Berberina e cellule tumorali: i meccanismi studiati in laboratorio

Come fa una sostanza di origine naturale a interferire con una cellula tumorale? La berberina è un ottimo esempio per capirlo, perché agisce su molti dei meccanismi biochimici che la ricerca studia anche per altre molecole naturali, come la curcumina, la quercetina, la genisteina e l’epigallocatechina gallato.

Un chiarimento è però indispensabile fin dall’inizio: quasi tutto ciò che segue deriva da studi su cellule in laboratorio e su modelli animali. Sono ricerche preziose per capire come agisce la molecola, ma non dimostrano che la berberina curi i tumori nell’uomo. Con questa premessa, vediamo come funzionano l’apoptosi, il ciclo cellulare e l’autofagia, e perché quest’ultima nasconde un paradosso.

Un’azione su molti bersagli

Negli ultimi decenni la ricerca si è concentrata sui meccanismi cellulari e molecolari con cui la berberina esercita le sue proprietà antitumorali osservate negli studi sperimentali. La sua azione è poliedrica, perché interviene su diversi bersagli:

• promuove l’apoptosi, la morte programmata delle cellule;
• arresta il ciclo cellulare, cioè la divisione delle cellule;
• modula l’autofagia;
• ostacola la migrazione e l’invasione delle cellule tumorali.

L’apoptosi: la morte cellulare programmata

L’apoptosi è il processo fisiologico con cui le cellule vengono eliminate in modo controllato, senza causare infiammazione. È un ordinato meccanismo di autodistruzione che protegge l’organismo dallo sviluppo di cellule danneggiate, comprese quelle tumorali.

Negli studi sperimentali la berberina promuove l’apoptosi in quattro modi collegati tra loro: aumentando BAX, riducendo BCL-2, favorendo il rilascio del citocromo C e attivando le caspasi.

BAX: l’interruttore della morte cellulare

BAX è una proteina pro-apoptotica: quando viene attivata, “comanda” alla cellula di morire. Normalmente si trova nel citosol, la matrice acquosa del citoplasma (il citoplasma comprende il citosol, gli organelli come i mitocondri e il reticolo endoplasmatico, e le inclusioni come i granuli di glicogeno o di lipidi).

Quando BAX si attiva cambia forma e si sposta sulla membrana esterna dei mitocondri, gli organelli che producono energia sotto forma di ATP. Qui più molecole di BAX si uniscono (oligomerizzano) e formano un complesso che apre dei pori nella membrana mitocondriale.

Il citocromo C e l’apoptosoma

Attraverso questi pori esce dai mitocondri il citocromo C, una piccola proteina che normalmente trasporta elettroni nella catena respiratoria per produrre ATP. Quando il citocromo C raggiunge il citosol, promuove la formazione dell’apoptosoma, un complesso proteico composto da tre elementi:

1. il citocromo C;
2. Apaf-1 (Apoptotic protease activating factor-1), una proteina del citosol fondamentale per la struttura dell’apoptosoma;
3. la procaspasi-9, presente in forma inattiva nel citosol.

Quando si forma l’apoptosoma, la procaspasi-9 si attiva e a sua volta attiva le caspasi esecutrici, come la caspasi-3 e la caspasi-7: è questo il meccanismo che porta a termine l’apoptosi.

BCL-2: il freno dell’apoptosi

BCL-2 è invece una proteina anti-apoptotica: impedisce la formazione dei pori nella membrana mitocondriale e quindi l’uscita del citocromo C. Riducendo BCL-2, la berberina toglie un freno all’apoptosi e la favorisce ulteriormente.

Più BAX e meno BCL-2: è questo lo squilibrio con cui la berberina, nelle cellule tumorali studiate in laboratorio, spinge verso la morte programmata.

Come la berberina blocca il ciclo cellulare

Tutte le cellule, normali e tumorali, crescono, duplicano il proprio DNA e si dividono in due cellule figlie. Nelle cellule sane questo processo è ordinato e preciso e permette lo sviluppo, la crescita e la sostituzione delle cellule danneggiate. Il ciclo cellulare comprende quattro fasi (G1, S, G2 e M), a cui si aggiunge uno stato di quiescenza (G0):

Nelle cellule tumorali il ciclo è sregolato: la proliferazione è spesso incontrollata, autonoma e continua. Uno dei motivi è che le cellule tumorali bloccano l’apoptosi producendo in eccesso proteine anti-apoptotiche come BCL-2 e BCL-XL: il citocromo C non esce dai mitocondri, l’apoptosoma non si forma e la cellula resiste alla morte.

In vitro la berberina arresta la crescita di molte linee cellulari tumorali in fase G0/G1 oppure in fase G2/M.

L’arresto in fase G0/G1: ciclina D1, p21 e p27

La berberina riduce la ciclina D1 e aumenta p21 e p27. La ciclina D1 regola il passaggio dalla fase G1 alla fase S: dal citosol passa nel nucleo, dove si lega alle chinasi ciclina-dipendenti CDK4 o CDK6, formando un complesso attivo.

Questo complesso fosforila la proteina Rb (retinoblastoma), un oncosoppressore. Quando non è fosforilata, Rb tiene bloccato il fattore di trascrizione E2F e impedisce alla cellula di entrare in fase S. Una volta fosforilata, Rb libera E2F, che attiva i geni necessari alla replicazione del DNA. Riducendo la ciclina D1, la berberina impedisce la liberazione di E2F e blocca il ciclo in fase G0/G1.

p21 e p27 sono invece inibitori dei complessi ciclina-CDK, non solo di quelli della fase G1. La berberina ne aumenta l’espressione attivando la chinasi AMPK (AMP-activated protein kinase); l’AMPK, quando si attiva, inibisce anche mTOR, un passaggio che ritroveremo parlando di autofagia.

L’arresto in fase G2/M

In misura minore, e in genere ad alte concentrazioni, la berberina agisce anche sulla fase G2/M. In questo caso causa un danno ossidativo al DNA che attiva le chinasi di controllo ATM (Ataxia Telangiectasia Mutated) e ATR (ATM- and Rad3-related). Queste chinasi funzionano come sensori che decidono se la cellula può proseguire nella divisione: attivandole, la berberina impedisce la progressione della mitosi.

Berberina e autofagia basale

L’autofagia basale è un processo altamente regolato con cui le cellule degradano e riciclano i propri componenti. È una sorta di manutenzione che mantiene in buona salute cellule e tessuti e, in condizioni fisiologiche, contribuisce a prevenire lo sviluppo dei tumori. L’autofagia è influenzata da molti fattori, tra cui l’alimentazione, ed è coinvolta anche nelle malattie neurodegenerative, in quelle infettive e nell’invecchiamento cellulare.

La berberina può stimolare l’autofagia attraverso tre vie.

• Inibizione della via PI3K/AKT/mTOR. Questa via è uno dei principali regolatori dell’autofagia: in presenza di abbondanti nutrienti (proteine, glucosio), insulina o fattori di crescita si attiva e inibisce l’autofagia. Bloccandola, la berberina finisce per stimolare l’autofagia.
• Attivazione di Beclin-1, una proteina con un ruolo chiave nell’avvio del processo di degradazione e riciclo dei componenti cellulari.
• Attivazione indiretta di GRP78 (Glucose-Regulated Protein 78 kDa, nota anche come BiP), tramite la modulazione dello stress ossidativo. GRP78 è una proteina chaperone del reticolo endoplasmatico che controlla che le proteine prodotte dalla cellula siano ripiegate correttamente: una sorta di controllore di qualità. Quando si attiva innesca risposte adattative di protezione, che portano anche all’attivazione dell’autofagia.

Il paradosso dell’autofagia

Molti considerano l’autofagia una panacea universale, ma non è così semplice. In una cellula sana l’autofagia ha un ruolo oncosoppressore, perché ripulisce e ricicla organelli danneggiati e materiale non conforme.

Il paradosso è che le cellule di tumori in stadio avanzato, o di tumori sottoposti a stress come quelli trattati con chemioterapici, possono usare l’autofagia come sistema adattativo. In questo caso il tumore ricicla nutrienti e organelli per ricavarne materiale utile alla propria crescita, aumentando la sopravvivenza e la resistenza ai farmaci.

L’autofagia non è sempre “buona”: in alcune linee cellulari tumorali stimolarla può aumentare la vitalità del tumore invece di ridurla.

È anche per questo che una molecola capace di stimolare l’autofagia, come la berberina, non può essere considerata automaticamente utile in ogni situazione oncologica.

Migrazione e invasione delle cellule tumorali

Negli studi sperimentali la berberina ostacola anche la migrazione e l’invasione delle cellule tumorali, i processi che stanno alla base delle metastasi. I meccanismi descritti sono diversi.

Inibizione dell’EMT

L’EMT (Epithelial-Mesenchymal Transition, transizione epitelio-mesenchimale) è il processo con cui le cellule epiteliali perdono adesione e polarità e acquisiscono caratteristiche mesenchimali, cioè migratorie e invasive. Le cellule epiteliali, che rivestono il corpo e gli organi, sono poco mobili perché formano una barriera, con giunzioni strette e una polarità definita. Le cellule mesenchimali, invece, sono plastiche e capaci di migrare: raggiungono i siti di danno o infiammazione e, differenziandosi in fibroblasti, osteoblasti, condrociti o adipociti, riparano i tessuti.

Quando una cellula tumorale epiteliale sfrutta l’EMT, il tumore può migrare, diffondersi e invadere altri tessuti. Inibendo l’EMT, la berberina ostacola questa espansione.

Metalloproteinasi 2 e 9

Le metalloproteinasi (o metalloproteasi) sono enzimi proteolitici che degradano componenti della matrice extracellulare, come collagene, elastina, fibronectina e laminina. La matrice extracellulare è un reticolo tridimensionale di proteine e polisaccaridi che sostiene i tessuti, regola l’adesione e la comunicazione tra le cellule e fa da barriera alla loro migrazione. Degradandola, le metalloproteinasi favoriscono la mobilità delle cellule, comprese quelle tumorali.

La berberina inibisce in particolare l’espressione e l’attività delle metalloproteinasi di tipo 2 e di tipo 9, mantenendo la matrice più integra e le cellule più coese.

Vie JAK/STAT e Wnt/β-catenina

La via JAK/STAT collega i recettori della membrana cellulare con il nucleo. Quando è iperattiva, come in molti tumori, la cellula prolifera e sopravvive di più, con un maggiore rischio di invasione e metastasi. Inibendola, la berberina riduce la trascrizione di geni pro-invasivi e anti-apoptotici.

La via Wnt/β-catenina regola la proliferazione, l’EMT e il mantenimento delle cellule staminali tumorali. Quando si attiva, la β-catenina si accumula nel citosol, passa nel nucleo e attiva geni oncogeni come c-Myc, ciclina D1 e MMP, aumentando proliferazione, sopravvivenza e migrazione delle cellule tumorali. Inibendo questa via, la berberina ne riduce l’aggressività.

Mettiti alla prova

In conclusione

Negli studi di laboratorio la berberina agisce su molti fronti: favorisce l’apoptosi spostando l’equilibrio tra BAX e BCL-2, blocca il ciclo cellulare in fase G0/G1 e G2/M, stimola l’autofagia e ostacola i meccanismi di migrazione e invasione come EMT, metalloproteinasi, JAK/STAT e Wnt/β-catenina. Sono meccanismi che aiutano a capire come molte molecole naturali interagiscono con le cellule tumorali.

Proprio il paradosso dell’autofagia ricorda però che la biologia dei tumori è complessa e che un effetto osservato in vitro non si traduce automaticamente in un beneficio per il paziente. Le eventuali applicazioni nell’uomo vanno valutate solo sulla base di studi clinici e sempre con lo specialista.

La berberina è un modello affascinante per studiare la biochimica dei tumori, ma i suoi effetti antitumorali sono, finora, soprattutto sperimentali.

Bibliografia