Klotho e BPCO - Klotho and COPD

Photo by Sara Bakhshi on Unsplash

La broncopneumopatia cronica ostruttiva nota anche con il termine BPCO e che da ora in poi noi chiameremo con l’acronimo inglese COPD (Chronic Obstructive Pulmonary Disease) è caratterizzata da una progressiva e riduzione del flusso aereo.¹ Lo stato infiammatorio e lo stress ossidativo che causano il danno parenchimale identificano il fumo di sigaretta come fattore principale.¹

Bisogna precisare che una persona fumatrice può non avere la COPD, mentre una persona con COPD è/era fumatrice. Questo concetto ci serve per comprendere meglio gli studi che saranno presentati, in quanto viene di norma fatta una distinzione tra pazienti COPD versus fumatori non-COPD versus Controlli Sani. Rimando ai più comuni testi di Medicina per maggiori delucidazioni riguardo cos’è la COPD, l’eziopatogenesi, la diagnosi, la prognosi e la terapia.

A questo punto, non ci resta che ricollegarci a Klotho. Conoscendo le proprietà antiossidanti elencate nei precedenti post di questo blog, ci possiamo porre due domande. 

      Domanda 1:
La proteina Klotho è espressa nella COPD?
 
Risposta breve 1:
·       modelli sperimentali: SI
·       Uomo: SI
 
Domanda 2:
L’alterata espressione della proteina Klotho nella COPD comporta un peggioramento della patologia?
 
Risposta breve 2:
·       modelli sperimentali: SI
·       Uomo: SI

Approfondimento:
Il primo studio che esplora la possibile relazione tra Klotho e COPD è stato pubblicato nel 2016 dalla dott.ssa Rutten². Viene controllato se un pannello di marcatori anti-ageing (quindi compreso Klotho) sono alterati nella COPD.
È uno studio sull’uomo. Incredibile da dirsi. Fantastico, l’ho letto subito. Tuttavia, rileggendolo un paio di volte, compresi gli Online Supplement, si scopre che non viene dosata la proteina Klotho nel plasma/siero con un kit ELISA, ma viene controllata l’espressione dell’mRNA tramite PCR.
Sinceramente non so bene quanto possa essere applicabile nella pratica clinica e quanto possa essere attendibile il risultato in quanto futuri studi hanno dimostrato che l’espressione dell’mRNA di Klotho non dà la certezza che la proteina sia sintetizzata e che sia aumentata la sua concentrazione.
Per quanto riguarda i risultati, dalla figura 2C dell’articolo potrete notare che l’espressione di Klotho è significativamente più ridotta nei pazienti COPD rispetto al gruppo di controllo dei non fumatori.
 
Lo Studio di Gao e colleghi³ è quello che può essere considerato una pietra miliare per la tematica che stiamo trattando. La ricerca dimostra che l’espressione di Klotho è ridotta nei pazienti fumatori ed è ulteriormente ridotta (-65%) nei pazienti con COPD.
Indaga nei topi l’effetto dell’ozono, il quale è in grado di indurre infiammazione delle vie respiratorie con cambiamenti di tipo enfisematoso. Anche in questa occasione, si assiste ad una riduzione della proteina Klotho.
 
Lo studio⁴ successivo è strettamente correlato con il precedente. Gli Autori sono più o meno gli stessi. È un approfondimento del precedente e mostra come l’espressione di Klotho sia modulata, in senso negativo, nei macrofagi alveolari esposti al fumo di sigaretta. I macrofagi sono stati isolati da pazienti non fumatori, fumatori non-COPD e COPD.
 
La ricerca di Kureya⁵ esplora, invece, l’associazione di una nuova miokina, l’irisina, e la concentrazione sierica di Klotho.
Innanzitutto, anche in questo articolo vengono arruolati dei pazienti. Sani, fumatori non-COPD e fumatori COPD. Tutti maschi giapponesi. Nessuno ha ricevuto terapia steroidea, concessa solo quella inalatoria LABA/LAMA.
La concentrazione sierica di Klotho è maggiore nei pazienti fumatori non-COPD rispetto i sani. I pazienti fumatori-COPD, invece, presentano livelli più bassi rispetto agli altri due gruppi. Le concentrazioni di Klotho correlano positivamente con i valori sierici di irisina. Nessuna correlazione è stata riscontrata con le prove di funzionalità respiratoria.
 
Lo studio di Patel e colleghi⁶ affronta la tematica di questo post in modo più collaterale.
La concentrazione sierica di Klotho (pg/ml) non differisce tra soggetti sani, pazienti fumatori non-COPD e pazienti COPD. Tuttavia, mantiene una correlazione con la forza di contrazione muscolare (quadricipide).
La ricerca indaga, inoltre, l’espressione di Klotho a livello muscolare e trova che la concentrazione di Klotho (pg/mg) è più bassa nei fumatori (fig.1B) rispetto ai non fumatori indipendentemente che siano affetti da COPD. Nella fig.1C la concentrazione muscolare di Klotho è ridotta nei pazienti con COPD fumatori cronici rispetto a quelli con COPD ex-fumatori.
Faccio notare che non sono arruolati nello studio i pazienti che hanno assunto di recente corticosteroidi (<30gg).
 
La ricerca di Kim⁷ non ha riscontrato una associazione tra COPD e presenza dei due polimorfismi per il gene Klotho. Si tratta di due SNPs, G-395A localizzato a livello del promotore e C1818T individuato a livello dell’esone 4.
 
Risultato simile è stato riscontrato da Sitiriou,⁸ ricercatore greco, nel non riscontrare anche in questo caso, nessuna associazione tra polimorfismo G395A e severità di malattia.
 
Uno studio⁹ condotto in vitro su cellule BEAS-2B, ha mostrato una riduzione delle specie reattive dell’ossigeno (ROS) nelle gruppo di cellule che over-esprimeva Klotho.
I ROS erano incrementati dall’esposizione di fumo di sigaretta. Ovviamente l’esposizione avveniva tramite specifica metodica anche perché nella pratica non è semplice far fumare delle cellule.
Le conclusioni le ritengo interessanti ma secondo me effettuano un salto quantico. Come puoi trasporre dei risultati in vitro, ottenuti facendo “fumare” delle cellule, ipotizzando che essi siano in grado di spiegare una possibile eziopatogenesi della COPD?
 
Lo studio di Pako e colleghi¹⁰ ha fallito nel determinare una correlazione tra concentrazione plasmatica di Klotho e effetti benefici della riabilitazione nei pazienti COPD. Quest’ultimi avevano tutti una malattia stabile, gli Autori non ritengono che la proteina Klotho possa essere considerata un marcatore di malattia nella COPD stabile.
 
Sempre uno studio¹¹ incentrato sulla riabilitazione nei pazienti con COPD ha collateralmente dosato la concentrazione di Klotho nel siero. Nessun dato significativo è stato riscontrato prima e dopo il periodo riabilitativo. Oltre a Klotho, è stata dosata una proteina, la resistina.
Piccola parentesi. La resistina è una molecola di segnale connessa con l’infiammazione,¹¹ la senescenza epatocitaria,¹² correla in modo inverso con la forza muscolare¹³ e in modo diretto con gli eventi cardiovascolari.¹⁴
All’inizio e durante il follow-up è stata riscontrata una correlazione inversa resistina-Klotho, supportando l’ipotesi che la riabilitazione abbia un ruolo attivo e benefico nei pazienti affetti da COPD.
 
Una ricerca¹⁵ del 2018 incentrata più sull’FGF23 nella COPD e sull’attivazione della via alternativa FGF23/FGFR4/PLCg/NFAT, ha ragion forza indagato anche gli effetti di Klotho nel modulare la risposta infiammatoria.
In particolare, si dimostra che FGF23 è elevato rispetto i controlli nei pazienti con COPD con malattia lieve-moderata, ma non nei pazienti con forma severa.
Il fumo di sigaretta associato con FGF23 incrementa la produzione di IL-1b nelle biopsie bronchiali di pazienti COPD.
Il fumo di sigaretta incrementa l’espressione di FGFR4 e riduce quella di Klotho, favorendo lo switch alla via FGF23/FGFR4/PLCg/NFAT.
Infine, ma non meno importante, la somministrazione di Klotho riduce la produzione di IL-1b indotta dal fumo di sigaretta.
La riduzione di FGF23 nelle fasi avanzate della COPD potrebbe essere dovuta dalla drastica riduzione di cellule epiteliali nel tratto respiratorio.
La ricerca è stata riportata in questa sezione in quanto sono coinvolti pazienti COPD. Tuttavia, è molto focalizzato su FGF23 e sugli effetti del fumo di sigaretta. Importante è l’effetto di Klotho nel modulare gli le alterazioni citochiniche nelle cellule esposte al fumo di tabacco.
 
Anche lo studio di Qui e colleghi¹⁶ affronta gli effetti dell’estratto del fumo di sigaretta su cellule MH-S and 16HBE, le quali aumentano la metilazione del promotore del gene Klotho. La COPD è nominata come conseguenza del fumo di sigaretta, per questo motivo il presente articolo qui è solo accennato e trattato in un post specifico.
 
Il penultimo studio¹⁷ che vi voglio presentare, è stato discusso nel post “Klotho e fibrosi cistica” e, come già detto, studia le proprietà della proteina Klotho sulla clearance mucociliare, “toccando” solo in parte la relazione Klotho-COPD.
Queste due patologie sono prese in consierazione nella ricerca perché presentano una disregolazione dell’attività mucociliare.
Lo studio è condotto su cellule HBEC (Human bronchial epithelial cells) e su cellule MTEC (Murine tracheal epithelial cells). Le conclusioni: Klotho regola positivamente la funzione mucociliare aumentando il volume dell’interfaccia aria-liquido (Airway surface liquid - ASL). Tale processo avviene attivando i canali BK i quali a loro volta sono down-regolari dal TGFbeta. Klotho, inoltre, riduce la secrezione di IL-8 come visto in un altro studio.¹⁵
 
Infine, ultimo articolo¹⁸ visto che vi comparirà tra i primi risultati della ricerca su Pubmed e visto l’argomento (SARS-CoV-2) più in auge negli ultimi mesi. È già stato discusso nel post riguardante Klotho e fibrosi polmonare.
Si parla del gene KLOTHO, rientra in un pool di geni analizzati nello studio e quale associazione esiste con l’asse SARS-CoV-2 COVID-19 ACE2-TMPRSS2-Furin-DPP4.
Di fatto non si parla di relazione Klotho e COPD, che è preso in considerazione in quanto rapresenta un processo/risultato della senescenza, mentre l’espressione di KLOTHO è uno dei geni analizzati.
 

Concludendo:
Da questa carrellata di articoli, quale messaggio possiamo estrapolare?
L’espressione della proteina Klotho è ridotta nella COPD, la sua riduzione è dovuta dagli stimoli nocivi e infiammatori rappresentati principalmente dal fumo di sigaretta. In quei casi in cui la proteina Klotho è overespressa assistiamo ad una riduzione delle citochine infiammatorie. Altre ricerche, soprattutto nell’uomo, sono necessarie per meglio definire il ruolo di Klotho e, in particolare, poter definire se la sua supplementazione possa portare dei benefici ai pazienti.
 

Se conoscete altri studi in merito fatemelo sapere, attendo vostri suggerimenti, a disposizione per dubbi e chiarimenti. Per maggiori approfondimenti specifici vi rimando alla lettura dei singoli articoli.

 MEDLINE effettuata su Pubmed alla data di pubblicazione del post, parole chiave della ricerca: Klotho AND “COPD”

  

Bibliografia:

1.             Labaki, W. W. & Rosenberg, S. R. Chronic Obstructive Pulmonary Disease. Ann. Intern. Med. (2020).

2.             Rutten, E. P. A. et al. Various mechanistic pathways representing the aging process are altered in COPD. Chest (2016).

3.             Gao, W. et al. Klotho expression is reduced in COPD airway epithelial cells: Effects on inflammation and oxidant injury. Clin. Sci. (2015).

4.             Li, L. et al. Klotho Reduction in Alveolar Macrophages Contributes to Cigarette Smoke Extract-induced Inflammation in Chronic Obstructive Pulmonary Disease. J Biol Chem 290, 27890–27900 (2015).

5.             Kureya, Y. et al. Down-Regulation of Soluble α-Klotho is Associated with Reduction in Serum Irisin Levels in Chronic Obstructive Pulmonary Disease. Lung (2016).

6.             Patel, M. S. et al. Klotho and smoking--An interplay influencing the skeletal muscle function deficits that occur in COPD. Respir Med 113, 50–56 (2016).

7.             Kim, W. J. et al. Lack of association between the Klotho gene and COPD. Tuberc. Respir. Dis. (Seoul). (2011).

8.             Ioannis Sotiriou, M. et al. Klotho gene polymorphism -395 GA in patients with chronic obstructive pulmonary disease (COPD). Pneumon (2010).

9.             Blake, D. J., Reese, C. M., Garcia, M., Dahlmann, E. A. & Dean, A. Soluble extracellular Klotho decreases sensitivity to cigarette smoke induced cell death in human lung epithelial cells. Toxicol Vitr. 29, 1647–1652 (2015).

10.           Pako, J. et al. Assessment of the Anti-Aging Klotho Protein in Patients with COPD Undergoing Pulmonary Rehabilitation. COPD 14, 176–180 (2017).

11.           Boeselt, T. et al. Benefits of High-Intensity Exercise Training to Patients with Chronic Obstructive Pulmonary Disease: A Controlled Study. Respiration (2017).

12.           Yu, A. et al. Resistin impairs SIRT1 function and induces senescence-associated phenotype in hepatocytes. Mol. Cell. Endocrinol. (2013).

13.           L., B. et al. Circulating levels of adipokines and IGF-1 are associated with skeletal muscle strength of young and old healthy subjects. Biogerontology (2013).

14.           B., G. et al. The association between resistin concentrations and the occurrence of cardiovascular disease in older persons: The health, aging and body composition (Health ABC) study. European Heart Journal (2014).

15.           Krick, S. et al. Fibroblast growth factor 23 and Klotho contribute to airway inflammation. Eur Respir J 52, (2018).

16.           Qiu, J. et al. Notch promotes DNMT-mediated hypermethylation of Klotho leads to COPD-related inflammation. Exp Lung Res 44, 368–377 (2018).

17.           Garth, J. et al. The Effects of the Anti-aging Protein Klotho on Mucociliary Clearance. Front. Med. (2020).

18.           Maremanda, K. P., Sundar, I. K., Li, D. & Rahman, I. Age-Dependent Assessment of Genes Involved in Cellular Senescence, Telomere, and Mitochondrial Pathways in Human Lung Tissue of Smokers, COPD, and IPF: Associations With SARS-CoV-2 COVID-19 ACE2-TMPRSS2-Furin-DPP4 Axis. Front. Pharmacol. (2020).