Klotho e Enfisema - Klotho and Emphysema

 

Enfisema centrolobulare, fonte Wikipedia

L’enfisema polmonare consiste nella distruzione della porzione di parenchima polmonare distale al bronchiolo terminale, senza evidenza di fibrosi.¹ Il fumo di sigaretta è il principale fattore di rischio, tuttavia una percentuale inaspettatamente ridotta di pazienti sviluppa un quadro enfisematoso.² Questo suggerisce che altri fattori oltre al fumo debbano essere presenti.³

Trattandosi di disregolazione dei processi di apoptosi e stress ossidativo, la proteina Klotho potrebbe svolgere un ruolo protettivo nel rallentare l’enfisema polmonare.

 

Domanda:

La proteina Klotho è disregolata nell’enfisema polmonare?

Risposta breve:

·       modelli sperimentali: SI

·       Uomo: Dati insufficienti

 

Approfondimento:

Il primo Studio⁴ è la pietra miliare di Klotho stesso. La prima pubblicazione nella quale il professore Kuro-o annunciava la scoperta casuale (serendipitously) del gene KLOTHO. I modelli sperimentali (topi) knockout per il gene presentavano caratteristiche di un invecchiamento accelerato. Tra di queste si osservava lo sviluppo di un quadro enfisematoso.

La ricerca di Kim⁵ non ha riscontrato una associazione tra grado di enfisema e presenza dei due polimorfismi per il gene Klotho studiati. Si tratta di due SNPs, G-395A localizzato a livello del promotore e C1818T individuato a livello dell’esone 4.

Al fine di investigare il motivo per il quale i topi kl^-/- presentano dalla quarta settimana di vita segni di enfisema polmonare, Funada e colleghi⁶ hanno condotto uno studio su modelli murini e hanno dimostrato che esiste uno sbilancio tra metallopreteasi (MMP)-9 e l’inibitore tissutale delle metalloproteasi (TIMP)-1. Non sono state riscontrate alterazioni nelle concentrazioni di MMP-2 e TIMP-2.

Nel 2007, Sato e colleghi hanno pubblicato un articolo⁷ nel quale, tramite specifiche metodiche, hanno dimostrato che i topi deficitari per Klotho subiscono a carico dell’apparato polmonare delle modifiche random ed omogenee. Tali cambiamenti sfociano in una progressiva distruzione delle vie aeree e l’instaurarsi di un quadro enfisematoso. Gli Autori concludono inoltre che il modo in cui avvengono tali modifiche siano segnale di un cambiamento polmonare governato da un processo sistemico più importante e complesso.

L’anno successivo, Ishii e colleghi⁸ hanno pubblicato una ricerca nella quale tramite specifiche metodiche veniva riscontrato che gli spazi aerei polmonari incrementavano con l’età nei modelli murini kl^-/-. Tale incremento iniziava circa alla quarta settimana di vita e aumentava progressivamente sino alla dodicesima. Si associava inoltre un aumento dell’apoptosi, in un setting non-infiammatorio, delle cellule bronco-alveolari che potrebbe spiegare l’ingrandimento degli spazi polmonari.

Il secondo studio⁹ porta il focus sulla possibilità che persone con una anamnesi positiva per fumo di sigaretta o altre patologie polmonari in famiglia, possono presentare delle precoci lesioni polmonari in assenza di sintomi specifici. Il dosaggio sierico della proteina Klotho non ha mostrato nessuna correlazione tra gruppo di controllo e i pazienti con lesioni enfisematose.

Lo Studio di Gao e colleghi¹⁰ 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. 

Nella Ricerca di Suga e colleghi¹¹ su modelli sperimentali è stato riscontrato che nei topi kl^-/- il quadro enfisematoso si osservava dopo il normale sviluppo dell’apparato polmonare ed era il risultato di una progressiva distruzione dell’architettura degli alveoli sani. Le prove di funzionalità respiratoria nei topi kl^-/- erano compatibili con un quadro enfisematoso, ma non erano presenti segni di insufficienza respiratoria. Infine, l’analisi ultrastrutturale del tessuto polmonare evidenziava un aumento del deposito di calcio a livello delle fibre di collagene di tipo I dei setti alveolari e la degenerazione dei pneumociti di tipo II.

La forma solubile di Klotho è ottenuta grazie ad un alfa- o beta-cut da parte delle proteasi di membrana, ad esempio ADAM17. Akasaka-Manya e colleghi¹² hanno dimostrato che nei modelli murini, che la riduzione dell’espressione di ADAM17 si associava ad una ridotta espressione di Klotho. L’eparan solfato, una molecola presente sulla superficie cellulare e nella matrice extracellulare, è necessario per stabilizzare il trinomio Klotho-FGF23-FGFR1c.¹³ Gli Autori hanno riscontrato un accumulo di questa molecola, concludendo che i modelli murini deficitari per Klotho siano predisposti a sviluppare un quadro enfisematoso grazie alla riduzione di ADAM17 e l’accumulo di eparan sulfato. Da segnalare che i livelli di ADAM10 rimangono invariati.

Infine, per completezza, riporto l’Articolo¹⁴ del professor Suga, pubblicato nel 2002 in lingua giapponese. Per ovvi motivi mi sono fermato all’abstract in inglese e non ho avuto la possibilità di analizzarlo in profondità. Dal titolo si potrebbe dedurre che Klotho sia essenziale nei modelli murini per lo sviluppo polmonare.

  

Conclusioni:

Le basi per supporre che Klotho abbia un ruolo attivo nel contrastare l’instaurarsi e la progressione del quadro enfisematoso, sono presenti e sono un buon punto di partenza per definire un quadro chiaro riguardo nella patogenesi dell’enfisema.
Nell’uomo abbiamo a disposizione un solo studio nel quale non è stata trovata nessuna differenza di concentrazione sierica tra pazienti con enfisema e gruppo controllo. Ulteriori studi sono necessari per meglio chiarire e confermare i dati ottenuti nei modelli sperimentali.

 

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 “emphysema”

  

Bibliografia:

1.             Liang, G. Bin & He, Z. H. Animal models of emphysema. Chinese Medical Journal (2019) 

2.             Barnes, P. J. Chronic obstructive pulmonary disease. in Genomic and Precision Medicine: Infectious and Inflammatory Disease (2019). 

3.             Bascom, R. Differential susceptibility to tobacco smoke: Possible mechanisms. in Pharmacogenetics (1991). 

4.             Kuro-o, M. et al. Mutation of the mouse klotho gene leads to a syndrome resembling ageing. Nature 390, 45–51 (1997).

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

6.             Funada, Y., Nishimura, Y. & Yokoyama, M. Imbalance of matrix metalloproteinase-9 and tissue inhibitor of matrix metalloproteinase-1 is associated with pulmonary emphysema in Klotho mice. Kobe J Med Sci 50, 59–67 (2004).

7.             Sato, A. et al. Morphological mechanism of the development of pulmonary emphysema in klotho mice. Proc Natl Acad Sci U S A 104, 2361–2365 (2007).

8.             Ishii, M., Yamaguchi, Y., Yamamoto, H., Hanaoka, Y. & Ouchi, Y. Airspace enlargement with airway cell apoptosis in klotho mice: a model of aging lung. J Gerontol A Biol Sci Med Sci 63, 1289–1298 (2008).

9.             Buendia-Roldan, I. et al. Risk factors associated with the detection of pulmonary emphysema in older  asymptomatic respiratory subjects. BMC Pulm. Med. 20, 164 (2020).

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

11.           Suga, T. et al. Disruption of the klotho gene causes pulmonary emphysema in mice. Defect in maintenance of pulmonary integrity during postnatal life. Am J Respir Cell Mol Biol 22, 26–33 (2000).

12.           Akasaka-Manya, K. et al. Decreased ADAM17 expression in the lungs of α-Klotho reduced mouse. J. Biochem. (2020) 

13.           Chen, G. et al. alpha-Klotho is a non-enzymatic molecular scaffold for FGF23 hormone signalling. Nature 553, 461–466 (2018).

14.           Suga, T. [Pulmonary emphysema in klotho mutant mice (deficient in klotho gene expression): klotho gene essential in postnatal pulmonary integrity]. Nihon Kokyuki Gakkai Zasshi 40, 203–209 (2002).