Abstract
La silicosi è la pneumoconiosi più comune a livello globale, con maggiore prevalenza e incidenza nei paesi in via di sviluppo. Ad oggi, non esiste un trattamento efficace per arrestare o invertire la progressione della malattia causata dal danno polmonare indotto dalla silice. Devono essere fatti progressi significativi per ridurre la morbilità e la mortalità legate alla silicosi. In questa revisione, abbiamo evidenziato i principali meccanismi d’azione che causano il danno polmonare da particelle di silice e riassunto i dati riguardanti la promessa terapeutica della terapia cellulare per la silicosi.
1. Introduzione
Il processo di industrializzazione ha aumentato costantemente l’esposizione professionale dei lavoratori alle particelle respirabili in molti ambienti di lavoro. Tra queste particelle, il biossido di silicio, o silice, ha un ruolo importante nel carico delle malattie respiratorie professionali. L’inalazione di particelle di silice causa la silicosi: un’infiammazione persistente con formazione di granulomi che porta al rimodellamento dei tessuti e al deterioramento della funzione polmonare. La tubercolosi, le malattie polmonari ostruttive croniche e l’artrite reumatoide sono alcune complicazioni comuni associate alla silicosi. L’esposizione a lungo termine alla silice può anche causare il cancro ai polmoni. Ad oggi, la gestione disponibile della silicosi si concentra sul controllo dei sintomi associati e delle comorbidità e nessuna terapia arresta o inverte la progressione della malattia. Nella fase finale della malattia polmonare, il paziente soccombe alla morte a causa dell’insufficienza respiratoria.
Negli ultimi decenni, sono stati fatti molti sforzi per prevenire l’inalazione di polvere di silice da parte dei lavoratori; tuttavia, la silicosi è ancora un problema di salute pubblica in tutto il mondo con una maggiore prevalenza nei paesi in via di sviluppo. In Brasile, Holanda e collaboratori hanno mostrato una prevalenza di silicosi del 33% degli scavatori di pozzi nello stato di Ceará e oltre 4.500 casi di silicosi sono stati correlati a minatori d’oro tra il 1978 e il 1988 nello stato di Minas Gerais. Attualmente, si prevede che oltre 6 milioni di lavoratori siano esposti quotidianamente alla silice in vari settori lavorativi a livello nazionale. La Cina ha riportato più di 500.000 pazienti affetti da silicosi tra il 1991 e il 1995, con circa 6.000 nuovi casi e oltre 24.000 decessi all’anno. In India, 10 milioni di lavoratori sono esposti alla polvere di silice con un alto rischio di sviluppare la malattia.
La silicosi è anche un problema di salute professionale nei paesi sviluppati. Più di 3 milioni di lavoratori sono stati esposti a particelle di silice tra il 1990 e il 1993 in Europa, 600.000 dei quali nel Regno Unito. Negli Stati Uniti, più di 100.000 lavoratori sono stati esposti alla polvere di silice e più di 3.500 nuovi casi all’anno dal 1987 al 1996. L’attuazione di misure di protezione ha fatto diminuire il numero di nuovi casi di silicosi e il tasso di mortalità. Tuttavia, la silicosi è ancora incurabile e si verificano nuovi focolai, come l’esposizione dei lavoratori del conglomerato di quarzo in Spagna, in cui l’età mediana della coorte era di 33 anni. Inoltre, c’è un’espansione del numero di ambienti di lavoro con potenziale esposizione alla polvere di silice, come la sabbiatura dei jeans e il quarzo.
Un numero crescente di articoli ha dimostrato l’efficacia della somministrazione sistemica o intratracheale di cellule staminali in diversi modelli animali di lesioni polmonari. Tra questi, le cellule del midollo osseo sono le più studiate. Sono state in grado di promuovere la riepitelizzazione del parenchima polmonare, modulare la risposta immunitaria e diminuire il rimodellamento dei tessuti. La silicosi ha un processo patogenetico unico, in cui la fagocitosi e il rilascio di particelle di silice nel tessuto polmonare guidano la progressione della malattia. Questa revisione evidenzia i principali meccanismi di azione della polvere di silice nell’ambiente alveolare e come la terapia cellulare può aiutare i pazienti con silicosi modulando l’infiammazione, riducendo la fibrosi e, quindi, migliorando la funzione polmonare.
2. Patogenesi: Il ciclo del danno nel tessuto polmonare
Le particelle di silice che superano il meccanismo di difesa mucociliare nelle vie aeree e raggiungono le porzioni distali del polmone iniziano la cascata patogenetica. Le particelle più patogene per gli esseri umani sono quelle sotto i 10 μm, poiché hanno l’aerodinamica necessaria per raggiungere bronchioli e alveoli.
La silicosi è orchestrata da un ciclo di fagocitosi e rilascio di queste particelle che portano a danni epiteliali, rimodellamento polmonare e riduzione dell’area di scambio dei gas. Il danno polmonare indotto dalla silice si verifica attraverso cinque meccanismi principali (Figura 1): (1) citotossicità diretta, (2) generazione di specie reattive, (3) produzione di citochine e chemochine, (4) fibrosi e (5) morte cellulare per apoptosi.
Le particelle di silice presentano una proprietà piezoelettrica, il che significa che sotto una certa pressione applicata, i cristalli acquisiscono una polarità elettrica. Questo fornisce la capacità della polvere di silice di causare una citotossicità diretta. Le particelle reagiscono con le cellule residenti e causano la perossidazione lipidica della membrana nelle cellule broncoalveolari. Le particelle appena fratturate sono le più citotossiche, poiché possono generare più radicali liberi in mezzo acquoso che distruggono la membrana plasmatica e rilasciano enzimi lisosomiali, causando così danni ai tessuti.
Le specie reattive di ossigeno (ROS) e le specie reattive di azoto (RNS) sono sostanze chimiche altamente reattive spesso prodotte per il sistema di difesa biologico contro gli agenti nocivi. Tuttavia, l’interazione tra macrofagi alveolari e particelle di silice causa uno scoppio respiratorio con un elevato consumo di ossigeno, un aumento dei livelli di ossido nitrico inducibile sintetizzato (iNOS) e la produzione di ROS, che è dannoso per le cellule polmonari. Tra i ROS/RNS, l’ossido nitrico ha un ruolo critico nella patogenesi della silicosi. L’ossido nitrico si forma dalla conversione dell’aminoacido L-arginina in L-citrullina in presenza di iNOS, che poi interagisce con il superossido e forma il perossinitrito che danneggia i mitocondri e il DNA, e inattiva diverse proteine.
Lo stress ossidativo attiva fattori trascrizionali, come il fattore nucleare kappa B (NF-κB) e la proteina attivatrice 1 (AP-1). L’interazione della silice con i macrofagi e le cellule epiteliali trasloca NF-κB dal citoplasma al nucleo, dove si lega al DNA, avviando la trascrizione e la traduzione dei geni coinvolti nei processi infiammatori e fibrogenici. Il rilascio di citochine, chemochine, mediatori lipidici e fattori di crescita recluta cellule polimorfonucleate e mononucleate negli spazi alveolari e intorno alle particelle di silice, che contribuiscono alla formazione di granulomi. Il leucotriene B4 aumenta la quantità di neutrofili nel sito di infiammazione ed è anche coinvolto nella tumorigenesi. Inoltre, la proteina infiammatoria macrofagica (MIP-) 1 e MIP-2 sono chemochine che aumentano il numero di macrofagi in risposta alle lesioni polmonari indotte dalla silice. I macrofagi sono le prime cellule ad interagire con le particelle di silice e questa interazione può attivare una serie di segnali extracellulari che portano alla polarizzazione di queste cellule. I macrofagi M1 sono responsabili delle risposte antimicrobiche e infiammatorie, e le cellule sono polarizzate verso questo fenotipo in presenza di iNOS. I macrofagi si polarizzano verso il fenotipo M2 in risposta all’arginasi, e in questo caso sono coinvolti nella risoluzione dell’infiammazione e nelle riparazioni dei tessuti.
Nei macrofagi alveolari, i recettori scavenger- (SR-) A e MARCO (recettore macrofago con struttura collagena) riconoscono e fagocitano le particelle per rimuoverle dagli alveoli. Tuttavia, il knockout di MARCO aumenta l’infiammazione dopo l’esposizione alla silice nei topi, a causa di una maggiore permeabilizzazione della membrana lisosomiale e l’attivazione dell’inflammasoma. Una volta che la silice attiva l’inflammasoma NLRP3 (NOD-like receptor, pyrin domain containing 3), si verifica la scissione della caspasi-1 e la produzione di citochine, come l’interleuchina- (IL-) 18 e IL-1β .
Durante l’infiammazione indotta dalla silice, le cellule epiteliali e i macrofagi alveolari secernono IL-1α e IL-1β, rispettivamente. Entrambe le citochine sono coinvolte nell’attivazione dei fibroblasti e nella deposizione di collagene. IL-1α e IL-1β sono agonisti, mentre l’antagonista del recettore IL-1 (IL-1Ra) si presenta naturalmente in risposta all’infiammazione e può inibire gli effetti di IL-1 . Inoltre, IL-1β e il fattore di necrosi tumorale (TNF-) α aumentano l’espressione di IL-6, un altro mediatore coinvolto nella progressione della malattia.
L’aumentata espressione di TNF-α durante la silicosi porta al reclutamento e alla proliferazione dei fibroblasti. Il TNF-α può anche collegarsi al recettore della morte cellulare e avviare la cascata dell’apoptosi. Il knockout di Fas ligand (FasL) nei topi e l’uso di anticorpi anti-TNF sono stati in grado di prevenire le lesioni polmonari indotte dalla silice. L’aumento dell’espressione delle metalloproteasi- (MMP-) 2 e MMP-9 e l’inibizione dell’inibitore tissutale delle metalloproteasi- (TIMP-) 1 e TIMP-2 causano una ristrutturazione del parenchima polmonare nel corso della malattia. L’aumento del danno tissutale causato dalle particelle di silice, la degradazione della matrice extracellulare da parte delle MMP e l’esacerbazione della deposizione concentrica di collagene sono responsabili della formazione di granulomi e del rimodellamento polmonare che compromette la funzione polmonare.
Il processo di apoptosi è il risultato della disfunzione mitocondriale e dell’aumento dell’espressione dei recettori di morte e dei loro ligandi, come FasL e TNF . Oltre allo stress ossidativo, le particelle di silice portano alla perdita del potenziale di membrana mitocondriale, che è seguita dall’attivazione delle caspasi-9 e caspasi-3 e dalla frammentazione del DNA. Le cellule rilasciano fattori chemiotattici durante l’apoptosi che reclutano nuove cellule infiammatorie, aumentando l’infiammazione. È importante che i macrofagi in fase di apoptosi rilascino anche particelle di silice nel parenchima polmonare, dove vengono nuovamente fagocitate da altri macrofagi, perpetuando il ciclo del danno tissutale: Still an Unmet Need
Nonostante la discreta indignazione per la persistenza epidemiologica della silicosi, poco è stato raggiunto in termini di sviluppo del trattamento. La ricerca verso una terapia soddisfacente per la silicosi sta avvenendo ad un ritmo molto più lento che per altre malattie polmonari croniche. Solo due studi clinici registrati sono stati conclusi negli ultimi 10 anni sui trattamenti per la silicosi, lasciando un vuoto da colmare soprattutto nei paesi in via di sviluppo, come Brasile, India e Cina, in cui la prevalenza della silicosi facilita la disponibilità di soggetti per i test clinici.
La gestione della silicosi consiste nell’uso di broncodilatatori / farmaci per la tosse, nella prevenzione dell’esposizione a sostanze irritanti e in un attento monitoraggio delle infezioni respiratorie. La terapia con corticosteroidi può essere usata per ridurre la bronchite e migliorare i sintomi come trattamento a breve termine, ma i suoi effetti positivi a lungo termine non sono stati dimostrati; ha lo svantaggio di aumentare il rischio di infezioni. I composti a base di alluminio sono stati ampiamente studiati per la loro capacità di rivestire le particelle di silice, riducendo la reattività dei cristalli e quindi proteggendo il tessuto polmonare. Tuttavia, nonostante i buoni risultati ottenuti nei modelli sperimentali, gli studi clinici non hanno mostrato alcuna efficacia o effetti duraturi del trattamento con alluminio negli esseri umani. Anche il polivinil-piridina-N-ossido (PVNO), un polimero in grado di promuovere effetti citoprotettivi in modelli in vivo e in vitro di fibrosi indotta dalla silice, è stato ampiamente testato. L’uso profilattico e terapeutico del PVNO ha dato risultati positivi nei modelli animali, ma ha avuto poca efficacia nell’uomo. Il PVNO ha ritardato la progressione della fibrosi nei pazienti in un piccolo studio clinico, ma non ha alterato il risultato tre anni dopo il trattamento e ha avuto un effetto terapeutico limitato a seconda dei fattori, come l’età e la gravità della malattia in un altro. Un altro farmaco che è stato testato per il trattamento della silicosi è l’alcaloide vegetale tetrandrina. È stato storicamente impiegato per il trattamento della pneumoconiosi nella medicina cinese, e il suo uso terapeutico per la silicosi è stato approvato dalla State Drugs Administration of China. La tetrandrina da sola e in combinazione con altri farmaci è stata testata negli animali e nell’uomo. Tuttavia, sono ancora necessari robusti studi clinici con criteri oggettivi per dimostrare la sua efficacia clinica.
A causa del ruolo prominente di IL-1β nella patofisiologia della silicosi, prendere di mira questa citochina potrebbe essere un’opzione interessante di trattamento per la silicosi. In modelli sperimentali, l’inibizione di IL-1 ha portato a una ridotta espressione di TGF-β1, collagene I e fibronectina nel polmone e ha anche ridotto la fibrosi e l’infiammazione nei reni e nel cuore. L’uso di un antagonista del recettore IL-1 ha anche ridotto la fibrosi e le dimensioni dei noduli fibrotici nei topi. Un singolo rapporto sull’uso del farmaco anakinra – un antagonista del recettore IL-1 – ha mostrato un miglioramento dei sintomi respiratori e un notevole miglioramento delle immagini radiologiche dopo sei mesi di trattamento in un uomo di 37 anni.
Il lavaggio polmonare completo sembra avere un impatto positivo nella gestione della silicosi, migliorando la prognosi dei pazienti e riducendo l’infiltrazione polmonare, anche se non ci sono prove che questo approccio sia sufficiente a prevenire la progressione della malattia.
Altri approcci sono stati testati in modelli sperimentali: l’uso di interferone gamma, acido ascorbico, beta-aminopropionitrile, relaxina, oligodeossinucleotidi soppressivi, palmitato di metile, N-acetilcisteina, Dasatinib e Nintedanib, e l’antagonismo/blocco di IL-13 e IL-17A, così come l’uso del micro RNA miR-486-5p e la terapia genica con un RNA a forcina corta per silenziare la β-catenina. Tutti questi effetti positivi esercitati in modelli animali, in particolare la riduzione della fibrosi polmonare, non sono stati tradotti in studi clinici finora.
Come ultima risorsa, il trapianto di polmone è indicato ai pazienti che non hanno più opzioni farmacologiche. Tuttavia, la sopravvivenza a lungo termine dopo il trapianto ha una prognosi scarsa.
4. Terapia basata sulle cellule: From Bench to Bedside
Il primo trapianto di midollo osseo è stato eseguito nel 1962, al fine di utilizzare le cellule staminali ematopoietiche recentemente scoperte per ripristinare la corretta fisiologia del midollo osseo di un paziente .
Nel 1981, le cellule staminali embrionali sono state descritte da Evans e Kaufman come cellule pluripotenti derivate dalla massa interna di un embrione murino, cambiando il paradigma del potenziale delle cellule staminali . Più recentemente, le cellule staminali e le cellule simili alle staminali sono state trovate in quasi tutti i tessuti adulti. Il trapianto di cellule ha cominciato ad essere pensato come un possibile trattamento per molteplici malattie, a causa del potenziale delle cellule staminali di differenziarsi, sostituendo le cellule danneggiate nei tessuti di destinazione. Inoltre, il trapianto di cellule ha esercitato effetti benefici in molteplici modelli di malattie indipendentemente dall’homing o dalla differenziazione delle cellule, evidenziando un effetto paracrino/endocrino delle cellule.
Le terapie basate sulle cellule hanno il vantaggio di modulare l’infiammazione e di influenzare il processo di rimodellamento contemporaneamente, senza presentare tossicità o immunosoppressione. Queste proprietà rendono la terapia cellulare un approccio terapeutico eccezionalmente vantaggioso per le malattie polmonari fibrotiche, compresa la silicosi. Diversi studi preclinici hanno sfruttato questo approccio per il trattamento della silicosi (Tabella 1).
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| BMDC: cellule derivate dal midollo osseo; BMMC: cellule mononucleate del midollo osseo; BMSC: cellule stromali midollari-mesenchimali; HUES: cellule staminali embrionali umane; i.t.: intratracheale; i.v.: intravenosa. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Nel 2009, il nostro gruppo ha pubblicato il primo lavoro utilizzando la terapia cellulare nel modello murino di silicosi. Lassance et al. hanno utilizzato un’infusione locale di una popolazione di cellule mononucleate aderenti (BMDC) e hanno valutato gli effetti in due punti temporali. I risultati hanno mostrato una riduzione del processo infiammatorio trenta giorni dopo il trattamento, migliorando così la funzione polmonare; ma questi effetti benefici sembrano svanire entro sessanta giorni. Un follow-up di questo studio è stato pubblicato nel 2013, dimostrando che dosi multiple di BMDC impediscono la progressione della malattia. Due infusioni di cellule del midollo osseo hanno ridotto l’infiammazione (area frazionata del granuloma e numero di macrofagi totali e M1), il rimodellamento polmonare (livello di TGF-β, deposizione di collagene e fibre elastiche) e l’apoptosi (livello di caspasi-3 e numero di cellule apoptotiche). Tutti questi effetti si traducono in un miglioramento dei parametri della meccanica polmonare. Un aumento del livello di IL-1Ra sembra avere un ruolo negli effetti sostenuti della terapia cellulare per un tempo più lungo nello stesso modello di silicosi.
Nel 2011, uno studio che utilizzava l’intero pool di cellule mononucleate derivate dal midollo osseo (BMMC) nei topi ha mostrato proprietà profilattiche sui danni polmonari indotti dalla silice. L’infusione sistemica di BMMC ha ridotto l’espressione dell’mRNA di caspasi-3, IL-1β, IL-1α e TGF-β. Inoltre, il trattamento terapeutico con BMMC nelle ultime fasi della silicosi è stato in grado di ridurre la fibrosi polmonare e migliorare la funzione polmonare, ma non è riuscito a invertire l’infiammazione. Una riduzione del numero di macrofagi è stata accompagnata da un’espansione delle cellule T regolatrici, che hanno mantenuto l’infiltrazione cellulare, pur passando ad un diverso profilo infiammatorio. Le BMMC offrono i vantaggi del trapianto autologo, che riducono al minimo la possibilità di rigetto e la raccolta e l’infusione nello stesso giorno, senza espansione della coltura in vitro.
Questi risultati ci hanno incoraggiato ad avanzare ad una sperimentazione clinica di fase I per testare la sicurezza del trapianto autologo di cellule mononucleate del midollo osseo in pazienti silicotici. Cinque pazienti sono stati sottoposti all’instillazione di BMMC attraverso la broncoscopia. Nessun effetto avverso è stato osservato in questi pazienti fino a un anno dopo il trattamento. Inoltre, un aumento precoce della perfusione polmonare è stato osservato dopo il trattamento.
Gli svantaggi dell’uso delle cellule mononucleate del midollo osseo sono l’invasività della procedura – soprattutto considerando che possono essere necessarie dosi multiple per effetti sostenuti – e la variabilità della costituzione del midollo osseo. Le malattie infiammatorie croniche possono influenzare le proporzioni delle popolazioni di cellule del midollo osseo, rendendo il trapianto autologo possibilmente eterogeneo su diversi pazienti e stadi della malattia.
In alternativa a ciò, le cellule mesenchimali potrebbero costituire un’opzione interessante per la terapia cellulare nella silicosi. Zhao e collaboratori hanno dimostrato che le cellule mesenchimali derivate dal midollo osseo (BMSC) promuovono il miglioramento della fibrosi e dell’infiammazione in un modello di ratto di silicosi, con possibili meccanismi simili a quelli associati alla terapia con BMMC: soppressione della segnalazione di IL1 attraverso IL1-Ra e diminuzione dell’espressione di TNF-α.
Risultati di una sperimentazione clinica utilizzando cellule stromali mesenchimali e una cultura geneticamente modificata di cellule mesenchimali sono stati recentemente pubblicati. In questo studio, la somministrazione di MSC non ha causato alcuna reazione avversa, e dopo sei mesi la saturazione di ossiemoglobina nel sangue dei pazienti suggerisce un miglioramento dello scambio di gas nei polmoni. In alcuni dei pazienti, è stata osservata anche una diminuzione del numero di noduli di silice.
Un altro punto di vista sui meccanismi d’azione della terapia con cellule mesenchimali nella fibrosi polmonare indotta dalla silice è stato proposto da Choi et al. nel 2014. Gli autori suggeriscono che le vescicole extracellulari rilasciate dalle BMSC sono vettori dell’effetto terapeutico e potrebbero essere usate come trattamento da sole.
Inoltre, la terapia cellulare con cellule embrionali, come approccio bioingegneristico per la ricostituzione dell’epitelio danneggiato è stata studiata in un modello di lesione indotta dalla silice ed è stata in grado di prevenire la fibrosi e diminuire la mortalità.
5. Conclusione
In considerazione della mancanza di interventi terapeutici efficaci per la silicosi, la terapia basata sulle cellule costituisce un trattamento promettente per la silicosi. Gli effetti chiave di questa terapia includono la diminuzione dei processi proinfiammatori e profibrotici deleteri, la riduzione dell’apoptosi e il miglioramento della riparazione dopo il danno polmonare. Questi effetti benefici sembrano essere indipendenti dall’incisione cellulare, ma dovuti all’azione paracrina/endocrina (ad esempio, la secrezione di mediatori antinfiammatori e antifibrotici e di vescicole extracellulari). Considerando l’ampia gamma di opzioni di terapia cellulare, l’ottimizzazione dei protocolli di terapia cellulare e i progressi negli studi clinici possono portare a una svolta importante per la gestione dei pazienti affetti da questa malattia persistente.
Disclosure
I finanziatori non hanno alcun ruolo nella decisione di pubblicare o preparare l’articolo.
Conflitto di interessi
Gli autori non dichiarano conflitti di interessi.
Contributo degli autori
Miquéias Lopes-Pacheco e Elga Bandeira hanno contribuito in egual misura a questo lavoro.
Riconoscimenti
Il Consiglio Brasiliano per lo Sviluppo Scientifico e Tecnologico (CNPq), il Coordinamento per il Miglioramento del Personale di Livello Superiore (CAPES), e la Fondazione Statale di Ricerca Carlos Chagas Filho Rio de Janeiro (FAPERJ) hanno sostenuto questo lavoro.