Questa scansione al microscopio elettronico mostra un cluster di cellule tumorali circolanti (CTC) osservate attraverso i filtri di un dispositivo microfluidico usato per analizzare i campioni ematici. Tutte le cellule del cluster sono dello stesso paziente. Questo cluster di cellule metastatiche, più piccolo di un punto in una rivista, viaggia nel sangue e si insedia nei tessuti sani, consentendo la diffusione del tumore.
Più di un mero timer biologico impostato sulle 24 ore, che ci fa addormentare la sera e risvegliare al mattino, l’orologio circadiano principale localizzato nel cervello umano controlla anche il livello degli ormoni, regola la temperatura corporea, stimola la fame e programma la digestione, oltre a centinaia di altre funzioni fisiologiche.
Ora un nuovo studio svolto su pazienti affette da tumore al seno rivela che le cellule tumorali sfruttano questi cicli ormonali per diffondersi, mentre la paziente dorme.
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I tumori si diffondono e attaccano nuovi organi quando le cellule si staccano dal tumore primario e raggiungono altri tessuti attraverso il sistema circolatorio o il sistema linfatico, dopo aver attraversato le pareti dei vasi sanguigni. Questa diffusione, o “metastatizzazione” è la causa della maggior parte dei decessi per cancro. Gli scienziati ritenevano che queste cellule tumorali circolanti, dette CTC, venissero rilasciate nel flusso sanguigno in modo continuo, nell’arco della giornata. Ma un nuovo studio mostra che nelle pazienti affette da cancro al seno la maggior parte delle CTC viene rilevata durante l’ultima parte del sonno, poco prima del sorgere del sole, piuttosto che nelle ore di veglia durante il giorno.
“Quando il malato dorme, il tumore si sveglia”, afferma Nicola Aceto, oncologo molecolare presso il Politecnico federale di Zurigo (ETH) in Svizzera, che ha condotto lo studio.
La nuova ricerca apre nuove prospettive sui meccanismi biologici che consentono la diffusione dei tumori, e rappresenta una preziosa osservazione che i medici possono utilizzare nel tracciamento della crescita tumorale e della formazione di metastasi, programmando la tempistica di prelievo dei campioni di sangue.
“Abbiamo dimostrato chiaramente che la tempistica di esecuzione delle biopsie è determinante per una diagnosi ottimale” afferma Zoi Diamantopoulou, esperta di biologia delle cellule tumorali presso il laboratorio di Aceto nonché principale autrice dello studio.
Gli scienziati hanno specificato che lo studio non indica che i tumori siano causati dal sonno o dal riposo; ciò che la ricerca mostra è che una volta che il tumore si è insediato, il suo sviluppo è influenzato dal sonno e dai relativi cambiamenti ormonali. “Per i pazienti affetti da cancro, un sonno regolare è di importanza vitale per assicurare che il resto dell’organismo abbia le forze necessarie a sopportare il trattamento e possa combattere la malattia”, afferma Harrison Ball, studente laureato all’Università del Michigan che è stato invitato a commentare lo studio di Aceto.
Il sonno aiuta il sistema immunitario a rafforzarsi, e quindi a proteggersi dai tumori. “Il nostro sistema immunitario presenta la sua migliore funzionalità quando siamo sufficientemente riposati”, afferma Sunitha Nagrath, ingegnere chimico presso l’Università del Michigan di Ann Arbor, che lavora allo sviluppo di strumenti per l’isolamento e lo studio di cellule rare prelevate da pazienti affetti da cancro. “È possibile che il tumore si diffonda in modo più aggressivo [durante la notte], ma all’organismo serve un sistema immunitario forte per lottare contro la malattia”.
Le conclusioni dello studio colmano una lacuna fondamentale nel campo della biologia dei tumori, “soprattutto attraverso la scoperta che le CTC tendono a essere più numerose e più aggressive di notte”, afferma Francis Lévi, oncologo medico presso l’Università di Parigi-Saclay che negli ultimi trent’anni si è dedicato allo studio di come i ritmi circadiani influenzano la salute e gli stati patologici. Il contributo di Lévi in questo ambito di ricerca comprende studi che mostrano che la tossicità e gli effetti collaterali di alcuni farmaci antitumorali potrebbero essere ridotti modificando la tempistica della loro somministrazione — un ramo noto con il nome di cronoterapia — e che indicano che tale tempistica differisce tra uomini e donne.
“Saranno necessari decenni e probabilmente studi clinici prospettici, affinché i medici realizzino quanto il momento del giorno sia un fattore rilevante”, afferma Christoph Scheiermann, immunologo presso l’Università di Ginevra, in Svizzera; ma questo studio indica già che l’esecuzione dei prelievi nel momento giusto può essere di grande importanza in termini diagnostici, continua Scheiermann.
Gli scienziati studiano i ritmi biologici legati all’alternarsi di giorno e notte (ovvero la cronobiologia) dal XVIII secolo. L’astronomo francese Jean Jacques d’Ortous de Mairan dimostrò già nel 1729 che le foglie della pianta chiamata mimosa pudica continuano ad aprirsi e chiudersi nell’arco delle 24 ore del ciclo giorno-notte anche quando messe in condizione di oscurità permanente, a indicare che la pianta possiede un orologio interno che le consente di tenere traccia del passare del tempo. Simili orologi biologici scandiscono il tempo in base ai segnali della luce solare in tutti i vertebrati, piante, funghi e batteri, mantenendoli sincronizzati con il loro ambiente. Questo spiega perché alcuni animali, tra cui i gatti, sono notturni e perché alcune alghe mostrano una bioluminescenza più intensa dopo il calare del sole.
La presenza di un orologio principale insito nel cervello umano non è un’idea astratta. Tale meccanismo è un insieme di circa 20.000 neuroni che funzionano come “cellule orologio” – che si trovano nei nuclei soprachiasmatici dell’ipotalamo anteriore – che regola un ciclo di 24 ore di cambiamenti fisiologici e comportamentali chiamati ritmi circadiani (dal latino circa diem, “circa un giorno”). Questo insieme di neuroni riceve i segnali luminosi dalla retina e coordina l’azione di oscillatori periferici in altre regioni del cervello e organi, tra cui fegato e reni, attivando e disattivando una moltitudine di geni. Nel 2017 Jeffrey Hall, Michael Rosbash e Michael Young hanno ricevuto il Premio Nobel per la scoperta di geni fondamentali che governano il funzionamento di questo orologio interno. Nell’uomo, almeno il 30% di tutti i geni che producono proteine mostrano un’attività ciclica in vari organi, e si prevede che questa percentuale aumenti con una migliore documentazione delle attività genetiche.
Mentre la maggior parte dei geni nelle cellule sane sono attivi principalmente nel primo mattino e nel tardo pomeriggio, altri raggiungono il picco nelle prime ore serali e durante il sonno, quando non c’è assunzione di cibo. “Tipicamente questa sincronizzazione avviene attraverso il rilascio di varie molecole di segnalazione, come ad esempio gli ormoni, che circolano nell’organismo”, spiega Ball.
Nell’uomo, quando il livello di luce diminuisce, i neuroni dell’orologio circadiano secernono melatonina, l’ormone del sonno. Anche i geni che producono altri ormoni, come ad esempio la leptina, che coordina l’appetito e induce la fame, e il cortisolo, il cosiddetto ormone dello stress, che ci fa svegliare alla mattina e combatte le malattie, rispondono ai cicli di luce e oscurità.
Quando l’attività umana è in conflitto con il ciclo giorno-notte di 24 ore, come ad esempio nel caso di chi lavora su turni, che è attivo quando è buio e dorme quando c’è luce, questo disallineamento aumenta il rischio di sviluppare tumori. Le assistenti di volo e le infermiere sono esposte a un rischio leggermente maggiore di sviluppare il cancro della mammella, forse proprio a causa della mancata sintonia del loro lavoro con i ritmi circadiani. Negli studi di laboratorio, anche i topi mostrano un maggiore rischio di sviluppare carcinoma mammario, in simulazioni di condizioni di lavoro su turni. Questo è il motivo per cui l’Agenzia internazionale per la ricerca sul cancro considera il lavoro su turni in orari strani, come quello delle assistenti di volo e delle infermiere che fanno il turno di notte, come “probabilmente cancerogeno”.
I rischi posti dal lavoro su turni non interessano solo il tumore della mammella, ma anche il tumore della prostata, nonché malattie cardiovascolari e diverse altre malattie croniche. Questa popolazione di lavoratori presenta inoltre una maggiore probabilità di sviluppare infezioni, afferma Lévi.
Anche se non è chiaro per quale motivo frequenti disturbi nei cicli di sonno-veglia si associno a un più elevato rischio di cancro, gli studi suggeriscono che i colpevoli potrebbero essere immunosoppressione, infiammazione cronica o maggiore proliferazione cellulare.
“Anche le cellule immunitarie hanno un orologio circadiano, e il loro funzionamento presenta fluttuazioni giornaliere”, afferma Kazuhiro Yagita, medico internista presso la Kyoto Prefectural University of Medicine, in Giappone.
I livelli di globuli bianchi circolanti, che aiutano l’organismo a combattere l’infezione e altre patologie, raggiungono il picco durante la fase di riposo: ovvero durante la notte per gli esseri umani e durante il giorno per i topi. Il disallineamento tra il ciclo ambientale e gli orologi circadiani interni provoca uno scompiglio metabolico nelle cellule, che le porta a non funzionare bene, spiega Yagita. D’altro canto, “il sonno è molto importante per proteggerci e ridurre il rischio di formazioni tumorali”.
Ma una volta che le cellule diventano cancerose, si svincolano dai ritmi circadiani. “Le cellule cancerose e i tumori normalmente non mostrano le oscillazioni che vediamo nei tessuti sani”, afferma Scheiermann, “non sembrano avere un meccanismo di rilevazione temporale”.
Per questo motivo è stata una sorpresa per gli scienziati scoprire – nello studio svolto a Zurigo – che ormoni fondamentali per i ritmi circadiani come la melatonina e il testosterone influenzassero direttamente le dinamiche della generazione delle CTC.
Quando gli scienziati hanno notato delle discrepanze nel numero di cellule cancerose rilevate nei campioni ematici prelevati da pazienti oncologici in orari diversi, sono stati stimolati a investigare più a fondo, afferma Aceto.
“Abbiamo rilevato che il rilascio di CTC non era costante durante il giorno, ma presentava aumenti e cali”, afferma Diamantopoulou. “Questo ci ha portati a voler studiare meglio il modo in cui è regolato il meccanismo di rilascio delle CTC”. Gli scienziati sospettavano che ormoni come la melatonina, che regola il sonno, e i corticoidi, che bilanciano la risposta allo stress, il flusso energetico, la temperatura corporea, l’equilibrio idrico e svariati altri processi essenziali, potessero essere i segnali che attivano la tempistica di rilascio delle cellule tumorali. Questi ormoni sono noti regolatori dei ritmi circadiani, ed entrambi raggiungono livelli di picco nel sangue tra le 3 e le 4 della notte, quindi Diamantopoulou ha prelevato il sangue di 30 pazienti oncologiche ricoverate per cancro al seno una volta alle 4 di notte e poi di nuovo alle 10 del mattino. “Avrei preferito poterlo fare un po’ prima o un po’ dopo, sarebbe stato più comodo e più semplice anche per l’analisi dei campioni”, afferma.
Diamantopoulou ha rilevato che quasi l’80% delle CTC veniva rilevato nei campioni ematici raccolti alle 4, quando le pazienti riposavano. Per comprendere meglio questi risultati, gli scienziati hanno replicato l’esperimento in un gruppo di topi in cui era stata indotta la formazione di cancro. Essendo i topi animali notturni, i loro livelli di CTC sono risultati più elevati (fino a 88 volte) durante il giorno, nella loro fase di riposo, rispetto alla notte, che corrisponde alla loro fase attiva. La modifica del ciclo veglia-sonno nei topi ha portato a un calo delle cellule tumorali presenti nel sangue.
Durante la fase di riposo, le cellule cancerose che venivano rilasciate si dividevano più rapidamente rispetto alle cellule sane. Queste cellule presentavano anche una maggiore probabilità di formare nuovi tumori, a indicare che le CTC che si staccano dal tumore principale durante il sonno in qualche modo erano più inclini alla formazione di metastasi.
“Queste cellule tumorali circolanti probabilmente vengono rilasciate e poi efficacemente assorbite dagli altri tessuti; questo secondo me è l’aspetto più interessante [svelato dallo studio]”, afferma Scheiermann.
“È sorprendente che non solo il numero delle cellule era differente, ma le CTC della fase di riposo si sono rivelate più aggressive, rispetto alle CTC del sangue prelevato solo poche ore dopo”, afferma Nagrath.
Se da un lato la melatonina è stata osservata aumentare la produzione di CTC e la crescita tumorale, un composto chimico che blocca la melatonina ha mostrato un’efficace azione inversa. L’insulina, invece, ha favorito la proliferazione delle cellule tumorali. Questo suggerisce che le cellule cancerose effettivamente reagiscono ad alcuni dei segnali che provengono dal ciclo giorno-notte e dal ritmo circadiano.
“È più che sensato che le cellule tumorali circolanti crescano e si dividano maggiormente durante il riposo, questa è una dinamica che si riscontra anche nelle cellule non cancerose”, afferma Ball. Questa maggiore proliferazione rende le cellule anche più “aggressive”, ovvero più inclini a diffondersi e formare tumori secondari. I risultati di questo studio possono aprire nuove strade per il campo delle biopsie oncologiche, ma anche per la programmazione dei trattamenti in particolari momenti della giornata.
Anche se l’idea di programmare la somministrazione di un farmaco sulla base dei ritmi circadiani del paziente mediante cronoterapia sta ancora muovendo i primi passi, la ricerca di Lévi mostra che prendendo in considerazione l’orologio circadiano è possibile influenzare l’efficacia e la tolleranza di decine di terapie antitumorali. Altre ricerche indicano che i carcinomi mammario e ovarico e anche il tumore al polmone possono beneficiare della cronoterapia.
“Abbiamo rilevato importanti differenze – fino a cinque volte tanto – nella tossicità e quasi il doppio dell’efficacia per la stessa terapia chemioterapica, tra l’infusione tradizionale e quella cronomodulata”, afferma Lévi. Una sperimentazione sul cancro del colon-retto che Lévi conduce suggerisce che la somministrazione delle dosi in sintonia con i ritmi circadiani potrebbe addirittura presentare vantaggi specifici per genere, quindi distinti per uomini e per donne.
Lévi afferma che i rilevamenti di Aceto pongono basi importanti, ma è necessario fare di più. “Questo studio ha esaminato solo due momenti della giornata, e non è sufficiente”, afferma Lévi. Inoltre è possibile che ci siano delle variazioni nei ritmi circadiani tra un paziente e l’altro, come si è visto nei topi oggetto dell’esperimento. “I pazienti possono avere cronotipi diversi”, aggiunge, ad esempio ci sono le persone mattiniere e quelle nottambule. Infine anche la natura del tumore e la chemioterapia possono sconvolgere i ritmi circadiani dei pazienti.
Qual è il prossimo passo? Si chiede Nagrath, “è necessario verificare se queste osservazioni sono vere per tutti i tipi di cancro o solo per quelli sensibili all’azione degli ormoni [come ad esempio il cancro alla mammella].”
Questo articolo è stato pubblicato originariamente in lingua inglese su nationalgeographic.com.