L’analisi del microbiota intestinale nello sportivo

L’ORGANO DIMENTICATO

Le interazioni ospite-microbo si verificano principalmente lungo le superfici della mucosa e una delle

più grandi interfacce è la mucosa intestinale umana. L'intestino è adattato allo scambio bidirezionale di

flora-ospite e ospita una comunità batterica diversa, separata dall'ambiente interno da un solo strato

di cellule epiteliali. I batteri residenti superano di dieci volte le cellule somatiche e germinali umane e

rappresentano un genoma microbico oltre il genoma umano. La flora ha un'attività metabolica pari a un

organo virtuale all'interno di un organo. Sebbene la flora intestinale di un adulto si modifichi con stile di

vita, dieta ed età, l'influenza prevalente del genotipo ospite rispetto ai fattori ambientali sulla diversità

microbica di un individuo è stata dimostrata in uno studio comparativo sulla flora degli adulti con vari

gradi di parentela genetica. La struttura e la composizione della flora intestinale riflettono la selezione

naturale a livello sia microbico che ospite, il che promuove la cooperazione reciproca all'interno e la

stabilità funzionale di questo complesso ecosistema.

Secrezioni di acido, bile e secrezioni pancreatiche

ostacolano la colonizzazione dello stomaco e

dell'intestino tenue prossimale dalla maggior parte

dei batteri. Tuttavia, la densità batterica aumenta

nell'intestino tenue distale e nell'intestino crasso sale a circa 10^11-10^12 batteri per grammo di

contenuto di colon, che contribuisce al 60% della massa fecale. La densità dei batteri aumenta nel

digiuno/ileo dallo stomaco e dal duodeno, e nell'intestino crasso, i batteri colonizzanti raggiungono

densità cellulari più elevate registrate per qualsiasi ecosistema. Sono elencati i generi anaerobici e

aerobi più comuni. Oltre alle variazioni nella composizione della flora lungo l'asse del tratto

gastrointestinale, anche le popolazioni microbiche superficiali aderenti e luminali differiscono, e il

rapporto tra anaerobi e aerobi è inferiore sulle superfici mucose rispetto al lume. L'intestino fetale è

sterile ma la colonizzazione inizia immediatamente dopo la nascita ed è influenzata dalla modalità di

nascita, dalla dieta infantile, dal livello di igiene e dai farmaci utilizzati. Enterobatteri e bifidobatteri

rappresentano i primi colonizzatori, anche se le differenze nella composizione della microflora

intestinale e l'incidenza di infezione si verificano tra i neonati allattati al seno e quelli alimentati con

formula. Sembra che questi batteri pionieristici possano modulare l'espressione genica nell'ospite per

creare un ambiente adatto a se stessi e possano impedire la crescita di altri batteri introdotti

successivamente nell'ecosistema.

COMUNICAZIONE OSPITE FLORA

La difesa dell'ospite richiede un'interpretazione accurata del microambiente per distinguere gli organismi

commensali dai patogeni e una regolazione precisa delle risposte successive. L'epitelio fornisce la

prima linea di difesa sensoriale e il campionamento attivo di batteri residenti, patogeni e altri antigeni

è mediato da tre principali tipi di cellule immunosensoriali.

Rilevazione immunosensoriale dei batteri intestinali

Gli enterociti di superficie secernono molti mediatori

immunitari in risposta agli antigeni, inclusi i peptidi

antibatterici, l'immunoglobulina A (IgA) e le chemochine.

Cellule epiteliali specializzate, chiamate cellule M,

trasportano e rilasciano antigeni a cellule presentanti

l'antigene, che successivamente processano gli antigeni

e li presentano a cellule T naïve. Anche le cellule dendritiche

(DC) che presentano l'antigene esaminano e campionano il

microambiente della mucosa. I recettori di riconoscimento del pattern (PRR) espressi da DC e da

enterociti mediano il rilevamento di antigeni batterici e le DC modulano la risposta immunitaria o la

tolleranza promuovendo le cellule T effettrici o regolatorie. Innanzitutto, gli enterociti di superficie

fungono da sensori afferenti di pericolo all'interno del microambiente luminale secernendo chemochine

e citochine che allertano e dirigono le risposte immunitarie innate e adattative al sito infetto.

In secondo luogo, le cellule M che sovrastano i follicoli linfoidi campionano l'ambiente e trasportano gli

antigeni luminali a cellule dendritiche subadicentranti e altre cellule presentanti l'antigene. In terzo luogo,

le stesse cellule dendritiche intestinali hanno un ruolo immunosensoriale chiave e possono campionare

direttamente il contenuto dell'intestino entrando o estendendo i dendriti tra gli enterociti di superficie

senza interrompere le giunzioni strette. Le cellule dendritiche possono ingerire e trattenere i batteri

commensali vivi e viaggiare verso il linfonodo mesenterico dove le risposte immunitarie ai batteri

commensali sono indotte localmente. Quindi il linfonodo mesenterico impedisce l'accesso dei batteri

commensali all'ambiente interno. La capacità delle cellule immunosensoriali di discriminare i batteri

patogeni da parte dei batteri commensali è mediata, in parte, da due principali pattern di

riconoscimento del pattern (PRR): la famiglia dei recettori Toll-like (TLR) e il dominio di reclutamento

del dominio di oligo merizzazione/caspasi nucleotidico isoforme (NOD / CARD). Questi PRR hanno un

ruolo fondamentale nell'attivazione delle cellule immunitarie in risposta a specifici schemi molecolari

associati ai microbi. Ad esempio, TLR2 è attivato da peptidoglicano e acidi lipotechoici, TLR4 da

lipopolisaccaride, TLR5 da flagellina e NOD1/CARD4 e NOD2/CARD15 funzionano come recettori

intracellulari di subunità peptidoglicano. I TLR e le proteine NOD sono espressi dagli enterociti di

superficie e dalle cellule dendritiche, e nei PRR dell'intestino sembrano essere cruciali per la

comunicazione batterica-ospite. Molti ligandi PRR sono espressi da batteri commensali, tuttavia

l'intestino sano non evoca risposte infiammatorie a questi batteri. Viceversa, alcuni batteri commensali

esercitano effetti protettivi attenuando le risposte pro-infiammatorie indotte da vari batteri

enteropatogeni.

Sistemi che contribuiscono all'omeostasi

Nell'intestino sano, i profili di espressione TLR contribuiscono all'omeostasi. Gli enterociti normali

esprimono bassi livelli di TLR2, TLR4 e il co-recettore MD-2 e mancano di CD14 legato alla membrana,

che è un co-recettore per il lipopolisaccaride. Ci sono state segnalazioni contrastanti relative

all'espressione ristretta di alcuni TLR nell'intestino. In particolare, l'espressione di TLRS in vitro sembra

essere basolaterale, ma TLR5 è espresso su entrambi i poli apicali e basolaterali in vivo. Questo

dimostra che le linee di cellule epiteliali intestinali potrebbero esprimere diversi livelli, o avere una

diversa distribuzione cellulare, dei TLR rispetto alla normale mucosa intestinale. Nelle cellule epiteliali

gastriche, TLR5 può ridistribuire a una localizzazione prevalentemente basolaterale in risposta

all'infezione da Helicobacter pylori, suggerendo che in determinate condizioni TLR5 ridistribuisce alla

membrana basolaterale dove è idealmente posizionato per rilevare la flagellina trasloca. Inoltre, gli

enterociti intestinali esprimono in modo costitutivo o induttivo alti livelli dell'inibitore del TLR, proteina

che interagisce con il Toll (Toll- interacting protein, Tollip). L'espressione Tollip si correla direttamente

con il carico batterico luminale in vivo ed è più alta nella mucosa del colon sana. Gli enterociti di

superficie esprimono anche alti livelli di una molecola inibitoria contenente il recettore Toll/

interleuchina-1 indicata come singola molecola di immunoglobulina correlata a IL-1R (single Ig IL-1-related

receptor - SIGIRR). Gli animali con deficit di SIGIRR sono più suscettibili alla colite indotta

sperimentalmente, suggerendo un ruolo per SIGIRR nella sintonizzazione della tolleranza della mucosa

verso la flora commensale.

MECCANISMI EFFETTORI DELLA FLORA COMMENSALE

Le risposte infiammatorie dell'ospite ai batteri patogeni e ad altri segnali di stress sono controllate dal

fattore nucleare (NF)-kB (Nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells). La maggior

parte dei batteri commensali non attivano NF-kB, ma alcune specie possono frenare i segnali

infiammatori in risposta alla Salmonella typhimurium e alla sua flagellina attraverso vie che sembrano

coinvolgere NF-kB. Illustrazione schematica dei meccanismi mediante i quali alcuni batteri commensali

limitano la segnalazione del fattore nucleare indotto dal patogeno (NF)-kB. Batteri patogeni come la

Salmonella typhimurium attivano l'attivazione delle chinasi IkB, la degradazione di IkBa e la

traslocazione nucleare delle subunità NF-kB p50/p65. Alcuni batteri commensali compensano questi

effetti promuovendo l'esportazione nucleare di p65 attivato attraverso associazioni con il recettore

attivato da proliferatori perossisomiali (PPAR), terminando così l'attivazione del

promotore. Altri batteri commensali inibiscono la degradazione di IkBa. Inoltre, il

DNA probiotico ha dimostrato di limitare le risposte proinfiammatorie indotte dalle

citochine negli enterociti intestinali, ma il preciso impatto immunomodulatore del

DNA commensale biodisponibile in vivo richiede un'indagine. Il mimetismo

molecolare delle molecole ospiti, in cui i batteri mostrano molecole di superficie

simili a quelle della superficie dell'ospite, potrebbe contribuire all'iporesponsività

immunitaria di alcuni batteri residenti.

IL PARTNER SILENZIOSO

La flora intestinale è normalmente un vantaggio per la salute, ma in individui

geneticamente predisposti alcuni componenti della flora possono diventare una

responsabilità. Le risposte immunitarie aberranti agli antigeni luminali sono alla base delle

manifestazioni della malattia infiammatoria intestinale (IBD), che comprende la malattia di Crohn e la

colite ulcerosa, e in individui sensibili, il danno tissutale deriva da una errata percezione immunitaria del

pericolo all'interno della flora indigena o dall'insufficienza della normale tolleranza ai batteri. Non è chiaro

se le risposte infiammatorie nelle IBD siano suscitate in risposta a un sottogruppo specifico di

microbi intestinali o se sia influenzata la tolleranza ai batteri commensali in generale. Le risposte

immunitarie innate alla flora commensale educano il sistema immunitario e influenzano le risposte

adattive agli antigeni esogeni. In determinate circostanze, è stato dimostrato che i batteri commensali

alimentano la progressione verso la neoplasia del colon-retto generando metaboliti reattivi, convertendo

i pro-carcinogeni in cancerogeni. Rapporti recenti suggeriscono che il microbiota intestinale di un

individuo ha una specifica efficienza metabolica e che le differenze nella composizione della flora

intestinale tra gli individui potrebbero regolare l'accumulo di energia e persino una predisposizione

all'obesità. Inoltre, la microflora stessa è un notevole consumatore di energia, e l'aumento di adiposità

ha dimostrato di mediare i cambiamenti nella diversità della flora intestinale. Le terapie convenzionali

per l'IBD colpiscono principalmente le risposte infiammatorie della mucosa, ma il contributo della flora

indigena a certe manifestazioni cliniche è alla base della logica della manipolazione terapeutica,

sfruttando l'uso di farmabiotici. "Farmabiotico" è un termine generico che comprende qualsiasi forma di

sfruttamento terapeutico della flora commensale, compreso l'uso di batteri probiotici vivi, metaboliti

biologicamente attivi derivati dai probiotici, prebiotici, sinbiotici o batteri commensali geneticamente

modificati. Infatti, ci sono prove a supporto di un ruolo terapeutico per strategie probiotiche per il

trattamento di disturbi infiammatori della mucosa come IBD, atopia, infezione, diarrea, cancro e

artrite. Il concetto che la diversità microbica intestinale è legata all'obesità merita un'ampia

esplorazione, e la valutazione delle specie a basso consumo energetico rispetto alle persone obese

potrebbe fornire nuove strategie terapeutiche per l'obesità cronica.

CONCLUSIONI

Il premio Nobel del 2005 in Fisiologia e Medicina assegnato a Robin Warren e Barry Marshall ci ricorda

che la soluzione ad alcune malattie umane non risiede esclusivamente all'interno dell'ospite, ma

piuttosto può essere trovata all'interfaccia con l'ambiente microbico. La manipolazione della flora sta

diventando una strategia terapeutica e profilattica realistica per molte malattie infettive, infiammatorie

e persino neoplastiche nell'intestino. Tuttavia, è improbabile che la promessa di fornire farmabiotici sia

completamente soddisfatta senza una maggiore attenzione ai segreti contenuti nell'organo interno

dimenticato rappresentato dalla microflora enterica. La flora potrebbe essere un ricco repertorio di

metaboliti che possono essere sfruttati a beneficio terapeutico. Elucidare i dettagli molecolari delle

interazioni ospite-flora è, quindi, un prerequisito per un programma di scoperta "bugs to drugs".

IL PORTO DELLE MALATTIE INFETTIVE

Il tratto gastrointestinale è una delle più grandi interfacce tra il mondo esterno e l'ambiente interno

umano. Dalla bocca all'ano, forma un tubo lungo nove metri, che costituisce la seconda superficie più

grande del corpo. Dopo il tratto respiratorio, il tratto gastrointestinale costituisce la seconda area di

superficie corporea, descritta tra 250 e 400 m', o di dimensioni comparabili a un campo da tennis.

Questo apparato si occupa di ridurre le dimensioni delle particelle alimentari, aiuta ad assorbire i

micronutrienti e gli oligoelementi, oltre a definire una barriera fisica e immunologica. La condizione e la

funzione del tratto gastrointestinale sono essenziali per il nostro benessere. Nel corso di una vita

normale, circa 60 tonnellate di cibo passeranno attraverso il tratto gastrointestinale. Il cibo è

ovviamente estremamente importante per il benessere, ma il suo passaggio attraverso il tratto

gastrointestinale può anche costituire una minaccia per la salute. Non sorprende, quindi, che questo

organo sia spesso affetto da malattie infiammatorie e cancro. Mentre il tratto gastrointestinale

funziona per digerire e assorbire i nutrienti, il cibo fornisce anche esposizione ad antigeni alimentari,

microrganismi vitali e prodotti batterici. La mucosa intestinale svolge un ruolo duplice sia escludendo

queste macromolecole e microbi dalla circolazione sistemica e assorbendo nutrienti cruciali. Le

continue sfide alle superfici del tratto gastrointestinale potrebbero essere il motivo per cui la maggior

parte delle celle di superficie ha un rapido turnover; la maggior parte viene sostituita dopo tre o

quattro giorni nell'uomo e qualche volta prima negli animali. Inoltre, la superficie è protetta da grandi

quantità di secrezioni importanti, dalla saliva nella cavità orale alla secrezione del colon nell'intestino

crasso. Queste secrezioni contengono fattori di grande importanza per la lubrificazione della mucosa

e per le funzioni del tratto gastrointestinale ma anche centinaia di ingredienti importanti per la difesa

microbica intraluminale. Le funzioni secretorie sono estremamente sensibili alle sostanze chimiche

estranee. È importante conoscere la fisiologia e la funzione del tratto gastrointestinale al fine di

comprendere le implicazioni fisiopatologiche.

DIGESTIONE, ASSORBIMENTO, ESCREZIONE

La digestione inizia con la masticazione del cibo in bocca. La parte più importante non è tanto la

frantumazione del cibo (masticazione), quanto il mescolamento di questo con la saliva, che permette

di avviare le reazioni chimiche. La saliva è un liquido, prodotto dalle ghiandole salivari, costituito per lo

più da acqua (99%), e, per il restante 1%, da sostanze inorganiche (sali minerali) ed organiche (enzimi

digestivi). Tra gli enzimi digestivi contenuti nella saliva abbiamo la ptialina, o amilasi salivare, che è un

enzima saccarolitico (si occupa di una prima scissione degli zuccheri), il lisozima (enzimantibatterico),

la lipasi (si occupa dell'idrolisi dei grassi). La masticazione è un passo breve ma importante con

un'influenza significativa sul processo digestivo complessivo e in particolare sulla velocità di

svuotamento gastrico. Questa fase, insieme all'attivazione di tutti e cinque i sensi, coordina l'attività

dei riflessi gastrici, mediante il nervo vago che, dando inizio alle contrazioni esofagee e all'attivazione

della secrezione gastrica, "avvisa" lo stomaco che è richiesta la sua attivazione. Il bolo alimentare

derivante da degradazioni meccaniche ed enzimatiche nella bocca viene trasportato attraverso

l'esofago allo stomaco mediante il meccanismo della peristalsi, dove inizia la digestione vera e propria.

La peristalsi è il meccanismo che coinvolge le

contrazioni muscolari che spostano il cibo lungo

tutto il tratto gastrointestinale. Lo sfintere

esofageo e lo sintere pilorico controllano ingresso

e uscita attraverso lo stomaco. Lo stomaco secerne

circa 2000-2500 ml di acido gastrico al giorno, è

caratterizzato da un pH acido (1-4) che

permette di proteggere dall'attacco di molti

microrganismi. L'ambiente acido permette di

avviare la digestione delle proteine, grazie alla conversione del

pepsinogeno in pepsina, inoltre rende i minerali solubili per l'assorbimento e assiste nell'assorbimento

del calcio. Il risultato della fase di digestione è caratterizzato da diverse particelle:

→

Carboidrati monosaccaridi

→

Proteine aminoacidi

→

Grassi glicerolo, acidi grassi

La maggior parte dell'assorbimento avviene nel piccolo intestino, o intestino tenue. Questo è lungo

circa 5-7 m, con un diametro di 2,5 cm e comprende il duodeno (23 cm), il digiuno (2-3 m) e l'ileo

(3-4 m). La superficie è rivestita da villi intestinali, ovvero delle pieghe della parete interna, che

permettono di aumentare la superficie di assorbimento. Attraverso la superficie de