NON SOLO OSSIGENO – L’IDROGENO COME MODULATORE CELLULARE

NON SOLO OSSIGENO – L’IDROGENO COME NUVO MODULATORE

E PROTETTIVO CELLULARE

Mauro Miceli

Consulenza Scientifica Epinutracell

Nel senso comune quando si parla di un elemento essenziale per la vita e i processi cellulari non si può che fare riferimento all’ossigeno, considerato il suo ruolo cruciale a livello della respirazione e del metabolismo della cellula. Tuttavia, negli ultimi anni la ricerca scientifica ha anche focalizzato il suo interesse su un altro elemento che spesso lo accompagna nei processi metabolici e che sta assumendo una sempre maggiore importanza a livello del ruolo biologico e preventivo che può svolgere per la cellula, ovvero l’idrogeno.

L’idrogeno è coinvolto nella respirazione cellulare a livello dei mitocondri attraverso molecole come NADH e FADH2, ovvero le forme biologicamente attive delle vitamine B3 e B2 rispettivamente, che vengono prodotte nel ciclo di Krebs, e che poi rilasciano i loro elettroni nella catena respiratoria per la produzione di ATP. Voglio ricordare che il ciclo di Krebs si svolge nella matrice mitocondriale, dove l’acetil-CoA proveniente dai vari metabolismi, glucidico o lipidico, viene ossidato producendo CO2 e trasferendo protoni ed elettroni al NADH e FADH2, che di fatto sono i coenzimi vitaminici trasportatori di idrogeno.

In sintesi, il ruolo dell’idrogeno nel processo respiratorio cellulare è il seguente:

• l’idrogeno è presente sotto forma di protoni (H+) negli atomi di idrogeno legati alle molecole di NADH e FADH2.
• questi trasportatori di elettroni, contenenti idrogeno, cedono i loro elettroni alla catena respiratoria all’interno della membrana interna dei mitocondri.
• il flusso di questi elettroni rilascia energia, utilizzata per pompare protoni (H+) dalla matrice allo spazio intermembrana, creando un gradiente.
• la forza di questo gradiente protonico aziona l’ATP sintasi, che produce grandi quantità di ATP, la principale molecola energetica della cellula.
• infine, gli elettroni e i protoni si combinano con l’ossigeno per formare acqua.

Va precisato che l’idrogeno in natura è presente come un gas incolore, inodore, insapore e e altamente infiammabile, avente una densità estremamente bassa e una massa molecolare di circa 2 g/mol, il che lo rende il gas più leggero presente in natura. Per queste sue caratteristiche l’idrogeno molecolare (H2) è stato a lungo considerato come un gas fisiologicamente inerte fino alla scoperta del 2007 che esso può proteggere il cervello dal danno da ischemia-riperfusione (I/R) eliminando selettivamente i radicali ossidrilici e il perossinitrito. Questo rapporto ha svelato il preludio della ricerca sulla terapia a base di idrogeno molecolare, che ora è diventata un fiorente campo di ricerca nelle scienze sanitarie e mediche. Negli ultimi 15 anni sono stati pubblicati più di 2000 studi sugli effetti biologici dell’H2, tra cui oltre 100 studi clinici.

Tuttavia, finora, gli obiettivi primari e il meccanismo alla base dell’azione dell’H2 rimangono in gran parte sconosciuti. Sebbene l’ipotesi antiossidante di eliminare i radicali ossidrilici possa aiutare a spiegare alcuni effetti biologici dell’H2, a causa della velocità di reazione considerevolmente inferiore dell’H2 con i radicali ossidrilici rispetto ad altri antiossidanti cellulari, questa ipotesi è stata dibattuta per molto tempo.

Oltre al suo ruolo antiossidante, è stato anche riportato che l’H2 esercita molteplici effetti, come antinfiammatorio, anti-apoptotico, anti-dismetabolico, attivazione dell’autofagia, conservazione della funzione mitocondriale, ecc. Ovviamente, gli estesi effetti biologici dell’H2 non possono essere completamente spiegati dalle sue proprietà di eliminazione dei radicali. C’è quindi molta strada da fare per chiarire a fondo i meccanismi d’azione dell’H2. Nel processo di esplorazione dei potenziali meccanismi dell’H2 i mitocondri hanno attirato un’attenzione crescente. La disfunzione mitocondriale e lo stress ossidativo sono implicati in numerose malattie, tra cui malattie cardiache, disturbi neurodegenerativi, malattie metaboliche e cancro. Il primo meccanismo proposto e ampiamente accettato dell’azione dell’H2, come prima ricordato, è attraverso lo scavenging selettivo dei radicali liberi, che sono principalmente generati dalla catena di trasporto degli elettroni per la fuga di questi durante la produzione di adenosina trifosfato (ATP) nei mitocondri. A causa delle sue proprietà speciali, come le piccole dimensioni, la bassa massa, la carica neutra, la non polarità e l’alta velocità di diffusione, è stato suggerito che l’H2 penetri rapidamente nelle biomembrane cellulari e raggiunga i compartimenti subcellulari entro 1 minuto.

Sebbene attualmente non vi siano prove dirette dell’assorbimento di H2 da parte dei mitocondri, prove crescenti indicano che l’H2 potrebbe influenzare la funzione mitocondriale ed esercitare effetti biologici attraverso le vie mitocondriali. Ad esempio, i mitocondri contengono una quantità significativa di proteine contenenti ferro-porfirina come i citocromi ed esistono prove sperimentali che suggeriscono che la ferro-porfirina può fungere da bersaglio diretto dell’azione di H2. Oltre ai mitocondri, sono stati segnalati gli effetti dell’H2 su altri organelli cellulari, come il reticolo endoplasmatico (ER): molti risultati sperimentali suggeriscono che l’H2 ha un significativo effetto inibitorio sullo stress dell’ER.

La disfunzione mitocondriale è nota per essere strettamente associata a un’ampia gamma di condizioni patologiche e fisiologiche umane, come malattie cardiovascolari, cancro, malattie metaboliche, malattie neurodegenerative, senescenza cellulare e invecchiamento. Numerosi studi hanno fornito prove che indicano che l’H2 ha la capacità di alleviare la disfunzione mitocondriale indotta da malattie o stress esterni.

Nella maggior parte dei casi, rispetto al gruppo modello indotto dalla malattia o dallo stress, il trattamento con l’idrogeno molecolare ha mostrato effetti positivi, tra cui un aumento della produzione di ATP mitocondriale, una migliore respirazione mitocondriale, un miglioramento dell’MMP (potenziale di membrana mitocondriale), una ridotta produzione di mtROS (radicali liberi dell’ossigeno mitocondriali), un’elevata attività del complesso I, l’attivazione della mitofagia, oltre anche a favorire la biogenesi mitocondriale.

Volendo riassumere gli effetti biologici esercitati dall’idrogeno molecolare (H2) attraverso i diversi meccanismi, dobbiamo menzionare i seguenti meccanismi chiave:

• Attività antiossidante:

L’idrogeno molecolare agisce come antiossidante selettivo eliminando i ROS dannosi, in particolare •OH e ONOO^–, che possono causare danni ossidativi a cellule e tessuti.

• Modulazione di segnalazione redox:

L’H2 può influenzare l’equilibrio redox cellulare modulando l’attività delle proteine e dei percorsi redox-sensibili, compresi quelli coinvolti nella segnalazione cellulare e nell’espressione genica.

• Effetti antinfiammatori:

Riducendo lo stress ossidativo e modulando le vie infiammatorie, l’H2 può esercitare effetti antinfiammatori, contribuendo alla protezione contro diverse malattie.

• Effetti delle molecole di segnalazione:

L’H2 può agire come molecola di segnalazione, interagendo con specifici bersagli cellulari e influenzando vari processi cellulari, tra cui la sopravvivenza cellulare, l’apoptosi e l’autofagia.

• Regolazione delle vie di segnalazione:

È stato dimostrato che l’H2 modula diverse importanti vie di segnalazione, tra cui quelle che svolgono un ruolo cruciale nella crescita cellulare, nella sopravvivenza e nell’infiammazione.

•  Modulazione dell’autofagia:

L’H2 può influenzare l’autofagia, un processo cellulare coinvolto nella degradazione e nel riciclaggio dei componenti cellulari, che può avere implicazioni per la sopravvivenza cellulare e l’omeostasi dei tessuti.

• Regolazione dell’espressione genica:

L’H2 può influenzare l’espressione genica, inducendo potenzialmente l’espressione di geni protettivi e disintossicanti.

 

Effetti e meccanismi biologici conseguenti

• Protezione polmonare:

L’H2 può proteggere i polmoni da varie malattie, tra cui lesioni polmonari acute, BPCO e cancro ai polmoni, riducendo lo stress ossidativo, l’infiammazione e la morte cellulare.

• Neuroprotezione:

L’H2 può proteggere il cervello da lesioni ischemiche, lesioni cerebrali traumatiche e altri disturbi neurologici riducendo lo stress ossidativo, l’infiammazione e l’apoptosi.

• Protezione cardiovascolare:

L’H2 può proteggere il cuore dalle lesioni da ischemia-riperfusione e da altre malattie cardiovascolari riducendo lo stress ossidativo, l’infiammazione e l’apoptosi.

• Regolazione metabolica:

L’H2 può influenzare le vie metaboliche e potenzialmente migliorare condizioni come il diabete e la sindrome metabolica.

 

Considerazione importante:

• l’efficacia della somministrazione di H2 può variare a seconda del metodo di somministrazione (ad esempio, inalazione, acqua potabile, iniezione) e della malattia o condizione specifica da affrontare.

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