Effetti degli ambienti estremi su psicofisiologia, metabolismo e sistema immunitario: studi neuropsicologici, immunologici, proteomici e di risonanza magnetica

Le spedizioni di esplorazione di lunga durata generalmente comportano il confinamento e l’isolamento di piccoli gruppi di individui, lontani dal loro ambiente familiare e spesso esposti a un notevole stress di tipo sociale e ambientale. Questi fattori potrebbero compromettere la psicofisiologia individuale in termini di instabilità emotiva, funzioni esecutive, reattività allo stress, immunità, metabolismo e attività neuronale. Fattori di stress ripetuti e prolungati potrebbero compromettere sia l’immunità innata sia quella acquisita. Inoltre, lo stress abiotico (la Stazione Concordia si trova a un’altitudine di 3200 m) può influenzare il sistema immunitario attraverso un effetto indiretto a livello del metabolismo energetico. Oltre al metabolismo e all'immunità, è necessario capire come lo stress possa influenzare le capacità cognitive individuali; nel corso di spedizioni di esplorazione è infatti fondamentale che sia preservata la capacità di prendere decisioni rapide ed efficaci. Eventi stressanti sono in grado di inficiare il grado di attenzione, il richiamo di ricordi e il prendere decisioni che richiedono elaborazioni complesse. 

Chiarire il nesso tra fattori stressanti legati alla spedizione e benessere individuale rappresenta un obiettivo fondamentale poiché favorirà il successo di missioni future terrestri e interplanetarie. Le condizioni dell’inverno antartico presso la Stazione Concordia permettono lo studio di questa interazione: i membri dell’equipaggio sono esposti a isolamento prolungato (8-9 mesi), confinamento e distacco dall’ambiente familiare. Inoltre, vivono in condizioni ambientali estreme (6 mesi di buio completo, a 3200 m di altitudine). In questo progetto multidisciplinare, psicologi, neuroscienziati, immunologi, fisiologi e medici, hanno valutato come stress ambientali e psicosociali incidano sulle funzioni esecutive (test comportamentali e risonanza magnetica), immunità innata e acquisita, adattamenti strutturali e funzionali del tessuto muscolare scheletrico (volume dei muscoli e metabolismo del lattato) e livelli di microRNA. I partecipanti allo studio (volontari) sono stati sottoposti a test prima, durante e dopo l'inverno. Sono stati studiati i seguenti parametri: misure del benessere psicologico e dell’ansia attraverso test psicometrici; la reattività endocrina allo stress (fluttuazioni diurne dei livelli di cortisolo)  attraverso saggi immunoenzimatici eseguiti su campioni salivari; l’immunità innata e acquisita (inclusa l’infiammazione)  valutata attraverso saggi analitici biochimici e di biologia molecolare, tecniche di proteomica e lipidomica (spettrometria di massa, ELISA, real-time PCR e Western Blotting); la struttura muscolare per mezzo di ultrasuoni. 

L’obiettivo principale è stato quello di definire come il confinamento e l’isolamento prolungati regolino l’adattamento psicofisiologico (funzionalità della muscolatura scheletrica e reattività immunitaria) e le funzioni esecutive individuali. Il suo raggiungimento si è basato sui dati ottenuti (prima, durante e dopo il periodo invernale) in volontari che hanno operato presso la Stazione Concordia. Nello specifico, il progetto è stato articolato in obiettivi complementari, multidisciplinari e intercorrelati. 

1- Descrivere i livelli basali di reattività allo stress, metabolismo, funzionalità del sistema immunitario, connettività funzionale e abilità neuropsicologiche dei partecipanti allo studio.

2- Determinare come confinamento e isolamento modulano la reattività individuale allo stress.

3- Analizzare la relazione tra risposta allo stress e: metabolismo, risposta immunitaria, connettività funzionale, e abilità neuropsicologiche.

4- Analizzare l’immunità innata e acquisita, la reattività dei leucociti, e verificare se le IgA salivari possano costituire biomarcatori per la valutazione degli effetti dello stress sul sistema immunitario.

5- Stabilire se l'esposizione cronica a ipossia nelle condizioni presenti alla Stazione Concordia possa indurre adattamenti strutturali e funzionali nel tessuto muscolare scheletrico e influenzare i livelli di microRNA.

6- Comprendere i meccanismi molecolari alla base dell’adattamento a condizioni estreme nelle cellule del sistema immunitario, combinando spettrometria di massa e bioinformatica.

Grazie al contributo del personale presente alla stazione Concordia, siamo stati in grado di raggiungere gli obiettivi originariamente prefissati. Il livello di partecipazione delle persone coinvolte nei nostri studi è stato encomiabile. Infatti, nonostante le condizioni sociali e ambientali estremamente complesse, tutti i partecipanti hanno volontariamente e costantemente fornito campioni biologici (quali sangue e saliva), compilato questionari, e svolto compiti al computer volti a valutare le capacità cognitive. Questo sforzo, congiunto a quello dei ricercatori e delle ricercatrici coinvolti nelle analisi dei dati e dei campioni raccolti, ha permesso di evidenziare come la permanenza prolungata in un ambiente ostile possa avere conseguenze (non gravi e fortunatamente transitorie) nella maggior parte dei parametri studiati. Ad esempio, abbiamo osservato come la permanenza prolungata in Antartide comportasse un aumento dei livelli di ansia e dei livelli di stress percepito. A questi si associavano alterazioni nei meccanismi molecolari (espressione genica) coinvolti in questi fenomeni e un moderato calo nell'umore. Inoltre, abbiamo visto che le persone caratterizzate da un approccio più sicuro alle situazioni di pericolo fossero meno perturbabili sia da un punto di vista emotivo-comportamentale, sia da un punto di vista biologico. Infine, abbiamo notato come queste fluttuazioni fossero temporanee poiché, una volta tornati nel paese di origine, tutte le persone hanno mostrato un recupero sia psicologico sia fisiologico completo. Un aspetto particolarmente rilevante, nell'ottica delle future missioni di lunga durata (p.es. viaggi spaziali verso Marte), concerne lo studio delle funzioni esecutive, con particolare riferimento alla capacità di prestare attenzione agli stimoli più rilevanti. In questo caso abbiamo notato come circa sei mesi dopo l'inizio della missione (e quindi in un momento particolarmente complesso da un punto di vista emotivo), i partecipanti mostrassero un leggero calo nell'attenzione rispetto sia al momento della partenza sia al momento in cui si apprestavano al rientro verso casa (fine della missione). Un altro aspetto che merita particolare attenzione concerne il ruolo dell'altitudine sulla fisiologia umana. La stazione Concordia si trova circa 3800 metri sopra il livello del mare: questa condizione particolarissima ci ha permesso di valutare come l'altitudine, e quindi l'ipossia, prolungata alteri il metabolismo individuale. Come da aspettative, abbiamo confermato che queste condizioni alterano - temporaneamente - il metabolismo degli aminoacidi quali arginina, glutammina, fenilalanina, triptofano e tirosina. 

Articoli scientifici

Brizzolari, A., Dei Cas, M., Cialoni, D., Marroni, A., Morano, C., Samaja, M., Paroni, R., & Rubino, F. M. (2021). High-throughput griess assay of nitrite and nitrate in plasma and red blood cells for human physiology studies under extreme conditions. Molecules, 26(15). https://doi.org/10.3390/molecules26154569

Caputo, V., Pacilli, M. G., Arisi, I., Mazza, T., Brandi, R., Traversa, A., Casasanta, G., Pisa, E., Sonnessa, M., Healey, B., Moggio, L., D’Onofrio, M., Alleva, E., & Macrì, S. (2020). Genomic and physiological resilience in extreme environments are associated with a secure attachment style. Translational Psychiatry, 10(1). https://doi.org/10.1038/s41398-020-00869-4

Cas, M. D., Morano, C., Ottolenghi, S., Dicasillati, R., Roda, G., Samaja, M., & Paroni, R. (2022). Inside the Alterations of Circulating Metabolome in Antarctica: The Adaptation to Chronic Hypoxia. Frontiers in Physiology, 13. https://doi.org/10.3389/fphys.2022.819345

Del Coco, L., Greco, M., Inguscio, A., Munir, A., Danieli, A., Cossa, L., Musarò, D., Coscia, M. R., Fanizzi, F. P., & Maffia, M. (2023). Blood Metabolite Profiling of Antarctic Expedition Members: An 1H NMR Spectroscopy-Based Study. International Journal of Molecular Sciences, 24(9), 8459.

Santangelo, V., Cavallina, C., Colucci, P., Santori, A., Macrì, S., McGaugh, J. L., & Campolongo, P. (2018). Enhanced brain activity associated with memory access in highly superior autobiographical memory. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 115(30). https://doi.org/10.1073/pnas.1802730115

Attività di divulgazione e disseminazione

“La Scuola incontra La Ricerca” presso l’Istituto di Biochimica delle Proteine, CNR, Napoli

Alla scoperta dell’Antartide: una vita al freddo 

20 febbraio 2019 visita degli Alunni dell’Istituto Comprensivo 2° di Pontecorvo (FR)

7 marzo 2018 visita degli Alunni del Liceo Scientifico “G. Bruno”  di Grumo Nevano (Napoli) 

23 gennaio, 2018 visita degli Alunni del Liceo Linguistico “Pagano-Bernini”(Napoli)

XXXII edizione di Futuro Remoto 8-11 novembre, 2018 Città della Scienza, Napoli

L'IMMUNITA' RIGENERA LA NOSTRA SALUTE

L'attività è consistita in un percorso di avvicinamento al tema della salute umana, con particolare attenzione a come il nostro organismo riesce a difendersi dalle malattie o risponde a condizioni di particolare stress ambientale come  avviene in Antartide. Coinvolgimento continuo del pubblico in un percorso di apprendimento dell'approccio scientifico a temi di diretto interesse (la salute) che vede la sua forza nell'interazione diretta fra scienziati e pubblico.

Notte Europea dei Ricercatori “Sharper”, 27 settembre, 2019  

Palazzo Corigliano, Piazza San Domenico Maggiore, Napoli

Una notte per la vita. Scienze della vita e innovazioni biotech per la salute umana.

Notte europea dei ricercatori all'Istituto Superiore di Sanità, 27 settembre, 2019  

Istituto Superiore di Sanità, Viale Regina Elena, Roma

Notte social: le storie dei giovani ricercatori

XXXIII edizione di Futuro Remoto: “ESSERE 4.0”

21-24 novembre 2019, Città della Scienza, Napoli 

L’uomo, nel corso della sua storia, ha già vissuto molte rivoluzioni e non ultima quella dell’Immunologia. Le ricerche condotte in ambito immunologico hanno cambiato la visione della “dimensione corporea” e oggi, grazie agli approcci tecnologici sempre più innovativi, stanno rivoluzionando il modo di salvaguardare l’ESSERE umano. La presenza dell’uomo in Antartide.