L’epitelio intestinale presenta il più alto tasso di turnover cellulare nel corpo adulto, che richiede una regolazione costante e precisa delle cellule staminali intestinali (ISC) per sostenere la produzione di nuovi enterociti assorbenti e cellule secretorie, tra cui cellule di Paneth, caliciformi, a ciuffo ed enteroendocrine. Guidati da fattori di crescita e citochine derivati dalla nicchia delle cellule staminali e dalle cellule immunitarie circostanti, molteplici vie di segnalazione regolano strettamente l’auto-rinnovamento e la differenziazione delle ISC. Nonostante i cambiamenti correlati all’invecchiamento nell’ambiente intestinale, le ISC generano continuamente nuove cellule per mantenere questo elevato turnover per tutta la vita, suggerendo l’esistenza di meccanismi protettivi che le proteggono dalle fluttuazioni microambientali.
Uno studio recente condotto dal professore associato Takuya Yamamoto e dalla ricercatrice May Nakajima-Koyama ha rivelato che mantenere un delicato equilibrio tra la segnalazione dell’interferone-gamma (IFN-γ) e della chinasi regolata dal segnale extracellulare (ERK)/proteina chinasi attivata da mitogeni (MAPK) è essenziale per preservare la popolazione di cellule staminali intestinali durante l’invecchiamento. Per comprendere come l’invecchiamento influenzi le ISC, il team di ricerca ha esaminato i tessuti intestinali di topi giovani (2-4 mesi) e anziani (22-27 mesi), che hanno una durata media della vita di circa due anni. Utilizzando topi con un reporter Lgr5, un gene marcatore per le ISC, i ricercatori hanno scoperto che il pool di ISC viene mantenuto anche con l’invecchiamento.
Le analisi istologiche hanno inoltre rivelato che mentre la capacità proliferativa delle ISC rimane invariata, la capacità proliferativa delle cellule progenitrici diminuisce con l’età. Inoltre, hanno osservato una differenziazione migliorata delle ISC in cellule entero-endocrine, che producono ormoni intestinali e svolgono un ruolo chiave nella regolazione del metabolismo dell’intero corpo. Per ottenere informazioni più approfondite sui cambiamenti correlati all’invecchiamento, i ricercatori hanno analizzato i profili di espressione genica di oltre 10.000 singole cellule di intestini giovani e invecchiati per esaminare i loro modelli di espressione genica a livello di singola cellula. La loro analisi ha identificato alterazioni specifiche del tipo di cellula e correlate all’età nell’espressione genica, con notevoli cambiamenti nella maturazione degli enterociti.
Inoltre, hanno osservato una sovraregolazione dei geni metabolici dipendente dall’età, suggerendo che gli enterociti invecchiati potrebbero subire una maturazione e degli adattamenti metabolici migliorati rispetto alle loro controparti più giovani. Questi risultati implicano che le cellule differenziate potrebbero essere più suscettibili agli effetti dell’invecchiamento rispetto alle ISC. Per scoprire i meccanismi regolatori alla base dei cambiamenti cellulari e trascrittomici dipendenti dall’età nell’epitelio intestinale, i ricercatori hanno prima identificato i marcatori dell’invecchiamento per individuare i fattori a monte utilizzando la loro espressione come indicatori. Hanno così identificato i geni MHC di classe II, Ceacam10 e Ly6e come marcatori dell’invecchiamento per le ISC sovraregolate in modo prominente durante l’invecchiamento.
Sebbene l’espressione di questi geni fosse elevata nelle ISC invecchiate, non erano correlate a livello di singola cellula, suggerendo così il coinvolgimento di più meccanismi regolatori indipendenti. Successivamente, i ricercatori hanno condotto un’analisi in silico per prevedere i fattori regolatori a monte e hanno identificato diversi percorsi di segnalazione candidati che potrebbero contribuire all’induzione dei marcatori dell’invecchiamento. Per convalidare il coinvolgimento di questi percorsi, hanno trattato organoidi intestinali (mini-intestini in coltura) con molecole bioattive note per influenzare i percorsi candidati. I loro risultati hanno rivelato che l’attivazione della segnalazione IFN-γ e l’inattivazione della segnalazione ERK/MAPK contribuiscono ai cambiamenti correlati all’età nell’epitelio intestinale.
Utilizzando modelli di topi, i ricercatori hanno ulteriormente confermato che queste alterazioni della segnalazione si verificano nell’intestino tenue con l’invecchiamento. Tuttavia, gli effetti combinati di queste modifiche della segnalazione sull’omeostasi intestinale devono ancora essere completamente chiariti. Per esaminare come le modifiche in questi percorsi influenzano le ISC, i ricercatori hanno trattato gli organoidi intestinali con IFN-γ e un inibitore della segnalazione MEK/ERK. Il farmaco ha indotto uno stato quiescente nelle ISC, che è stato invertito dal trattamento con IFN-γ. Inoltre, hanno dimostrato che il trattamento combinato con iMEK + IFN-γ attenua il danno agli organoidi causato da entrambe le molecole da sole, suggerendo che questi due percorsi di segnalazione funzionano in modo compensatorio per supportare la crescita e la sopravvivenza degli organoidi.
Meccanicisticamente, l’analisi del trascrittoma ha rivelato che l’IFN-γ ha invertito la maggior parte delle modifiche trascrittomiche globali indotte dall’inibitore di MEK, in parte regolando la segnalazione Wnt/β-catenina e l’oncogene cellulare c-Myc. Al contrario, il trattamento con iMEK o IFN-γ ha innescato indipendentemente cambiamenti legati all’età nelle cellule entero-endocrine e negli enterociti. Ciò suggerisce che mentre l’equilibrio tra la segnalazione IFN-γ ed ERK è cruciale per il mantenimento delle cellule staminali, può simultaneamente guidare cambiamenti e disfunzioni legati all’età nelle cellule differenziate. Questo studio ha rivelato che l’interazione tra la segnalazione ERK/MAPK e IFN-γ svolge un ruolo chiave nell’invecchiamento della mucosa intestinale. Questo ha implicazioni molto larghe a livello clinico, sebbene non intuibili a primo impatto.
I risultati suggeriscono che l’epitelio intestinale dei mammiferi ha sviluppato un meccanismo di segnalazione che dà priorità alla conservazione delle ISC, potenzialmente a scapito delle cellule differenziate, il che può contribuire ai cambiamenti metabolici legati all’età nel corpo. Questo meccanismo potrebbe essere deficitario in condizioni croniche molto comuni come le malattie infiammatorie intestinali (la più conosciuta è il morbo di Crohn) e la celiachia. Nel trattamento farmacologico/biologico di questa condizione l’obiettivo primario è sopprimere l’infiammazione intestinale perché, nel tempo, non solo lesiona permanentemente la mucosa ma può condurre a complicanze anche mortali, come la perforazione delle anse intestinali o addirittura la comparsa di un carcinoma.
Nella celiachia, la segnalazione dipendente dall’IFN-γ ha il suo peso notevole perché quella che si scatena per azione antigenica del glutine sui linfociti T dentro la mucosa. Questa segnalazione sull’epitelio intestinale (ma soprattutto sulla componente staminale) potrebbe da sola essere responsabile del progressivo esaurimento funzionale delle ISCs. Nel tempo, perciò, a mano a mano che la malattia resta non trattata o non diagnosticata correttamente, assieme al segnale delle altre citochine infiammatorie l’IFN-γ danneggia la componente staminale intestinale. Portando potenzialmente ad un fenomeno molto visto fra i celiaci: l’appiattimento permanente dei villi intestinali anche a distanza di molti anni dall’adozione di una dieta strettamente senza glutine.
Il che potrebbe in parte essere spiegato con la quasi assenza di potenziale staminale nella mucosa danneggiata. La segnalazione intracellulare dell’IFN-γ ha come mediatori principali la via JAK/STAT ed il fattore di trascrizione IRF1; in aggiunta possono essere attivate della proteina chinasi come quelle dipendenti da calcio/fosfolipidi (PKCs) o quelle infiammatorie da stress (p38-alfa). Queste tipologie di segnale con questa combinazione raramente sono responsabili della proliferazione cellulare. Piuttosto, contribuiscono ad eventi come differenziamento cellulare, infiammazione o morte programmata (apoptosi). Invero, nello studio descritto sopra, singolarmente l’IFN-gamma può danneggiare lo stato cellulare e contribuire all’invecchiamento funzionale.
Lo stesso dicasi per inibizione delle proteina-chinasi mitogeniche ERK/MAPK (antagoniste di quelle infiammatorie p38) attuato con l’inibitore di MEK (iMEK), col quale esse entrano in uno stato di quiescenza che gli impedisce di replicare. Cinque anni fa, un team indipendente ha effettivamente dimostrato che l’asse p38MAPK – p53 è attivamente coinvolto nella senescenza delle ISCs. Ripristinare simultaneamente le attività di segnalazione di ERK/MAPK e IFN-γ a uno stato più giovanile potrebbe rappresentare una promettente strategia terapeutica anti-invecchiamento con un impatto minimo sulle cellule staminali intestinali. Questo permetterebbe interventi opzionali di gestione delle IBD e della celiachia attraverso l’espansione delle potenziali staminali atte al riparo del danno biologico già avvenuto.
- A cura del Dr. Gianfrancesco Cormaci, PhD, specialista in Biochimica Clinica.
Pubblicazioni scientifiche
Nakajima-Koyama M et al. Cell Rep. 2025:115286.
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