I sistemi biologici e la perturbazione dell’omeostasi
Prima Parte
di Cosimo Prantera
Circa 2400 anni fa Aristotele introdusse il concetto che “Il tutto è più della somma delle singole parti che lo compongono”. Questo concetto si opponeva alla visione riduzionistica dei filosofi, come Democrito, che riportavano gli oggetti ai loro componenti elementari.
Con questa frase Aristotele anticipava di millenni la biologia dei sistemi e le sue proprietà emergenti. La scienza moderna, dall’epigenetica alla neurobiologia, gli hanno dato ragione.
La filosofia della biologia moderna, pur riconoscendo i risultati di tutti i passati studi sui singoli componenti del sistema malattia, ha scelto una linea anti-riduzionistica.
L’approccio riduzionistico non è infatti in grado di spiegare la complessità dei sistemi biologici; ed ancor più come un sistema possa perdere il suo equilibrio omeostatico e si possa ammalare.
Oggi sappiamo che le parti del sistema possono formare un intreccio di relazioni fra loro e quindi aggiungere informazioni che le singole parti isolate non sono in grado di fornire.
Nella teoria dell’informazione o della termodinamica, l’emergere di complessità da interazioni non lineari è una proprietà conosciuta e misurabile.
Eppure, per decenni, la medicina ha ignorato questa complessità, cercando di spiegare la malattia come il guasto di un singolo pezzo isolato.
E’ invece oggi ben noto che le interazioni ai vari livelli del sistema, dai geni fino ai tessuti ed agli organi, creano delle nuove proprieta’ definite “emergenti”. L’intelligenza non è in un neurone, così come la vita non è in una singola molecola: sono il risultato di interazioni non lineari. L’intelligenza ad esempio emerge dalle connessioni di milioni di neuroni che si scambiano segnali fra loro.
Le Malattie infiammatorie croniche immunomediate (IMIDs)- come l’artrite reumatoide, la Malattia di Crohn o la psoriasi- sono un evidente esempio della complessita’ del processo infiammatorio che le sostiene.
La complessità è determinata dal fatto che un numero elevatissimo di cause concatenate fra di loro, batteriche, genetiche, immunitarie ed alimentari partecipano al fenomeno infiammatorio, in misura differenziata da individuo ad individuo.
Questa e’ anche la spiegazione del perche’ le cause di queste malattie siano ancora elusive ed anche perche’ i risultati delle terapie piu’ moderne abbiano dato nella maggioranza dei casi risposte parziali.
Queste terapie, infatti, sono il risultato di un approccio riduzionistico principalmente indirizzato verso singoli bersagli molecolari che rappresentano componenti isolate della patologia.
La malattia non è un evento statico, ma un processo evolutivo del sistema che perde il suo equilibrio omeostatico.
Le cause che provocano queste malattie si spiegano con la complessità’ della biologia degli esseri viventi, che è anche il meccanismo essenziale per il loro adattamento evolutivo e per la loro sopravvivenza.
Tra passato e presente, tra riduzionismo ed olismo, lo studio dei sistemi biologici ha imposto un cambiamento di paradigma incentrato su alcuni principi:
- per comprendere le patologie nel loro complesso dobbiamo studiare il puzzle intero e non solo i suoi singoli frammenti;
- studiare i processi patologici in compartimenti stagno impedisce di coglierne la dinamica globale;
- l’Interazione delle componenti del sistema forniscono informazioni, poiche’ le loro relazioni aggiungono al sistema proprieta’ emergenti cioe’ forniscono dati che le singole parti isolate non possiedono;
- la malattia è un flusso evolutivo; troppo spesso la scienza analizza solo lo stadio finale, perche’ non intercetta le alterazioni iniziali che hanno innescato il processo.
Ma come possiamo districarci in questo complesso scenario per comprendere la teoria e la pratica di questo nuovo approccio alla ricerca della eziologia e della patogenesi delle malattie?
Ancora oggi se dovessimo spiegare ad una scolaresca quali siano le cause delle malattie dovremmo rispolverare il vecchio detto di Sir Francis Galton che nell’800 defini’ la malattia come una combinazione di “nature and nurture”.
Questa paronomasia inglese ha oggi un significato piu’ ampia delle due singole parole: le malattie avvengono per la interferenza dei fattoti ambientali (nurture) con la genetica (nature).
Ma come puo’ interferire l’ambiente con il genoma? Se vogliamo utilizzare una metafora del mondo informatico, dobbiamo introdurre l’epigenetica, come il software che influisce sul DNA regolando la funzione dei geni, spegnendoli od accendendoli in risposta agli stimoli ambientali. Ma e’ essenziale anche aggiungere che la sequenza del genoma e’ sempre mantenuta mentre le modifiche dell’espressione genica viene ereditata dalle generazioni successive.
Questa e’ la semplice spiegazione della comparsa delle “malattie del progresso” cosi’ definite perche’ erano assenti o rare nelle generazioni precedenti, come il cancro e le malattie infiammatorie croniche immuno-mediate.
Quindi l’ambiente accende o silenzia l’attivita’ dei geni attraverso processi biochimici. Ma come si studiano i meccanismi attraverso i quali la nostra eredita’ biologica e’ influenzata dall’ambiente nel quale siamo immersi?
Come ho accennato prima in passato, e spesso tuttora, gli studi sulle cause ed i meccanismi per i quali si sviluppa una malattia hanno adottato un approccio riduzionistico. Sono cioe’ stati indirizzati ad indagare associazioni tra singole alterazioni, suggerite dai dati di laboratorio, ed una specifica malattia. La ricerca per identificare le ragioni per cui ci si ammala e’ stata parcellizzata per cui i vari specialisti hanno affrontato aspetti singoli del sistema malattia, ispirati dal vecchio concetto che ogni malattia avesse una singola causa e che identificarla ci avrebbe permesso di trovare “il silver bullett” cioe’ quell’ideale pallottola d’argento che uccide il licantropo alla fine dei film hollywoodiani.
Così i microbiologi hanno investigato i batteri, i genetisti i geni ed i biologi molecolari le citochine, come fossero singolarmente la causa di cancro, infiammazioni croniche ed altre patologie che ci affliggono.
Ma le malattie sono sistemi biologici complessi che non possono essere spiegati che analizzando tutte le interazioni dei loro componenti.
Omics è un termine utilizzato in biologia per descrivere una categoria di discipline (omica) che studiano in modo integrato varie classi di molecole biologiche come il DNA, RNA, proteine, batteri, prodotti metabolici ed altri componenti, come l’alimentazione, gli additivi alimentari, il fumo e tutte le altre variabili dell’ambiente che interagiscono fra loro nel sistema malattia.
Omics è un termine in lingua inglese che definisce queste componenti perche’ finiscono generalmente con il suffisso omics.
Sono in sintesi sistemi bioinformatici di analisi che superano il concetto riduzionistico della biologia di una singola proteina e permettono una visione integrata tra i vari componenti della biologia molecolare e cellulare.
Ma i dati forniti dai molti omics legati all’ambiente e, principalmente, dal sequenziamento del genoma umano, iniziato nel 2000, potenzialmente cruciali per lo sviluppo delle malattie croniche e del cancro, sono così numerosi da rendere estremamente complicato inquadrare il loro ruolo nel processo ezio- patogenetico.
Gli omics considerati determinanti per lo sviluppo di ogni patologia vanno dal genoma ai fattori ambientali ai quali si e’ piu’ frequentemente esposti (esposoma), ai meccanismi epigenetici (epigenoma), ai batteri specialmente, ma non solo, quelli intestinali (microbioma), alle molecole RNA (transcriptoma) ed a molti altri.
Sono disponibili piattaforme per scoprire il profilo molecolare dei vari componenti genetici ed ambientali che possono essere connessi alle patologie degli esseri viventi. Gli studi omici, e specialmente la genetica, stanno fornendo un numero elevatissimo di dati basati sulle relazioni tra diverse proteine e sul modo in cui esse interagiscono fra loro; ne consegue, da tutto questo, che la loro analisi necessita di strumenti computazionali specializzati che solo l’intelligenza artificiale (AI) puo’ oggi fornire. Sono gia’ disponibili a scopo di ricerca software bioinformatici integrati per analizzare i dati genetici ed epigenetici.
L’integrazione dei dati dovrebbe permettere di comprendere in modo piu’ avanzato la dinamica dei sistemi biologici. In poche parole come le abitudini di vita, l’alimentazione, i batteri, l’inquinamento dell’atmosfera, del cibo, dell’aria che respiriamo e di tutto cio’ in cui siamo immersi, influenzino il nostro genoma.
Ne consegue che la medicina dei sistemi biologici sta subendo una trasformazione radicale nell’approccio diagnostico e terapeutico.
Ma gia’ da oggi dobbiamo e possiamo prevedere che l’identificazione di tutte le catene causali delle malattie non sarà mai possibile, perché molte delle cause, oggi catalogate come stocastiche od aleatorie, sfuggiranno alla nostra identificazione.
E’ vero che, dal punto di vista teorico, noi potremmo vivere in un universo deterministico, cioe’ in un universo nel quale tutto accade inesorabilmente seguendo leggi fisiche immodificabili, ma ci vorrebbe l’immaginario diavoletto di Laplace, che possedeva la conoscenza di tutte le particelle ed ogni loro movimento, per identificare tutte le cause che agiscono nel nostro universo. E poiché questo non sarà mai possibile, continueremo sempre ad attribuire al caso o, superstiziosamente alla fortuna, tutti gli eventi dei quali, pur sapendo che in fondo sono causati da qualcosa, questo qualcosa non sarà quasi mai identificabile.
A questo riguardo il matematico francese Henry Poincare’ puntualizzò che esistono sistemi che evolvono per loro natura in maniera caotica, dato che piccole variazioni delle condizioni iniziali inducono imprevedibili modificazioni della struttura del sistema.
E’ il concetto che lo scorrere temporale della nostra realtà, come nel film “Sliding doors”, può modificarsi ad ogni istante per l’influenza di cause imprevedibili, come una porta scorrevole che nel film non si apre.
Inoltre le difficoltà di computazione sono state ben esemplificate dallo stesso Poincare’ che definì irrisolvibile il “problema dei 3 corpi” in astronomia. Il problema sta nello stabilire le orbite di tre corpi celesti che hanno attrazioni gravitazionali reciproche. Se tre soli corpi celesti, con diverse ed interferenti attrazioni gravitazionali, rendono incomputabili le loro orbite, dobbiamo concludere che le numerosissime connessioni fra i componenti di un sistema biologico rendono complicatissimo elaborarne modelli adeguati.
Continua…
