Un modello matematico fa luce su come l’esercizio fisico sopprime la crescita del tumore

Un team di ricerca proveniente dagli Stati Uniti e dall’India ha ora sviluppato un modello matematico per studiare quantitativamente la complessa relazione tra esercizio fisico, funzione immunitaria e cancro.

 

 

L’esercizio fisico svolge un ruolo importante nel controllo delle malattie, compreso il cancro, grazie al suo effetto sul sistema immunitario del corpo umano.

Un team di ricerca proveniente dagli Stati Uniti e dall’India ha ora sviluppato un modello matematico per studiare quantitativamente la complessa relazione tra esercizio fisico, funzione immunitaria e cancro.

Si pensa che l’esercizio fisico sopprima la crescita del tumore attivando le cellule natural killer (NK) del corpo.

In particolare, le contrazioni del muscolo scheletrico guidano il rilascio di interleuchina-6 (IL-6), che fa sì che le cellule NK passino da uno stato inattivo a uno attivo.

Le cellule NK attivate possono quindi infiltrarsi e uccidere le cellule tumorali.

Per studiare questo processo in modo più approfondito, il team ha sviluppato un modello matematico che descrive la transizione di una cellula NK dal suo stato inattivo a quello attivo, a una velocità guidata dai livelli di IL-6 indotti dall’esercizio.

“Abbiamo sviluppato questo modello per studiare come l’interazione tra intensità e durata dell’esercizio possa portare alla soppressione del tumore e come i parametri associati a queste caratteristiche dell’esercizio possano essere regolati per ottenere una soppressione ottimale”, spiega l’autore senior Niraj Kumar dell’Università del Massachusetts di Boston.

Impatto dell’intensità e della durata dell’esercizio

Il modello, riportato in Physical Biology, è costruito da tre equazioni differenziali ordinarie che descrivono l’evoluzione temporale del numero di cellule NK inattive, cellule NK attive e cellule tumorali, in funzione dei tassi di crescita, dei tassi di mortalità, dei tassi di commutazione (per le cellule NK) e del tasso di uccisione delle cellule tumorali da parte delle cellule NK attivate.

Kumar e i suoi collaboratori – Jay Taylor della Northeastern University e T Bagarti del Graphene Center di Tata Steel – hanno studiato per la prima volta come l’intensità dell’esercizio influisce sulla soppressione del tumore.

Hanno usato il loro modello per determinare l’evoluzione nel tempo delle cellule tumorali per diversi valori di α₀ – un parametro che è correlato al livello massimo di IL-6 e aumenta con l’aumentare dell’intensità dell’esercizio.

 

La simulazione della crescita tumorale nell’arco di 20 giorni ha mostrato che la popolazione tumorale è aumentata in modo non monotono, esibendo una popolazione minima (massima soppressione tumorale) in un certo momento critico prima di aumentare e quindi raggiungere un valore di stato stazionario a lungo termine.

In tutti i punti temporali, la più grande popolazione tumorale è stata osservata per il caso senza esercizio, confermando la premessa che l’esercizio aiuta a sopprimere la crescita del tumore.

Il modello ha rivelato che all’aumentare dell’intensità dell’esercizio, il livello di soppressione del tumore aumentava di pari passo, a causa del maggior numero di cellule NK attive.

Inoltre, una maggiore intensità di esercizio ha sostenuto la soppressione del tumore per un tempo più lungo.

I ricercatori hanno anche osservato che se la popolazione tumorale iniziale era più vicina allo stato stazionario, l’effetto dell’esercizio sulla soppressione del tumore era ridotto.

Successivamente, il team ha esaminato l’effetto della durata dell’esercizio, calcolando l’evoluzione del tumore nel tempo per diverse scale temporali di esercizio.

Anche in questo caso, la popolazione tumorale ha mostrato una crescita non monotona con una popolazione minima in un certo momento critico e una popolazione massima nel caso di assenza di esercizio.

Il livello massimo di soppressione del tumore aumentava con l’aumentare della durata dell’esercizio.

Infine, i ricercatori hanno analizzato l’impatto di più periodi di esercizio fisico sulla soppressione del tumore, modellando una serie di periodi alternati di esercizio e riposo.

Il modello ha rivelato che l’effetto dell’esercizio sulla massima soppressione tumorale mostra una risposta di soglia con la frequenza dell’esercizio.

Fino a una frequenza critica, che varia con l’intensità dell’esercizio, la soppressione massima del tumore non cambia. Tuttavia, se la frequenza dell’esercizio supera la frequenza critica, porta a un corrispondente aumento della soppressione massima del tumore.

Potenziale clinico

Nel complesso, il modello ha dimostrato che l’aumento dell’intensità o della durata dell’esercizio porta a una maggiore e sostenuta soppressione del tumore.

Ha anche dimostrato che la manipolazione della frequenza e dell’intensità dell’esercizio all’interno di più periodi di esercizio ha avuto un effetto pronunciato sull’evoluzione del tumore.

Questi risultati evidenziano il potenziale del modello nel guidare l’integrazione dell’esercizio fisico nel programma di trattamento del cancro di un paziente.

Sebbene sia ancora nella fase iniziale di sviluppo, il modello offre preziose informazioni su come l’esercizio fisico può influenzare le risposte immunitarie.

E come sottolinea Taylor, man mano che diventano disponibili più dati sperimentali, il modello ha il potenziale per un’ulteriore estensione.

«In futuro, il modello potrebbe essere adattato per l’uso clinico testando le sue previsioni in studi sull’uomo», spiega. “Per ora, fornisce una base per la progettazione di regimi di esercizio che potrebbero ottimizzare la funzione immunitaria e la soppressione del tumore nei pazienti oncologici, in base all’intensità e alla durata dell’esercizio”.

Successivamente, i ricercatori prevedono di estendere il modello per incorporare sia l’esercizio fisico che il dosaggio della chemioterapia. Esploreranno anche come l’eterogeneità nella popolazione tumorale può influenzare la soppressione del tumore.

 

Foto: iStock/Biserka Stojanovic