Ozono e Ozonoterapia: Meccanismi biologici cellulari ed effetti pratici

Definizione: che cosa è l’ozono

L’ozono (O₃) è un gas bluastro, altamente reattivo e ossidante, composto da tre atomi di ossigeno e caratterizzato da un odore pungente. Presente naturalmente nella stratosfera, protegge la Terra dai raggi UV, mentre al suolo (troposfera) è un inquinante secondario nocivo, formato da reazioni fotochimiche tra altri inquinanti, soprattutto in estate. Non è emesso direttamente, ma si forma per reazioni tra ossidi di azoto (NO) e composti organici volatili (COV) in presenza di forte luce solare e alte temperature. È un gas instabile che tende a ritrasformarsi in ossigeno biatomico (O₂)

Metabolismo ossidativo cellulare

Non possiamo comprendere il ruolo dell’ozono a livello cellulare SE prima non comprendiamo cos’è il metabolismo ossidativo e quali sono le molecole coinvolte in esso.

Il metabolismo ossidativo cellulare (o respirazione cellulare aerobica) è l’insieme dei processi metabolici che utilizzano ossigeno per convertire nutrienti (glucosio, acidi grassi) in energia chimica (ATP), liberando anidride carbonica (CO₂) e acqua (H20). Esso avviene nei mitocondri ed è fondamentale per la produzione efficiente di energia negli organismi aerobi.

Il metabolismo ossidativo cellulare è la fase finale della respirazione cellulare, preceduta da glicolisi e ciclo di Krebs, e si svolge sulla membrana interna mitocondriale attraverso la fosforilazione Ossidativa.

Quest’ultimo è il meccanismo chiave in cui gli elettroni, trasportati da NADH e FADH2, viaggiano lungo una catena enzimatica, generando un gradiente protonico che l’enzima ATP sintasi utilizza per produrre grandi quantità di ATP. Ciò avviene mediante l’Ossidazione,che consiste nella perdita di elettroni (spesso sotto forma di idrogeno) da parte delle molecole organiche, processo che libera l’energia necessaria alla cellula. In questo processo, l’ossigeno funge da accettore finale di elettroni, riducendosi ad acqua.

Questo processo è indispensabile per la sopravvivenza, la crescita e la riproduzione cellulare, fornendo l’energia necessaria per il mantenimento dell’omeostasi.

Cosa è lo stress ossidativo cellulare?

Nel nostro organismo avvengono continuamente reazioni chimiche che generano radicali liberi, molecole instabili che contengono uno o più elettroni spaiati. Questi radicali liberi, in particolare le specie reattive dell’ossigeno (ROS), sono normalmente controbilanciati da sistemi di difesa endogeni: enzimi antiossidanti (come la superossido dismutasi o la glutatione perossidasi) e antiossidanti non enzimatici (come vitamina C, vitamina E, glutatione, coenzima Q10, ecc.).

Quando però questo equilibrio si rompe, e la produzione di radicali liberi supera le capacità antiossidanti dell’organismo, si verifica uno stato di stress ossidativo. Questa condizione può danneggiare proteine, lipidi e DNA, accelerando il processo di invecchiamento cellulare e predisponendo l’organismo a diverse malattie croniche.

A livello cellulare, quando è presente questo squilibrio tra la produzione di radicali liberi (molecole instabili che danneggiano) e la capacità del corpo di neutralizzarli con gli antiossidanti, si verifica:

• Danno molecolare: Ossidazione di lipidi (perossidazione lipidica nelle membrane cellulari), proteine e DNA.
• Disfunzione mitocondriale: I mitocondri, produttori di energia, vengono danneggiati.
• Infiammazione cronica: Si attiva una risposta infiammatoria persistente.
• Apoptosi: La cellula può morire se il danno è irreversibile.
• Senescenza cellulare: La cellula funziona in modo non ottimale, contribuendo all’invecchiamento e alle malattie croniche.

Da cosa è causato lo stress ossidativo cellulare?

Diversi fattori possono determinare un aumento della produzione di radicali liberi o una riduzione della capacità antiossidante. 

Tra le principali cause di stress ossidativo troviamo:

• Inquinamento ambientale e smog
• Fumo di sigaretta
• Eccessiva esposizione ai raggi UV
• Consumo elevato di alcol
• Alimentazione squilibrata, povera di frutta e verdura
• Eccesso di zuccheri raffinati e grassi trans
• Attività fisica intensa e non recuperata
• Stress cronico e disturbi del sonno
• Alcuni farmaci e chemioterapici
• Patologie croniche preesistenti

Quali meccanismi ha la cellula per resistere allo stress ossidativo?

La cellula possiede un sofisticato sistema di difesa per contrastare lo stress ossidativo, causato da un eccesso di radicali liberi (ROS – Specie Reattive dell’Ossigeno) rispetto alle capacità antiossidanti. Questi meccanismi si dividono principalmente in difese enzimatiche, molecole antiossidanti non enzimatiche e vie di segnalazione genica. 

1. Sistemi Enzimatici Antiossidanti (La prima linea di difesa)

Questi enzimi neutralizzano i radicali liberi trasformandoli in molecole stabili e meno nocive: 

• Superossido Dismutasi (SOD): Converte l’anione superossido (O2∙-) in perossido di idrogeno (H2O2) e ossigeno. Ne esistono diverse isoforme: citosolica (Cu/Zn-SOD), mitocondriale (Mn-SOD) ed extracellulare.
• Catalasi (CAT): Localizzata principalmente nei perossisomi, decompone rapidamente il perossido di idrogeno in acqua e ossigeno.
• Glutatione Perossidasi (GPx): Riduce il perossido di idrogeno e i perossidi lipidici a molecole d’acqua o alcoli, utilizzando il glutatione ridotto come donatore di elettroni.
• Glutatione Reduttasi (GR): Rigenera il glutatione ridotto (GSH) a partire dal glutatione ossidato (GSSG), mantenendo alto il potere antiossidante cellulare. 

2. Antiossidanti Non Enzimatici

Molecole in grado di “catturare” (scavenging) i radicali liberi: 

• Glutatione (GSH): L’antiossidante endogeno più abbondante, agisce direttamente all’interno delle cellule.
• Vitamine: Vitamina C (acido ascorbico), Vitamina E (tocoferolo), Vitamina A.
• Altre molecole: Coenzima Q10, acido alfa-lipoico, melatonina. 

3. Via di Segnalazione Nrf2-ARE (Regolazione Genica)

In condizioni di stress ossidativo, la cellula attiva risposte genetiche attraverso il fattore di trascrizione Nrf2: 

• Meccanismo: Normalmente, Nrf2 è inibito nel citoplasma da Keap1. Quando lo stress ossidativo aumenta, Keap1 rilascia Nrf2.
• Azione: Nrf2 trasloca nel nucleo e si lega all’Elemento di Risposta Antiossidante (ARE), attivando l’espressione di oltre 100 geni citoprotettivi, inclusi enzimi di fase II e proteine che rigenerano il glutatione. 

4. Meccanismi di Riparazione e Ripristino

• Riparazione DNA/Proteine: Enzimi come le metionina sulfossido reduttasi riparano le proteine ossidate.
• Mitofagia: Processo di rimozione dei mitocondri danneggiati che producono eccessivi ROS.
• Ferroptosi e lipidi: La cellula regola la sensibilità allo stress da perossidazione lipidica per mantenere l’integrità strutturale. 

Questi sistemi lavorano in sinergia per mantenere l’omeostasi redox; quando questi meccanismi sono sopraffatti, si ha il danno ossidativo. 

NRF2, GUARDIAN OF HEALTH AND GATEKEEPER OF SPECIES LONGEVITY

Negli ultimi decenni, l’uso medico dell’ozono è aumentato in tutto il mondo come trattamento per diverse patologie. L’ozono (O3) è una molecola composta da tre atomi di ossigeno, altamente instabile e viene utilizzato clinicamente come miscela gassosa. Esso è in grado di reagire con i composti organici contenenti doppi legami e di aggiungere i tre atomi di ossigeno al legame insaturo, con la formazione di ozonuri. Questa reazione è di grande importanza, poiché l’ozono provoca la scissione dei doppi legami mediante una reazione chiamata ozonolisi. 

I meccanismi d’azione dell’ozono nei mammiferi, quando utilizzato in dosi adeguate, si basano sul fatto che lo stimolo ossidativo breve e controllato porta alla formazione di specie reattive dell’ossigeno (ROS) e perossidi lipidici, che a loro volta agiscono come secondi messaggeri. Si tratta di un concetto apparentemente paradossale: l’ozono potrebbe indurre una risposta antiossidante capace di invertire lo stress ossidativo transitorio, poiché, dopo tale stimolo, si osserva un aumento degli enzimi antiossidanti. 

Quando l’ozono entra in contatto con i fluidi e i tessuti umani, reagisce con gli acidi grassi polinsaturi (PUFA), creando perossido di idrogeno (H2O2) e una miscela di prodotti di ozonizzazione dei lipidi (LOP), composta principalmente da 4-HNE (da omega-6 PUFA) e 4-HHE (trans-4 idrossi-2-esenale da omega-3 PUFA).

𝐻2𝑂2 è un’importante specie reattiva dell’ossigeno (ROS) e agisce come messaggero con una vita estremamente breve (pochi secondi).Lo stress ossidativo moderato causato dai ROS è contrastato dagli scavenger radicalici endogeni, come la superossido dismutasi, la glutatione perossidasi, la catalasi e la NADPH chinone-ossidoriduttasi. 

I ROS possono reagire con i tioli ridotti, in modo reversibile o irreversibile, di coppie di cisteine appartenenti alla stessa proteina. Ciò include enzimi (come le tioredossine) o fattori trascrizionali (come il sistema Nrf2/ARE), contribuendo così alle funzioni adattative del sistema redox.

È stato dimostrato che piccoli e ripetuti stress ossidativi possono indurre l’attivazione di un fattore di trascrizione nucleare eritroide 2 correlato al fattore 2 (Nrf2), un dominio coinvolto nella trascrizione degli elementi di risposta antiossidante (ARE). In condizioni basali, Nrf2 è sequestrato nel citoplasma dal suo inibitore specifico Keap1 (Kelch-like ECH associated protein). Sotto stimoli specifici, Nrf2 si dissocia da Keap1, trasloca nel nucleo e transattiva i geni regolati dagli ARE.

Basse dosi di ozono possono aumentare i livelli di Nrf2 traslocato nel nucleo, il che è associato a un incremento della traslocazione della proteina Nrf2 dal citoplasma al nucleo stesso. Di conseguenza, Nrf2 aumenta l’attività degli enzimi antiossidanti e di quelli di disintossicazione di fase II, i quali, collettivamente, favoriscono la sopravvivenza cellulare. 

Inoltre, dopo la prima descrizione dello stress ossidativo nella seconda metà del XX secolo e la scoperta di Nrf2 come fattore di trascrizione nel 1994 (Moi et al., 1994), sono stati offerti molti altri contributi sull’importanza di Nrf2 come regolatore di una miriade di processi cellulari.

Tra questi, alcuni caratterizzano la proliferazione e il differenziamento (Kuosmanen et al., 2018), la risposta immunitaria (Hayes e Dinkova-Kostova, 2014), la riparazione dei tessuti (Braun et al., 2002) e molti altri relativi al cancro e alla sopravvivenza cellulare (La Rojo de Vega et al., 2018). Altri eccellenti contributi sono quello di Malhotra et al., in cui vengono proposti almeno 1.055 geni dipendenti da Nrf2 (Malhotra et al., 2010), e quello di Hybertson et al. (2011) dove viene riportato:”Nrf2 è noto come il Regolatore Maestro (Master Regulator) della risposta antiossidante, modulando l’espressione di centinaia di geni, inclusi non solo i ben noti enzimi antiossidanti, ma anche una schiera di geni apparentemente disparati che controllano processi come le risposte immunitarie e infiammatorie, il rimodellamento tissutale e la fibrosi, la carcinogenesi e la metastasi, nonché le disfunzioni cognitive e neurologiche in generale.”

Ciò che restava da dimostrare era l’evidenza che, oltre agli agenti farmacologici descritti nel lavoro di Cuadrado, anche l’ozono potesse indurre l’attivazione di Nrf2, spiegando così i sorprendenti effetti multi-organo promossi da dosi adeguate di questo gas.

Ad oggi, su PubMed si possono trovare almeno 57.392 articoli che contengono il termine “Nrf2”, di cui 45.091 con la parola chiave “Stress Ossidativo”, 1.328 con il termine “Ozono” e 100 con “Ozonoterapia”.I numeri sopra citati dimostrano definitivamente che uno stress ossidativo moderato, e l’ozono in particolare, è in grado di modulare l’attività di Nrf2. I primi due articoli che hanno dimostrato un effetto diretto dell’ozono sulla via metabolica di Nrf2 negli esseri umani sono di Sagai e Bocci (2011), confermati in vivo da Re et al. (2014).

E gli effetti collaterali?

Nel caso dell’ozono, la cui azione è conseguente all’induzione di uno stress ossidativo moderato — a sua volta in grado di attivare una risposta antiossidante adattiva attraverso la via metabolica di Nrf2 — le domande sono molteplici, tenendo conto anche del ben noto “lato oscuro” di Nrf2, che potrebbe favorire interazioni negative nel trattamento del cancro (Wang et al., 2008).

Ad esempio, una delle più rilevanti è:

• Qual è la dose ottimale di ozono, e quindi di stress ossidativo, capace di innescare l’attivazione di Nrf2 in modo più efficace? Inoltre, qual è il livello di “upregulation” (sovraregolazione) di Nrf2 nei pazienti con un elevato stress ossidativo?
• E perché non si verifica un’attivazione spontanea di questa via metabolica nei pazienti con alto stress ossidativo, o, almeno, perché ad oggi non esistono dati sulla sua attivazione?

È possibile che, come nel caso della risposta immunitaria, essa venga attivata solo in presenza di stimoli generati al di fuori del nostro corpo, ossia tutto ciò che proviene dall’esterno e non viene riconosciuto come “self” (proprio).

Sarebbe possibile che, anche nel caso dello stress ossidativo, solo uno stress esogeno — estraneo all’organismo e quindi paragonabile a quello indotto artificialmente somministrando dosi minime di agenti ossidanti come l’ozono — sia capace di attivare il sistema di controllo intracellulare?Queste domande e altre, come verificare se dosi identiche di ozono siano in grado di attivare Nrf2 nella stessa misura in soggetti che presentano diversi gradi di stress ossidativo, saranno gli obiettivi (end points) primari e secondari a cui cercheremo di dare risposta con un trial clinico randomizzato attualmente in corso.

L’upregolazione (o sovraespressione) di NRF2 (Nuclear Factor Erythroid 2-related factor 2) è considerata un fenomeno a doppio taglio. Se da un lato protegge le cellule sane dallo stress, dall’altro può favorire la sopravvivenza e la progressione delle cellule tumorali.

Infatti, quando l’upregolazione diventa cronica o avviene all’interno di cellule già trasformate (a causa di mutazioni in geni come KEAP1 o NFE2L2), NRF2 accelera la malattia: 

• Sopravvivenza Tumorale: Protegge le cellule cancerose dalla morte cellulare programmata (apoptosi e ferroptosi), rendendole estremamente resistenti.
• Chemioprotezione dei Tumori: Gli alti livelli di antiossidanti neutralizzano l’effetto dei chemioterapici e della radioterapia, che solitamente agiscono inducendo stress ossidativo per uccidere il tumore.
• Recidiva e Metastasi: Promuove la transizione epitelio-mesenchimale (EMT), che permette alle cellule tumorali di migrare e colonizzare altri organi.
• Riprogrammazione Metabolica: Devia il metabolismo del glucosio verso la produzione di precursori per la crescita cellulare rapida (effetto Warburg).

Vie di somministrazione di ozono

L’ossigeno-ozonoterapia prevede diverse modalità di applicazione, classificate in base all’area da trattare e all’effetto desiderato (locale o sistemico). La scelta dipende rigorosamente dai protocolli clinici, come quelli definiti dalla SIOOT (Società Scientifica Italiana di Ossigeno-Ozonoterapia).

Di seguito il dettaglio delle vie di somministrazione e le relative indicazioni terapeutiche:

1. Vie Locali (Azione mirata)

• Infiltrazione Intramuscolare Paravertebrale:
  • Indicazioni: Ernie del disco, protrusioni discali, discopatie degenerative, contratture muscolari, lombalgia e cervicalgia.

• Infiltrazione Intra-articolare o Peri-articolare:
  • Indicazioni: Artrosi (ginocchio, anca, spalla, mano), artriti, tendiniti e sindrome del tunnel carpale.

• Iniezione Intradiscale (sotto guida radiologica):
  • Indicazioni: Trattamento diretto dell’ernia del disco per favorire la disidratazione della parte espulsa (effetto meccanico e chimico).

• Via Topica (Oli ozonizzati o sacchetti gassosi):
  • Indicazioni: Ulcere trofiche, piaghe da decubito, infezioni cutanee croniche, ferite che faticano a rimarginare, onicomicosi e piede diabetico.

2. Vie Sistemiche (Azione su tutto l’organismo)

• Grande Auto-Emo-Infusione (GAE o GAEI):
  • Procedura: Prelievo di sangue, miscelazione con ossigeno-ozono e reinfusione.
  • Indicazioni: Fibromialgia, sindrome da stanchezza cronica (CFS), malattie neurodegenerative (Parkinson, Alzheimer precoce), patologie vascolari, supporto in oncologia e immunomodulazione.

• Insufflazione Rettale:
  • Indicazioni: Colite ulcerosa, Morbo di Crohn, emorroidi, proctiti e come alternativa alla GAE per l’effetto sistemico in pazienti con accessi venosi difficili.

• Piccola Auto-Emo-Terapia (PAE):
  • Indicazioni: Stimolazione del sistema immunitario, allergie, acne e malattie dermatologiche.

3. Altre vie

• Via Idropinica (Acqua ozonizzata):
  • Indicazioni: Gastriti, infezioni da Helicobacter Pylori, disbiosi intestinale e stomatiti.

• Insufflazione Vaginale:
  • Indicazioni: Vaginiti croniche, candidosi e infezioni urogenitiche resistenti.

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