Stress ossidativo: che cos’è, ROS, invecchiamento e antiossidanti

Lo stress ossidativo è una perturbazione della regolazione e dell’omeostasi redox cellulare. Non coincide con la semplice presenza di radicali liberi o specie reattive dell’ossigeno (ROS): queste molecole partecipano anche a normali processi di signaling, mentre quantità, durata e localizzazione inappropriate possono alterare la regolazione cellulare e contribuire al danno di lipidi, proteine e DNA.

Questa distinzione ha modificato profondamente il modo in cui la scienza interpreta lo stress ossidativo. Il modello tradizionale, basato su uno squilibrio tra ossidanti e antiossidanti, rimane utile ma non descrive completamente una biologia nella quale le specie reattive possono svolgere funzioni sia fisiologiche sia potenzialmente dannose.

Anche il rapporto tra stress ossidativo e invecchiamento è oggi interpretato in modo più articolato. Alterazioni redox e danno ossidativo interagiscono con numerosi processi dell’aging, ma le evidenze non permettono di considerare lo stress ossidativo una causa unica o sufficiente dell’invecchiamento. La moderna redox biology studia piuttosto l’equilibrio dinamico tra produzione di specie reattive, signaling, sistemi di controllo, adattamento e danno.

Che cos’è lo stress ossidativo

Lo stress ossidativo può essere definito come una perturbazione della regolazione redox nella quale natura, intensità, durata o localizzazione delle specie ossidanti modificano l’equilibrio dei sistemi cellulari che ne controllano gli effetti.

Il concetto si è evoluto nel tempo. La definizione classica descriveva lo stress ossidativo come uno squilibrio tra ossidanti e antiossidanti a favore dei primi. Questa formulazione ha avuto un ruolo fondamentale nello sviluppo della ricerca, ma oggi viene considerata incompleta perché può suggerire l’esistenza di una semplice bilancia quantitativa tra molecole dannose da una parte e sostanze protettive dall’altra.

La biologia redox contemporanea mostra invece che produzione e controllo delle specie reattive sono processi dinamici e compartimentalizzati. Il significato biologico di una ROS dipende dalla sua identità chimica, dalla concentrazione, dal luogo in cui viene prodotta, dalla durata del segnale e dalla capacità della cellula di rispondere.

Per questo non è corretto considerare ogni produzione di ROS come stress ossidativo.

ROS, radicali liberi e stress ossidativo: quali differenze

ROS, radicali liberi e stress ossidativo non sono sinonimi.

Le ROS, Reactive Oxygen Species o specie reattive dell’ossigeno, comprendono molecole con caratteristiche chimiche differenti. Alcune sono radicali liberi, altre non lo sono.

Tra le principali specie studiate nella biologia redox troviamo:

• l’anione superossido (O₂•−), che è un radicale;
• il radicale ossidrile (•OH), altamente reattivo;
• il perossido di idrogeno (H₂O₂), che è una ROS ma non un radicale libero.

Nota: nelle formule chimiche, il simbolo • indica la presenza di un elettrone spaiato e segnala quindi la natura radicalica della specie.

Questa distinzione è importante perché le diverse specie non hanno la stessa reattività, la stessa durata né gli stessi bersagli biologici.

Le ROS possono originare da diverse fonti cellulari, tra cui mitocondri, NADPH ossidasi, perossisomi, reticolo endoplasmatico e altre reazioni enzimatiche. In alcuni casi la loro produzione rappresenta una conseguenza del metabolismo, in altri è invece regolata e funzionale alla comunicazione cellulare.

Lo stress ossidativo descrive quindi una condizione di alterazione della regolazione redox, non la semplice esistenza di ROS nell’organismo.

Quando i ROS sono fisiologici: redox signaling ed equilibrio redox

Uno dei principali cambiamenti introdotti dalla moderna redox biology riguarda il riconoscimento delle ROS come molecole di segnalazione fisiologica.

Il perossido di idrogeno, in particolare, può partecipare alla modificazione reversibile di specifici residui proteici e contribuire alla regolazione di pathway cellulari. Il suo effetto dipende però dalla produzione locale, dalla concentrazione, dalla durata e dalla presenza di sistemi capaci di controllarne rapidamente i livelli.

L’omeostasi redox non consiste quindi nell’eliminazione di tutte le specie reattive. È una condizione dinamica nella quale produzione, trasformazione e rimozione delle specie ossidanti vengono integrate con sistemi di signaling, riparazione e adattamento.

Questo aiuta a comprendere perché l’obiettivo biologico non possa essere semplicemente “avere meno ROS possibile”.

Oxidative eustress e oxidative distress

Per descrivere le diverse funzioni biologiche delle specie ossidanti, nella letteratura contemporanea viene utilizzata la distinzione tra oxidative eustress e oxidative distress.

L’oxidative eustress riguarda condizioni nelle quali specie ossidanti partecipano a processi fisiologici di signaling e regolazione.

L’oxidative distress indica invece condizioni nelle quali l’esposizione ossidante e la sua regolazione diventano incompatibili con il normale controllo cellulare e possono contribuire a disfunzione e danno biomolecolare.

Non esiste però una soglia universale che permetta di separare i due fenomeni con un singolo valore.

La distinzione tra eustress e distress non corrisponde quindi a due stati separati da una soglia universale: il significato biologico dipende dalla specie reattiva, dalla concentrazione, dalla localizzazione e dalla durata del segnale.

Come l’organismo regola lo stato redox

L’organismo dispone di una rete articolata di sistemi che regolano le specie reattive e contribuiscono a mantenere l’omeostasi redox.

Tra questi figurano:

• superossido dismutasi;
• catalasi;
• glutatione e glutatione perossidasi;
• glutatione reduttasi;
• tioredossine;
• perossiredossine;
• sistemi dipendenti da NADPH;
• meccanismi di riparazione e degradazione delle biomolecole danneggiate.

Questa rete mostra perché il termine antiossidante sia più complesso dell’immagine di una sostanza che “cattura radicali liberi”.

I sistemi cellulari regolano infatti produzione, trasformazione, localizzazione e rimozione delle specie reattive. Devono inoltre preservare le funzioni fisiologiche del redox signaling.

NRF2 e risposta cellulare allo stress

Un ruolo importante è svolto dal fattore di trascrizione NRF2, che partecipa alla regolazione di geni coinvolti nella risposta a stress ossidativi ed elettrofili e nei sistemi cellulari di detossificazione.

Descriverlo soltanto come un “interruttore antiossidante” è tuttavia riduttivo. NRF2 partecipa a una rete più ampia di risposte cellulari allo stress e la sua attività deve essere interpretata nel contesto biologico in cui si verifica.

Stress ossidativo e danno ossidativo non sono la stessa cosa

Un’altra distinzione essenziale riguarda stress ossidativo e danno ossidativo.

Lo stress ossidativo descrive una perturbazione della regolazione redox.

Il danno ossidativo riguarda invece modificazioni di biomolecole prodotte da reazioni ossidative.

Possono essere interessati:

• lipidi di membrana;
• proteine;
• DNA nucleare;
• DNA mitocondriale;
• altre strutture cellulari.

La perossidazione lipidica, la formazione di carbonili proteici e alcune modificazioni ossidative degli acidi nucleici possono essere studiate attraverso specifici biomarcatori.

La presenza di un prodotto di ossidazione non dimostra però automaticamente che lo stress ossidativo sia la causa di una malattia, né permette di ricostruire attraverso un singolo valore l’intero stato redox dell’organismo.

Stress ossidativo, mitocondri e mitohormesis

I mitocondri hanno avuto un ruolo centrale nella storia delle teorie che collegano radicali liberi e invecchiamento.

Durante il metabolismo energetico possono generare specie reattive dell’ossigeno. Per molti anni questo fenomeno è stato interpretato soprattutto come una fonte progressiva di danno.

La ricerca successiva ha mostrato una situazione più complessa. Le ROS mitocondriali possono anche partecipare a sistemi di comunicazione tra mitocondrio e resto della cellula e attivare risposte adattative.

Il concetto di mitohormesis descrive proprio la possibilità che determinate perturbazioni mitocondriali moderate inducano risposte compensatorie capaci di aumentare la resistenza a stress successivi.

In alcuni organismi modello queste risposte sono state associate anche a modificazioni della durata della vita. Questo non dimostra che aumentare i ROS prolunghi la vita umana né che la mitohormesis rappresenti un intervento anti-aging clinicamente validato.

Il fenomeno è soprattutto un esempio di quanto sia insufficiente una lettura nella quale le ROS siano considerate esclusivamente sostanze dannose.

Stress ossidativo e invecchiamento

Il rapporto tra stress ossidativo e invecchiamento è uno degli ambiti nei quali il cambiamento di paradigma è stato più profondo.

Con l’età possono essere osservate modificazioni dello stato redox e aumenti di alcuni prodotti di danno ossidativo. Processi redox possono inoltre interagire con funzione mitocondriale, proteostasi, metabolismo, risposta immunitaria, infiammazione e stabilità del genoma.

Questo insieme di osservazioni non dimostra però che esista una sequenza lineare nella quale l’aumento dei radicali liberi determini direttamente l’invecchiamento.

La teoria dei radicali liberi dell’invecchiamento

Nel 1956 Denham Harman propose la Free Radical Theory of Aging, secondo la quale reazioni dei radicali liberi prodotti nell’organismo potevano provocare danni cellulari progressivi e contribuire all’invecchiamento.

Nel 1972 Harman sviluppò ulteriormente questa interpretazione attribuendo un ruolo particolare ai mitocondri.

La teoria ha avuto un’importanza fondamentale perché ha stimolato decenni di ricerca sui rapporti tra metabolismo, radicali liberi, danno cellulare e aging.

Che cosa ha messo in discussione la teoria classica

Diversi risultati sperimentali hanno progressivamente mostrato che il rapporto non è così lineare.

Manipolazioni genetiche delle principali difese antiossidanti nei modelli animali possono modificare il livello di danno ossidativo senza produrre necessariamente le variazioni della lifespan previste dalla formulazione più forte della teoria.

Parallelamente, l’identificazione delle funzioni fisiologiche delle ROS e dei fenomeni di adattamento redox ha reso sempre meno sostenibile l’idea secondo cui la longevità dipenderebbe semplicemente dalla quantità totale di radicali liberi prodotta dall’organismo.

La formulazione originaria della teoria dei radicali liberi è stata quindi profondamente ridimensionata e integrata dalla moderna redox biology, non semplicemente sostituita dall’idea opposta che lo stress ossidativo sia irrilevante.

Lo stress ossidativo causa davvero l’invecchiamento?

Lo stress ossidativo non può essere considerato una causa unica o sufficiente dell’invecchiamento.

Alterazioni della regolazione redox e danno ossidativo possono contribuire a specifici processi biologici associati all’età. Il loro significato dipende però da tessuto, intensità, durata, compartimento cellulare e capacità di risposta dell’organismo.

La ricerca più recente sulla regolazione redox della lifespan sottolinea proprio l’importanza della dimensione temporale e spaziale delle ROS e delle risposte adattative.

Stress ossidativo, geroscienza e Hallmarks of Aging

Lo stress ossidativo occupa un posto importante nella storia della biologia dell’invecchiamento, ma non è considerato un Hallmark of Aging autonomo nel framework aggiornato pubblicato nel 2023.

Processi redox possono tuttavia interagire con diversi hallmarks, tra cui:

• instabilità genomica;
• perdita di proteostasi;
• disfunzione mitocondriale;
• senescenza cellulare;
• alterazione del nutrient sensing;
• infiammazione cronica.

Gli Hallmarks of Aging descrivono processi biologici interconnessi associati all’invecchiamento, non un elenco di cause indipendenti.

Anche la geroscienza studia le interazioni tra questi processi e la crescente vulnerabilità verso malattie croniche, fragilità e perdita di funzione. Stress ossidativo e geroscienza non sono però sinonimi: il primo descrive un insieme di fenomeni della biologia redox, la seconda è un campo scientifico più ampio che studia la biologia dell’aging e la sua possibile modulazione.

Stress ossidativo, infiammazione e metabolismo

Processi redox, infiammazione e metabolismo sono strettamente interconnessi, ma non devono essere ridotti a una singola sequenza causale.

Stress ossidativo e inflammaging

Le cellule immunitarie utilizzano specie reattive anche durante le normali risposte di difesa. Allo stesso tempo, segnali redox possono modulare pathway infiammatori e condizioni di infiammazione possono modificare produzione e controllo delle ROS.

Lo inflammaging, cioè il fenomeno dell’infiammazione cronica di basso grado associata all’età, non coincide quindi con lo stress ossidativo.

I due processi possono interagire e, in determinati contesti, rafforzarsi reciprocamente.

Anche l’immunosenescenza rappresenta un fenomeno distinto. Descrive il rimodellamento del sistema immunitario associato all’età e può essere influenzata da numerosi fattori metabolici, infiammatori e ambientali, senza essere riducibile alla sola biologia redox.

Stress ossidativo e salute metabolica

Una relazione bidirezionale è studiata anche tra redox biology e salute metabolica.

Obesità, insulino-resistenza, disponibilità dei nutrienti e funzione mitocondriale possono modificare produzione e regolazione delle ROS. A loro volta, perturbazioni redox possono interferire con alcuni sistemi di signaling metabolico.

Anche in questo caso non è corretto interpretare lo stress ossidativo come causa universale delle alterazioni metaboliche.

Attività fisica, ROS e adattamento

L’esercizio rappresenta uno degli esempi più chiari della doppia funzione biologica delle specie reattive.

Durante una sessione di attività fisica la produzione di ROS può aumentare transitoriamente. Questo fenomeno non deve essere interpretato automaticamente come un danno: alcuni segnali redox partecipano alle risposte attraverso le quali muscolo e altri tessuti si adattano allo stimolo dell’esercizio.

Con l’allenamento possono inoltre modificarsi le capacità antiossidanti endogene e numerosi sistemi metabolici e mitocondriali.

Per questo l’attività fisica nella longevità non può essere descritta semplicemente come una strategia che “riduce i radicali liberi”. L’esercizio produce una perturbazione fisiologica alla quale l’organismo risponde attraverso molteplici meccanismi di adattamento.

Esercizio e supplementi antiossidanti

Alcuni studi hanno suggerito che dosi elevate di vitamina C ed E possano attenuare specifici segnali molecolari coinvolti nell’adattamento all’esercizio.

Una meta-analisi di trial randomizzati non ha però rilevato una soppressione significativa e uniforme di outcome funzionali come VO₂max, performance di endurance, massa magra o forza.

Dire che “gli antiossidanti annullano i benefici dell’esercizio” sarebbe quindi eccessivo. Le evidenze suggeriscono piuttosto che alcuni supplementi possano modificare specifiche risposte redox e molecolari, mentre gli effetti sugli adattamenti funzionali sono più eterogenei.

Alimentazione, polifenoli e antiossidanti

Il rapporto tra nutrizione e longevità non può essere spiegato attraverso la sola quantità di sostanze antiossidanti introdotte con gli alimenti.

Gli alimenti vegetali apportano vitamine, minerali, fibre e numerosi composti bioattivi. Gli effetti associati ai pattern alimentari che ne sono ricchi non possono tuttavia essere attribuiti alla sola capacità antiossidante di singole molecole.

Un caso particolarmente interessante è quello dei polifenoli.

La loro attività antiossidante può essere dimostrata in sistemi sperimentali, ma concentrazioni, metabolismo e biodisponibilità nell’organismo umano rendono insufficiente interpretarli soltanto come scavenger diretti di radicali liberi.

Molti dei loro possibili effetti biologici vengono oggi studiati anche in relazione alla modulazione di pathway cellulari, espressione genica e signaling redox.

Gli integratori antiossidanti sono utili?

La plausibilità biologica degli antiossidanti ha portato per decenni a ipotizzare che una maggiore supplementazione potesse ridurre malattie croniche, rallentare l’invecchiamento o aumentare la durata della vita.

Nel complesso, grandi trial clinici e revisioni sistematiche non hanno dimostrato che la supplementazione antiossidante produca un beneficio generale sulla mortalità o sulla prevenzione delle principali malattie croniche.

Una revisione Cochrane sui supplementi antiossidanti non ha documentato una riduzione generale della mortalità e ha rilevato segnali di possibile danno per alcuni supplementi.

Anche la US Preventive Services Task Force ha concluso che vitamina E e beta-carotene non devono essere utilizzati per la prevenzione primaria delle malattie cardiovascolari o del cancro nelle popolazioni cui si applica la raccomandazione; per molti altri supplementi l’evidenza è insufficiente.

Il beta-carotene rappresenta un esempio importante. In popolazioni ad alto rischio, come fumatori studiati in grandi trial, la supplementazione è stata associata a un aumento dell’incidenza di tumore polmonare.

Questo non significa che vitamine e micronutrienti siano inutili. Correggere una carenza documentata è una situazione diversa dalla supplementazione indiscriminata di alte dosi in persone senza carenza.

Non esistono attualmente evidenze cliniche robuste che dimostrino che l’assunzione generalizzata di integratori antiossidanti rallenti l’invecchiamento umano o prolunghi la vita.

Il paradosso degli antiossidanti

Questa apparente contraddizione tra plausibilità biologica e risultati clinici viene spesso descritta come antioxidant paradox.

Se il danno ossidativo partecipa a molte condizioni patologiche, perché somministrare antiossidanti non produce automaticamente i benefici attesi?

La moderna redox biology suggerisce diverse spiegazioni: le ROS hanno anche funzioni fisiologiche, agiscono in compartimenti specifici, differiscono per reattività e durata e vengono controllate attraverso sistemi endogeni altamente regolati.

Dose, timing, tessuto, stato nutrizionale, patologia e caratteristiche della molecola possono quindi modificare profondamente l’effetto di un intervento.

Come si misura lo stress ossidativo

Non esiste un singolo parametro capace di rappresentare tutte le dimensioni della biologia redox.

Nella ricerca vengono utilizzati diversi biomarcatori che misurano specifici prodotti di ossidazione o componenti dei sistemi redox.

Tra i più studiati troviamo:

• F2-isoprostani, indicatori della perossidazione lipidica in vivo;
• 8-oxo-dG e 8-OHdG, utilizzati nello studio dell’ossidazione degli acidi nucleici;
• carbonili proteici, indicatori di modificazioni ossidative delle proteine;
• malondialdeide (MDA), molto utilizzata ma con importanti limiti metodologici, soprattutto quando misurata attraverso TBARS;
• GSH/GSSG, che fornisce informazioni sul sistema del glutatione ma è particolarmente sensibile alla gestione preanalitica del campione.

Gli F2-isoprostani, misurati con metodiche analitiche appropriate, sono considerati tra i marker più robusti della perossidazione lipidica in vivo.

Questo non significa che siano il “gold standard dello stress ossidativo dell’organismo”: misurano una dimensione specifica del fenomeno.

Il d-ROMs: che cosa misura e quali sono i limiti

Il d-ROMs test è un metodo colorimetrico utilizzato per stimare derivati reattivi associati principalmente alla presenza di idroperossidi nel campione.

Alcuni studi osservazionali hanno rilevato associazioni tra valori più elevati del test e outcome cardiovascolari.

La sua interpretazione è però stata oggetto di discussione metodologica. È stato proposto che una parte importante del segnale possa dipendere dalla ceruloplasmina; lavori successivi hanno contestato che questa interferenza sia sufficiente a invalidare il test.

Nel complesso, il d-ROMs può fornire informazioni su una specifica dimensione dei processi ossidativi e dispone di dati osservazionali di interesse, ma non deve essere interpretato come misura diretta e completa dello stress ossidativo globale dell’organismo.

Esiste un test dello stress ossidativo?

Non esiste un unico esame universalmente accettato che misuri tutto lo stress ossidativo dell’organismo.

Esistono test per specifici biomarcatori di ossidazione e per componenti dello stato redox. La loro interpretazione dipende dalla matrice biologica, dalla metodologia analitica, dalla fase preanalitica e dal contesto clinico.

Questo è particolarmente importante perché un risultato di laboratorio non dovrebbe essere trasformato automaticamente in una diagnosi generale di “stress ossidativo”.

Stress ossidativo e malattie

Alterazioni redox e prodotti di danno ossidativo sono stati studiati in numerose condizioni, tra cui:

• malattie cardiovascolari;
• diabete e disturbi metabolici;
• malattie neurodegenerative;
• patologie oncologiche.

La presenza di alterazioni redox in una patologia non dimostra però che esse ne rappresentino l’unica causa.

Soprattutto, dimostrare stress ossidativo in una malattia non equivale a dimostrare che un antiossidante possa curarla o prevenirla. Questa distinzione tra meccanismo biologico e beneficio clinico è una delle lezioni più importanti emerse dai trial sulla supplementazione antiossidante.

Nel cancro la situazione è ulteriormente complessa: sistemi redox e pathway come NRF2 possono assumere significati differenti nelle cellule normali, durante la trasformazione neoplastica e nelle cellule tumorali già sviluppate.

Esposoma e stress ossidativo

Diverse esposizioni ambientali e comportamentali possono influenzare la biologia redox.

Fumo, inquinamento atmosferico, radiazioni ultraviolette e alcune esposizioni professionali sono stati associati a modificazioni di biomarcatori ossidativi e a numerose risposte cellulari.

Il concetto di esposoma permette di collocare questi fenomeni in una prospettiva più ampia, considerando l’insieme delle esposizioni accumulate durante la vita e le risposte biologiche a esse associate.

Anche in questo caso è necessario evitare una catena causale troppo semplice. Un’esposizione può influenzare contemporaneamente infiammazione, metabolismo, regolazione epigenetica, sistema immunitario e biologia redox. Lo stress ossidativo può rappresentare uno dei processi coinvolti, non necessariamente l’unico mediatore tra esposizione e malattia.

Che cosa sappiamo oggi sullo stress ossidativo

La ricerca sullo stress ossidativo ha contribuito in modo importante alla comprensione dell’invecchiamento e di numerose patologie. La sua evoluzione mostra però quanto sia necessario distinguere tra modelli intuitivi e biologia reale.

Oggi sappiamo che ROS e radicali liberi non sono sinonimi, che la presenza di ROS non equivale automaticamente a stress ossidativo e che lo stress ossidativo non coincide necessariamente con il danno ossidativo.

Sappiamo inoltre che alcune specie reattive svolgono funzioni fisiologiche di signaling e che l’organismo dispone di reti complesse per controllarle, utilizzarle e rispondere alle perturbazioni.

Nel campo dell’invecchiamento, le evidenze non supportano più un modello nel quale l’accumulo progressivo dei radicali liberi rappresenti una spiegazione sufficiente dell’aging. La geroscienza contemporanea considera l’invecchiamento come il risultato dell’interazione tra numerosi processi biologici, tra cui metabolismo, funzione mitocondriale, proteostasi, stabilità genomica, senescenza cellulare, regolazione immunitaria e infiammazione.

La stessa prudenza è necessaria sul piano degli interventi. Ridurre indiscriminatamente le ROS non equivale a migliorare la salute e non esistono evidenze che la supplementazione antiossidante generalizzata rallenti l’invecchiamento umano.

Nel contesto della medicina della longevità, questi dati richiedono quindi di distinguere i meccanismi biologici dagli outcome clinici e di evitare che un singolo biomarcatore o processo venga interpretato come misura complessiva dell’invecchiamento.

Domande frequenti sullo stress ossidativo

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