Mitochondrial functions in the modulation of immunometabolism: physiological and pathological aspects

Recenti studi sul metabolismo delle cellule dell’immunità innata ed adattiva hanno messo in luce lo stretto legame esistente tra stato metabolico e fenotipo di queste cellule. Secondo un concetto emergente, cambiamenti nel profilo metabolico non soltanto sostengono la risposta immunitaria come conseguenza dell’attivazione di specifiche vie di segnale intracellulari, ma possono anche indurre l’acquisizione di determinati immunofenotipi agendo sul signaling intracellulare. Alla luce di queste osservazioni, il metabolismo mitocondriale rappresenta un interessante bersaglio terapeutico per la modulazione della risposta immunitaria in stati infiammatori patologici. In questo studio sono stati utilizzati due modelli in vitro di cellule della linea mieloide stimolate fisicamente e biologicamente per determinare i check points metabolici responsabili dell’interazione tra infiammazione e metabolismo, al fine di identificare targets farmacologici per impedire il priming metabolico di cellule dell’immunità innata, quali macrofagi e cellule dendritiche. Nella prima parte di questo studio è stata utilizzata la linea cellulare di macrofagi murini RAW 264.7 come modello in vitro per studiare le conseguenze dell’attivazione mediata dal Lipopolisaccaride (LPS) sul metabolismo mitocondriale e gli effetti su quest’ultimo del para- Idrossifenilpiruvato (pHPP), un intermedio del catabolismo di Tirosina e Fenilalanina che oltre a fornire substrati al Ciclo di Krebs (Fumarato e Acetil- Coenzima A), presenta attività antiossidante ed anti-infiammatoria. I risultati ottenuti mostrano che il trattamento delle RAW 264.7 con una concentrazione 2 di LPS paragonabile a quella rilevata nel siero di pazienti settici induce il rilascio della citochina pro-infiammatoria Interleuchina 6 (IL-6), un marcato incremento dell’espressione della Ossido Nitrico Sintasi inducibile (iNOS) ed un conseguente aumento della produzione di Ossido Nitrico (NO). L’analisi respirometrica e del flusso metabolico delle RAW 264.7 trattate con LPS ha rivelato un netto shift metabolico consistente nella riduzione della fosforilazione ossidativa mitocondriale (OxPhos), accompagnata da un aumento dell’attività glicolitica. È stata infatti riscontrata una significativa riduzione di circa il 50% della respirazione mitocondriale e delle specifiche attività del Complesso I e del Complesso IV della catena respiratoria, compensate da un incremento della glicolisi ed accompagnate da un’aumentata produzione di specie reattive dell’ossigeno. L’inibizione dell’attività respiratoria è stata anche osservata in seguito all’incubazione di fibroblasti umani neonatali (NHDF-neo) con siero di pazienti settici ed il pHPP è risultato in grado di inibire tutte le alterazioni finora descritte nelle sia RAW 264.7 stimolate con LPS che nelle NHDF-neo incubate con siero settico, grazie alla combinazione delle sue dirette attività antiossidanti e bio-energizzanti. Per quanto concerne la seconda parte di questo progetto di ricerca, sono state utilizzate cellule dendritiche derivanti da monociti (MoDCs) sottoposte ad un breve (3h) shock termico (39°C) per simulare uno stato febbrile, al fine di approfondire il suo diretto effetto sul metabolismo delle cellule dendritiche. È noto infatti che la febbre sia un sintomo altamente conservato a livello evolutivo, poiché in grado di stimolare la risposta immunitaria innata ed adattativa inducendo l’acquisizione di specifici immunofenotipi e profili di espressione genica. Considerando inoltre che il metabolismo mitocondriale gioca un ruolo fondamentale nel contesto della risposta immunitaria non solo per fornire l’energia necessaria ai molteplici processi cellulari ma anche come piattaforma di segnale, abbiamo ipotizzato che lo stato febbrile potesse causare alterazioni nel metabolismo ossidativo mitocondriale delle cellule dendritiche. I risultati ottenuti mostrano chiaramente che un blando stress termico è in grado 3 di stimolare il rilascio di TNF-α da parte delle cellule dendritiche e che questa attivazione immunitaria è accompagnata da una riprogrammazione del metabolismo ossidativo, che si traduce in una diminuzione dell’attività respiratoria mitocondriale, in un’aumentata produzione di specie reattive dell’azoto e dell’ossigeno e nell’accumulo di Ca2+ nei mitocondri. L’inibizione dell’attività respiratoria mitocondriale indotta dall’ipertermia è un processo irreversibile, dal momento che il ricondizionamento delle cellule in normotermia a 37°C non permette un recupero dell’attività della catena respiratoria, ma può essere prevenuta dal cotrattamento con Rosso Rutenio, inibitore dell’uniporto mitocondriale per il Ca2+. Inoltre l’effetto inibitorio dell’ipertermia sulla catena respiratoria può essere mimato esponendo cellule in normotermia al medium condizionato da cellule precedentemente sottoposte ad ipertermia, suggerendo così il coinvolgimento di mediatori rilasciati nel terreno di coltura cellulare. Queste osservazioni combinate con un’analisi di gene expression possono essere spiegate tramite un modello basato su un sistema di signaling autocrino mediato dalle heat shock proteins via recettori toll-like e dall’attivazione termica dei canali di tipo TRPV (transient receptor potential cation). In conclusione, i risultati presentati in questo studio supportano la nozione emergente secondo la quale la risposta immunitaria indotta da stimoli sia fisici che biologici coinvolge e richiede specifiche riprogrammazioni del metabolismo delle cellule immuno-competenti. Pertanto, in casi di risposta immunitaria disregolata la modulazione dello switch metabolico in specifici check points può rappresentare un’efficace strategia farmacologica per prevenire il priming metabolico pro-infiammatorio delle cellule immunocompetenti, attenuando nel contempo i sintomi indotti dalla endotossiemia così come da temperature febbrili.