcazione fra biotecnologie tradizionali e biotecnologie innovative, caratterizzate dal cambiamento mirato di attività di organismi, ottenute modificandone il patrimonio genetico.

La tossicità delle cellule
Le cellule normali del corpo umano vengono quotidianamente sottoposte ad innumerevoli stimolazioni, molte delle quali dannose. Tra queste ultime possiamo considerare quelle provenienti dall’esterno (fattori esogeni) quali l’inquinamento, il fumo di sigaretta, gli additivi di alcuni cibi, le sostanze ossidanti, e quelle interne all’organismo stesso (fattori endogeni), conseguenze di patologie: eccesso o deficienza di ormoni, imperfezioni nel patrimonio genetico, deficienze immunitarie, eccetera.
Tutti questi fattori possono essere importanti per la comparsa di un tumore. In condizioni di normalità le cellule si controllano accuratamente l’un l’altra ed eliminano quelle che mostrano caratteristiche patologiche. Però un brutto giorno e per ragioni molteplici, quali quelle su esposte, un tumore può iniziare a svilupparsi quando una o più cellule modificate sfuggono al controllo dell’organismo. Invece di proseguire nel loro normale ciclo vitale ed invecchiare naturalmente, esse vanno incontro ad un repentino ringiovanimento assumendo le funzioni di una cellula “giovanile” che, grazie ad una spiccata attività riproduttiva ed una crescita disordinata, si divide con notevole rapidità generando cellule parimenti “giovanili”. Le cellule figlie manterranno tutte le “nuove” caratteristiche della cellula madre e a loro volta le trasmetteranno alle loro figlie.

Dipartimento di Neuroscienze dell’Istituto San Raffaele di Milano
Jacopo Meldolesi, direttore del Dipartimento di Neuroscienze dell’Istituto San Raffaele di Milano
Tel. 02.26434750 Fax 02.26434771
jacopo.meldolesi@hsr.it
Nato nel 1937. Laurea con lode in Medicina e Chirurgia, 1962. Specializzazione in Malattie del Sangue e del Ricambio. Dopo la specializzazione ha deciso di lasciare la clinica e di dedicarsi alla ricerca di base. Dopo due anni di lavoro a New York (con il Premio Nobel George E. Palade) ha sviluppato il suo laboratorio di ricerca indipendente e, contemporaneamente, è diventato titolare di insegnamento all’Università di Milano (1971). Professore Ordinario di Farmacologia dal 1980, si occupa anche di problemi generali dell’Università e della Scienza, quali il finanziamento della ricerca e la sua valutazione, non solo in Italia ma anche a livello europeo ed internazionale. È inoltre Editor di giornali scientifici internazionali quali il «J. Cell Biology», il «British J. Pharmacology» e «Trends in Pharmacol. Sci». Dal 1990 al 1998 è stato direttore scientifico del DIBIT, il Dipartimento di Ricerca Biologica e Tecnologica dell’Istituto San Raffele di Milano; dal 1999 al 2001 è stato presidente della Società Italiana di Neuroscienze. Oggi, oltre a dirigere il Dipartimento di Neuroscienze dell’Istituto S.Raffaele, è presidente della Federazione Italiana Scienze della Vita, una struttura che coordina l’attività di otto Società Scientifiche cui afferiscono oltre 3000 ricercatori. Per la sua attività ha ricevuto numerosi riconoscimenti tra cui il Premio Feltrinelli dell’Accademia dei Lincei e la medaglia d’oro del Presidente della Repubblica per i Benemeriti della Cultura e della Scienza. Il professor Meldolesi ha pubblicato oltre 200 articoli in prestigiose riviste internazionali.

La ricerca: meccanismi molecolari del differenziamento neuronale
Il Dipartimento di Neuroscienze dell’Istituto San Raffaele, vanta un organico diversificato in quanto include scienziati interessati a diverse discipline: di base (genetica, biologia cellulare e molecolare, neurofisiologia), neuropsicologi (inclusi gli esperti di mappaggio del cervello) e scienziati interessati alle patologie del sistema nervoso centrale dell’uomo (per esempio malattie autoimmuni, tumori neurosecernenti, disturbi del sonno). Tutti questi ricercatori e studiosi si occupano soprattutto dei meccanismi molecolari e dello sviluppo di nuovi modelli di studio e di terapia. Ogni due anni l’attività del Dipartimento viene valutata criticamente da un Advisory Board composto da scienziati di alto prestigio internazionale attivi nelle varie aree di ricerca. Infine collaborazioni stabili, spesso nate in base alla approvazione di grants presentati in comune, sono in corso tra vari gruppi del Dipartimento ed alcuni tra i migliori laboratori internazionali.
Il gruppo di ricerca guidato dal Professor Jacopo Meldolesi si interessa soprattutto di organelli del citoplasma, le strutture delimitate da membrana che svolgono funzioni fondamentali dentro la cellula. Gli organelli sono studiati da molti punti di vista: regolazione della loro espressione genica, caratterizzazione molecolare della loro struttura, analisi dettagliata della loro funzione. Per condurre questi studi il laboratorio impiega numerose tecniche di indagine, dall’espressione genica alla proteomica, dalla microscopia confocale ed elettronica al frazionamento subcellulare e all’analisi della interazione tra proteine.

Per saperne di più

http://personal.tmlp.com/Jimr57/tour/cell/cell.htm
In questo sito sono rappresentati e descritti tutti gli organuli cellulari; è possibile far ruotare i singoli organuli o vederne sezioni longitudinali.

www.cs.brown.edu/stc/outrea/greenhouse/nursery/biology/home.html
Visualizzazione di una cellula interattiva tridimensionale.

www.tin.it/scienza/biologia/
Molte informazioni sulla biologia generale, biologia marina, botanica, chimica biologica, entomologia, genetica, parassitologia, zoologia.

www.york.biosis.org/free_resources/index.html
Associazione che si occupa della diffusione delle conoscenze biologiche nel mondo; nel link si possono trovare informazioni sui seguenti argomenti: curiosità sul mondo della vita; calendario dei seminari di zoologia; informazioni sulla biodiversità; classificazione degli animali; glossario di biologia; guide alle risorse internet; links ad altri siti di biologia e zoologia.

http://esg-www.mit.edu:8001/esgbio/7001main.html
Suddiviso in capitoli: riepilogo di chimica di base, macromolecole, biologia cellulare, biochimica enzimatica, glicolisi e ciclo di Krebs, fotosintesi, genetica mendeliana, dogma centrale, genetica dei procarioti ed espressione genica, DNA ricombinante, immunologia.

www.esp.org
Dallo sviluppo della genetica a partire dalla sua nascita, fino ai giorni nostri. La narrazione è affiancata dalle opere originali dei vari personaggi; è possibile così leggere Aristotele (le parti degli animali), Galeno, Mendel, De Vries, Galton, Malthus, Bateson, Morgan.

www.nobel.se
Biografie degli scienziati premi Nobel.

www.vh.org
È una vera e propria libreria digitale che presenta, e questa è la parte più interessante dal punto di vista didattico, tavole anatomiche estremamente dettagliate e preparati istologici su tutti gli organi del corpo umano sia dell’adulto che del bambino, sia in condizioni normali che patologiche.

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