Metabolomica e microbiomica. La medicina personalizzata dal feto all’adulto

Di Vassilios Fanos

La medicina del futuro, oltre ogni immaginazione · La biologia dei sistemi: il tutto non corrisponde alla somma delle parti · Il DNA non è tutto: anche i gemelli identici non sono identici · ll feto e il neonato sono padri dell’uomo · Trasmissioni epigenetiche transgenerazionali · Le modalità dell’invecchiamento dipendono dalla vita fetale · Nutrizione precoce e destino dell’individuo · Il primo pasto è come il primo respiro (inno al latte materno) · Le cellule staminali multipotenti del latte materno · I nuovi abitanti del pianeta Terra: gli adulti nati con bassissimo peso · Fattori epigenetici che influenzano lo sviluppo del cervello: alcol, alluminio, prematurità · Il meraviglioso e attivo mondo del feto · Siamo un ecosistema: nel nostro corpo solo una cellula su dieci è umana · Cervello contro intestino: una guerra continua dal Pleistocene a oggi · Il cervello è una giungla e non un computer · I disturbi dello spettro autistico e la microbiomica · Siamo una cosa sola con quello che mangiamo · Batteri amanti della cioccolata e … vincitori di premi Nobel · Gli animali e la scienza della guarigione · Medicina di genere e medicina rigenerativa

• Lingua: Italiano
• Editore: Hygeia Press
• Data di uscita: 3 apr 2020
• ISBN: 9788898636297

Anteprima del libro

dell’autore

Introduzione

La ricerca, supportata da una sofisticata tecnologia, ha fatto passi da gigante negli ultimi anni e nuovi sono i linguaggi della medicina. Le nuove tecnologie ci consentiranno non tanto di anticipare il futuro, quanto di renderlo possibile. L’importante, tuttavia, è non perdere di vista il significato del tutto peculiare dell’incontro tra un medico e un paziente e continuare a vedere le cose attraverso gli occhi del paziente.

In questo volume c’è quasi tutto, o almeno molto, dei nuovi saperi e dei nuovi linguaggi della medicina: biologia dei sistemi, medicina dei sistemi, medicina delle reti e della complessità. Quello che emerge sempre più chiaramente dalla ricerca è che siamo individui inseriti in un ecosistema popolato da moltissimi batteri che ci guidano e ci orientano e che dobbiamo imparare a conoscere e rispettare.

In molti punti dei diversi capitoli si parla di nutrizione. Molte malattie nascono, in presenza di una predisposizione genetica, dall’unione di un certo tipo di alimentazione con un certo tipo di microbiota intestinale, una sorta di organo aggiuntivo di cui spesso ci dimentichiamo, costituito dai batteri presenti nel nostro intestino: solo da questo incontro possono formarsi metaboliti che passano all’interno dell’organismo e controllano e governano tutti i nostri organi, compreso il cervello. Il messaggio positivo è che modificando la dieta e/o modificando il microbiota intestinale (con prebiotici, probiotici, simbiotici e, domani, con il trapianto di feci) possiamo intervenire (o cercare di farlo) in modo concreto.

Possiamo anche prevenire molte malattie dell’adulto con una corretta alimentazione della donna in gravidanza, che ponga il feto nelle migliori condizioni di svilupparsi: diabete, obesità e autismo sono alcuni esempi di malattie che potrebbero essere ridimensionate con questo approccio. Inoltre, una dieta materna adeguata consente anche di ridurre l’incidenza dei parti pretermine.

Esiste una straordinaria variabilità interindividuale (dalla fragilità, alla resilienza, all’antifragilità) di cui dobbiamo acquisire una maggiore consapevolezza, primi fra tutti gli operatori sanitari, ma anche i pazienti, i mass media, l’intera società civile.

Gli avanzamenti tecnologici e la loro applicazione non sminuiscono il medico, ma al contrario rappresentano uno strumento formidabile per amplificare enormemente il suo potenziale diagnostico e rendere possibile la medicina delle 10 P: personalizzata, prospettica, predittiva, preventiva, precisa, partecipata, paziente-centrica, psico-cognitiva, postgenomica, pubblica. L’obiettivo finale è migliorare il benessere di ogni singolo paziente, piuttosto che limitarsi a curare la malattia.

Queste nuove acquisizioni e nuove frontiere possono sconcertare, almeno all’inizio, ma se si legge con calma questo libro sembreranno forse più naturali di quanto si possa credere. In ogni caso, il futuro va in questa direzione. Metabolomica e microbiomica influenzeranno in modo significativo la medicina dell’immediato futuro.

Di metabolomica mi occupo con passione da 7 anni, insieme ai miei collaboratori; senza il loro entusiasmo e la loro dedizione le nostre ricerche non si sarebbero concretizzate, per questo li ringrazio tutti all’inizio del volume.

Questo libro è stato pensato in 30 anni, scritto in 3 mesi e si può leggere in 3 giorni. La passione rende l’ordinario straordinario ed è contagiosa: in questo senso spero che vi contagi.

1. La medicina centrata sulla persona

Con gli occhi del paziente

Vi è una grande differenza tra la medicina centrata sulla persona e quella focalizzata sulla malattia. Negli ultimi anni abbiamo assistito a radicali cambiamenti nel mondo della medicina e, se vogliamo sintetizzare quanto è successo, possiamo dire che guardare le cose attraverso gli occhi del paziente appare oggi l’unico modo possibile di affrontare le problematiche della medicina. Per essere più precisi, si è passati dal paternalismo all’alleanza terapeutica, dal curare il paziente al prendersi cura di lui, dal concetto di disease (legato a una malattia del corpo) a quello di illness (che considera il paziente nella sua globalità di persona con un corpo e una mente), dalla compliance (il paziente riesce a tollerare le proposte dei sanitari) all’adherence (il paziente aderisce alle proposte stesse). Questo itinerario ha segnato il passaggio da un sistema medico-centrico a uno paziente-centrico, che vede il paziente sempre meno passivo e sempre più attivo e protagonista del proprio miglioramento (empowerment). Inoltre, la comunicazione ha assunto una crescente rilevanza nell’incontro tra medico e paziente, ed è sempre più importante impegnarsi a comunicare con il paziente piuttosto che limitarsi a comunicare al paziente. Una buona comunicazione è il cardine su cui si costruisce il consenso del paziente alle indicazioni del medico e talvolta è necessario istituire una buona relazione anche con la famiglia del paziente. Per il pediatra, ad esempio, il contatto col paziente è mediato dai genitori, ma anche nel caso di terapie indirizzate a persone adulte la famiglia può offrire un valido supporto. In ogni caso, nel rapporto tra medico e paziente è sempre meno tollerato un atteggiamento autoritario, mentre è apprezzata la disponibilità a spiegare che cosa stia accadendo al paziente e i motivi che suggeriscono le scelte terapeutiche nell’ambito di un piano d’azione condiviso, con un linguaggio che possa essere compreso anche da chi medico non è. Per rapportarsi in questo modo al paziente, è necessario soprattutto saperlo ascoltare.

Nella Tabella 1.1 sono schematizzate le nuove tendenze che oggi stanno modificando il panorama dell’assistenza sanitaria, ma altre profonde modificazioni si verificheranno nel corso dei prossimi anni, quando il notevole miglioramento nella ricerca biologica di base, associato all’impatto degli avanzamenti tecnologici e alla possibilità di analizzare grandi quantità di dati, determinerà profondi cambiamenti nella medicina, con immediate e positive ricadute assistenziali sulla nostra salute e un rapido aumento dell’aspettativa di vita.

Una travolgente evoluzione in medicina

Una travolgente evoluzione in medicina, che andrà molto oltre i confini della nostra immaginazione, sarà rappresentata dallo sviluppo e dall’interrelazione di quattro tecnologie: nanotecnologie (quell’area della tecnologia dove le dimensioni e le tolleranze tra 0,1 e 100 nm giocano un ruolo critico, secondo la definizione di Albert Franks), biotecnologie, ICT (information and communication technology) e scienze cognitive. Anche se non ne siamo ancora pienamente consapevoli, il genere umano sta per entrare in una nuova fase dell’evoluzione, una vera e propria rivoluzione che parte dalla nostra realtà odierna in costante metamorfosi.

Attenzione però, e non a caso lo affermo all’inizio del volume, a non perdere di vista il significato del tutto peculiare dell’incontro tra un medico e un paziente. Il rischio della medicina del futuro, infatti, sarà quello di presentarsi come miracolosa e infallibile perché basata sull’evidenza scientifica supportata da una sofisticata tecnologia; tuttavia, se disancorata dal paziente e dai suoi bisogni, la medicina correrà il rischio di rinunciare alla consapevolezza dei propri limiti, che invece continueranno oggettivamente a sussistere, data l’estrema complessità dell’essere umano. Perché, è bene precisarlo e ribadirlo, non esiste progetto, architettura, elaborato o prodotto, sia materiale sia intellettuale, che possa essere paragonato per complessità all’essere umano e alla sua vita.

2. Le cinque grandi idee della biologia e della medicina

Cos’è la vita?

What is life? Cos’è la vita? Domanda semplicissima, risposta impossibile. Il premio Nobel Erwin Schrödinger tenne un famoso ciclo di lezioni nel 1943 intitolato proprio in questo modo, seguito da un libretto che suscitò un acceso dibattito scientifico.

Negli ultimi anni sono stati fatti passi da gigante rispetto al passato e siamo immersi, come afferma Craig Venter, nell’era digitale della biologia. Ma la vita è di straordinaria complessità e siamo ancora lontanissimi dal rispondere alla domanda iniziale: Cos’è la vita?.

Nel corso della storia della medicina sono state proposte numerosissime teorie, ipotesi, opinioni. Tuttavia, se fossimo su una mongolfiera con tutto quello che è stato scritto nel corso del tempo e dovessimo buttare, pur di non precipitare, la maggior parte di ciò che è stato proposto, terremmo per ultime le cose più importanti, quelle che secondo il premio Nobel Paul Nurse sono le cinque grandi idee della biologia e della medicina: genoma, cellula, biochimica, evoluzione e biologia dei sistemi o biologia sistemica (systems biology) (Tabella 2.1).

Di cosa parliamo, quando parliamo di genoma?

Che cosa sono la genetica e il genoma? Quando parliamo di genetica intendiamo lo studio di singoli geni, mentre la genomica riguarda l’intero DNA di un individuo: il genoma è l’insieme del patrimonio ereditario, che abbiamo mutuato dai nostri genitori e che possiamo trasmettere alla discendenza. Il 26 giugno dell’anno 2000, Bill Clinton comunicò al mondo che il Progetto Genoma Umano (Human Genome Project, HGP) aveva completato il sequenziamento del genoma umano. L’annuncio venne dato alla presenza di numerosi scienziati, incluso il premio Nobel James D. Watson, che nel 1953 aveva scoperto, insieme a Francis Crick e Maurice Wilkins, la doppia elica del DNA, il nostro patrimonio genetico.

Il nostro genoma è paragonabile a un testo formato da tre miliardi di lettere, che potrebbero occupare circa un milione di pagine: un testo gigantesco di istruzioni per l’uso, continuamente letto e interpretato dalla cellula in cui si trova. Il DNA è una sorta di doppio spaghetto o, per essere più precisi, una doppia elica costituita dalla sequenza di quattro unità chimiche chiamate basi nucleotidiche: adenina (A), timina (T), guanina (G) e citosina (C), l’alfabeto di quattro lettere della nostra vita. L’ordine delle lettere è importantissimo, proprio come nella nostra scrittura, in cui con le stesse lettere si possono scrivere parole diverse: caro, arco, orca, roca. Dipende tutto dalla sequenza delle lettere. Le istruzioni impartite dal DNA sono necessarie per vivere la vita durante tutto il suo arco temporale, dalla scintilla vitale fino alla vecchiaia.

I geni sono i singoli capitoli del genoma. Alcune cellule esprimono certi geni, altre cellule ne esprimono altri, in una sequenza spazio-temporale molto ben programmata e definita. Ad esempio, nelle cellule renali sono attivati solo i geni predisposti alla funzione del rene, mentre nel pancreas sono attivi solo quelli ad esso dedicati. Il genoma rappresenta una parte importante della nostra vita e sarebbe sbagliato e assurdo non riconoscerlo. Nel contempo i geni, pur essendo degli attori protagonisti essenziali, non possono agire da soli, non spiegano tutto. È stato faticosissimo, per i ricercatori di tutto il mondo, arrivare a identificare il genoma, il codice della vita, ma adesso che lo conosciamo (pur comprendendone solo in piccolissima parte il suo significato) sappiamo che non ci rappresenta completamente. Riuscire a definire il genoma è stato per l’uomo una "mission impossible, quasi come trovare il Sacro Graal. Tuttavia noi non siamo i nostri geni, come si pensava circa 15 anni fa, o meglio non siamo solo in nostri geni. I geni da soli non spiegano, ad esempio, perché il cervello sia diventato quello che è. Il cervello è l’organo più importante del nostro organismo, tanto che potremmo dire: Noi siamo il nostro cervello". In realtà, la maturazione del cervello avviene attraverso una stretta interrelazione tra genetica e ambiente, perché il genoma viene costantemente confrontato e rapportato all’ambiente e così si formano le connessioni del nostro cervello, ovvero il nostro connettoma.

I geni egoisti, che hanno dato il titolo a un famoso e discusso saggio di Richard Dawkins pubblicato in prima stesura nel 1976, appartengono ormai a uno stadio di conoscenze che, se non superato, va sicuramente integrato. La visione evoluzionistica di Dawkins individuava nei geni, anziché nell’individuo o nella specie, il soggetto della selezione naturale. I geni sarebbero egoisti perché verrebbero trasmessi solamente quelli con maggiori probabilità di continuare ad essere replicati. Ma oggi il concetto monadico di gene come unità indipendente è stato integrato dal genoma, e il genoma, lo sappiamo bene, è in equilibrio costante con l’ambiente.

Da un punto di vista generale, si sta passando da una visione DNA-centrica a una decisamente più complessa, che solo in maniera riduttiva è chiamata proteino-centrica e che focalizza l’attenzione sulla cellula.

La cellula, città della vita

La cellula è il fondamento biologico della vita e rappresenta l’unità essenziale e non sostituibile di ogni organismo vivente. Ogni cellula possiede al proprio interno il patrimonio genetico dell’individuo. Per definire una cellula, credo siano efficaci le parole di Richard Feynman, Nobel per la fisica nel 1965: Le cellule sono per lo più piccolissime, ma molto attive; producono diverse sostanze, si muovono, si agitano, fanno cose meravigliose e tutto su scala piccolissima. Ritengo particolarmente calzante la metafora impiegata dal fisico Peter M. Hoffmann, nel libro intitolato Gli ingranaggi di Dio, per spiegare come sia strutturata una cellula, tanto che l’ho ripresa e ampliata e, leggermente modificata, ve la propongo di seguito. La trovate inoltre tradotta in linguaggio figurato nella Figura 2.1.

Figura 2.1. Rappresentazione schematica e figurata della cellula.

Una cellula è come una città: ha delle mura (la membrana cellulare), una biblioteca che contiene i libri (il nucleo, che contiene l’informazione genetica), delle fabbriche (i ribosomi), delle centrali elettriche molto efficienti (i mitocondri, Figura 2.2) che sono stazioni di ricarica cellulare; queste centrali (i mitocondri) utilizzano l’energia proveniente dal cibo per ricaricare la valuta energetica (l’ATP, adenosina trifosfato), che costituisce la moneta di spesa energetica cellulare, senza la quale non saremmo in grado di pensare, respirare, muoverci. La cellula possiede vere e proprie autostrade (i microtubuli e i filamenti di actina), autocarri (le chinesine, che trasportano materiale all’interno delle cellule), inceneritori (i lisosomi), uffici postali (l’apparato del Golgi, Figura 2.3) e molte altre strutture che svolgono funzioni vitali, come i sistemi di tubature e di pompe (pori e canali) che fanno entrare e uscire acqua e sale nella cellula, o come le antenne (i recettori) che comunicano con le cellule vicine e connettono la cellula con l’esterno. Quando l’inceneritore si rompe, è come premere il pulsante di autodistruzione cellulare: si oltrepassa la linea del non ritorno e la cellula muore.

Figura 2.2. Parte interna dei mitocondri (fegato). Si possono apprezzare le creste mitocondriali (13.000X). Tratta da: Mocci et al. (J Pediatr Neonat Individual Med, 2014).

Figura 2.3. L’apparato del Golgi (fegato) appare come un corpo spugnoso, circondato da vescicole che contengono le proteine da esportare (15.000X). Tratta da: Mocci et al. (J Pediatr Neonat Individual Med, 2014).

Nella Figura 2.1, le mura che circondano la biblioteca rappresentano la membrana nucleare, che nella cellula circonda il nucleo (Figura 2.4). La membrana nucleare è dotata di pori, raffigurati nella Figura 2.1 come porte da cui fuoriescono dei piccoli robot, che trasportano le informazioni per produrre le proteine nelle fabbriche con l’energia prodotta dalle centrali elettriche, per poi trasportarle attraverso le autostrade nei luoghi in cui servono. Alcuni piccoli robot addetti al trasporto sono superspecializzati e trasportano un solo tipo di carico, ad esempio l’emoglobina. Il ribosoma è il vero coreografo della produzione di proteine.

Figura 2.4. Parte interna della membrana nucleare (fegato). Si possono notare, ben evidenziati, i pori nucleari