Microbiota intestinale

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1 CORSO DI LAUREA MAGISTRALE SCIENZE DELLA NUTRIZIONE UMANA ANNO ACCADEMICO Corso di Microbiologia Applicata Microbiota intestinale Dott.ssa Claudia Matteucci Dipartimento di Medicina Sperimentale e Chirurgia Università di Roma Tor Vergata

2 MICROBIOTA DELL APPARATO GASTROINTESTINALE Complessa comunità miliardi di cellule filotipi 1 Kg di peso Organo virtuale ausiliario

3 FUNZIONI DEL MICROBIOTA INTESTINALE Influenza l'omeostasi; Influenza lo sviluppo e la fisiologia del corpo umano; Influenza il normale metabolismo; Modula il sistema immunitario; Influenza la suscettibilità alle malattie. [Sommer F. and Bäckhed F., 2013

4 LA COLONIZZAZIONE MICROBICA INTESTINALE Fase 1: acquisizione di parte della flora materna tramite il passaggio nel canale del parto (parto naturale a termine); Fase 2: acquisizione tramite latte materno o formulato; Fase 3: svezzamento; Fase 4: sviluppo della flora acquisita fino alla colonizzazione definitiva (all'incirca intorno ai mesi). Sekirov I. et al., 2010

5 COLONIZZAZIONE INTESTINALE STIMOLA MATURAZIONE DELLA MUCOSA E LE SUE FUNZIONI Tissier H.,1900; Mackie, R.I, et al., 1999; Jiménez, E. et al., 2005; Pettker C.M. et al., 2007; Walker W.A.,2013.

6 MECCANISMI DI RICONOSCIMENTO DEI PATOGENI DA PARTE DELLE CELLULE DELL IMMUNITA INNATA (

7 COLONIZZAZIONE INTESTINALE STIMOLA MATURAZIONE DELLA MUCOSA E LE SUE FUNZIONI Maynard et al. Nature 2012

8 LA COLONIZZAZIONE INTESTINALE Nell'ultimo decennio alcuni studi mostrano come già durante la gravidanza possa iniziare la colonizzazione batterica. Alcune specie batteriche presenti nel microbiota intestinale materno sono state isolate: nel sangue del cordone ombelicale; nel liquido amniotico; nel meconio; nella placenta; e in altre membrane fetali.

9 LA COLONIZZAZIONE INTESTINALE I meccanismi di trasferimento batterico tra madre e feto non sono, però, ancora del tutto chiari. Controllo parziale da parte dell'ambiente materno: il trasferimento transplacentare; l'ingestione di liquido amniotico; la colonizzazione microbica del tratto gastrointestinale neonatale da parte del microbiota materno durante il periodo perinatale; Martìn R. et al., 2004; Thum C. et al., 2012 e l'alimentazione con latte materno.

10 Rautava S. et al., 2012 La cavità amniotica è da sempre stata considerata sterile, ma è ormai noto che alcuni microrganismi con cui viene a contatto il feto provengono dall'intestino materno e giungono tramite la placenta e il liquido amniotico. La maggior parte dei batteri, però, entra in contatto con il neonato durante il parto naturale, tramite l'allattamento al seno e tramite il contatto interumano postnatale.

11 SVILUPPO DEL MICROBIOTA INFANTILE Dopo il parto, diversi microrganismi entrano in contatto con l'intestino del neonato, attraverso il passaggio nel canale del parto. I microrganismi provenienti dalla flora vaginale materna non sono in grado di colonizzare l'intestino del neonato. É riconosciuto come la flora intestinale materna sia una fonte di batteri per il neonato

12 SVILUPPO DEL MICROBIOTA INFANTILE Il neonato viene colonizzato inizialmente da enterobatteri, che possono raggiungere il numero di 10 9 CFU/g di feci. Si può osservare la presenza anche di Streptococchi, Enterococchi e Stafilococchi, mentre ancora non sono presenti batteri anaerobi quali Bifidobatteri, Lattobacilli e Bacteroides spp

13 FATTORI CHE INFLUENZANO LA COLONIZZAZIONE NEONATALE: - Fattori genetici - natura del parto - condizioni di stress o stato infiammatorio della gestante - uso eccessivo di antibiotici durante il periodo perinatale - condizioni igieniche - il tipo di alimentazione (latte materno vs. latti artificiali)

14 IL RUOLO DELLA NUTRIZIONE MATERNA La dieta può avere un forte impatto sullo sviluppo e sull'omeostasi del microbiota. Una diminuzione totale dell'assunzione di carboidrati è associata ad una riduzione del consumo di fibre e di amido resistente, portando ad una diminuzione della concentrazione di microrganismi positivi per la salute.

15 IL LATTE MATERNO Una delle principali componenti del latte materno in grado di influenzare la colonizzazione intestinale sono gli oligosaccaridi. Il latte materno, oltre, a fornire nutrienti e componenti non nutritivi: stimola il sistema immunitario; favorisce lo sviluppo cognitivo; protegge dalle malattie; colonizza e supporta la crescita del microbiota.

16 SVILUPPO DEL MICROBIOTA INFANTILE Nella maggior parte dei bambini allattati al seno o con l'utilizzo di latti artificiali, non esiste una predominanza di una specie batterica. Allattati al seno: Il microbiota risulta dominato principalmente da Bifidobatteri (Bifidobacterium breve), ma vi sono anche Enterococchi, Lattobacilli, Streptococchi ed Enterobatteri. Clostridi e Bacteroides sono residenti non comuni. Alimentati con latti artificiali: Il microbiota risulta dominato principalmente da Bifidobatteri (Bifidobacterium longum e adolescentis), ma vi si riscontrano comunemente anche Clostridi, Enterobatteri, Stafilococchi e Escherichia coli e Bacteroides spp.

17 SVILUPPO DEL MICROBIOTA INFANTILE La capacità della dieta infantile di modificare in modo profondo e duraturo lo sviluppo del sistema immunitario. Il microbiota dei macachi alimentati con nutrizione artificiale era meno ricco di specie e meno diversificato. Importante nella propensione allo sviluppo di risposte immunitarie alle vaccinazioni e all'insorgenza di malattie autoimmuni. Ardeshir, A. et al, 2014; Cotillard A. et al., 2013; Le Chatelier E. et al., 2013.

18 COMPOSIZIONE DEL MICROBIOTA INTESTINALE Per determinare la composizione del microbiota intestinale si utilizza il sequenziamento della subunità piccola ribosomiale (16SrRNA)

19 SPECIE MICROBICHE DOMINANTI FIRMICUTES Ruminococcus, Clostridium, Streptococcus, Bacilli, Lactobacillus, Eubacterium, Faecalibacterium prausnitzii, Roseburia intestinalis BACTEROIDETES Bacteroides, Prevotella, Xylanibacter ACTINOBACTERIA PROTEOBACTERIA VERRUCOMICROBIA EURYARCHAEOTA VIRUS LIEVITI Collinsella, Bifidobacterium Escherichia, Desulfovibrio, Enterobacteriaceae Akkermansia Methanobrevibacter Phage

20 DISTRIBUZIONI MICROBICHE NELL APPARATO GASTROINTESTINALE Brock. Biologia dei microrganismi. Vol 3, microbiologia biomedica. (2012)

21 Conoscere la composizione della popolazione microbica non implica la conoscenza della sua funzione. Le informazioni sulla funzione provengono, in parte, da studi su colture da isolati batterici, che hanno ben caratterizzato il contenuto del genoma e i fenotipi, e in altra parte dal sequenziamento del DNA della comunità microbica.

22 Microbiota orale Microbiota fecale Nonostante le enormi differenze nella composizione del microbiota dell apparato gastrointestinale, i profili funzionali dei geni sono abbastanza simili in diversi individui, e in diverse localizzazioni del corpo.

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24 ENTEROTIPI - La Tipizzazione del microbiota ha evidenziato la presenza di tre varianti predominanti indicate come Enterotipi. - Ogni Enterotipo rappresenta un ecosistema - composto dai batteri colonizzati. - Ciascun Enterotipo possiede caratteristiche filogenetiche e funzionali differenti.

25 ENTEROTIPI ENTEROTIPO 1 ENTEROTIPO 2 ENTEROTIPO 3 Manimozhiyan A et al Enterotypes of the human gut microbiome Nature 2011

26 DIVERSITA FUNZIONALI TRA GLI ENTEROTIPI ENTEROTIPO 1 Bacteroides ENTEROTIPO 2 Prevotella ENTEROTIPO 3 Ruminococcus Degradazione dei carboidrati e delle proteine Degradazione delle glicopreteine della mucina e dei polisaccaridi vegetali Degradazione dei carboidrati e della mucina Manimozhiyan A et al Enterotypes of the human gut microbiome Nature 2011

27 IMPATTO DELLA DIETA NELLA VARIAZIONE DEL MICROBIOTA A bambini di un villaggio rurale africano prevalenza specie che degradano la cellulosa B bambini europei prevalenza specie che degradano i carboidrati De Filippo Impact of diet in shaping gut microbiota revealed by a comparative study in children from Europe and rural Africa PNAS 2010

28 FUNZIONI DEL MICROBIOTA ATTIVITA METABOLICHE Sintesi vitamine (K, B12, Tiamina, Niacina, Riboflavina) Produzione di SCFAs (acetato, propionato, butirrato) Produzione di gas e sostanze odorose (CO 2, CH 4, H 2, H 2 S, NH 3 ) Metabolismo degli acidi biliari (a. desossicolico, a. litocolico) Reazioni di glicosidazione (β- gluconosidasi, α-/β-galattosidasi, α-/βglucosidasi) DIFESA CONTRO PATOGENI Competizione per i recettori sulle cellule ospite Concorrenza per le sostanze nutritive Produzione di batteriocine e sostanze antibiotiche Abbassamento del ph MODULAZIONE ESPRESSIONE GENICA NELLE CELLULE EPITELIALI INTESTINALI creazione habitat favorevoli per flora residente

29 MICROBIOTA e SISTEMA IMMUNITARIO Barriera mucosale IgAs GALT Tessuto linfoide associato all intestino Brown, Sadarangani & Finlay The role of the immune system in governing hostmicrobe interactions in the intestine. Nat Immunol 2013

30 RUOLO DEL MICROBIOTA NELL OMEOSTASI E NELLA DISBIOSI OMEOSTASI Microganismi microflora MAMPs citochine controllo dell infiammazione DISBIOSI Cambiamento delle composizione microbica/microrganismi patogeni PAMPs Citochine proinfiammatorie Maynard et al. Reciprocal interactions of the intestinal microbiota and immune system.. Nature 2012

31 LA DISREGOLAZIONE IMMUNOLOGICA È IL RISULTATO DELLA DISBIOSI TJune L. Round & Sarkis K. Mazmanian. The gut microbiota shapes intestinal immune responses during health and disease Natur Rev Immunology 2009

32 LA DISREGOLAZIONE IMMUNOLOGICA È IL RISULTATO DELLA DISBIOSI Legenda figura diapositiva precedente: A ) Il microbiota sano contiene una composizione equilibrata di più classi di batteri. I commensali sono residenti permanenti di questo complesso ecosistema e non forniscono alcun beneficio o danno per l ospite (almeno alla luce delle conoscenze attuali). I simbionti sono organismi con funzioni di promozione della salute. I pathobionti sono anche essi residenti permanenti del microbiota, ma con la possibilità di indurre una patologia. B) Durante la disbiosi, vi è uno spostamento innaturale nella composizione della flora batterica: il numero di simbiotici sono ridotti e pathobionts sono aumentati. Le varie cause della dispbiosi non sono del tutto chiare, ma è probabile si possono includere i recenti progressi della società nei paesi sviluppati. Il risultato è l'infiammazione non specifica che può predisporre alla malattia infiammatoria in quelle persone geneticamente sensibili. In questo bilancio, i «patogeni» sono organismi opportunisti che causano l'infiammazione rara e acuta.

33 INFIAMMAZIONE «LOW GRADE» LPS LPS TLR4 (tessuto adiposo, fegato, endotelio vasale) CITOCHINE PRO-INFIAMMATORIE FLOGOSI CRONICA LOW DOSE PATOLOGIE CRONICO-DEGENERATIVE E CANCRO

34 ALTERAZIONE DEL MICROBIOTA: CAUSE DELLE DISBIOSI

35 RUOLO DEL MICROBIOTA NELLE PATOLOGIE DELL OSPITE OBESITA / DMT2 AUTISMO IBD/IBS MORBO CELIACO MICROBIOTA CANCRO MALATTIE NEUROLOGICHE PATOLOGIE REUMATICHE DMT1

36 OBESITA E DMT 2 Alterazioni nella composizione e nella capacita metabolica del microbiota nell obesita promuovuono: - l adiposita e influenzano i processi metabolici negli organi periferici, come ad esempio il controllo dell appetito nel SNC; - il rilascio di ormoni dall intestino (PYY e GLP-1) e, in sintesi il deposito di energia o il metabolismo dei lipidi nel tessuto adiposo, nel fegato e nei muscoli. - Le molecole rilasciate dai microrganismi inoltre aumentano la permeabilita intestinale, favorendo l insorgenza di infiammazioni sistemiche e insulinoresistenza.

37 OBESITA E DMT 2 Infiammazione alterazione barriera LPS in circolo Infiammazione Lipogenesi via SRE-BP Steatosi Insulino-resistenza Infiammazione Infiltrazione Macrofagica Insulino-resistenza Inibizione FIAF Aumento LPL Infiammazione Insulino-resistenza Aumento LPL Tremaroli & Bäckhed Functional interactions between the gut microbiota and host metabolism Nature 2012

38 PATOLOGIE INFIAMMATORIE DELL INTESTINO (IBD) AMBIENTE Distruzione delle funzioni dei linfociti Treg e il depauperamento della risposta immunitaria mucosale verso la normale flora batterica Alimentazione GENETICA FATTORI IMMUNITARI Mutazioni nei geni codificanti per il riconoscimento, il processamento e la distruzione dei microrganismi e nelle proteine regolatorie del sistema immunitario. Kalliopi Gkouskou et al. The gut microbiota in mouse models of inflammatory bowel disease - Front. Cell. Infect. Microbiol.2014

39 CANCRO Mutazioni Espressione Oncogeni Silenziamento genico Cancerogenes expansion.htlm

40 PATOLOGIE AUTOIMMUNI Disbiosi Cellule proinfiammatorie Th1-Th 17 Attivazione cellule B Differenziazione in plasma cellule Produzione anticorpi Migrazione nel tessuto sinoviale Attivazione cellule effettrici Cascata infiammatoria Scher & Abramson The microbiome and rheumatoid arthritis Nature Reviews Rheumatology, 2011

41 PATOLOGIE DEL SISTEMA NERVOSO CENTRALE Disbiosi alterazione segnali intestino SNC Ansia Autismo Deficit neurologici Patologie neurologiche Disturbi del comportamento Ajit Kumar Thakur Gut-Microbiota and Mental Health: Current and Future Perspectives J Pharmacol Clin Toxicol 2014

42 TRAPIANTO DEL MICROBIOTA FECALE Infusione di sospensione liquida di feci da donatore sano (enteroclisma /gastroscopia /sondino naso-digiunale) per ristabilire la composizione e la funzionalità del microbiota intestinale in pazienti con patologie gastrointestinali Infezioni intestinali (es. Clostridium difficile) Patologie infiammatorie croniche intestinali (IBD) Pseudocolite membranosa (PMC) Sindrome dell intestino irritabile (IBS)

43 SOMMINISTRAZIONE DI PROBIOTICI E PREBIOTICI Handbook of PREBIOTICS AND PROBIOTICS INGREDIENTS Health Benefits and Food Applications Lactobacillus paracasei subsp paracasei Lactobacillus plantarum Pediococcus pentosaceus Bifidobacterium longum R0175

44 INTERVENTO NUTRIZIONALE E stato dimostrato che in soggetti geneticamente predisposti, la dieta ricca in acidi grassi saturi è responsabile di significative alterazioni delle condizioni microambientali intestinali soprattutto in termini di caratteristiche fenotipiche del microbiota Tsukumo et al. Translational research into gut microbiota: new horizons in obesity treatment Turnbaugh et al. A core gut microbiome in obese and lean twins. Nature 2009 Turnbaugh et al. Microbial ecology: Human gut microbes associated with obesity Nature 2006

45 DISTRIBUZIONE DI FIRMICUTES E BACTEROIDETES IN INDIVIDUI MAGRI E IN SOGGETTI OBESI: EFFETTO DELLA DIETA CORRELAZIONE CON IL CALO PONDERALE Composizione della flora batterica intestinale in soggetti normopeso ed obesi prima e dopo 52 settimane di: DIETA a basso contenuto carboidrati (CARB-R) DIETA a basso contenuto di grassi (FAT-R) Correlazione tra l incremento dei Bacteroidetes e la percentuale di decremento ponderale nelle due diete ipocaloriche. Ley et al. Microbial ecology: Human gut microbes associated with obesity. Nature2006