Ecologia del microbiota umano, parte 2, prof. Simone Guglielmetti

MATURAZIONE DEL SISTEMA IMMUNITARIO A LIVELLO LOCALE E SISTEMICO

Occorre indirizzare il sistema immunitario soprattutto dopo la nascita, grazie ad esempio ai bifidobatteri. Il microbiota può avere un ruolo positivo per l'organismo anche tramite i prodotti dell'attività metabolica microbica, come la produzione di acidi grassi a corta catena.

Casi studio: risposta linfocitaria

1° STUDIO

I topi per indurre risposta Th17 hanno bisogno di batteri (Gram +) filamentosi segmentati. I topi sterili, a differenza di quelli SPF (Specific Pathogen Free, privi di patogeni, topi convenzionali da laboratorio), hanno una buona risposta Th17 IL-17 e IL-22. Se ai topi sterili si aggiungono i batteri filamentosi segmentati, viene ripristinata la risposta Th17. I batteri filamentosi segmentati sono batteri che ricoprono le superfici dell'epitelio e penetrano all'interno dell'enterocita, facendo una vera e propria interazione fisica: contatto e penetrazione stretta tra batterio e cellula.

La mucosa intestinale del topo è necessaria per determinare la risposta alla Th17. Se il topo non ha questi batteri Citrobacter Rodentium, risulta sensibile all'infezione e non dà una risposta linfocitaria Th17, non uccidendo così il batterio. © Laila Pansera - 602° STUDIO

Bacteroides Fragilis è un batterio tipicamente intestinale, che produce un polisaccaride (PSA) che dà delle risposte linfocitarie importanti: mantiene l'equilibrio tra Th1 e Th2, quindi riesce a risolvere gli squilibri nelle risposte immunitarie. Se non c'è questo batterio, il topo ha una prevalenza di Th1 e si innesca uno stato infiammatorio e malattia autoimmune.

Questo tema delle risposte immunitarie è di primaria importanza, legato anche a come i linfociti possono differenziarsi in base ai Th1, Th2 o Th17, ed anche per come l'individuo umano riesce a rispondere agli alimenti (intolleranze).

Questo PSA è una molecola zwitterionica.

(gli zwtterioni sono molecole che hanno cariche totali, sia positive che negative, sulla stessa molecola) che costituisce la capsula di questo batterio e da sola regola una maturazione dei linfociti. Se si dà ad un topo, che ha uno squilibrio immunitario, un batterio privato della capsula lo squilibrio rimane, se invece viene fornito un batterio con questo PSA si arriva ad un equilibrio immunitario. Lo stesso batterio da solo riesce a proteggere anche le infezioni dai patogeni Helicobacter hepaticus intestinali, in questo caso (si trova spesso nei moderni mulini, non è un problema per l'uomo, ma lo è per il topo). © Laila Pansera - 61 Componenti batteriche coinvolte nelle proprietà immunomodulatorie dei batteri commensali o di origine animale Le molecole che riescono ad operare questo tipo di modulazione di risposte immunitarie sono potenzialmente tutte quelle che troviamo associate ad un batterio. I batteri possono avere un effetto sul sistema immunitario.scansione di una cellula batterica con proteina S-layer) Un altro esempio sono i lipopolisaccaridi (LPS), che sono componenti della membranaesterna di alcuni batteri gram-negativi. Queste molecole sono costituite da una parte lipidicae da una parte zuccherina, e sono fondamentali per l'adesione dei batteri alle cellule ospiti eper l'attivazione del sistema immunitario. Inoltre, molti batteri esprimono sulla loro superficie delle proteine di ancoraggio, cheservono per legare il batterio all'ospite. Queste proteine possono essere coinvolte nell'adesionealle cellule dell'ospite o nella formazione di biofilm, che sono aggregati di batteri che siadescono tra loro e alla superficie di un substrato. Infine, alcuni batteri possono esprimere dei flagelli, che sono strutture filamentose chepermettono al batterio di muoversi. I flagelli possono essere riconosciuti dal sistemaimmunitario come segnale di invasione e possono indurre una risposta infiammatoria. In conclusione, le molecole presenti sulla superficie batterica sono fondamentali perl'interazione con il sistema immunitario dell'ospite. Queste molecole possono essereproteine come le S-layer, lipopolisaccaridi come i LPS, proteine di ancoraggio o flagelli.

Scansione dove si notano queste strutture geometriche formate dalle proteine che si autoassemblano a formare questa struttura di rivestimento).

I batteri vengono ingeriti con gli alimenti e arrivano nel nostro intestino; questa proteina è la loro interfaccia con il mondo esterno e il sistema immunitario riesce a riconoscerla e a reagire. Nel caso dei lattobacilli è una risposta tendenzialmente utile, positiva.

Le proteine S-layer di diversi lattobacilli sono state descritte come molecole in grado di mediare proprietà immunomodulantorie a livello locale e sistemico.

La modulazione del sistema immunitario può essere ottenuta attraverso batteri sia commensali (per es. L. acidophilus) sia alimentari (per es. L. helveticus).

Si hanno due batteri, un tipico batterio intestinale che si trova associato alle mucose umane, anche orale ma soprattutto intestinale, spesso impiegato come probiotico. L'altro batterio si trova negli alimenti (per es. L. helveticus).

Come parmigiano eL. acidophilus.grana padano; è filogeneticamente affine a© Laila Pansera - 62

Entrambi hanno proteine S-layer e scatenano una determinata risposta nel sistema immunitario; sono capaci di stimolare l'immunità innata dell'ospite, sebbene con attività immunomodulanti diverse. Ciò significa che per determinare una risposta del sistema immunitario non necessariamente devono essere batteri di origine intestinale ma anche batteri alimentari.

Qualsiasi microrganismo col quale veniamo in contatto, e soprattutto ne veniamo in contatto attraverso gli alimenti, può modulare risposte immunitarie.

Quando troviamo strutture come queste, che determinano una riposta dell'immunità innata si deve parlare di MAMP.

Anche a parità di molecole o di strutture, conta molto l'organizzazione molecolare.

E. coli.

Un esempio sono i batteri Gram -, come Tutti i Gram - hanno l'LPS, elemento strutturale della membrana esterna

della parete di questo batterio. L' LPS è considerato l'endotossina per eccellenza, c'è un recettore dell'immunità innata che riconosce l'LPS e scatena una risposta. Questo tipo di informazione però è troppo generica e vale solo se si riferisce all'endotossina di E.coli. I batteri Gram - di origine marina e Pseudoalteromonas ruthenica sono batteri isolati da ambienti oceanici, non sono batteri con i quali veniamo solitamente a contatto ma hanno la capacità di modulare risposte immunitarie molto interessanti. (a sinistra struttura del LPS funzionale di parete dei batteri Gram -: parte anfipatica inserita nella membrana, core polisaccaridico e parte terminare polisaccaridica, chiamato anche antigene somatico O) Esistono LPS con core a 6 catene alifatiche (esa-acilato = 6 acilazioni) e questa struttura è quella che maggiormente determina risposte infiammatorie: il recettore quandoriconosce un LPS con questa struttura causa una cascata di reazioni che porta a una risposta infiammatoria molto drastica. Un LPS fortemente acilato (esacacilato), E. coli, ad esempio, costituisce un potente stimolo infiammatorio. Pseudoalteromonas, L' LPS però è presente anche in altri batteri come E. coli che è molto simile a quello di Pseudoalteromonas, ma ha una differenza nel grado di acilazione; in questo caso è penta-acilato, gli manca una catena alifatica. Questa singola differenza molecolare cambia completamente il comportamento immunogenico della molecola: anch'essa è riconosciuta dal recettore ma non scatena una risposta infiammatoria. Un LPS meno acilato è meno stimolatorio e addirittura può presentare attività antagonistiche verso E. coli; l'infiammazione indotta da LPS di E. coli è in grado di competere con quando gli si lega non scatena una risposta a cascata: è una molecola antagonista.

Si sta pensando di utilizzarla in ambito clinico. Il mondo microbico è infinitamente vario, anche solo se ci riferiamo all'intestino. Esistono molti esempi simili a quello appena citato che si possono trovare anche subatteri appartenenti alla stessa specie che vivono nell'intestino. E. coli, ad esempio, un ceppo chiamato Nissle 1917, ha un suo LPS e il suo grado di acilazione è sei catene alifatiche, come ma ha una mutazione puntiforme in un gene. L'inattivazione (a causa di questa mutazione puntiforme) del gene wzy (codificante l'enzima O-antigen polimerasi) determina una modifica della struttura dell'LPS. Questa modifica della struttura dell'antigene O dell'LPS determina una riduzione della capacità del batterio Nissle 1917 di resistere ai meccanismi antibatterici di difesa del sangue. Il risultato è che LPS non ha una l'attività proinfiammatoria che hanno tutti gli altri ceppi di E. coli.

Un batterio della stessa specie che ha una singola mutazione di un gene determina una mutazione genetica in una molecola e ciò ne modifica il comportamento immunitario. Questo fa capire sia la biodiversità enorme del mondo microbico ma anche la capacità del sistema immunitario di distinguere molto bene le diverse molecole: riesce a plasmarsi e a cambiare le sue risposte in funzione anche di cambiamenti minimi della struttura di una molecola.

Teoria dell'igiene

Il sistema immunitario è un organo che nasce immaturo, il ruolo di insegnanti lo svolgono i batteri. I microrganismi con cui veniamo in contatto durante la vita aiutano a "educare" il nostro sistema immunitario. Essa è l'educazione alla tolleranza: il sistema immunitario diventa tollerante, quindi riesce a riconoscere in modo adeguato le molecole del sistema immunitario venendo a contatto coi giusti batteri. Il sistema immunitario deve imparare a riconoscere il self dal non-self, il

Il riconoscimento del self avviene in particolare nel timo, mentre il riconoscimento del non-self nell'intestino. La teoria dell'igiene nasce dal fatto che nel mondo occidentale abbiamo una crescita di problematiche come malattie allergiche; la teoria dell'igiene ritiene che questa crescita enorme delle malattie allergiche sia dovuta al fatto che alcuni insegnanti (old friends) non vengono più a contatto col nostro corpo. Rispetto agli anni precedenti si è avuto un cambiamento sin dalle prime fasi di vita; ad esempio se si considera il parto, oggi non avviene più in casa, ma in ospedale, quindi un ambiente più sanificato e con relativamente meno batteri (ma possono esserci patogeni gravi, dal momento che sanificare toglie i microrganismi ma lascia quelli più potenzialmente patogeni). Questo tipo d'idea è stata dimostrata da una