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

Corso di qualità e sicurezza microbiologica nei sistemi alimentari ed ecologia del microbiota umano

Mod. ecologia del microbiota umano

Prof. Diego Mora, Simone Guglielmetti

Parte 2: Simone Guglielmetti, dall’introduzione al sistema immunitario

Sommario

• Introduzione.................................................................................................................... 4 © Laila Pansera - 1
• Principali funzioni del microbiota intestinale.................................................5
• L’intestino agisce come un bioreattore per i carboidrati................................................6
• Dipendenza del microbiota dai carboidrati della dieta: caso studio............................9
• Esiste una trasmissione verticale del microbioma? Caso studio...............................11
• Effetto della dieta sul microbiota intestinale: caso studio bambini italiani-Burkina Faso........................................................................................... 14
• Microbiota intestinale e obesità.................................................................................... 17
• Studio 1: modello murino.......................................................................................... 18
• Studio 2: modello umano.......................................................................................... 20
• Coinvolgimento del microbiota nell’obesità: altri studi.............................................21
• Il microbiota intestinale è coinvolto nell’insorgenza del sovrappeso nei bambini?. . .25
• Effetti degli antibiotici sul microbiota intestinale..........................................................26
• Il microbiota intestinale nell’infanzia.........................................................................30
• L’appendice umana può aiutare in caso di assunzione di antibiotici?.......................34
• Caso studio: morbo di Crohn e appendice.................................................................36
• C. difficile Caso studio: infezione ricorrente da e appendice.....................................38
• Ruolo dell’appendice come riserva del microbiota................................................39
• Trapianto di microbiota fecale...................................................................................41
• Caso studio: FMT tra 2 sorelle................................................................................... 43
• FMT: effetti e implicazioni.......................................................................................... 44
• Attività dannose del microbiota intestinale..................................................................46
• Caso studio: 7-α-deidrossilasi.................................................................................... 47
• Il sistema immunitario.................................................................................................. 50
• Organi del sistema immunitario................................................................................ 51
• Riconoscimento tra sistema immunitario e microrganismi........................................54
• Mediatori chimici del sistema immunitario: le citochine............................................56
• Cellule dendritiche.................................................................................................... 57
• Attivazione linfociti T da parte delle cellule dendritiche............................................58
• Risposta immunitaria ai microrganismi a livello intestinale......................................59
• Effetti del microbiota sul funzionamento del sistema immunitario...........................60
• Casi studio: risposta linfocitaria................................................................................60
• Componenti batteriche coinvolte nelle proprietà immunomodulatorie dei batteri commensali o di origine animale.............................................................................. 62
• © Laila Pansera - 2 Teoria dell’igiene....................................................................................................... 64
• La teoria igienista rivista e ampliata: rapporto microbiota-alimenti-salute...............66
• © Laila Pansera - 3 Introduzione

Introduzione

La microbiologia è una disciplina molto giovane, che nasce nel XIX secolo con Pasteur come disciplina medica. In particolare i postulati di Koch dicevano che data una malattia si trova il microrganismo responsabile, e uccidendo il microrganismo si risolve la malattia. In questo senso il batterio era inteso come qualcosa di negativo da eliminare. Nello stesso periodo c’era già chi aveva una visione differente, come Metchnikoff, che proponeva il consumo di certi batteri per prolungare la vita, in particolare per bloccare le cosiddette putrefazioni intestinali.

Noi ora ci troviamo in mezzo tra la visione che mette i microrganismi come negativi e quella che li vede come positivi. In questa zona vediamo l’interazione diretta tra il microrganismo e l’essere umano o l’animale in generale. In realtà ci sono molti aspetti da considerare che determinano i fenomeni di interazione tra microrganismi e uomo; tra essi sono fondamentali i fattori ambientali, in primis la dieta.

L’essere umano è visto come un olobionte, ossia un super-organismo, definito come l’insieme dell’organismo ospite e di tutti i microrganismi commensali/simbiontici ad esso associati. La teoria olobiontica o ologenomica sostiene che tutti gli animali e le piante ospitano costantemente una abbondante quantità di diversi microrganismi, e afferma che questi microrganismi commensali/simbiotici influenzano in modo molto importante le prestazioni dell’intero olobionte.

Ciò significa che oggi si riesce a dimostrare quali sono le pressioni selettive e ambientali che agiscono sull’insieme genoma umano + genoma dei microrganismi associati, detto ologenoma (o microbioma o metagenoma), che determinano il processo di evoluzione. © Laila Pansera - 4

Questa immagine rappresenta la distribuzione dei microrganismi nel corpo umano e in particolare dei batteri. I microrganismi non sono solo batteri, ma ci sono anche i funghi, le muffe, le microalghe, i lieviti, i protozoi. Di questi elementi non ne parliamo, in primis perché la maggioranza dei microrganismi associati all’uomo sono batteri, soprattutto se pensiamo ai distretti più popolati del nostro corpo (colon, bocca, mucosa vaginale). In secondo luogo le conoscenze che abbiamo sul rapporto microrganismi-uomo sono associate principalmente ai batteri.

Ci concentriamo sui batteri del tratto gastro-intestinale. Il microbiota è un termine generico, sinonimo di microflora. Ricordiamo che la parola microbiota può essere utilizzata per riferirci a qualsiasi ecosistema.

Nel tratto gastro-intestinale abbiamo la più grande abbondanza dei batteri del nostro corpo. Inoltre l’intestino è il punto in cui i batteri possono comunicare con il nostro corpo più che in qualsiasi altro punto, per due ragioni:

• Dimensioni (superficie di contatto 200 m²)
• In alcuni distretti intestinali c’è una separazione tra l’interno e l’esterno molto sottile, dinamica e predisposta ad interagire; è uno strato di enterociti con un turnover molto rapido con al di sotto un tessuto linfatico molto ricco. La finestra del nostro corpo con il mondo esterno è il nostro intestino, in cui avvengono scambi prevalentemente con alimenti e batteri.

Principali funzioni del microbiota intestinale

Il microbiota intestinale è considerato un vero e proprio organo metabolicamente attivo, e le sue funzioni sono:

1. Barriera contro la proliferazione dei patogeni: esclusione competitiva, detta anche colonization resistance o effetto barriera. È un insieme di meccanismi che prevede la competizione per i siti di adesione, la produzione di sostanze antimicrobiche ed altri fenomeni ecologici; se abbiamo una nicchia già colonizzata da certi organismi, quelli che arrivano non trovano possibilità di colonizzarla. Notiamo l’importanza dell’effetto barriera quando esso viene meno, classicamente quando prendiamo antibiotici che distruggono e abbattono moltissimo questo effetto barriera e in quello specifico momento siamo molto più soggetti ad infezione. L’esempio più importante di infezione dovuta all’eliminazione dell’effetto barriera è quello del Clostridium difficile in ambito nosocomiale: se si ha un microbiota sano questo batterio può convivere nell’intestino senza dare problemi, se invece ci troviamo sotto terapia antibiotica, l’eliminazione del microbiota intestinale porta alla proliferazione di queste spore, portando ad una patologia che porta alla morte, se non trattata.
2. Regolazione della maturazione del sistema immunitario e sua modulazione: il microbiota è importante soprattutto dopo la nascita; il latte materno è molto positivo per motivi microbiologici: è il substrato ideale per i bifidobatteri, che sono gli insegnanti del sistema immunitario. Il sistema immunitario è un organo del nostro corpo che nasce immaturo, deve imparare a riconoscere ciò che è positivo da ciò che è dannoso, e questo insegnamento è mediato dai batteri intestinali, soprattutto dopo la nascita.
3. Produzione di vitamine (acido folico, vitamina K, vitamine del gruppo B), soprattutto negli adulti.
4. Regolazione della motilità intestinale: che avviene grazie ai pathway serotoninergici, modulati dai batteri intestinali.
5. Modulazione dell’effetto degli alimenti sull’ospite, ad esempio il microbiota fa un parziale recupero di energia dalle fibre alimentari.

Queste funzioni, senza aggiungere le più moderne, sono tali da giustificare il microbiota intestinale come un vero e proprio organo metabolicamente attivo del nostro organismo.

L’intestino agisce come un bioreattore per i carboidrati

Questo studio mostra che l’intestino, in particolare dall’ileo in poi, è un bioreattore per i carboidrati. I polisaccaridi non digeriti raggiungono le parti distali dell’intestino e sono degradati dai microrganismi. Questi polisaccaridi possono essere di origine endogena, come mucine e glicosfingolipidi, oppure la fibra alimentare (cellulosa, xilano, amido indigerito).

Il fatto che il microbiota intestinale è un bioreattore e che nell’intestino avvengono delle fermentazioni è noto da molto, ma è stato trascurato per molto tempo l’impatto di ciò sulla salute umana. © Laila Pansera - 6

La fibra, che può essere chiamata in molti modi, è la parte edibile delle piante o carboidrati analoghi che resistono alla digestione e assorbimento nel piccolo intestino, e vengono completamente o parzialmente fermentati dell’intestino crasso.

Ci sono differenti carboidrati che possono arrivare al colon e raggiungere una grossa massa di microrganismi, che si trovano in ambiente anaerobio, quindi hanno bisogno di svolgere metabolismi energetici diversi dalla respirazione aerobica. Prevalentemente i batteri intestinali fanno un catabolismo fermentativo (un altro tipo di catabolismo può essere la respirazione anaerobica). La fermentazione porta all’ossidazione dei substrati non completa, non arrivano a CO₂ ma si fermano a prodotti di scarto che sono acidi organici. L’attività di bioreattore è quella di trasformazione dei carboidrati in acidi organici, in particolare di acidi grassi a corta catena (SCFA):

• Acetato
• Butirrato
• Propionato

Ripercorrendo l’iter, i microrganismi fanno l’idrolisi del legame glicosidico con liberazione di zuccheri semplici, che vengono internalizzati dalla cellula che svolge il catabolismo (fermentazione) producendo questi SCFA.

La slide seguente mostra quanto, in media, dei carboidrati giungono al microbiota per la fermentazione; ad esempio 8-40 g/die di amido indigerito è una quantità molto elevata per i microrganismi. La seconda tabella invece mostra le rese di conversione, in maniera abbastanza indicativa, per mostrare come questi carboidrati diventano SCFA. © Laila Pansera - 7

Gli SCFA, che quindi sono cataboliti, cioè i prodotti finali del metabolismo energetico dei microrganismi intestinali, hanno degli effetti noti sull’ospite: a livello cerebrale, piuttosto che nervoso, per i muscoli, il fegato, la pressione sanguigna, l’intestino, etc.

Bifidobacterium bifidum è un batterio presente esclusivamente nell’intestino umano, non si trova altrove e non si riesce a farlo vivere altrove, e ha un genoma piccolo (2.2 Mb -megabasi-, 1800 geni); salta all’occhio la presenza di circa 30 geni (molti) deputati alla degradazione dei polisaccaridi e degli oligosaccaridi. Questo dimostra che questo batterio si è co-evoluto con l’uomo e ha acquisito durante la sua co-evoluzione la capacità di metabolizzare molto efficientemente questi carboidrati, perché arrivavano in grandi quantità nell’intestino umano. Per lo stesso motivo questo batterio non ha una grande capacità di metabolizzare le fonti di azoto. A dimostrazione di questo processo di co-evoluzione, in tutti i ceppi di B. bifidum ci sono circa 9-11 geni che sono in grado idrolizzare la mucina e gli oligosaccaridi del latte materno (che sono l’elemento più irriproducibile nel latte umano, che quindi non si trovano nel latte artificiale). Inoltre questi oligosaccaridi non vengono digeriti dal nostro intestino, ma servono da nutrimento per il microbiota. © Laila Pansera - 8

Uno studio confronta 2 batteri dell’intestino umano e 2 batteri del rumine. Nei batteri intestinali umani, in particolare il Bacteroides thetaiotamicron abbiamo molti geni per la glicosil idrolasi (236 geni), quindi una grande capacità di rompere i legami glicosilici. Essa si tramuta quindi in una grande capacità di adattarsi all’intestino umano.

Dipendenza del microbiota dai carboidrati della dieta: caso studio

Quindi i batteri intestinali si sono evoluti con l’uomo e questa co-evoluzione è spinta dalla dieta, in particolare dai carboidrati (la pressione selettiva è data dai carboidrati della dieta). Questo è dimostrato dal seguente studio: confronto tra microbiota di soggetti sani giapponesi e americani. Da questa analisi è emersa una differenza chiara: i microbioti dei soggetti asiatici hanno la presenza di geni codificanti per gli enzimi agarasi e porfiranasi, delle glicosil idrolasi molto rare. Questi enzimi sono stati trovati in un batterio molto spesso presente nell’intestino, Bacteroides plebeius, ma normalmente presente senza queste attività enzimatiche. Questi polisaccaridi sono presenti nelle alghe, soprattutto nell’alga nori, usata per fare il sushi. © Laila Pansera - 9

Nello studio sono stati esaminati anche i microbioti di soggetti danesi (occidentali che hanno nella loro dieta molti sea-foods, ma non alghe), e non si sono trovati questi enzimi.

Il nesso logico che è sorto è che i giapponesi riescono a digerire meglio il sushi. Dal punto di vista scientifico, partendo dal fatto che è ben noto che il consumo di alghe nella trazione giapponese è consolidato (venivano usate come moneta per pagare le tasse anticamente), è plausibile pensare che ci sia stato un evento unico di trasferimento genico orizzontale (che avviene indipendentemente dalla riproduzione, quando 2 batteri vengono a contatto e si scambiano informazioni). Nel trasferimento sono venuti a contatto 2 microrganismi, uno marino e uno intestinale umano (una Zobellia galactanivorans con un Bacteroidetes). L’alga viene consumata non cotta, per cui è fattibile che il batterio marino sia arrivato a livello intestinale. Tale batterio poi si è trovato in vantaggio rispetto agli altri batteri, per cui è riuscito a diffondersi. Si è poi pensato (ma non dimostrato) che questo trasferimento genico sia stato tramandato mediante trasmissione verticale (non solo batterica, ma umana).

Questo studio dimostra che i carboidrati sono fondamentali nella costituzione del microbiota/microbioma intestinale. La domanda che sorge da questo studio è: è possibile che avvenga un trasferimento del verticale del microbioma? © Laila Pansera - 10

Esiste una trasmissione verticale del microbioma? Caso studio

La risposta viene data da uno studio su un modello murino. In particolare lo studio voleva vedere l’effetto di un certo tipo di carboidrati sul microbiota e microbioma del topo). È un esperimento che riguarda più generazioni di topi. Abbiamo un gruppo di topi definiti umanizzati. Per umanizzare un topo dal punto di vista microbiologico, il topo viene fatto nascere sterile, germ-free, e gli viene trapiantato nell’intestino un campione fecale (microbiota intestinale) in questo caso di un uomo americano di 36 anni adulto, sano. Quindi il topo viene colonizzato coi batteri umani, e siccome il topo mantiene quasi intatto il microbiota umano, è un buon modello.

Nello studio hanno analizzato 2 tipologie di diete:

1. Dieta ricca in carboidrati accessibili al microbiota (high-MAC) per il gruppo di controllo, indicata in verde. Il gruppo di controllo viene alimentato sempre con questa dieta, a parte il periodo di allattamento.
2. Low-MAC, per il gruppo diet-switching; dieta più povera in carboidrati accessibili al microbiota, indicata in arancione. Questa dieta viene fornita dopo 4 settimane di dieta high-MAC nella prima generazione, e dopo lo svezzamento nelle altre generazioni, e viene interrotta per effettuare le ultime 6 settimane di dieta con la high-MAC.

Dalla seconda generazione in poi, in entrambi i gruppi, si sono effettuate 3 settimane di allattamento, e per ogni generazione il punto rosso significa accoppiamento. La fibra è espressa come “fibra residua al detergente neutro” (neutral detergent fiber, NDF).