Impatto della dieta Mediterranea sul microbiota intestinale e sulla promozione della salute

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1 Villa di Breme Forno Cinisello B. 18 febbraio 2016 Impatto della dieta Mediterranea sul microbiota intestinale e sulla promozione della salute Rosario Musumeci

2 Definizioni (I): Batteri commensali microorganismi presenti sulle superfici corporee che sono rivestite da cellule epiteliali e che sono esposti all ambiente esterno (tratto gastro-intestinale, tratto respiratorio, vagina, cute, etc. I batteri commensali sono considerati self dal sistema immunitario Pathobiont Batteri che normalmente sono simbiontici ma che hanno il potenziale di divenire patologici in certe condizioni Disbiosi intestinale Un cambiamento non fisiologico del microbiota intestinale che potrebbe provenire dalla dieta, stress psicologico o fisico, antibiotici o radiazioni associato ad un sbilanciamento tra batteri innocui e batteri patogeni Microbiota umano (microflora) si riferisce ai migliaia di miliardi (10 12 ) di cellule microbiche proprie di ciascuna persona, residenti specialmente nell intestino

3 Definizioni (II): Microbioma umano L intera collezione di geni ritrovati in tutti i microbi associati ad un particolare ospite Metagenoma umano Un metagenoma è comprensivo di tutti gli elementi genetici dell ospite e di tutti i microorganismi (microbioma) che vivono dentro e sulla superficie di esso Metagenomica E la scienza che studia i genomi collettivi dei membri di una comunità microbica, in modo tale da offrire l opportunità di descrivere i diversi abitanti dell ospite, molti dei quali non possono ad oggi essere coltivati in vitro Metagenomica funzionale La tecnica diretta a connettere specifici phyla microbici a specifiche funzioni nell ambiente

4 Definizioni (III): Prebiotici (fibre funzionali o dietetiche) Ingrediente fermentato selezionato che permette modificazioni specifiche sia nella composizione che nell attività della microflora intestinale, che conferisce effetti benefici nei confronti della salute e benessere dell ospite Probiotico Microorganismi vivi che, quando somministrati in quantità adeguata, conferiscono un salutare beneficio per l organismo dell ospite Simbiotico Supplementi nutrizionali che combinano probiotici e prebiotici in forma sinergica Alimentazione curativa (medical food) Cibo somministrato sotto la supervisione di un medico e specifico per una particolare gestione alimentare di una patologia per la quale sono ben stabiliti i requisiti nutrizionali

5 Microbes are all over us There are millions of microbes per square inch on your body Thousands of different species on the skin alone Some thrive on dry patches of the elbow, others thrive in moist environment of armpit It is estimated that there are more microbes in your intestine than there are human cells in your body! dow_-_upper.png Summer 2012 Workshop in Biology and Multimedia for High School Teachers

6 Cosa è il Microbioma Umano? Microbi: piccoli organismi viventi, quali batteri, funghi, protozoi o virus Microbioma: l insieme di tutti I microbi nel corpo umano; una comunità di microbi Biofilm: una comunità di microbi capaci di vivere insieme su una qualsiasi superficie animata o non Summer 2012 Workshop in Biology and Multimedia for High School Teachers

7 source: Scientific American 7

8 8 Principle of interdependence in our bodies Bacteria in human guts are similar to members of an ecosystem. They have specific nutrient requirements and have a complex dependence on one-another. This is why affecting one group can affect another

9 9 National Institute of Health Cosa significa microbioma? Quali tipi di microbi convivono nell uomo?

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11 Batteri intestinali: il Microbioma* Rappresentano più di 9 milioni di geni differenti (paragonati al nostro corredo genico di geni) Distrutti ad es. da pesticidi, antibiotici, tagli cesarei Well beyond obvious GI conditions such as irritable bowel and colorectal cancer, researchers have also found connections between microbiome changes and depression, Alzheimer's, autism, fibromyalgia, multiple sclerosis, even diabetes. *Erik Goldman. Welcome to the Microbiome: Holistic Medicine s New Frontier. Holistic Primary Care, Sunday, 24 August :17.

12 Più di specie microbiche identificate nel corpo umano di cui costituenti la flora intestinale Circa il 91% delle cellule formanti il nostro corpo sono di tipo NON-umano!!! Il microbioma contribuisce per il 99,7% del materiale genetico che codifica per proteine nel nostro corpo. 12

13 Alcune funzioni di batteri utili per il nostro sistema immunitario: Addestrare il nostro sistema immunitario a riconoscere e distruggere I batteri patogeni Diminuire l attività cancerogenica Proteggere nei confronti di batteri nocivi produrre alcuni antibiotici redurre le infezioni respiratorie come il comune raffreddore 13

14 Il Microbioma in tenera età* L essere umano è un superorganismo a prevalenza microbica L adeguata contaminazione da parte del microbiota alla nascita è essenziale per la protezione dal rischio di insorgenza di diabete di tipo 1 e da diverse malattie infettive Urge proteggere il microbiota dai rischi ambientali *RR Dietert, Birth Defects Research Part B: Developmental and Reproductive Toxicology 101(4), , Aug. 2014

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17 Superficie interna del tratto gastrointestinale: m 2 Bengmark Gut 1998;42:2-7

18 MICROBIOTA : distribuzione nel tratto gastrointestinale Intestino tenue Esofago Stomaco Colon ascendente Colon trasverso Colon discendente Sigma Retto Nello stomaco la crescita batterica è inibita (ph = 3) 1 La concentrazione batterica aumenta progressivamente lungo il tenue 1 Oltre la valvola ileo-cecale si raggiungono concentrazioni batteriche pari a UFC/ml 1 Il microbiota costituisce il 35-50% del volume del contenuto del colon Nel colon, il 99% della flora batterica è anaerobia 1 1. Posserud I et al. Gut 2007;56: Singh V et al. FEMS Immunol Med Microbiol 2008;1-7

19 Barriera intestinale Funzione dicotomica discriminante : 1) Assorbimento e permeabilità : nutrienti, acqua, elettroliti 2)Difesa attraverso esclusione dei patogeni ( microorganismi e tossine)

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21 Barriera con funzione alterata Funzione dicotomica non più discriminante: Alterato assorbimento e/o mancata esclusione di patogeni Anarchia della risposta immune ALLERGIA ALIMENTARE CELIACHIA MAL. INFIAM. CRONICHE STEATOEPATITE

22 Cosa fanno i Probiotici Batteriocine Defensine (dalle cellule di Paneth) Mizock et al, Disease-a-Month, 2015

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24 I prodotti della fermentazione batterica come regolatori della microecologia e fisiologia del colon La maggior parte dei gruppi batterici del colon (Bacteroides, Bifidobacterium, Eubacterium, Lactobacillus e Clostridium) è saccarolitica, tuttavia esistono notevoli differenze sia per le capacità degradative sia per le cinetiche di crescita. Mentre i bifidobatteri sviluppano con elevate velocità di crescita in presenza di elevate concentrazioni di carboidrati, i Bacteroides sono competitivi in condizioni di limitazione di fonte di carbonio e si sviluppano a basse velocità di crescita.

25 I principali prodotti della fermentazione dei carboidrati sono gli acidi grassi a catena corta (SCFA, Short Chain Fatty Acids): - acetato - propionato - butirrato - lattato - alcuni gas (CO 2, H 2, CH 4 ) - calore I prodotti della fermentazione batterica L acido lattico, prodotto in grandi quantità da Bifidobatteri e batteri lattici, viene velocemente fermentato da altri batteri Attraverso la produzione di SCFA si instaurano importanti interazioni di cross-feeding metabolico tra diverse specie del microbiota poiché molti prodotti dalla fermentazione dei carboidrati complessi (quali acetato, lattato, succinato e acidi grassi ramificati) sono riutilizzati dalla comunità microbica

26 I prodotti della fermentazione batterica Circa il 95% degli SCFA prodotti dalla microflora intestinale viene rapidamente assorbito dai colonociti. Dopo essere stati assorbiti, gli SCFA vengono metabolizzati: - dalle cellule dell epitelio del cieco e del colon che utilizzano il butirrato come principale fonte di energia - dagli epatociti che metabolizzano parte del butirrato ed il propionato per la gluconeogenesi ed assorbono parte dell acetato - dalle cellule muscolari che traggono energia dall ossidazione dell acetato residuo

27 Funzioni degli SCFA - nutriliti - modulazione del ph (abbassamento) - modulazione del volume intracellulare dei colonociti - trasporto del ferro L abbassamento del ph: - influenza la composizione della microflora intestinale, riduce lo sviluppo di clostridi patogeni e di batteri proteolitici e putrefattivi - favorisce l assorbimento dei minerali - riduce l assorbimento dell ammoniaca e delle ammine trasformandole nelle corrispondenti forme protonate molto meno diffusibili

28 Il Metabolismo Fermentativo vs quello Proteolitico Le proteasi prodotte dai gruppi microbici proteolitici idrolizzano le proteine ad aminoacidi e peptidi semplici, che rappresentano un importante fonte di azoto per l intero microbiota Clostridium Bacteroides Peptococcus Eubacterium principali batteri proteolitici a livello intestinale La secrezione di proteasi da parte di questi gruppi microbici avviene in risposta alla limitazione di nutrienti e ha luogo principalmente a livello del colon discendente. Lungo il transito nell intestino crasso la concentrazione dei carboidrati fermentabili si riduce gradualmente fino all esaurimento facendo sì che il metabolismo fermentativo ceda il passo a quello proteolitico putrefattivo, come evidenziato dal progressivo aumento del ph.

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30 I Prebiotici Definizione: sostanze di origine alimentare non digeribili (per lo più appartenenti alla classe chimica degli zuccheri o delle fibre alimentari solubili presenti in frutta e verdura) che, se ingerite in quantità adeguata (5g/die), sono in grado di favorire selettivamente la crescita e/o l attività di uno o più microrganismi tra quelli già presenti nella flora batterica intestinale o tra quelli contestualmente somministrati come probiotici. I requisiti specifici sono: resistenza ai succhi gastrici, all idrolisi da parte di enzimi umani fermentazione da parte della microflora intestinale Un prebiotico è considerato buono se contiene almeno 3 grammi di sostanza prebiotica

31 Prebiotici: I Frutto-oligosaccaridi (FOS) come bifidogeni Frutto-oligosaccaridi (FOS): sono oligosaccaridi a catena corta costituiti da D-fruttosio e D-glucosio; sono prebiotici molto utilizzati, anche in associazione con probiotici, in alimenti o integratori (in tal caso la dose è di 10 g al giorno) sono molecole naturali che si trovano in diverse varietà di piante e frutti (cipolla, gli asparagi, l aglio, il pomodoro, il carciofo, la banana) Una volta assunti non vengono digeriti dagli enzimi intestinali dell intestino tenue e così raggiungono intatti il colon dove si trova un elevato numero di batteri metabolicamente attivi. La proprietà prebiotica dei FOS risiede nella stimolazione della crescita dei Bifidobatteri. I batteri patogeni e putrefattivi non riescono a rompere i legami chimici dei FOS. Si ottiene quindi uno sviluppo selettivo degli organismi benefici con contemporanea riduzione del ph del colon che lo rende inabitabile per batteri potenzialmente patogeni come il Clostridium. In termini legislativi i FOS sono considerati come ingredienti alimentari (e non additivi) e definibili come fibre dietetiche

32 I Prebiotici: L Inulina chimicamente appartiene alla famiglia dei fruttani e può essere estratta dalla radice della cicoria ed è presente, in quantità modeste, in vegetali di consumo abbastanza comune, come l aglio, la cipolla, gli asparagi, i carciofi ed il radicchio. Studi fatti rivelano che l'assunzione di inulina comporta uno spiccato aumento nel tratto intestinale della presenza di Bifidobatteri e Lattobacilli. L inulina incrementa i livelli di acido butirrico nel grosso intestino, ed è noto che questa sostanza ha azione protettiva contro le malattie infiammatorie e neoplastiche del colon.

33 da Marinelli L

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35 Interplay Between Medicine and Microbes Antibiotics Chemotherapy drugs Kills infectious bacteria but also disrupts natural flora. Can result in yeast infections, digestive problems, etc. Gut flora has been shown to modify some drugs during metabolism. This causes many side effects, including upset stomach. Summer 2012 Workshop in Biology and Multimedia for High School Teachers

36 Antibiotics Cause Obesity* Obese and lean humans differ in microbiota In humans, antibiotics early in life are associated with increased risk of being overweight later in childhood Antibiotics are used in farm animals to promote growth In mouse studies, certain bacteria are preferentially harmed and the imbalance is sustained after antibiotics are no longer administered *LM Cox et al., Cell 158, , August 14, 2014.

37 Disrupted Gut Bacteria Lead to Obesity* *LM Cox et al., Cell 158, , August 14, 2014

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