Gli inflammasomi, componente chiave dell’immunità innata

La reazione infiammatoria si attiva per azione di agenti nocivi di varia natura ed in presenza di dismetabolismi grazie ad una serie di sensori a cui è stato dato il nome complessivo di inflammasomi. Questi sono stati scoperti nel 2002 dallo studioso Jürg Tschopp e Coll. nel Dipartimento di Biochimica all’Università di Losanna.

Gli inflammasomi sono complessi proteici multiproteici che attivano la risposta infiammatoria dell’organismo in seguito a segnali di pericolo; si assemblano in risposta a patterns molecolari associati ad agenti patogeni denominati PAMPs (Pathogen Associated Molecular Patterns, molecole associate a patogeni come batteri o virus), o a un danno cellulare o tissutale di varia natura denominato DAMPs (Danger Associated Molecular Patterns, molecole generate dal danno o stress cellulare). Anche la diminuzione delle concentrazioni di potassio nello spazio intracellulare è un segnale che può contribuire all’attivazione dell’inflammasoma.

Gli inflammasomi originano nel compartimento citosolico di cellule immunitarie e infiammatorie come immunorisposta a segnali esogeni o endogeni; prendono origine in presenza di una condizione di disordine causato da agenti biologici, fisici, chimici, metabolici (ad esempio: deposizione di cristalli di acido urico nella gotta, di colesterolo nell’arteriosclerosi, di acidi grassi liberi e lipidi nell’obesità, della proteina beta-amiloide nel m. di Alzheimer), di elevati livelli di specie reattive dell’ossigeno (ROS), per riduzione della concentrazione citosolica di ioni potassio ed altri fattori.

L’inflammasoma è un componente chiave dell’immunità innata e media la risposta infiammatoria a infezioni virali e batteriche Gli inflammasomi sono composti da

• un recettore sensore (i recettori tipo NOD (NLRs) agiscono come sensori citosolici che riconoscono i PAMPs e i DAMPs)
• una proteina adattatrice (come l’ASC che lega il recettore attivato e la pro-caspasi)
• una pro-caspasi. (l’inflammasoma recluta la pro-caspasi-1 (o altre caspasi), che, una volta attivata, elabora e secerne le citochine infiammatorie).

L’attivazione dell’inflammasoma avviene quando la cellula rileva uno stimolo infiammatorio, come infezioni, microcristalli, o danni cellulari, che portano a segnali intracellulari come l’efflusso di potassio o il rilascio di specie reattive dell’ossigeno.

Viene promossa l’attivazione autocatalitica della caspasi-1, che a sua volta attiva pro-IL-1β, pro-IL-18 e gasdermin D (GSDMD). In seguito ad attivazione, GSDMD forma pori sulle membrane cellulari, consentendo la secrezione non convenzionale di proteine intracellulari e aumentando la permeabilità portando a una morte cellulare litica e pro-infiammatoria nota come piroptosi. L’attivazione dell’inflammasoma porta quindi alla produzione di citochine infiammatorie, come l’interleuchina-1β (IL-1β) e l’interleuchina-18 (IL-18), e a un processo di morte cellulare chiamato piroptosi, con conseguente rilascio di molecole pro-infiammatorie.

Questo processo è cruciale per l’immunità innata ma, se eccessivamente attivo, può contribuire a diverse malattie infiammatorie croniche, autoinfiammatorie e neurodegenerative.

I processi attivati dagli inflammasomi hanno grande importanza non solo come risposta antimicrobica, ma anche nel regolare vie metaboliche e reazioni immunitarie. L’attivazione eccessiva degli inflammasomi può portare a malattie autoinfiammatorie ereditarie e può giocare un ruolo in altre patologie, come le malattie polmonari croniche.

Funzioni e meccanismi d’azione

La funzione principale dell’inflammasoma è mediare la risposta immunitaria innata e infiammatoria, attivando la caspasi-1 che a sua volta processa le citochine pro-infiammatorie IL-1β e IL-18, e promuovendo la piroptosi attraverso l’attivazione di Gasdermin D. Questo complesso multiproteico agisce come un sensore di danno e patogeni, svolgendo un ruolo cruciale nella difesa contro infezioni e nello sviluppo di malattie infiammatorie.

Come funziona l’inflammasoma:

1. Rilevamento degli stimoli: L’inflammasoma è attivato da segnali di pericolo, sia esogeni (come componenti microbici) sia endogeni (come microcristalli o danni cellulari), che possono portare a fenomeni come il rilascio di potassio o la rottura dei lisosomi, come quelli provenienti da agenti patogeni (es. tossine batteriche) o danni cellulari (es. ATP extracellulare), noti come PAMPs e DAMPs.
2. Assemblaggio del complesso: La proteina recettore (come NLRP3) e la proteina adattatore ASC si uniscono, reclutando la pro-caspasi-1 nel complesso dell’inflammasoma.
3. Attivazione della caspasi-1: L’assemblaggio porta all’attivazione autocatalitica della caspasi-1, che è una proteasi.
4. Processamento delle citochine: La caspasi-1 attivata cliva le citochine immature pro-IL-1β e pro-IL-18 nelle loro forme attive, pronte per essere rilasciate e stimolare l’infiammazione.
5. Induzione della piroptosi: La caspasi-1 attiva anche la Gasdermin D (GSDMD), che forma pori nella membrana cellulare. Questa forma di morte cellulare, chiamata piroptosi, permette il rilascio incontrollato di citochine e altre molecole infiammatorie, oltre a reclutare altre cellule immunitarie nel sito di infezione o danno.

Ruolo nell’organismo:

• Difesa contro le infezioni: Gli inflammasomi sono fondamentali per la difesa dell’ospite, coordinando risposte rapide e locali contro patogeni.
• Regolazione dell’infiammazione: Sono attori chiave nella regolazione delle risposte infiammatorie e nella prevenzione dell’accumulo di danni.
• Disfunzione nell’infiammazione cronica: La disfunzione o l’eccessiva attivazione degli inflammasomi è implicata in numerose patologie infiammatorie croniche, metaboliche e neurodegenerative, sottolineando il loro ruolo nella salute e nella malattia.

Ruolo nelle Malattie

• Infiammazione: È un componente centrale nel processo infiammatorio, essenziale per la difesa contro le infezioni, ma può anche innescare processi patologici.
• Malattie autoinfiammatorie e autoimmuni: L’iperattivazione dell’inflammasoma è implicata in malattie come le febbri periodiche ereditarie e può esacerbare infiammazioni in malattie autoimmuni.
• Malattie croniche: Il suo coinvolgimento è studiato anche in patologie croniche come malattie polmonari, malattie articolari e neurodegenerazione, dove l’eccessivo rilascio di citochine e la morte cellulare possono peggiorare il quadro clinico.

Nella patologia tumorale il ruolo degli inflammasomi è estremamente complesso e dipende dalla durata dell’infiammazione (acuta o cronica), dal tipo di tumore e dal contesto cellulare e molecolare. In generale, gli inflammasomi possono contribuire alla patogenesi, allo sviluppo ed alla progressione neoplastica o anche sopprimere la crescita tumorale attraverso il fenomeno della piroptosi e della morte di cellule pre-maligne. Il diverso comportamento può in parte essere spiegato con la eterogenicità delle cellule tumorali e con il fatto che differenti inflammasomi hanno ruoli diversi.

• Ruolo pro-tumorale: 
• Infiammazione cronica:Gli inflammasomi attivano l’infiammazione, che può diventare cronica. Questa infiammazione può favorire la crescita delle cellule tumorali e la loro capacità di diventare metastatiche.
• Microambiente tumorale:Le cellule tumorali possono modificare il microambiente circostante, stimolando molecole che attraggono e attivano cellule immunitarie come macrofagi e monociti, alimentando così una catena infiammatoria che supporta lo sviluppo del tumore.
• Ruolo antitumorale:
• Piroptosi:L’attivazione dell’inflammasoma, attraverso la gasdermin-D (GSDMD), induce la piroptosi, una forma di morte cellulare. La piroptosi può contribuire a eliminare le cellule tumorali e a rilasciare segnali che possono attivare una risposta immunitaria più ampia.
• Citochine antitumorali:L’attivazione del processo infiammatorio porta al rilascio di citochine come IL-1β e IL-18, che possono avere effetti sia pro-tumorali che antitumorali a seconda del contesto specifico e delle altre molecole presenti nel microambiente tumorale.
• Riconoscimento di patogeni e danno:Gli inflammasomi sono parte del sistema immunitario innato e riconoscono patogeni e segnali di danno cellulare. Questo riconoscimento è fondamentale per l’eliminazione delle cellule danneggiate e dei patogeni, processi che possono anche influenzare il controllo della crescita tumorale.

Importanza Terapeutica

• Inibizione: L’inibizione specifica dell’inflammasoma e, in particolare, del suo membro NLRP3, è una strategia promettente per il trattamento di varie patologie infiammatorie.
• Farmaci: Sono in fase di sviluppo molecole mirate (piccole molecole) per inibire l’inflammasoma, offrendo un approccio più mirato, sicuro ed efficace rispetto ad alcune terapie convenzionali.

Quanti inflammasomi esistono?

Esistono diversi tipi di inflammasomi, tra cui i più studiati e importanti sono NLRP3, NLRP1, NLRC4 e AIM2. Questi complessi multiproteici sono attivati da specifici recettori nel citosol, come le proteine della famiglia NLR, e sono cruciali per la risposta immunitaria innata alle infezioni e ai danni cellulari, ma sono anche implicati in malattie infiammatorie.

Come funzionano gli inflammasomi

1. Riconoscimento dello stimolo: L’attivazione degli inflammasomi inizia quando recettori citosolici, come i membri della famiglia NLR, riconoscono segnali di pericolo, come i modelli molecolari associati a patogeni (PAMP) o i modelli molecolari associati a danno (DAMP).
2. Assemblaggio del complesso: Una volta attivati, questi recettori subiscono un cambiamento conformazionale che porta all’interazione con la proteina adattatrice ASC (PYCARD).
3. Attivazione delle caspasi: L’ASC, a sua volta, interagisce con la caspasi-1, innescando una cascata di eventi che culminano nella maturazione e nel rilascio di citochine infiammatorie, come le interleuchine pro-infiammatorie.

Esempi di inflammasomi

• NLRP3: È l’inflammasoma più studiato e il suo malfunzionamento è implicato in molte malattie infiammatorie, inclusi il diabete di tipo 2, le malattie infiammatorie intestinali e l’aterosclerosi.
• NLRP1: Anche questo recettore è importante per la formazione di complessi inflammasomici e la sua attivazione è oggetto di studio.
• NLRC4: Coinvolto nella risposta immunitaria contro batteri e altri agenti patogeni.
• AIM2: Coinvolto nel riconoscimento del DNA citosolico di origine batterica o virale.

L’inflammasoma NLRP3

Sono stati fino ad oggi identificati numerosi inflammasomi, tuttavia quello attualmente più caratterizzato è l’inflammasoma intracellulare NLRP3 (Nod-Like Receptor Protein 3).

L’inflammasoma NLRP3 è un complesso multiproteico composto da un sensore proteico intracellulare NLR (Nod-Like Receptor), dal precursore proteico procaspasi-1 e l’adattatore molecolare ASC “Adaptor apoptosis associated Speck-like protein containing a Caspase Recruitment Domain (CARD)”. NLRP3 regola l’attivazione di caspasi-1 e induce una risposta infiammatoria sistemica mediante le potenti citochine pro-infiammatorie IL-1 beta e IL-18, in risposta a PAMPs e DAMPs. Il processo si realizza per incremento delle ROS da disfunzione dei mitocondri, riduzione delle concentrazioni di potassio (K) intracellulare per efflusso all’esterno della cellula, rilascio a livello citoplasmatico di catepsine lisosomiali (catepsina B) e attivazione del fattore di trascrizione NF-kB. L’attivazione di caspasi-1 è in grado di determinare la morte cellulare infiammatoria, nota come piroptosi. Essa può manifestarsi in presenza di stimoli infiammatori molto forti che determinano la formazione di pori sulla membrana cellulare e la morte cellulare per lisi osmotica come accade nelle infezioni da patogeni intracellulari.

L’inflammasoma NLRP3 può essere attivato da una vasta gamma di stimoli esogeni ed endogeni, tra cui aggregati di proteine e cristalli (come l’ATP extracellulare e i cristalli di urati nella gotta) e agenti che interrompono la normale funzionalità cellulare tra cui il flusso ionico, la disfunzione mitocondriale e la produzione di specie reattive dell’ossigeno, nonché il danno lisosomiale.

L’attivazione avviene in due fasi:

• una fase di “priming”, che predispone il sistema alla risposta infiammatoria ed è innescata da segnali come i lipopolisaccaridi legati ai recettori TLRs, o citochine come IL-1β e TNF-α che si legano ai loro recettori, e
• una seconda fase di attivazione, in cui un secondo segnale (segnale 2), spesso causato da fattori come ATP extracellulare, tossine o cristalli, induce l’assemblaggio completo dell’inflammasoma e l’attivazione della caspasi-1.

Nei contesti di infiammazione sterile, come alcune malattie metaboliche, il processo di priming può essere potenziato da fattori come l’invecchiamento e l’obesità, che aumentano la produzione di specie reattive dell’ossigeno (ROS).

Un’eccessiva attivazione di NLRP3 è associata all’infiammazione cronica e a malattie legate all’invecchiamento; pertanto gioca un ruolo importante in patologie autoimmuni, affezioni metaboliche (sindrome metabolica, obesità, diabete, gotta), cardiovascolari, malattie neurodegenerative (m. di Parkinson, m. di Alzheimer), sclerosi multipla, ma anche in malattie psichiatriche.

NLRP3 appartiene alla famiglia dei recettori PRRs (Pattern Recognition Receptors) dell’immunità innata che sono in grado di rilevare i segnali provenienti da “invaders” intracellulari. PRRs sono espressi in numerose cellule immunitarie (macrofagi tissutali, cellule dendritiche, cellule epiteliali, neutrofili, cellule dell’immunità adattativa). I TLRs (Toll-like receptors) fanno parte dei recettori PRRs che sono espressi sulla superficie della membrana cellulare. Questi recettori possono essere attivati da profili molecolari associati a patogeni (PAMPs) e da segnali nocivi, in presenza di malattie infiammatorie non batteriche: in tal caso sono conosciuti come DAMPs. PAMPs e DAMPs possono superare la membrana citoplasmatica e stimolare direttamente i recettori delle cellule del sistema immunitario innato. Tra questi sensori sono inclusi i NLRs (NOD-like receptors) che possiedono un dominio PYD (Pyrin Domain), un attivatore delle caspasi ed un dominio CARD (Caspase Activation and Recruitment Domain). NLRP3 è dunque un NLR primariamente espresso nel citosol di cellule dell’immunità innata (monociti circolanti, macrofagi tissutali, cellule dendritiche, neutrofili) e di cellule infiammatorie.

Composti naturali quali il curcumin (Curcuma longa), l’Epigallo-Catechina-Gallato (EGCG del Tè verde), il resveratrolo, il sulforafano (vegetali cruciferi), la quercetina, la mangiferina (Mango), l’oridonina (Rabdosia rubescens),  ed altri inibiscono NLRP3. Anche il Coenzima Q10 (CoQ10), il beta-idrossibutirrato, e probabilmente la metformina presentano azione inibitrice.

Gli inflammasomi possono essere attivati da una dieta ricca di acidi grassi saturi e da elevati livelli di glucosio. In presenza di malattie metaboliche l’accumulo di prodotti del metabolismo (ad es. acidi grassi liberi e lipidi nell’obesità, cristalli di urati nella gotta, etc.) attiva l’inflammasoma NLRP3 nei macrofagi e determina un quadro di inflammasoma metabolico. Nell’obesità addominale il tessuto adiposo diviene ipossico soprattutto negli adipociti distanti dalle strutture vascolari. L’infiltrazione del grasso viscerale da parte dei macrofagi porta all’attivazione dell’inflammasoma NLRP3 ed alla produzione di citochine pro-infiammatorie e allo sviluppo di uno stato infiammatorio cronico di basso grado. Esso promuove un microambiente che favorisce l’insulinoresistenza e l’esordio di patologie ad esso correlate incluso il cancro al colon-retto. L’ obesità è associata anche ad un incremento del rischio di cancro al seno ed alla cattiva prognosi della neoplasia. E’ stato rilevato che l’obesità è associata all’attivazione dell’inflammasoma NLRC4 e alla produzione di IL-1beta responsabile della progressione del tumore per l’aumento di espressione di VEGFA (Vascular Endothelial Growth Factor Adipocyte-mediated) e dell’angiogenesi.