Zinco, invecchiamento e sistema immunitario: effetti sull'apoptosi e sulla proliferazione dei linfociti

Immunosenescence is characterized by a complex remodelling of the immune system, mainly driven by lifelong antigenic burden. Cells of the immune system are constantly exposed to a variety of stressors capable of inducing apoptosis, including antigens and reactive oxygen species continuously produced during immune response and metabolic pathways. The overall homeostasis of the immune system is based on the balance between antigenic load, oxidative stress, and apoptotic processes on one side, and the regenerative potential and renewal of the immune system on the other. Zinc is an essential trace element playing a central role on the immune function, being involved in many cellular processes, such as cell death and proliferation, as cofactor of enzymes, nuclear factors and hormones. In this context, the age associated changes in the immune system may be in part due to zinc deficiency, often observed in aged subjects and able to induce impairment of several immune functions. Thus, the aim of this work was to investigate the role of zinc in two essential events for immunity during aging, i.e. apoptosis and cell proliferation. Spontaneous and oxidative stress-induced apoptosis were evaluated by flow cytometry in presence of a physiological concentration of zinc in vitro on peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) obtained from healthy subjects of different age: a group of young subjects, a group of old subjects and a group of nonagenarians. In addition, cell cycle phases were analyzed by flow cytometry in PBMCs, obtained from the subjects of the same groups in presence of different concentration of zinc. We also analyzed the influence of zinc in these processes in relation to p53 codon 72 polymorphism, known to affect apoptosis and cell cycle in age-dependent manner. Zinc significantly reduces spontaneous apoptosis in all age-groups; while it significantly increases oxidative stress-induced late apoptosis/necrosis in old and nonagenarians subjects. Some factors involved in the apoptotic pathway were studied and a zinc effect on mitochondrial membrane depolarization, cytochrome C release, caspase-3 activation, PARP cleavage and Bcl-2 expression was found. In conclusion, zinc inhibits spontaneous apoptosis in PBMCs contrasting the harmful effects due to the cellular culture conditions. On the other hand, zinc is able to increase toxicity and induce cell death in PBMCs from aged subjects when cells are exposed to stressing agents that compromise antioxidant cellular systems. Concerning the relationship between the susceptibility to apoptosis and p53 codon 72 genotype, zinc seems to affect apoptosis only in PBMCs from Pro- people suggesting a role of this ion in strengthening the mechanism responsible of the higher propensity of Pro- towards apoptosis. Regarding cell cycle, high doses of zinc could have a role in the progression of cells from G1 to S phase and from S to G2/M phase. These effect seems depend on the age of the donor but seems to be unrelated to p53 codon 72 genotype. In order to investigate the effect of an in vivo zinc supplementation on apoptosis and cell cycle, PBMCs from a group of aged subjects were studied before and after six weeks of oral zinc supplementation. Zinc supplementation reduces spontaneous apoptosis and it strongly reduces oxidative stress-induced apoptosis. On the contrary, no effect of zinc was observed on cell cycle. Therefore, it’s clear that in vitro and in vivo zinc supplementation have different effects on apoptosis and cell cycle in PBMCs from aged subjects. Further experiments and clinical trials are necessary to clarify the real effect of an in vivo zinc supplementation because this preliminary data could encourage the of this element in all that disease with oxidative stress pathogenesis. Moreover, the expression of metallothioneins (MTs), proteins well known for their zinc-binding ability and involved in many cellular processes, i.e. apoptosis, metal ions detoxification, oxidative stress, differentiation, was evaluated in total lymphocytes, in CD4+ and in CD8+ T lymphocytes from young and old healthy subjects in presence of different concentration of zinc in vitro. Literature data reported that during ageing the levels of these proteins increase and concomitantly they lose the ability to release zinc. This fact induce a down-regulation of many biological functions related to zinc, such as metabolism, gene expression and signal transduction. Therefore, these proteins may turn from protective in young-adult age to harmful agents for the immune function in ageing following the concept that several genes/proteins that increase fitness early in life may have negative effects later in life: named “Antagonistic Pleyotropy Theory of Ageing”. Data obtained in this work indicate an higher and faster expression of MTs with lower doses of zinc in total lymphocytes, in CD4+ and in CD8+ T lymphocytes from old subjects supporting the antagonistic pleiotropic role of these proteins.

L'espressione dell'enzima Indoleamina 2,3-Diossigenasi come meccanismo immunoregolatore in cellule dentritiche normali e leucemiche

L’enzima indoleamina 2,3-diossigenasi (IDO) catalizza la conversione dell’aminoacido essenziale triptofano in chinurenine. Questa proprietà conferisce a IDO la capacità di inibire la risposta immunitaria sia causando la deplezione dal microambiente di triptofano, che è necessario ai linfociti T per proliferare ed espandersi, sia producendo metaboliti che possono causare l’apoptosi dei linfociti T. Nel presente studio è stata indagata la funzione di IDO in cellule dendritiche normali e leucemiche. Lo studio dell’espressione di IDO in cellule dendritiche normali ha permesso di osservare che, quando immature, IDO è poco espresso, mentre durante la maturazione IDO viene up-regolato. In particolare, l’incremento nell’espressione di IDO non è strettamente legato al livello di maturazione, ma alla qualità dello stimolo maturativo. Infatti uno stimolo endogeno come il ligando di CD40 ha una scarsa efficacia nell’up-regolazione di IDO, uno stimolo batterico come l’LPS ha un’efficacia intermedia, mentre uno stimolo rappresentato da citochine pro-infiammatorie ha un’efficacia massima. L’espressione di IDO risulta direttamente propozionale alla produzione di chinurenine, all’inibizione della proliferazione dei linfociti T e all’induzione di una popolazione di linfociti T regolatori. Lo studio dell’espressione di IDO in cellule dendritiche leucemiche ha permesso di osservare che IDO è espresso a un livello intermedio nelle cellule dendritiche leucemiche immature e viene up-regolato durante la maturazione. La conseguenza principale dell’espressione di IDO in cellule dendritiche leucemiche è l’induzione di una popolazione di linfociti T regolatori fortemente in grado di limitare sia la risposta CD4+ che la risposta CD8+ anti-leucemica e capaci di inibire la maturazione di altre cellule dendritiche. Nel complesso, i dati emersi da questo studio hanno permesso di concludere che, in cellule dendritiche normali, IDO rappresenta un meccanismo tollerogenico la cui intensità di espressione è correlata all’intensità dello stimolo attivatorio da controbilanciare, a cui è sottoposta la cellula dendritica. Nelle cellule dendritiche leucemiche IDO rappresenta un meccanismo di tumor-escape in grado di inibire l’attivazione di cellule dendritiche, linfociti CD4+ e linfociti CD8+.

Espressione del vascular endothelium growth factor (VEGF) nella micosi fungoide

La micosi fungoide (MF) è un linfoma a cellule T primitivo della cute usualmente indolente negli stadi iniziali, ma con prognosi decisamente peggiore nelle fasi avanzate, ove attualmente non sono presenti strategie terapeutiche tali da indurre remissioni durature. Recenti osservazioni indicano che alti livelli di espressione del vascular endothelial growth factor (VEGF) nelle cellule della MF sembrano correlare con una prognosi peggiore. Nel presente studio, sono state vagliate le eventuali differenze di espressione di VEGF nella MF e nei linfociti T normali. In primo luogo sono stati raffrontati 63 casi di MF con 20 campioni corrispondenti alle diverse sottopopolazioni di linfociti T normali, per stabilire quale fra questi esprimesse maggiori livelli di VEGF. Tale esperimento ha dimostrato che il gene è notevolmente più espresso nella MF. Si è provveduto a stabilire se tale dato sia da correlarsi ad un fenomeno patologico o fisiologico. Quindi sono state eseguite indagini di gene expression profiling (GEP) allo scopo di vagliare i livelli di VEGF nella popolazione linfocitaria T normale (CD4+, CD8+, HLA-DR+ e HLA-DR-): da ciò è risultato che i linfociti T attivati esprimono maggiormente VEGF e che il loro GEP è globalmente paragonabile a quello della MF. Pertanto, i linfociti T attivati sono stati considerati la controparte normale delle cellule della MF. Successivamente si è confrontata l’espressione quantitativa di VEGF nei linfociti T attivati e nelle cellule della MF, evidenziando come questa sia maggiore nella popolazione neoplastica indipendentemente dallo stadio della malattia. Le indagini immunoistochimiche condotte su 18 casi di MF, hanno confermato quanto evidenziato attraverso il GEP. Concludendo, la ricerca ha dimostrato per la prima volta l’espressione di VEGF negli elementi della MF. Ciò porta a supporre che la de-regolazione genica della via di VEGF sia correlata nella patogenesi della MF e che tale molecola possa considerarsi un potenziale bersaglio terapeutico.

Analisi molecolare dei linfomi cutanei aggressivi

I linfomi primitivi cutanei riconosciuti nella classificazione della WHO/EORTC si presentano come “entità cliniche distinte” su base clinica, morfologica, immunofenotipica e molecolare. Il fenotipo linfocitario T helper CD4+ caratterizza i CTCL, ma alcune entità a prognosi aggressiva presentano un immunofenotipo citotossico CD8+. Numerosi studi di citogenetica (CGH) e gene-expression profiling (GEP) sono stati condotti negli ultimi anni sui CTCL e sono state riscontrate numerose aberrazioni cromosomiche correlate ai meccanismi di controllo del ciclo cellulare. Scopo del nostro studio è la valutazione delle alterazioni genomiche coinvolte nella tumorigenesi di alcuni CTCL aggressivi: il linfoma extranodale NK/T nasal-type, il linfoma primitivo cutaneo aggressivo epidermotropo (AECTCL) e il gruppo dei PTCL/NOS pleomorfo CD8+. Il materiale bioptico dei pazienti è stato sottoposto alla metodica dell’array-CGH per identificare le anomalie cromosomiche; in alcuni casi di AECTCL è stata applicata la GEP, che evidenzia il profilo di espressione genica delle cellule neoplastiche. I dati ottenuti sono stati valutati in modo statistico, evidenziando le alterazioni cromosomiche comuni significative di ogni entità. In CGH, sono state evidenziate alcune aberrazioni comuni fra le entità studiate, la delezione di 9p21.3, l’amplificazione di 17q, 19p13, 19q13.11-q13.32 , 12q13 e 16p13.3, che determinano la delezione dei geni CDKN2A e CDKN2B e l’attivazione del JAK/STAT signaling pathway. Altre alterazioni definiscono l’amplificazione di c-MYC (8q24) e CCND1/CDK4-6 (11q13). In particolare, sono state evidenziate numerose anomalie genomiche comuni in casi di AECTCL e PTCL/NOS pleomorfo. L’applicazione della GEP in 5 casi di AECTCL ha confermato l’alterata espressione dei geni CDKN2A, JAK3 e STAT6, che potrebbero avere un ruolo diretto nella linfomagenesi. Lo studio di un numero maggiore di casi in GEP e l’introduzione delle nuove indagini molecolari come l’analisi dei miRNA, della whole-exome e whole genome sequences consentiranno di evidenziare alterazioni molecolari correlate con la prognosi, definendo anche nuovi target terapeutici.

Development of new therapeutic approaches in the treatments of Inflammatory Bowel Diseases: functional food and nutraceuticals vs synthetic peptides based vaccines

Inflammatory Bowel Diseases (IBD) are intestinal chronic relapsing diseases which ethiopathogenesis remains uncertain. Several group have attempted to study the role of factors involved such as genetic susceptibility, environmental factors such as smoke, diet, sex, immunological factors as well as the microbioma. None of the treatments available satisfy several criteria at the same time such as safety, long-term remission, histopatological healing, and specificity. We used two different approaches for the development of new therapeutic treatment for Inflammatory Bowel Disease. The first is focused on the understanding of the potential role of functional food and nutraceuticals nutrients in the treatment of IBD. To do so, we investigated the role of Curcuma longa in the treatment of chemical induced colitis in mice model. Since Curcma Longa has been investigated for its antinflammatory role related to the TNFα pathway as well investigators have reported few cases of patients with ulcerative colites treated with this herbs, we harbored the hypothesis of a role of Curcuma Longa in the treatment f IBD as well as we decided to assess its role in intestinal motility. The second part is based on an immunological approach to develop new drugs to induce suppression in Crohn’s disease or to induce mucosa immunity such as in colonrectal tumor. The main idea behind this approach is that we could manipulate relevant cell-cell interactions using synthetic peptides. We demonstrated the role of the unique interaction between molecules expressed on intestinal epithelial cells such as CD1d and CEACAM5 and on CD8+ T cells. In normal condition this interaction has a role for the expansion of the suppressor CD8+ T cells. Here, we characterized this interaction, we defined which are the epitope involved in the binding and we attempted to develop synthetic peptides from the N domain of CEACAM5 in order to manipulate it.