Diapositiva 1

1
La ragioni evolutive e i meccanismi fisiologici
alla base della limitazione della durata della
vita Interrogativi Come invecchiamo? Cosa è
possibile fare?
Testo integrale e bibliografia nel sito
www.r-site.org/inv
2
COME INVECCHIAMO?
Interrogativi Dove Quando Perché Come Cosa fare

• Meccanismi fisiologici alla base
  dellinvecchiamento

3

• Interpretazione classica
• Linvecchiamento deriva da un degrado progressivo
  e inevitabile dellorganismo a causa di fattori
  insufficientemente contrastati dalla selezione
  naturale (mutazioni, limiti fisiologici, etc.)
• La selezione contrasta lincremento progressivo
  della mortalità

Interpretazione alternativa Linvecchiamento è
lespressione amplificata e fuori controllo, in
età non presenti allo stato naturale, di
meccanismi di riduzione della capacità di
sopravvivenza favoriti dalla selezione
naturale. La selezione determina lincremento
progressivo della mortalità
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Limiti nella capacità di replicazione cellulare

• Nel 1961 Hayflick scoprì che cellule
  fibroblasto-simili di vari tessuti umani normali
  avevano in vitro una limitata capacità di
  duplicarsi.

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Si accertò successivamente che il numero massimo
di duplicazioni era in funzione di

• 1) Età del donatore, tipo di tessuto e genotipo
  (Martin et al., 1970 per la pelle Martin et
  al., 1970) per la muscolatura liscia delle
  arterie Bierman, 1978, per lepitelio del
  cristallino Tassin et al. 1979, per i
  cheratinociti Rheinwald et al. 1975, etc).
• 2) Longevità della specie da cui erano tratte le
  cellule (Röhme, 1981).
• 3) Eventuale esistenza di una sindrome progeroide
  (v. Davies, 1998).

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• In breve si vide che il limite della capacità di
  duplicazione cellulare (limite di Hayflick)
  era determinato geneticamente e di
  certo correlato con la longevità.

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Con ulteriori studi si vide (v. Davies, 1998) che

• 1) Il DNA di ogni cromosoma termina con una lunga
  sequenza nucleotidica ripetitiva (telomero) e che
  la capacità di duplicazione cellulare è correlata
  alla lunghezza del telomero.
• 2) Ad ogni duplicazione del DNA una piccola
  porzione del telomero non è duplicata e pertanto
  il telomero si accorcia.
• 3) Un enzima, la telomerasi, è in grado di
  ripristinare la parte non duplicata del telomero.
• 
  SEGUE

8
SEGUE

• 4) Lenzima telomerasi è attivo nelle cellule
  della linea germinale (v. Davies, 1998).
• 5) Lenzima telomerasi è represso da proteine
  regolatrici (van Steensel e De Lange, 1997).
• 6) Ostacolando lazione del predetto enzima si
  riduce la capacità di duplicazione (Yu et al.,
  1990).
• 7) Lattivazione dellenzima rende capaci le
  cellule di un numero indefinito di duplicazioni
  (Bodnar et al., 1998).

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• Ma se la capacità di duplicazione fosse
  strettamente correlata alla lunghezza dei
  telomeri

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In contrasto con ciò, ulteriori osservazioni
indicavano che il passaggio di una cellula dallo
stato in cui è capace di duplicarsi a quello in
cui non lo è, risulta determinato in parte dal
caso e in parte dalla lunghezza del telomero
(Pontèn et al., 1983 Jones et al., 1985).
11

• E stato evidenziato che il telomero è un
  complesso dinamico costituito da un estremo della
  molecola di DNA e da un complesso proteico che
  continuamente si legano labilmente insieme (stato
  protetto) e poi si distaccano (stato non
  protetto).
• (Blackburn, Nature, 2000)
• Quanto più è corto il telomero tanto più è
  frequente la fase in cui il telomero non è
  protetto e la cellula può diventare incapace di
  duplicarsi.

Nel neonato Nel giovane Nellanziano
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• La capacità di duplicazione cellulare non è
  lespressione di un insormontabile vincolo
  fisiologico, ed è invece una potenzialità
• o illimitata (cellule germinali)
• o in vario modo regolata e limitata (cellule
  staminali, cellule somatiche)
• con meccanismi altamente sofisticati e sotto
  preciso controllo genetico.

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La capacità di duplicazione è un qualcosa che
compensa un fenomeno opposto, vale a dire la
perdita di cellule per vari motivi.

• E ben noto, ad esempio, che continuamente
  dallepitelio o dallintestino si staccano
  cellule e che esse necessariamente debbono essere
  rimpiazzate.
• Ma vi è un altro fenomeno per il quale occorre
  una continua sostituzione cellulare

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LApoptosi

• Lapoptosi detta anche morte cellulare
  programmata - è una forma ordinata di
  eliminazione di una cellula che si distingue
  nettamente dalla necrosi.
• Lapoptosi ha un grande ruolo nella morfogenesi.
• Lapoptosi ha anche un ruolo di fondamentale
  importanza nei meccanismi di turnover cellulare.
• In effetti, lapoptosi fu scoperta per la prima
  volta nel fegato di soggetti adulti normali (Kerr
  et al., 1972).

Immagine (modificata) da Kerr et al., 1972
15
Lapoptosi è un meccanismo essenziale per il
turnover cellulare negli organismi adulti (Wyllie
et al., 1980 Linch et al., 1086 Medh and
Thompson, 2000)

• Lapoptosi è stata confermata per moltissimi tipi
  cellulari in adulti sani, ad esempio
• adipociti (Prins e ORahilly, 1997)
• cellule epiteliali biliari (Harada et al., 2000)
• osteociti (Spelsberg et al., 1999)
• condrociti (Heraud et al., 2000)
• cellule dei reni (Cardani e Zavanella, 2000)
• epatociti (Benedetti et al., 1988)
• alveolociti (Sutherland et al., 2001)
• gliociti (Pontèn et al., 1983)
• cellule della prostata (Wyllie et al., 1980)
• miociti (Migheli et al., 1997 Pollack e
  Leeuwenburgh, 2001)
• cellule della tiroide (Dremier et al., 2001).

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Fino a che punto è importante il turnover
cellulare?

• E stato calcolato che in un adulto normale ogni
  giorno muoiono e sono sostituiti fra i 50 e i 70
  miliardi di cellule e che ogni anno è rinnovata
  una massa cellulare pari circa al peso
  dellintero organismo (Reed, 1999).

La strage degli innocenti
17
In base al turnover, si possono distinguere tre
tipi di cellule

• I) Con alto turnover (ad es. cellule dei villi
  intestinali, Andreeff et al., 2000).
• II) Con limitato turnover (ad es. cellule degli
  strati profondi della cute e cellule endoteliali,
  Marciniak e Guarente, 2001 miociti del cuore,
  Anversa e Nadal-Girard, 2002 miociti del muscolo
  scheletrico, Schultz e Lipton, 1982, Carlson e
  Faulkner, 1989).
• III) Senza turnover (ad es. neuroni con qualche
  eccezione, Horner e Gage, 2000 occorre però
  ricordare la dipendenza dei neuroni da cellule
  sottoposte a turnover quali i gliociti).

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Unipotesi semplice e spontanea!

• I limiti nella durata della vita sono una
  conseguenza del turnover cellulare e dei limiti
  nella capacità di replicazione cellulare.
• Tali caratteri sono sotto controllo genetico

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Questa ipotesi non è affatto nuova!

• Fu già intuita da Weissmann alla fine
  dellottocento!
• Hayflick la propose allindomani della sua
  famosa scoperta (1965) e la ripropose anche in
  anni successivi (1977)

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I meccanismi connessi ai telomeri e alla
telomerasi sono correntemente descritti come
correlati con linvecchiamento (Marciniak e
Guarente, 2001)

• Ma questa ipotesi contrasta completamente con
  lopinione dominante che linvecchiamento dipenda
  da fattori casuali insufficientemente contrastati
  dalla selezione.

21
In un tessuto in cui va esaurendo la capacità di
duplicazione delle cellule si ha

• 1) Ridotto numero di cellule (atrofia nel numero
  delle cellule)
• 2) Rallentato turnover cellulare
• 3) Possibile sostituzione delle cellule mancanti
  con cellule non specifiche (fibrociti, adipociti,
  etc.)
• 3) Ipertrofia parzialmente compensatoria delle
  rimanenti cellule
• 4) Alterazioni (in particolare accumulo di
  metaboliti) nelle cellule superstiti che non
  essendo rinnovate sono sempre più vecchie
• 5) Vulnerabilità a sviluppare neoplasie come
  conseguenza dellinstabilità indotta dalla
  disfunzione dei telomeri (DePinho, 2000)

Sindrome atrofica
22
A questo punto possiamo formulare uno
schema(dedotto da Marciniak e Guarente, 2001)
23
Che succede se lenzima telomerasi non funziona
(alterazione del ciclo alfa)?

• La Dyskeratosis congenita è una rara sindrome
  umana di origine genetica (Dokal, 2000).
• Essa è causata da alcuni tipi di gravi
  alterazioni dellenzima telomerasi (Mitchell et
  al., 1999 Vulliamy et al., 2001).
• Una eccellente interpretazione di tale sindrome
  è stata pubblicata di recente (Marciniak e
  Guarente, 2001)

24
Le alterazioni nella Dyskeratosis congenita sono
presenti nei tessuti con alto turnover
Organo Cellule con telomerasi Alterazioni
Capelli Nei follicoli dei capelli Calvizie
Cavità orale Cellule squamose Leucoplachia
Cute Strato basale dellepidermide Anormale pigmentazione, distrofia delle unghie
Polmoni Cellule epiteliali alveolari di tipo 2 Fibrosi
Fegato Cellule staminali degli epatociti Cirrosi
Intestino Cellule delle cripte intestinali Disordini intestinali
Testicoli Spermatogoni Ipogonadismo
Midollo osseo Cellule staminali del midollo osseo Incapacità a produrre cellule del sangue
Tabella da Marciniak e Guarente, 2001
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Che succede in caso di alterazionidel ciclo beta?

• La progeria (v. Martin e Oshima, 2000) è causata
  da difetti nella duplicazione del DNA (Yu et al.,
  1996 Fukuchi et al. 1989)
• Ne deriva un maggior numero di duplicazioni in
  cellule in cui la telomerasi è inattiva.
• Ciò conduce a precoci manifestazioni della
  sindrome atrofica per molti tessuti ed organi con
  manifestazioni anatomo-patologiche e cliniche
  analoghe a quelle presenti in persone anziane.

Età 14 anni
Altezza come a 7 anni
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Alcune delle alterazioni presenti nella progeria

• 1) Ridotta crescita
• 2) Prematura canizie, rarefazione dei capelli,
  atrofia della pelle (in particolare del
  sottocutaneo)
• 3) Osteoporosi
• 5) Atrofia muscolare
• 5) Ulcere in zone sottoposte di frequente a
  piccoli traumi
• 6) Diabete mellito (per presumibile riduzione del
  numero delle beta cellule del pancreas v.
  Bonner-Weir, 2000 Cerasi et al., 2000)
• 7) Cataratta (da esaurimento delle cellule
  epiteliali del cristallino Tassin et al. 1979
  Martin e Oshima, 2000)
• 8) Aterosclerosi precoce (da esaurimento delle
  cellule endoteliali Gimbrone, 1999 Martin e
  Oshima, 2000).

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• Le due rassegne già citate (in particolare quella
  di Marciniak e Guarente) interpretano le
  anzidette sindromi nello stesso modo in cui è
  stato ora prospettato.

Lunica cosa che tali rassegne non evidenziano è
che le suddette interpretazioni sono
incompatibili con la visione dellinvecchiamento
dipendente da fattori incoordinati e casuali!
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Classificazione di Masoro (1998)delle affezioni
delletà senile

• 1) Age Changes (invecchiamento vero e proprio)

2) Malattie causate da fattori estrinseci
(eccessi alimentari, fumo, inquinanti, etc.)
3) Malattie associate alletà anziana (malattie
genetiche frequenti nelletà senile per scarsa
selezione contro i geni che ne sono la causa)
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• Concentreremo la nostra attenzione sullanziano
  estremo sano (gt 80 anni) per meglio capire
  quello che avviene nei soggetti di minore età

Se quanto abbiamo detto è vero per tutti i
tessuti ed organi dovremmo rilevare nellanziano
estremo la sindrome atrofica
30
CUTE (Griffiths, 1998)

• 1) Riduzione del numero di
• fibroblasti del derma,
• melanociti,
• cellule di Langerhans,
• mastociti
• ghiandole eccrine,
• corpuscoli di Pacini e di Meissner (e
  dellinnervazione),
• peli e capelli
• 2) Lo spessore dello strato corneo non cambia
  nellanziano ma vi è un aumento nel suo tempo di
  rinnovo
• SEGUE

31
CUTE

• SEGUE
• 3) Le cellule staminali dellepidermide sono
  collocate nella giunzione dermo-epidermica. Tale
  giunzione risulta spianata nellanziano con una
  perdita della superficie attiva
• 4) Crescita più lenta delle unghie
• 5) Aumento nei tempi di cicatrizzazione delle
  ferite

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FEGATO (James, 1998)

• 1) Declino del volume sia in valori assoluti che
  in rapporto al peso corporeo totale
• 2) Parallelo declino del flusso sanguigno
• 3) Gli epatociti dellanziano sono di dimensioni
  medie più grandi, in contrasto con gli epatociti
  di più ridotte dimensioni nellatrofia da fame

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CUORE (Aronow, 1998)

• 1) Declino nel numero nei miociti con aumento del
  volume di quelli residui in rapporto a ciascun
  nucleo
• 2) Riduzione nel numero delle cellule pacemaker
  nel nodo seno-atriale (-90 alletà di 75 anni) e
  delle cellule nelle branche di conduzione
• 3) Aumento della componente fibrosa e grassa
• 4) La riduzione progressiva della capacità
  contrattile porta ad un progressivo slargamento
  del cuore che può simulare una ipertrofia
  cellulare mentre in realtà è la conseguenza di un
  ridotto numero di cellule contrattili.

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POLMONI (Connolly, 1998)

• 1) Riduzione del numero delle cellule epiteliali
  ghiandolari nella trachea e nei bronchi,
  slargamento degli alveoli e dei dotti alveolari
  riduzione della superficie di scambio alveolare
  (enfisema senile).
• 2) Declino dei volumi polmonari (FEV1, FVC)

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MUSCOLO SCHELETRICO (Cumming, 1998

• 1) Atrofia muscolare
• Dalletà di 25 anni a quella di 50 si perde
  il 10 della massa muscolare. La perdita
  raggiunge il 50 alletà di 80 anni

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OSSA

• 1) La perdita di tessuto osseo comincia dalletà
  di 35-40 anni in entrambi i sessi, per il declino
  della funzione degli osteoblasti (Francis, 1998)
• Clinicamente, uno degli aspetti più evidenti
  delletà avanzata è lestrema rarefazione del
  tessuto osseo a cui corrisponde una grande
  facilità a fratture in seguito a traumi
  relativamente lievi (Dieppe e Tobias, 1998).

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APPARATO DIGERENTE (Katz,1998)

• 1) Aumento di frequenza della gastrite atrofica
  nei soggetti di età superiore ai 60 anni
• 2) Nel colon si riscontra atrofia della
  muscolaris propria ed aumento dei fibrociti
• 3) I villi intestinali nellanziano sono più
  corti e larghi con una riduzione complessiva
  della superficie. Il tempo di trasferimento per
  le cellule dalle cripte di Lieberkühn (dove sono
  le cellule staminali) allapice dei villi (dove
  si distaccano) aumenta con letà per la ridotta
  produzione cellulare (Webster, 1978)

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RENI (Jassal et al., 1998)

• 1) Riduzione della massa renale in correlazione
  con letà. Tale riduzione è ben correlata con la
  riduzione in volume e peso che si riscontra per
  tutti gli organi.
• 2) Riduzione nel numero e nelle dimensioni dei
  nefroni e dei glomeruli con aumento del tessuto
  interstiziale connettivo.

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SANGUE, ORGANI EMATOPOIETICI E SISTEMA IMMUNITARIO

• 1) Riduzione dei linfociti periferici, delle
  cellule CD4 T-helper, dei B-linfociti e dei
  granulociti. Riduzione delle cellule del midollo
  osseo rosso (a 70 anni -70 rispetto a soggetti
  giovani) (Gilleece e Dexter, 1998).
• 2) Negli anziani in caso di abrasioni della pelle
  accorrono meno neutrofili che nei soggetti
  giovani (MacGregor e Shalit, 1990).
• 3) Riduzione della capacità proliferativa dei
  linfociti T in risposta a stimoli immuni
  (Gravenstein et al., 1998).

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TESSUTO NERVOSO

• Per il cervello con il passare degli anni si
  osserva una riduzione del peso di circa il 5 per
  decade dai 60 anni in poi e si riscontra un
  progressivo calo del numero dei neuroni (10-50
  Mann, 1998).
• Ma ciò non è direttamente spiegabile come
  conseguenza di un turnover cellulare in quanto le
  cellule nervose sono, almeno in larghissima
  parte, elementi perenni.

41
UNA DIVERSA STRATEGIA

• Per le loro tipiche funzioni i neuroni non sono
  facilmente rinnovabili e lorganismo adotta la
  diversa strategia di adoperare cellule ausiliarie
  (gliociti) per il continuo trofismo dei neuroni.
• Poiché tali cellule sono soggette a turnover un
  loro deficit potrebbe spiegare bene il calo dei
  neuroni nelletà senile.

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Un esempio per delle cellule nervose molto
particolari
Ogni giorno ciascun bastoncello o cono sintetizza
il 10 dei dischi fotosensibili e altrettanti
sono fagocitati dalla cellule dellepitelio
pigmentato della retina. Ogni cellula
pigmentata serve circa 50 cellule fotorecettrici.
43
Schema di retina in condizioni normali
44
Schema di retina nella degenerazione maculare (e
nellanziano estremo)
Le cellule dellepitelio pigmentato hanno
esaurito la loro capacità di turnover. Depositi
di materiale non degradabile si accumulano entro
di esse e ne causano la morte. Alla loro morte
consegue quella dei coni e bastoncelli serviti.
45

• Nellocchio adulto, una lacuna che si viene a
  formare allinterno dellepitelio pigmentato
  della retina in seguito alla morte cellulare
  viene colmata da nuove cellule, ma in modo
  imperfetto, forse a causa di limiti nella
  moltiplicazione e divisione cellulare
• (Hui Sun e Jeremy Nathans, articolo divulgativo
  su Le Scienze, marzo 2002)

Frequenza nella popolazione della degenerazione
maculare (dati USA) A 60 anni circa il 5 A 70
anni circa il 10,5 A 80 anni oltre il 20
46

• In breve, la capacità di replicazione cellulare è
  geneticamente determinata da meccanismi altamente
  sofistificati e organizzati ed è una parte
  essenziale e integrale del turnover cellulare, un
  fenomeno del pari altamente sofisticato e
  organizzato il cui progressivo rallentamento
  appare essere il principale elemento delle
  manifestazioni dellinvecchiamento.

47
Interrogativi Dove Quando Perché Come Cosa fare
COSA E POSSIBILE FARE?
Strategie per il controllo dellinvecchiamento
48
Uno schema di circa 30 anni fa
49
La mortalità dopo i 60 anni si è ridotta in
misura marginale
50

• Debellando completamente le malattie della
  categoria 2 e 3 di Masoro (rispettivamente
  malattie da fattori estrinseci e malattie
  associate alla vecchiaia) la curva di
  sopravvivenza si avvicinerebbe maggiormente ad
  una forma rettangolare ma la vita media
  aumenterebbe di poco.

51

• Considerando la penosa qualità media della vita
  dei soggetti di età superiore agli 80 anni, una
  medicina ultraefficiente (e anche ultracostosa)
  che permettesse a tutti di raggiungere i 95-100
  anni, sarebbe solo una soluzione assai parziale e
  non certo ottimale del problema.

Pur essendo indispensabile un pieno controllo
delle malattie di cui alle categorie 2 e 3 di
Masoro, il punto principale è il controllo dei
meccanismi alla base degli age changes
(categoria 1 di Masoro)
52

• Visione classica
• Linvecchiamento è un processo ineluttabile.
• Il vivente è condannato ad un inesorabile
  degrado.

Visione alternativa Linvecchiamento è
lamplificazione artificiale di un processo
fisiologico. In linea di principio ogni processo
fisiologico è controllabile.
53
Problematiche da affrontare

• 1) Tecniche
• 2) Bioetiche
• 3) Sociali

54
1) Problematiche tecniche

• Occorre una più approfondita conoscenza dei
  meccanismi che regolano e limitano la
  replicazione cellulare e dei meccanismi di
  turnover cellulare.
• E verosimile che per un efficace controllo
  dellinvecchiamento siano indispensabili
  modifiche genetiche (con le enormi problematiche
  bioetiche connesse, che saranno accennate dopo).

55

• Le attuali metodiche di terapia genica utilizzano
  vettori virali che inseriscono a caso nel DNA la
  sequenza corretta.
• Conseguenze a volte disattivazione di geni
  oncorepressori con risultati fatali.

Non è possibile compiere una precisa selezione
delle cellule in cui deve inserire la
sequenza. Conseguenze molte sequenze sono
inserite in cellule somatiche che con il turnover
cellulare sono poi eliminate e di qui la
transitoria efficacia della terapia.
56

• Pertanto sarà necessario sviluppare metodiche di
  terapia genica che garantiscano con precisione e
  affidabilità assoluta linserimento nei punti
  necessari della sequenza DNA le modifiche
  opportune per una diversa codifica del processo
  dellaumento della mortalità.
• Tale obiettivo è difficoltoso ma in linea di
  principio è conseguibile.

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2) Problematiche bioetiche

• Enormi interrogativi che sorgeranno in campo
  etico, religioso e filosofico allorché si parlerà
  concretamente di modificare la durata della vita
  umana e ciò, in special modo, se tale modifica
  richiederà o sarà ricercata con cambiamenti del
  genoma.
• E facile prevedere fortissime obiezioni
  bioetiche o anche gravi accuse di blasfemia o di
  ?ß???.

58
3) Problematiche sociali

• I cambiamenti della civiltà derivanti da un
  rallentamento della senescenza o addirittura da
  un suo pieno controllo, sarebbero sicuramente
  estremi e pieni di incertezze.
• La nostra civilizzazione alle radici di ogni sua
  struttura organizzativa, tradizione e concetto
  culturale, idea filosofica e credo religioso, è
  basata sui limiti della durata della vita umana e
  sullineludibilità di tali limiti.

59
FINE
Testo integrale e bibliografia nel sito
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