Insufficienza cardiaca: come l’esercizio fisico protegge il cuore

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L’esercizio regolare è considerato una forma importante di trattamento per l’insufficienza cardiaca, una condizione in cui il cuore non è in grado di pompare abbastanza sangue per soddisfare le esigenze del corpo. I vantaggi dell’esercitazione variano dalla prevenzione della cachessia, perdita di peso e massa muscolare e controllo della pressione arteriosa alla migliorata funzionalità cardiaca e ritardo di un processo degenerativo che causa la morte progressiva della cellula cardiaca. Circa il 70% dei pazienti con insufficienza cardiaca muore dalla condizione entro cinque anni. Uno studio condotto dall’Università di São Paulo (USP) in Brasile, pubblicato recentemente nella rivista Autophagy, aiuta a chiarire una parte del meccanismo con cui l’esercizio aerobico protegge il cuore malato.

“Fondamentalmente, abbiamo scoperto che l’esercizio aerobico facilita la rimozione di mitocondri disfunzionali dalle cellule cardiache”, ha dichiarato Julio Cesar Batista Ferreira, Professore presso l’Istituto di Scienze Biomediche (ICB-USP) e autore principale del progetto che è stato sostenuto dalla São Paulo Fondazione di Ricerca (FAPESP)

I mitocondri sono gli organelli incaricati di fornire energia alle cellule. “La rimozione dei mitocondri disfunzionali aumenta l’offerta di ATP (adenosina trifosfato), la molecola che fornisce l’energia necessaria per quatti tutte le forme di lavoro cellulare e riduce la produzione di molecole tossiche, come i radicali liberi e le aldeidi reattive che danneggiano la struttura cellulare”, ha aggiunto il ricercatore. Secondo Ferreira, l’obiettivo a lungo termine della ricerca è quello di identificare obiettivi intracellulari che possono essere modulati da farmaci per produrre almeno alcuni dei benefici cardiaci ottenuti per mezzo dell’ esercizio fisico. L’indagine è stata condotta come parte della ricerca di master e dottorato di ricerca di Juliane Cruz Campos, con borse di studio di FAPESP e la supervisione di Ferreira. In uno studio precedente pubblicato in PLOS ONE , il gruppo ha dimostrato attraverso esperimenti sui ratti, che la formazione aerobica riattiva il proteasoma, un complesso intracellulare responsabile della pulizia delle cellule da proteine ​​danneggiate. I risultati hanno inoltre dimostrato che l’attività proteasomica nel cuore di un paziente con insufficienza cardiaca diminuisce di oltre il 50% e che, di conseguenza, si sviluppano proteine ​​fortemente reattive nel citoplasma dove interagiscono con altre strutture e causano la morte cellulare. Nell’articolo pubblicato di recente, il gruppo ha dimostrato che l’esercizio regola anche l’attività di un altro meccanismo di pulizia cellulare noto come autofagia, la cui scoperta ha portato lo scienziato giapponese Yoshinori Ohsumi a vincere il Premio Nobel 2016 in Medicina . “Invece di degradare le proteine ​​isolate, questo sistema crea una vescicola [autofagogeno] intorno agli organi disfunzionali e trasporta immediatamente tutto questo materiale al lisosoma, una sorta di inceneritore”, ha spiegato Ferreira. “Il lisosoma contiene enzimi che distruggono i residui di cellule. Tuttavia, abbiamo osservato che il flusso autofagico è interrotto nel cuore di un topo con insufficienza cardiaca e che c’è un accumulo di mitocondri disfunzionali”.

“I mitocondri possono anche dividersi per isolare la parte danneggiata e facilitarne la rimozione”, ha aggiunto Ferreira che insieme al suo team è stato in grado di realizzare questa scoperta osservando l’attività delle proteine ​​legate al processo di divisione mitocondriale. Tuttavia, il sistema che dovrebbe trasportare i rifiuti al lisosoma non è in grado di completare l’attività.

Esperimenti

Il modello del ratto sperimentale che ha subito un infarto indotto, dopo un mese ha mostrato segni di insufficienza cardiaca. Quando i ricercatori hanno analizzato il tessuto dei cuori degli animali con un microscopio elettronico con un ingrandimento fino a 3.000 volte, hanno scoperto che le cellule contenevano grossi cluster di piccoli mitocondri frammentati. Questo non è stato osservato nel gruppo di ratti sani. Questi mitocondri sono stati collocati in un apparecchio che ha misurato il consumo di ossigeno e quindi valutato il metabolismo mitocondriale. La sperimentazione ha confermato che la respirazione mitocondriale non funzionava correttamente. “Le immagini hanno dimostrato che le membrane stavano cercando di formarsi intorno a questi piccoli mitocondri, ma l’autofago non riusciva a circondarli completamente”, ha detto Ferreira. “Abbiamo concluso che si stavano accumulando perché il sistema di rimozione non funzionava, ma quando i ratti sono stati messi sul tapis roulant, i mitocondri disfunzionali sono scomparsi e l’esercizio fisico ha ripristinato il processo di rimozione dei mitocondri cardiaci disfunzionali. I vantaggi dell’esercizio fisico sono scomparsi quando abbiamo bloccato l’autofagia farmaceuticamente o geneticamente “.

L’esercizio fisico degli animali è iniziato quattro settimane dopo l’induzione dell’attacco cardiaco, quando i ratti hanno mostrato segni di insufficienza cardiaca. I ratti sono stati posizionati su un tapis roulant che funzionva a moderata intensità (60% della capacità massima) per 60 minuti una volta al giorno, cinque giorni alla settimana, per otto settimane.

Alla fine di questo periodo i risultati sono stati confrontati con quelli dei ratti con insufficienza cardiaca che erano sedentari e un gruppo di controllo di ratti sedentari senza scompenso cardiaco indotto.

“Nei ratti malati sedentari, la funzionalità cardiaca è diminuita del 30% nel periodo di otto settimane, mentre nel gruppo addestrato è aumentata del 40% rispetto alla condizione di pre-allenamento”, ha detto Ferreira. “Tutto sommato, quindi, la differenza tra questi due gruppi in termini di funzione cardiaca è stata del 70%“.

I cuori dei ratti sedentari con insufficienza cardiaca erano mediamente più grandi del 18% rispetto a quelli del gruppo di controllo, mentre quelli dei ratti addestrati erano solo il  5% più grandi.

“L’esercizio fisico aumenta la dimensione del cuore, ma questo aumento è proporzionale al miglioramento della funzione cardiaca. La dilatazione causata da insufficienza cardiaca riguarda la perdita della funzione cardiaca”, ha detto Ferreira.

I livelli di ATP nei ratti sedentari con insufficienza cardiaca erano inferiori del 50% rispetto al gruppo di controllo, ma negli animali addestrati erano equivalenti a quelli di cuore sano.

“Quindi i nostri risultati dimostrano che l’esercizio non solo impedisce, ma inverte anche i danni causati da insufficienza cardiaca“, ha detto Ferreira. “La nostra ipotesi è che l’addestramento fisico modula l’espressione e / o l’attività di una o più proteine ​​chiave coinvolte nella mitofagia o nell’autofagia mitocondriale, ripristinando così la sua attività. Stiamo cercando di confermare questa ipotesi”.

“Una volta identificati”, ha aggiunto il ricercatore, “questi geni e le proteine da essi ​​codificate  potrebbero essere testati come obiettivi terapeutici”.

Come spiega Ferreira, scoprire l’impatto di ogni gene e proteina sugli adattamenti cardiaci derivanti dall’attività fisica negli organismi complessi come i mammiferi è un compito enorme e probabilmente impossibile. Per questo motivo, il verme Caenorhabditis elegans serve come modello per la ricerca continua del gruppo.

“Anche se questo animale ha un organismo molto meno complesso, fino al 90% del suo genoma è lo stesso di nostro per alcune famiglie di proteine”, ha detto il ricercatore. “Inoltre, possiamo utilizzare strumenti esistenti come la genomica funzionale per una valutazione su vasta scala del contributo di ciascun gene alle risposte adattative a condizioni avverse. L’idea è di caratterizzare l’impatto funzionale dei geni coinvolti nella divisione mitocondriale e nella mitofaga sugli adattamenti derivanti da esercizio fisico”.

Fonte: Agenzia Fapesp