Metformina e smorzamento della (meta)infiammazione

Il sistema immunitario ha un ruolo centrale nell'inizio e nella progressione di molte patologie. Per le malattie cardiometaboliche, il contributo dell'infiammazione cronica di basso grado alla disfunzione metabolica e allo sviluppo dell'aterosclerosi è ora ben documentato.

L'obesità induce vari gradi di infiammazione nei tessuti adiposi, nelle isole pancreatiche e nel fegato, che contribuisce alla steatosi epatica, all'insulino-resistenza sistemica e alla progressione verso il diabete di tipo 2, alla steatoepatite non alcolica (NASH) e alle malattie cardiovascolari.  

Questa cosiddetta metainfiammazione predispone anche l'individuo a comorbilità, come l' infezione da Mycobacterium tuberculosis o l'infezione da coronavirus 2 (SARS-CoV-2) da sindrome respiratoria acuta grave (SARS-CoV-2).  

Sebbene non completamente compreso, l'interazione tra cellule immunitarie parenchimali e residenti nei tessuti all'interno di nicchie locali negli organi metabolici è centrale in questi processi infiammatori.  

Sorprendentemente, la metformina ha avuto alcuni effetti antinfiammatori attraverso meccanismi sia dipendenti che indipendenti da AMPK in studi trasversali in pazienti con diabete di tipo 2, vari studi interventistici in modelli di roditori di obesità e diabete di tipo 2 e in esperimenti in vitro ed ex vivo in diversi tipi di cellule immunitarie. 

Il trattamento con metformina migliora anche le funzioni mitocondriali nelle cellule mononucleate del sangue periferico (PBMC) di pazienti con diabete di tipo 2, che è associato a un aumento della fosforilazione e della mitofagia dell'AMPK e a una riduzione dei livelli di specie reattive dell'ossigeno (ROS) e dei livelli sierici delle citochine pro-infiammatorie TNF e IL-6.  

Inoltre, in uno studio controllato con placebo in pazienti con prediabete, il trattamento con metformina ha ridotto le concentrazioni dei componenti della trappola extracellulare derivata dai neutrofili (NET) elastasi, proteinasi 3, istoni e DNA a doppio filamento, indipendentemente dal suo effetto sulla normalizzazione dei livelli di glucosio.  

Questa scoperta suggerisce che la metformina può smorzare la NETosi nei neutrofili attivati, che è importante per la difesa dell'ospite contro gli agenti patogeni ed è coinvolta nel danno tissutale mediato dall'infiammazione e nella trombosi.  

La metformina induce anche un'inibizione dose-dipendente della NETosi, indotta dal forbolo 12-miristato 13-acetato e dalla ionomicina in vitro a concentrazioni comprese nell'intervallo terapeutico.  

Questo effetto è stato associato a una ridotta traslocazione della membrana PKC-βII, che è coerente con un effetto diretto del farmaco sul meccanismo NETosis.  

Tuttavia, sono necessari ulteriori studi per decifrare l'esatto meccanismo con cui le funzioni dei neutrofili sono regolate, direttamente o indirettamente, dalla metformina. 

Si ritiene che i cambiamenti nel metabolismo intrinseco dei macrofagi residenti nei tessuti e dei macrofagi appena reclutati derivanti da alterazioni nel microambiente locale all'interno degli organi metabolici ne modellino le funzioni e siano tra i principali fattori di metainfiammazione associata all'obesità.  

È interessante notare che la metformina riduce l'attivazione pro-infiammatoria dei macrofagi in vitro interferendo con la riprogrammazione metabolica cellulare che è alla base dell'infiammazione.  

A livello molecolare, sebbene non sia stato possibile escludere un contributo dell'attivazione dell'AMPK, la metformina ha ridotto la sintesi degli acidi grassi mediata dalla sintasi degli acidi grassi (FASN) e ha soppresso la palmitoilazione FASN-dipendente di AKT nei macrofagi derivati dal midollo osseo di topo stimolati da lipopolisaccaridi, portando a una ridotta attivazione di NF-κB e a una ridotta espressione di citochine pro-infiammatorie.  

Un nuovo percorso attraverso il quale la metformina potrebbe smorzare l'infiammazione indipendentemente

A seguito dell'internalizzazione putativa mediata dal trasportatore in vari sottoinsiemi di cellule immunitarie, la metformina inibisce il complesso I della catena respiratoria mitocondriale e può modulare i processi infiammatori cellulo-specifici sia dai meccanismi indipendenti dalla proteina chinasi attivata da AMP (AMPK) che da quelli dipendenti da AMPK. B, la metformina può modulare il sistema immunitario, che potrebbe avere effetti benefici in varie condizioni patologiche (come alcuni tumori, infezioni e malattie iperinfiammatorie). È stato riportato che questi effetti coinvolgono varie cellule immunitarie innate e adattative, portando alla modulazione di diverse interazioni cellula-cellula in nicchie locali, nonché nei processi immunometabolici e cellulari.

·     ATF3, attivando il fattore di trascrizione 3;

·     CXCL1, chemiochina (motivo C-X-C) ligando 1;

·     FASN, sintasi degli acidi grassi;

·     FOXO3, scatola testa a forcella O3;

·     IFNγ, interferone-γ; ISG, geni stimolati dall'interferone;

·     mTOR, bersaglio della rapamicina nei mammiferi;

·     NAFLD, steatosi epatica non alcolica;

·     NASH, steatoepatite non alcolica;

·     NF-κB, fattore nucleare-κB;

·     NGAL, lipocalina associata alla gelatinasi dei neutrofili;

·     PD1, proteina 1 di morte cellulare programmata;

·     Pi, fosfato inorganico;

·     PRF1, perforina 1;

·     ROS, specie reattive dell'ossigeno;

·     STAT1 e STAT3, trasduttore di segnale e attivatore della trascrizione 1 e 3;

·     TGFβ, fattore di crescita trasformante-β;

·     TNF, fattore di necrosi tumorale. 

l'asse AMPK-NF-κB è stato scoperto anche nei topi. Questa via coinvolge l'inibizione diretta del complesso I della catena respiratoria mitocondriale e l'inibizione a valle degli inflammasomi nei macrofagi alveolari.  

La metformina ha inibito la sintesi di ATP mitocondriale indotta da lipopolisaccaridi e la successiva generazione e rilascio citosolico di mtDNA, un potente ligando NLRP3, portando infine alla riduzione dell'attivazione dell'inflammasoma e della produzione di IL-1β nei macrofagi derivati dal midollo osseo di topo. 

Sorprendentemente, il trattamento con metformina in modelli murini di sindrome da distress respiratorio acuto attenua l'infiammazione polmonare indotta da lipopolisaccaridi e indotta da SARS-CoV-2, un effetto imitato dall'ablazione mieloide-specifica della citidina monofosfato chinasi 2, un enzima limitante la velocità nella sintesi del mtDNA.

Al contrario, l'azione inibitoria della metformina sul complesso mitocondriale I ha anche dimostrato di prevenire l'attivazione pro-infiammatoria dei macrofagi alveolari da parte dell'inquinamento atmosferico da particolato urbano, in particolare attraverso la riduzione dei livelli di ROS derivati dal complesso III e la conseguente diminuzione del rilascio di IL-6 mediato dal calcio. Da notare che un numero considerevole di studi meccanicistici in vitro ed ex vivo ha utilizzato concentrazioni di metformina superiori all'intervallo terapeutico e dovrebbero quindi essere considerate con cautela. 

Prevenzione dell'inflammaging

Come le malattie cardiometaboliche, l'invecchiamento e i disturbi legati all'età sono spesso associati a un'infiammazione cronica di basso grado (chiamata anche inflammaging) e al rimodellamento del sistema immunitario.

La metformina è stata considerata un trattamento per attenuare le conseguenze dannose dell'invecchiamento, in particolare per i suoi possibili effetti benefici sulla senescenza immunitaria.  

La senescenza immunitaria è caratterizzata dall'attivazione infiammatoria delle cellule immunitarie, da un declino delle loro funzioni e da una ridotta efficacia della risposta immunitaria, che porta a una maggiore vulnerabilità alle malattie infettive, a una diminuzione delle risposte alla vaccinazione e a una maggiore suscettibilità alle metainfiammazioni e alle malattie infiammatorie legate all'età.  

È interessante notare che il trattamento con metformina ha ridotto la frequenza dei sottogruppi di cellule B pro-infiammatorie nel sangue di pazienti più anziani (>70 anni) con diabete di tipo 2 e ha aumentato le risposte anticorpali specifiche del vaccino antinfluenzale dopo la vaccinazione.  

Questi risultati sono stati associati a una ridotta espressione di marcatori fenotipici secretori associati alla senescenza e a una ridotta secrezione di anticorpi IgG autoimmuni patogeni da parte delle cellule B isolate da questi pazienti, supportando un effetto anti-invecchiamento della metformina sull'immunità umorale. 

La fibrosi ovarica è associata all'invecchiamento e a un aumento del rischio di sviluppare il cancro ovarico, in particolare nelle persone con T2DM.  

In uno studio che ha utilizzato il sequenziamento dell'RNA a singola cellula, il trattamento con metformina ha modulato la composizione delle cellule fibroblastiche e immunitarie ovariche e ha prevenuto la fibrosi ovarica associata all'età nei topi femmine.  

Il meccanismo sottostante rimane poco chiaro e la sua traduzione nell'uomo è ancora discutibile. Tuttavia, questo studio identifica un sottogruppo unico di macrofagi indotto dalla metformina nell'ovaio che potrebbe contribuire alla clearance dei fibroblasti produttori di fenotipi secretori associati alla senescenza e all'espansione parallela dei miofibroblasti coinvolti nel rimodellamento della matrice extracellulare, con mantenimento conseguente dell'omeostasi tissutale durante l'invecchiamento.  

Anche la considerazione dell'uso della metformina come potenziale strategia terapeutica anti-infiammatoria è stata rafforzata con la dimostrazione che la metformina può alleviare l'infiammazione delle cellule T associata all'invecchiamento prevenendo la comparsa indotta dall'età di un profilo di inflammaging T helper 17 attraverso il mantenimento dell'autofagia delle cellule T CD4+ e della OXPHOS172 mitocondriale. 

Azione sull'immunomodulazione

Tubercolosi. Sono state riportate una varietà di altre proprietà immunomodulatorie della metformina, tra cui una maggiore capacità immunosoppressiva in diverse malattie iperinfiammatorie autoimmuni, una migliore risposta immunitaria alle infezioni e un potenziamento dell'immunità antitumorale.  

La metformina può ridurre l'infezione da M. tuberculosis, ridurre la progressione verso la tubercolosi attiva e diminuire la mortalità sia nei topi che nell'uomo.

Due studi hanno dimostrato che parte di questo effetto benefico può essere mediato da risposte immunitarie antimicobatteriche dell'ospite potenziate.  

Metformina e riprogrammazione metabolica delle cellule immunitarie

Infatti, sebbene eseguito utilizzando concentrazioni sovraterapeutiche, il trattamento ex vivo di PBMC da donatori sani con metformina induce l'inibizione di mTORC1 e la riprogrammazione metabolica delle cellule immunitarie, portando a una diminuzione della produzione di citochine pro-infiammatorie e a un aumento dell'attività di fagocitosi in risposta alla stimolazione con M. tuberculosis lisato.  

Inoltre, le PBMC di donatori sani trattati con metformina mostrano una maggiore attivazione dell'AMPK, una sottoregolazione dei geni con prodotti proteici coinvolti nella risposta all'interferone di tipo 1 e un'alterazione della composizione cellulare, con uno spostamento delle cellule mieloidi dai monociti classici a quelli non classici.  

Sul lato adattativo della risposta immunitaria, il trattamento con metformina ha ampliato una popolazione di cellule T CD8+CXCR3+ simili alla memoria nella milza e nei polmoni e ha migliorato l'immunogenicità e l'efficacia protettiva contro la sfida di M. tuberculosis nei topi vaccinati con Bacillus Calmette-Guérin.  

Osservata anche in individui sani e pazienti con diabete di tipo 2 trattati con metformina, questo sottogruppo di cellule T CD8+ indotte da metformina ha caratteristiche di riprogrammazione metabolica, come l'aumento dell'OXPHOS mitocondriale e dell'ossidazione degli acidi grassi, la capacità di sopravvivenza e le proprietà antimicobatteriche.  

Collettivamente, questi risultati potrebbero supportare l'uso della metformina come nuova opzione terapeutica per i pazienti affetti da tubercolosi e/o come farmaco aggiuntivo al vaccino contro la tubercolosi. 

Metformina e Cancro

È stato anche riportato che la metformina promuove l'immunità antitumorale attraverso la modulazione del microambiente immunitario del tumore, in particolare aumentando i livelli di cellule T citotossiche CD8+ infiltranti il tumore e diminuendo i livelli di macrofagi CD163+ che promuovono il tumore nel carcinoma esofageo a cellule squamose umano182.  

A livello molecolare, la metformina innesca l'attivazione di AMPK e l'inattivazione di STAT3, portando a un'alterata produzione delle citochine effettrici TNF (aumento) e IL-10 (diminuzione) da parte delle cellule immunitarie.  

Il trattamento con metformina ha anche aumentato l'infiltrazione di cellule natural killer e la citotossicità nel carcinoma a cellule squamose della testa e del collo nei pazienti, promuovendo il rilascio di perforina secondario a una sottoregolazione di CXCL1 indipendente da AMPK e mediata da mTORC1-STAT1. 

Infine, il trattamento con metformina salva la compromissione associata a NASH nella risposta delle cellule T CD8+ alla terapia con inibitori del checkpoint immunitario PD1-PDL1 per il carcinoma epatocellulare avanzato184. Meccanicisticamente, la metformina induce la riprogrammazione metabolica delle cellule T CD8+ epatiche, portando ad un aumento della motilità di queste cellule infiltranti il tumore e a una migliore efficacia della terapia anticorpale anti-PD1 contro i tumori del fegato in modelli murini di NASH e carcinoma epatocellulare.

 

È stato suggerito di potenziare la terapia anti-PD1 con microparticelle derivate da macrofagi caricate con metformina che prendono di mira i macrofagi associati al tumore M2-like per ripristinare lo stato di polarizzazione di queste cellule verso un fenotipo antitumorale simile a M11.

È interessante notare che questo approccio mirato ai macrofagi provoca il rimodellamento del microambiente immunitario del tumore. Questo rimodellamento aumenta il reclutamento delle cellule T CD8+, diminuisce l'infiltrazione sia delle cellule soppressori mieloidi immunosoppressive che delle cellule T regolatorie e migliora la penetrazione tumorale e l'attività antitumorale dell'anticorpo anti-PD11.