Dalla medicina reattiva alla medicina di precisione

Introduzione

“Tutto comincia con l’individuo”, affermava Carl Gustav Jung, e in una società che è sempre più concentrata sui bisogni individuali e che punta alla personalizzazione dei servizi anche la medicina sembra assumere un’inclinazione soggettiva. Negli ultimi anni, si sta diffondendo sempre di più un concetto di medicina “cucito”, “tailleurizzato” sulle differenze individuali, che tiene conto della variabilità genetica, dell’ambiente, delle caratteristiche del microbioma e dello stile di vita delle singole persone. Il sequenziamento del genoma umano ha avviato un nuovo modo di indagare i meccanismi cellulari. La genomica, la transcrittomica, la proteomica e la metabolomica hanno prodotto una grande quantità di informazioni, che permettono una sempre più precisa caratterizzazione del paziente (1).

In passato, la medicina era praticata avendo come unici riferimenti i segni e i sintomi del paziente, basandosi esclusivamente sulle conoscenze individuali del medico, e, per questo, veniva chiamata medicina dell’intuizione o reattiva. Attualmente, la medicina è basata sui dati prodotti dalla ricerca scientifica, raccolti con studi randomizzati e controllati, ed è inquadrata come medicina basata sull’evidenza (2). In futuro, la medicina potrebbe seguire degli algoritmi che prendano in considerazione selettivamente le caratteristiche genetiche e fenotipiche dei singoli pazienti, costituendo, così, la medicina di precisione (3) (Fig. 1).

Questo potrebbe essere un nuovo modo di pensare la medicina, un modo che prevede l’utilizzo di tecnologie di profiling molecolare per migliorare l’accuratezza diagnostica, la stima della prognosi e la scelta della giusta strategia terapeutica per il paziente giusto al momento giusto (4). Il concetto della “medicina personalizzata” era stato anticipato nel tardo 1800 dal medico Canadese William Osler, che aveva notato la grande variabilità esistente tra individui diversi (5). In seguito, la farmacogenetica è divenuta la principale area di applicazione della medicina personalizzata e, sebbene le prime osservazioni di reazioni inusuali ai farmaci basate sull’individualità biochimica fossero state notate nel 1930, la prima pubblicazione riguardante la farmacogenetica risale al 1959 ad opera del medico tedesco Friedrich Vogel (6). Negli anni, vi è stato un progressivo incremento delle pubblicazioni riguardanti tale argomento, ma l’interesse intorno al tema della medicina di precisione è esploso solo recentemente.

Prendendo spunto dal passato, la medicina nel ventunesimo secolo dovrebbe concentrarsi sul raggiungimento delle “4P” teorizzate da Pulciani et al (7), predizione, prevenzione, personalizzazione e partecipazione, con l’obiettivo di istituire il percorso di salute per ogni singolo individuo utilizzando il suo profilo molecolare e cercando di determinare il miglior intervento medico per mantenere o ripristinare lo stato di benessere e salute.

Queste metodologie di studio sono state applicate in campo clinico con tre finalità: 1) la caratterizzazione dei fenotipi patologici, attraverso l’identificazione di pattern di espressione che discriminano il malato dal sano; 2) la determinazione dei profili predittivi di patologia; 3) l’identificazione delle caratteristiche metaboliche individuali che possano indirizzare il clinico a prevedere l’efficacia o la tossicità di un trattamento farmacologico.

Mentre la medicina reattiva prevede di iniziare a trattare le malattie dopo la loro manifestazione clinica, agire prima della comparsa dei sintomi è il modus operandi della medicina di precisione (8). Gli interventi preventivi si focalizzano sui fattori di rischio associati alle patologie (come, per esempio, tabagismo e tumore polmonare) e generano terapie necessarie a prevenire l’evento malattia (9). Il termine “precisione” viene utilizzato perché si vuole riuscire a classificare le persone in sottopopolazioni usando il loro corredo genetico, gli stili di vita, le risposte terapeutiche e i fattori culturali e ambientali che li accomunano (10).

Nel 1990, è stato creato il Progetto del genoma umano, un progetto internazionale, mirato a caratterizzare il completo set di informazioni genetiche di ogni singolo essere umano, che ha permesso, nel 2003, la completa mappatura dei geni del genoma umano anche grazie alla tecnica del positional cloning (11). Tutto ciò oggi permette che la ricerca parta dall’osservazione del paziente e dalla descrizione della malattia, per proseguire in un laboratorio di ricerca, in cui la tecnologia del DNA ricombinante e quella dell’ingegneria genetica vengono estensivamente impiegate per individuare il gene mutato (Fig. 2).

Tenendo in considerazione la necessità di riorganizzare le patologie in relazione al loro aspetto biomolecolare, il Consiglio Nazionale per la Ricerca ha suggerito la creazione di un nuovo sistema di tassonomia (12) che integri informazioni cliniche e dati di ricerca riguardanti il genoma, il microbioma, l’epigenoma, l’esposoma e segni e sintomi di specifiche popolazioni.

Applicazioni della medicina di precisione partendo dall’oncologia

Sebbene intervengano numerosi fattori nell’eziologia del cancro, il profondo legame tra genoma e neoplasie (13) ha dato un input importante per lo sviluppo della medicina di precisione. Farmaci con azione mirata verso kinasi oncogeniche, che includono i recettori tirosin-protein kinasi erB-2 (HER2), BRAF o EGFR (epidermal growth factor receptor), hanno dimostrato una risposta clinica in specifici gruppi di pazienti. L’espressione incontrollata di HER2 è associata con una forma aggressiva di tumore alla mammella con prognosi sfavorevole. Il trattamento con trastuzumab, un anticorpo monoclonale diretto verso HER2, ha mostrato benefici in termini di sopravvivenza, con una riduzione del 20% del rischio di morte a 30 mesi (14). L’attivazione di mutazioni in BRAF, presenti nella metà dei casi di melanoma, rappresenta il target di uno specifico inibitore quale il vemurafenib (15). Anticorpi monoclonali anti-EGFR sono diventati farmaci di prima linea per il tumore polmonare non a piccole cellule e riescono a garantire una migliore qualità di vita e una sopravvivenza più lunga libera da progressione di malattia (16). In aggiunta, la medicina di precisione prevede il trattamento con poli ADP-ribosio polimerasi (PARP) per i tumori contenenti mutazioni di BRCA1 o BRCA2 come il tumore ovarico (17).

Partendo dall’oncologia, i progressi riguardanti la medicina di precisione sembrano destinati a estendersi anche alla nefrologia che, per quanto inizialmente non fosse considerata la disciplina attorno a cui si era sviluppata la medicina di precisione, potrebbe avere un ruolo centrale grazie ai dati disponibili sull’impatto delle alterazioni del microbiota intestinale sulla progressione dell’insufficienza renale cronica, sulla nefropatia diabetica, sui reni policistici, sulla nefropatia diabetica e sull’approccio personalizzato nel periodo di transizione che porta all’inizio della terapia emodialitica.

L’uso di tecnologie di sequenziamento di nuova generazione (NGS) nella pratica clinica fornisce una visione più approfondita dei meccanismi patologici delle varie malattie renali (Tab. I). Il NGS ha contribuito alla scoperta di nuove cause genetiche per una varietà di fenotipi clinici, come le ciliopatie renali, le anomalie congenite del rene e del tratto urinario (CAKUT), la glomerulosclerosi segmentale focale, la sindrome nefrosica e la sindrome emolitico-uremica.

Attuali sviluppi della medicina di precisione

- Impatto delle alterazioni del microbiota intestinale sulla progressione della malattia renale cronica

L’insufficienza renale cronica associata all’uremia è aggravata dalla disbiosi. L’intestino umano ospita più di 100 miliardi di batteri, costituendo un serbatoio di oltre 1 grammo di endotossine. In condizioni di normalità, il microbiota intestinale può generare tossine uremiche che sono generalmente riassorbite ed eliminate dai reni. Nella malattia renale cronica, l’afflusso di urea, acido urico e ossalati dal tratto intestinale aumenta con il peggioramento della funzione renale, che può alterare il bilancio tra commensali e patogeni e che porta alla disbiosi intestinale (18). Nei pazienti con malattia renale cronica, sono state evidenziate, infatti, alterazioni della composizione del microbiota rispetto ai soggetti sani, con incremento di Proteobacteria, Enterobacteriacee e Clostridium, a discapito di Lactobacilli e Bifidobacteria. Alla disbiosi consegue un incremento del metabolismo proteolitico e della produzione di tossine uremiche, che aumentano anche per riduzione dell’escrezione renale (19). Sono stati identificati specifici batteri intestinali, come Oscillibacter, Lacnospira e Veillonella, la cui concentrazione in maniera abbondante è riscontrata nei pazienti affetti da malattia renale cronica rispetto ai soggetti controllo. L’Oscillibacter, in particolar modo, sembra creare un ambiente favorevole per la produzione di vari metaboliti uremici (20).

L’indossil solfato e il p-cresolo solfato sono generati dalla fermentazione batterica di una dieta proteica, così come anche la trimetilammina, trasformata, a livello epatico, in trimetilammina-N-ossido (TMAO) (21). Il p-cresolo e l’indossil solfato sono stati correlati a un’aumentata mortalità nei pazienti con malattia renale cronica e TMAO, noto fattore aterogeno, è stato associato a un aumento di eventi cardiovascolari. Su queste tossine, sensibilmente aumentate nei pazienti con malattia renale cronica, agiscono inibitori della biosintesi batterica del colon, sostanze che ne inibiscono l’assorbimento e che aumentano la loro clearance, tra cui probiotici e prebiotici. I probiotici sono composti da organismi viventi ingeriti attraverso alimenti o integratori, mentre i prebiotici sono carboidrati non digeribili che stimolano l’attività dei batteri intestinali. I probiotici, come bifidobacterium species, lattobacilli e streptococchi, possono influenzare la risposta infiammatoria. Il trattamento con lattobacilli può ristabilire la funzione della barriera intestinale. I pazienti in emodialisi trattati con dosi orali di Lattobacillo Acidofilo hanno un decremento nel siero di dimetilammina, una potenziale tossina uremica. La Figura 3 riassume le recenti applicazioni dei prebiotici e dei probiotici per attenuare i disturbi del microbioma intestinale nelle patologie renali.

- La medicina di precisione e la malattia policistica renale

La malattia policistica renale autosomica dominante (ADPKD) è la patologia ereditaria più frequentemente causa di malattia renale cronica. La mutazione in almeno due geni, PKD1 e PKD2, è causa di una ridotta funzione delle loro rispettive proteine, policistina 1 e policistina 2 (22), e ciò causa, nelle cellule tubulari renali, una riduzione delle concentrazioni di calcio intracellulare e un aumento dei livelli di adenosina monofosfato ciclico (23) (Fig. 4). I farmaci per la cura di questa patologia attualmente in commercio, Tolvaptan, analogo della somatostatina e inibitori di mTOR, sono esempi di medicina di precisione.

Il Tolvaptan è un antagonista selettivo per il recettore V2 dell’ormone vasopressina presente nel tubulo renale distale e nel dotto collettore; in questa sede, Tolvaptan induce una riduzione dei livelli di adenosina monofosfato ciclico (cAMP) (elevati livelli di cAMP causano proliferazione cellulare e passaggio dello ione sodio e di acqua nello spazio extracellulare) (24). Il Tolvaptan rallenta la proliferazione cellulare delle cisti, la secrezione di fluido all’interno delle cisti e il declino della funzione renale nei pazienti con ADPKD con malattia renale cronica agli stadi da 1 a 3, con evidenza di malattia in rapida progressione. La riduzione dell’incremento volumetrico dei reni è particolarmente spiccata nel primo anno di trattamento e persiste nel follow-up (25).

Per quanto riguarda la somatostatina, è un peptide endogeno secreto dalle isole di Langerhans (cellule delta), dal tratto gastro-intestinale, dall’ipotalamo e dalla tiroide (26); interagisce con recettori accoppiati a proteine G (SSTRs 1-5) e determina un’inibizione dell’attività dell’enzima adenilato ciclasi, della proliferazione cellulare, della secrezione di numerosi ormoni (ormone della crescita, insulina, glucagone, gastrina) e di fattori di crescita (fattore di crescita simil-insulinico 1 e fattore di crescita dell’endotelio vascolare) (27). Diversamente da Tolvaptan, la cui efficacia è limitata alle cellule del tubulo distale e del dotto collettore, gli analoghi della somatostatina, tra cui anche l’Octreotide (28), legandosi ai recettori presenti anche sul tubulo prossimale, agiscono su un numero maggiore di cisti (29). Recentemente, l’European Medicines Agency ha stabilito che l’analogo della somatostatina, Lanreotide, debba essere considerato farmaco “orfano” per il trattamento dell’ADPKD.

La serina/treonina chinasi Mammalian Target of Rapamycin (mTOR) è un enzima che svolge un ruolo importante nell’ambito dei meccanismi di regolazione della proliferazione cellulare (30). La policistina 1, formando un complesso con la tuberina, agisce come inibitore endogeno di mTOR. Il deficit genetico o di funzione di policistina 1, tipico dell’ADPKD, comporta un’attivazione aberrante di mTOR (31). In base a questi dati è stato suggerito un possibile ruolo terapeutico degli inibitori di mTOR nell’ADPKD per i potenti effetti antiproliferativi e antifibrotici (32). Gli inibitori di mTOR risultano sicuri e riducono l’incremento del volume renale, ma, recentemente, è stato dimostrato che non hanno alcun effetto sul rallentamento del declino della velocità di filtrazione glomerulare stimata (eGFR) e si associano a un aumento della proteinuria. Per tale motivo, non risulta ancora possibile proporre questo trattamento nella pratica clinica (33).

- La medicina di precisione e la nefropatia diabetica

Il diabete mellito tipo 2 è la causa principale della malattia renale cronica. Nel 2013, quasi 3,4 milioni di italiani hanno avuto una diagnosi di diabete, più del doppio rispetto al 1980. La prevalenza negli uomini è passata dal 3,3% del 1980 al 7,1% del 2013 e, nelle donne, dal 4,7% al 6,8% (34).

Secondo le più recenti stime epidemiologiche, nel 2017 in tutto il mondo circa 425 milioni di adulti di età compresa tra i 20 e i 79 anni erano affetti da diabete mellito (35). Tale incremento è dovuto sia all’invecchiamento della popolazione sia ad altri fattori, tra cui la diagnosi precoce e l’aumento della sopravvivenza dei malati di diabete grazie al miglioramento delle terapie.

La medicina di precisione prevede l’utilizzo delle glifozine, inibitori del co-trasportatore sodio-glucosio (SGLT), che, oltre a ridurre in maniera significativa la progressione della nefropatia diabetica verso gli stadi più avanzati dell’insufficienza renale, riducono anche il rischio di morte cardiovascolare e di ospedalizzazione per scompenso cardiaco (36).

Vi sono due tipologie di co-trasportatori sodio-glucosio: SGLT2, localizzato nel tubulo contorto prossimale, e SGLT1, situato più a valle nella parte terminale del tubulo contorto prossimale e anche nell’intestino tenue. Il co-trasportatore SGLT2 è responsabile del riassorbimento del 90% del glucosio e SGLT1 del restante 10%.

Dapaglifozin ed Empaglifozin, i primi farmaci inibitori del co-trasportatore sodio-glucosio a essere stati immessi in commercio in Italia, inibiscono selettivamente SGLT1 e 2, riducendo la soglia plasmatica renale per il glucosio e inducendo glicosuria. Altri effetti di questi farmaci sono la riduzione del peso corporeo e della pressione arteriosa, il calo degli episodi di ipoglicemia e l’aumento del rischio di infezioni genitali e urinarie (37). Questi farmaci presentano anche importanti effetti a lungo termine in termini di riduzione del rischio cardiovascolare, come evidenziato dai primi risultati sullo studio EMPA-REG Outcome, effetti che per la prima volta vengono attribuiti a un farmaco ipoglicemizzante orale (38). Lo studio CANVAS (Canaglifozin Cardiovascular Assessment Study) ha confrontato Canagliflozin, altro inibitore SGLT2, con placebo e terapia standard in una coorte di 10.000 pazienti affetti da diabete mellito tipo 2 e con fattori di rischio e precedenti eventi cardiovascolari (CV). L’aggiunta di Canaglifozin è stata associata a una riduzione di morte CV, infarto e ictus non fatale e di ospedalizzazione per scompenso cardiaco. Purtroppo, durante il trattamento con Canaglifozin, è stato riscontrato un aumentato rischio di amputazione delle dita degli arti inferiori (39).

Gli effetti cardio- e nefro-protettivi delle glifozine sono stati osservati nel trial multicentrico CREDENCE, in cui sono stati arruolati pazienti con diabete mellito tipo 2 e nefropatia diabetica. I meccanismi protettivi sono sia di tipo metabolico (dovuti alla lipolisi) che cardio-emodinamici (dovuti al miglioramento sia sul precarico che sul postcarico) (40). Attualmente, l’uso delle glifozine non è approvato in pazienti con GFR < 45 mL/min/1,73 m², in considerazione del fatto che, con bassi valori di filtrato glomerulare, si ha una perdita della loro efficacia ipoglicemizzante (41).

- La medicina di precisione e il periodo di transizione che porta all’inizio della terapia emodialitica

Il concetto di medicina di precisione, oltre che nell’ambito delle singole patologie renali, negli ultimi anni ha assunto una particolare rilevanza, anche nella scelta delle cure nel periodo di transizione dalla malattia renale cronica in fase terminale al trattamento emodialitico. L’approccio personalizzato, che, complessivamente, considera la storia clinica del paziente, i fattori legati allo stile vita (dieta, attività fisica, eventuali situazioni di stress) e le preferenze personali, è essenziale nello stabilire quale strategia di trattamento (come emodialisi versus dialisi peritoneale, trapianto di rene, terapia conservativa) è più adatta per il singolo individuo (42) (Fig. 5). Date le molte incertezze che riguardano l’ottimale percorso di transizione da seguire nel passaggio dalla malattia renale cronica nella sua fase terminale alla dialisi piuttosto che al trapianto, sarebbe opportuno migliorare l’applicazione della medicina di precisione anche in questa popolazione. Future ricerche, infatti, sono necessarie per identificare terapie aggiuntive che promuovano un regime dialitico incrementale. La dialisi incrementale necessita di stabilire un ben definito programma terapeutico e richiede un’importante attenzione clinica. La dialisi incrementale inizia dall’ambulatorio pre-dialisi nello spazio di tempo in cui il paziente con eGFR di 5-10 mL/min/1,73 m² passa dalla terapia conservativa a una dieta ipoproteica integrata da una dialisi mono-settimanale e questo programma adattato al trend della funzione renale residua (FRR) (43). Il rene in fase terminale conserva delle caratteristiche interessanti, tra cui la capacità di eliminare molecole altamente tossiche e a elevato peso molecolare, come le protein bound uremic toxins (PBUT), come l’indossil solfato e come il p-cresolo solfato, che si legano stabilmente all’albumina (44). L’emodialisi e i trattamenti ad alta ultrafiltrazione riescono a eliminare solo la parte protein-free delle PBUT, che rappresenta il 10% del loro quantitativo totale (45). Cercando di mantenere una buona diuresi residua, si riescono a ottenere delle perdite urinarie di fosfati e questo grazie all’abbassamento della soglia tubulare dei fosfati. Oltre a privilegiare la FRR, occorre anche aggiungere la prescrizione di una dieta ipoproteica, perché riesce a risparmiare nefroni, rallentando l’inizio della terapia sostitutiva.

Da qui, si rinforzano le basi per iniziare un trattamento emodialitico incrementale (46).

I pazienti sottoposti a trapianto renale vanno incontro a un miglioramento della loro qualità di vita e della sopravvivenza rispetto alla dialisi. Il complesso processo, che va dalla valutazione del candidato all’intervento chirurgico di trapianto, all’inizio della terapia immunosoppressiva e alla sua scelta e alle cure di follow-up dopo il trapianto è rigorosamente strutturato e regolamentato. L’approccio personalizzato al trapianto di rene, come prevede l’uso della medicina di precisione, richiede una combinazione di linee guida consolidate, nozioni emergenti, nuove terapie e perfezionamento delle cure (47).

Conclusioni e aspetti futuri

Questa review analizza lo stato delle scoperte scientifiche sulla genomica e sulle sue attuali applicazioni diagnostiche e terapeutiche ed evidenzia quali sono le aree dove le scoperte genetiche sono già utilizzate nella pratica clinica. È utile, per tale motivo, che si sviluppino nuove conoscenze in materia e che la genetica clinica acquisisca un ruolo maggiore nella pratica clinica di tutti i medici. La medicina di precisione rappresenta un importante step nell’evoluzione delle cure mediche e ha illuminato il nostro modo di curare i pazienti permettendo di studiare i meccanismi patogenetici alla base di una malattia e, potenzialmente, di trovarne una cura. C’è la speranza che la medicina di precisione possa individuare nuovi farmaci, che agiscano in maniera mirata sulle alterazioni genetiche presenti nell’ambito di patologie nefrologiche e non, che non hanno ancora avuto una cura.

Disclosures

Conflict of interest: The authors declare no conflict of interest.

Financial support: This research received no specific grant from any funding agency in the public, commercial, or not-for-profit sectors.