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L’irradiazione UV-LED può prevenire la perdita di massa ossea e muscolare

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Scritto da Francesca Zangaro

Uno studio condotto dall’Università di Nagoya in Giappone ha dimostrato che l’irradiazione UV basata sui LED ha aumentato i livelli sierici di vitamina D nei topi anziani riuscendo a prevenire la perdita di massa ossea e muscolare.

Dallo studio, condotto dal Prof. Yoshihiro Nishida e dal Dr. Kazuya Makida, sono emersi il valore dell’intensità minima e della dose minima di irradiazione UV-LED in grado di garantire effetti collaterali irrilevanti e una cute priva di lesioni superficiali. Il team si sta adoperando per sviluppare un dispositivo medico portatile di irradiazione UV-LED da utilizzare a casa e nelle istituzioni sanitarie. 

L’aumento dei livelli sierici di vitamina D può prevenire l’osteosarcopenia

Con l’avanzare dell’età si incorre in patologie responsabili delle compromissioni dell’andatura e dell’equilibrio. Tra queste ci sono l’osteoporosi e la sarcopenia. Mentre la prima si manifesta con una bassa densità minerale nel tessuto osseo e con il deterioramento della microarchitettura dello stesso, la seconda comporta il progressivo declino della massa e della forza muscolare. Le due disfunzioni possono insorgere anche contemporaneamente: si parla allora di osteosarcopenia. Essa è una condizione arginabile nella sua progressione grazie ad un’alimentazione ricca di calcio, di proteine e soprattutto di vitamina D. Quest’ultima è fondamentale per rinforzare le ossa attraverso la deposizione del calcio e per assicurare la contrazione rapida delle fibre muscolari. Dai 50 anni in su la quantità di vitamina D da assumere per garantirsi la salute delle ossa deve arrivare a 400 UI al giorno.

Circa l’80% della popolazione anziana è soggetta ad una diminuzione di almeno il 30% dell’apporto di vitamina D poiché ha una ridotta sintesi di vitamina D sia sulla cute sia a livello renale. Inoltre, si espone poco al sole, la fonte principale di questo tipo di vitamina.

La conversione della vitamina D dalla sua forma biologicamente inattiva, calcidiolo, alla sua forma biologicamente attiva, il calcitriolo, risulta dunque compromessa nell’età senile.

L’illuminazione a LED può aiutare a prevenire osteoporosi e sarcopenia

I ricercatori hanno determinato un metodo sicuro e a basso costo per fornire vitamina D e arginare l’osteosarcopenia sfruttando la luce UV-LED poiché, a differenza della luce solare, si tratta di una fonte di vitamina D costante e stabile. Infatti essa è indipendente dalla latitudine, dalla stagione, dal meteo, dalla mobilità del paziente e dalla sua età.

Gli esperimenti di partenza

Gli scienziati hanno condotto gli esperimenti sui topi di sesso femminile, risultati più sensibili dei topi maschi alla supplementazione di vitamina D mediante irradiazione UV. Hanno allevato i roditori con effetti di invecchiamento accelerato e li hanno poi mantenuti ad una temperatura di 25 °C con un ciclo luce-buio di 12 ore. Quando richiesto dal protocollo, li hanno investiti dai raggi UV la cui sorgente è stata una lampada a montaggio superficiale, lavorando con una lunghezza d’onda di 316 nm.
Gli studiosi avevano precedentemente provato a condurre lo studio con una lunghezza d’onda di 305 nm; essa, però, è risultata ad alto rischio secondo i criteri di sicurezza dell’OMS avendo ispessito l’epidermide e il derma delle cavie.

Nel primo esperimento, gli scienziati hanno pianificato di determinare l’irradiazione più bassa di UV-LED. I valori dell’intensità di irradiazione esaminati sono stati i seguenti:

  • 0.04 mW/cm2;
  • 0.08 mW/cm2;
  • 0.12 mW/cm2;
  • 0.16 mW/cm2;
  • 0.27 mW/cm2;
  • 0.54 mW/cm2.

L’esperimento ha rilevato che la quantità di 25 (OH) D, calcidiolo, è diminuita ad un livello di carenza pari a 25 nmol/L, a 24, 28 e 32 settimane di età nei primi tre gruppi sopracitati. Negli ultimi tre gruppi i livelli di calcidiolo, invece, sono aumentati di oltre 25 nmol/L. I risultati ottenuti si possono osservare nel seguente grafico (Figura A):

Figura A. Livelli sierici di calcidiolo ottenuti dallo studio di determinazione dell’irradianza a 12 settimane di età (corrispondente all’inizio di una dieta carente di vitamina D o di una dieta ricca di vitamina D nei roditori), 20 settimane di età (corrispondente all’inizio dell’irradiazione UV), 21, 24, 28, 32 settimane.

L’esperimento ha inoltre messo in evidenza che i livelli di calcitriolo maggiori (80 pg/ml) si sono registrati nei topi irradiati con un’intensità di 0.27 mW/cm2 (Figura B).

Figura B. Livelli sierici di calcitriolo ottenuti dallo studio di determinazione dell’irradianza dopo 12 settimane di irradiazione UV.

Sulla base dei risultati di questo esperimento, l’intensità radiante è stata impostata su un minimo di 0.16 mW/cm2.
Il secondo esperimento aveva come scopo la determinazione della dose minima di irradiazione UV per garantire la quantità di vitamina D necessaria. Le dosi prese in considerazione sono state:

  • 500 J/m2;
  • 1000 J/m2;
  • 2000 J/m2;
  • 4000 J/m2.

Osservando i risultati sperimentali ottenuti (Figura C) negli ultimi tre gruppi i livelli di calcidiolo sono stati mantenuti oltre 25 nmol/L. Invece, i livelli di calcitriolo a 32 settimane di età sono stati maggiori considerando dosi di 4000 J/m2 come si può osservare dalla seconda tabella (Figura D). 

Figura C. Livelli sierici di calcidiolo ottenuti dallo studio di determinazione della dose a 12, 20, 24, 32 settimane.
Figura D. Livelli sierici di calcitriolo ottenuti dallo studio di determinazione della dose dopo 12 settimane di irradiazione UV.

Conclusi i due esperimenti preliminari, gli scienziati hanno affermato che l’irraggiamento UV minimo di 0.16 mW/cm2 e la dose necessaria minima di 1000 J/m2 fossero sufficienti per produrre il calcidiolo.

Gli esperimenti principali

Gli studiosi hanno ipotizzato che se l’intensità e la dose di irradiazione UV da parte dei LED potessero essere ridotte al minimo, ma comunque aumentare la massa ossea e muscolare, avrebbero potuto sviluppare un dispositivo di trattamento dell’osteosarcopenia. Perciò, dopo aver concluso gli esperimenti preliminari, hanno effettuato delle osservazioni e delle analisi sperimentali su ossa e muscoli dei seguenti gruppi di topi:

  1. Vit.D+UV-, con replezione di vitamina D senza irradiazione UV;
  2. Vit.D+UV+, con replezione di vitamina D con irradiazione UV;
  3. Vit.D-UV-, con carenza di vitamina D senza irradiazione UV;
  4. Vit.D-UV+, con carenza di vitamina D con irradiazione UV.

Analisi del peso corporeo, della composizione corporea e dei metaboliti sierici

A 20 settimane il gruppo Vit.D-UV- risultava avere un guadagno di peso corporeo più alto rispetto al gruppo Vit.D-UV+. Nonostante ciò i rapporti tra massa grassa e massa totale erano significativamente aumentati nel primo gruppo rispetto al secondo gruppo.

I livelli sierici di calcidiolo e calcitriolo sono stati esaminati a 12, 20, 28 e 36 settimane di età e sono risultati significativamente più alti nel gruppo Vit.D-UV+ che in quello con carenza di vitamina D senza irradiazione UV.

Analisi della morfologia e dell’istologia ossea

Dall’analisi della morfologia e dell’istologia ossea gli scienziati hanno osservato una più elevata presenza di densità minerale ossea nel gruppo Vit.D-UV+ rispetto al gruppo Vit.D-UV-. Nelle figure E ed F si possono osservare le immagini digitali tridimensionali del femore destro, esaminate a 36 settimane di età.

Figura E. Immagine digitale tridimensionale del femore destro di un topo appartenente al gruppo Vit.D-UV- ottenuta a 36 settimane di età.
Fig F. Immagine digitale tridimensionale del femore destro di un topo appartenente al gruppo Vit.D-UV+ ottenuta a 36 settimane di età.

Test meccanico

In contemporanea all’analisi della morfologia e dell’istologia ossea, gli esperti hanno effettuato il test meccanico allo scopo di osservare sperimentalmente la resistenza meccanica tra i quattro gruppi. Essa è risultata indipendente dalla quantità di vitamina D presente nell’organismo: i topi con carenza di vitamina D irradiati da UV avevano la stessa resistenza di quelli con replezione di vitamina D irradiati da UV. Risultato analogo si era ottenuto nei due gruppi senza irradiazione UV.
I risultati del test di flessione su tre punti del femore sinistro a 36 settimane di età sono stati i seguenti. (Figura G).

Figura G. Risultati della prova meccanica. Vit.D- dieta carente di vitamina D, Vit.D+ dieta ricca di vitamina D, irradiazione ultravioletta UV, N newton.

Gli scienziati credono che la causa della mancata differenza nella resistenza meccanica del femore tra i gruppi con irradiazione UV e senza irradiazione UV sia la seguente: l’aumento dei livelli sierici di calcidiolo è stato meno marcato nello studio con irradiazione con minore energia e raggio stretto (316 nm) rispetto allo studio condotto con un’irradiazione UV a 305 nm. Tuttavia le ossa nel gruppo con carenza di vitamina D con irradiazione UV hanno mostrato una morfologia migliore rispetto a quelle del gruppo con carenza di vitamina D senza irradiazione UV.

Analisi dell’istologia ossea

Basandosi sul metodo di colorazione di Villanueva Goldner, gli scienziati hanno constatato che il numero di tessuti osteoidi di colore rosso, i quali rappresentano la calcificazione incompleta della matrice ossea, era maggiore nel gruppo con carenza di vitamina D senza irradiazione UV rispetto a quello con irradiazione UV, come si può osservare dalla Figura H.

Figura H. Risultati della colorazione con Villanueva Goldner. Le sezioni coronali della metafisi mediale del femore sinistro a 36 settimane di età sono state colorate. (A) Vit.D − UV− gruppo. (B) Gruppo Vit.D − UV +. Una maggiore quantità di tessuti osteoidi di colore rosso (punte di freccia bianche) è stata osservata nel gruppo Vit.D − UV− rispetto al gruppo Vit.D − UV +.

Inoltre, hanno osservato che gli osteoclasti, cellule che hanno la funzione di riassorbire l’osso erodendolo (collaborano all’omeostasi calcica), tendevano ad essere di meno nel gruppo con carenza di vitamina D con irradiazione UV rispetto agli stessi senza irradiazione UV (Figura I). I risultati dell’analisi dell’istologia ossea sono stati ottenuti dalla colorazione TRAP (fosfatasi acida resistente al tartrato). Quest’ultima è una proteina basica legante il ferro raccomandata per la rilevazione di specifici antigeni di interesse nei tessuti normali e neoplastici, in aggiunta all’istopatologia convenzionale utilizzando coloranti istochimici non immunologici.

Figura I. Risultati della colorazione TRAP. (A)–(D) Le punte di freccia bianche mostrano gli osteoclasti colorati con TRAP.

Analisi della forza di presa, della massa muscolare e dell’istologia muscolare

A 36 settimane di età, i ricercatori hanno esaminato la forza di presa dell’avampiede del topo utilizzando un misuratore di forza di presa e registrandola in Newton. Hanno tenuto con le dita le code dei topi ai quali è stato permesso in contemporanea di afferare il manico del misuratore. Gli esaminatori hanno tirato i corpi dei topi con le dita parallelamente al pavimento. Nel presente studio, si è osservato che la carenza di vitamina D ha ridotto la forza di presa che è stata tuttavia migliorata dall’irradiazione UV in modo significativo. Invece, per quanto riguarda la massa muscolare, i muscoli dei topi carenti di vitamina D erano significativamente più leggeri ma l’irradiazione UV ne ha aumentato il volume. Questi risultati potrebbero essere stati influenzati dalla diminuzione del peso corporeo avuta nel gruppo con carenza di vitamina D, risultata maggiore con che senza irradiazione UV.

Dunque l’irradiazione UV ha ampliato il volume muscolare, diminuendo il peso corporeo e la percentuale di grasso corporeo. Gli scienziati credono che questi risultati sperimentali potrebbero rappresentare dei cambiamenti positivi per la terapia della sarcopenia.

Non è stata danneggiata la pelle dei topi

Nell’analisi quantitativa, non c’erano differenze negli spessori epidermici o dermici tra i vari gruppi. Considerando l’indice UV, l’irraggiamento con 305 nm di UV era equivalente a 6.75 punti dell’indice UV basato sui criteri dell’OMS, definito ad alto rischio. Invece, l’irradiazione con UV 316 nm era equivalente a 2.00 punti, che è stato definito sicuro. Poiché l’osteosarcopenia può essere migliorata in modo efficiente nelle condizioni stabilite nel presente studio, queste potrebbero essere applicate alla pratica clinica umana.

Limitazioni del presente studio

Pur essendosi rivelato di successo, l’esperimento aveva due limitazioni principali:

  1. I risultati dei livelli sierici di calcidiolo erano diversi tra gli esperimenti di determinazione dell’irradiazione e della dose poiché gli scienziati hanno condotto le sperimentazioni in istanti temporali differenti e hanno lavorato con un numero basso di cavie;
  2. Gli studiosi hanno fatto uso di topi femmina ed è giusto esaminare gli effetti dell’irradiazione UV anche sui topi maschi. La proporzione di fratture osteoporotiche negli uomini non può essere ignorata ed è un problema cruciale in una società che invecchia. 

Scenari futuri

Con il seguente rapporto è stato dunque dimostrato che l’irradiazione UV a raggio stretto e a bassa energia, emessa da un dispositivo UV-LED, è efficace nel migliorare i cambiamenti del’osteosarcopenia in presenza di deficit di vitamina D in un modello murino accelerato dalla senescenza. Si sono avuti miglioramenti della densità minerale ossea, del volume muscolare e della forza di presa nel gruppo con carenza di vitamina D. Tutto ciò senza indurre gravi lesioni alla pelle suggerendo la possibilità di realizzare un dispositivo sicuro per la terapia dell’osteosarcopenia.

Questo dispositivo potrebbe prevenire o curare l’osteosarcopenia senza farmaci

Sono fiduciose le parole del professore Nishida sulla messa in pratica dei risultati ottenuti dalla sperimentazione.

Si tratta di un nuovo concetto di dispositivo medico che può essere utilizzato in varie istituzioni sanitarie e a casa. Con questo dispositivo, tutte le persone anziane saranno in grado di ottenere abbastanza vitamina D in modo facile, sicuro e a basso costo. Potrebbe essere un approccio promettente per la prevenzione e il trattamento di questa malattia


Fonti e approfondimenti:
  • nature.com – Low energy irradiation of narrow-range UV-LED prevents osteosarcopenia associated with vitamin D deficiency in senescence-accelerated mouse prone 6
  • en.nagoya-u.ac.jp – LED-based UV irradiation safely prevents the loss of bone and muscle mass in mice
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Informazioni autore

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Francesca Zangaro

Studentessa di Ingegneria Biomedica, Università di Pisa.
Appassionata di innovazione e tecnologia con l’obiettivo di studiare e contribuire alla divulgazione di nuovi orizzonti scientifici nel campo dell’ingegneria biomedica.

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