Microbiota intestinale

Dott.ssa Claudia Matteucci

Dipartimento di Medicina Sperimentale e Chirurgia

Università di Roma “Tor Vergata”

CORSO DI LAUREA MAGISTRALE

SCIENZE DELLA NUTRIZIONE UMANAANNO ACCADEMICO 2014-2015

Corso di Microbiologia Applicata

Complessa comunità

+ 100 miliardi di cellule

+1000 filotipi

1 Kg di peso

Organo virtuale

ausiliario

MICROBIOTA DELL’APPARATO

GASTROINTESTINALE

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.

FUNZIONI DEL MICROBIOTA INTESTINALE

[Sommer F. and Bäckhed F., 2013

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 12-18 mesi).

Sekirov I. et al., 2010

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.

(http://www.imm-bonn.de/research/hornung-group/research-hornung-group.html).

MECCANISMI DI RICONOSCIMENTO DEI PATOGENI

DA PARTE DELLE CELLULE DELL’IMMUNITA INNATA

COLONIZZAZIONE INTESTINALE STIMOLA MATURAZIONE

DELLA MUCOSA E LE SUE FUNZIONI

Maynard et al. Nature 2012

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.

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;

e l'alimentazione con latte

materno.Martìn R. et al., 2004; Thum C. 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.

Rautava S. et al., 2012

I microrganismi provenienti dalla flora

vaginale materna non sono in grado di

colonizzare l'intestino del neonato.

Dopo il parto, diversi microrganismi entrano in

contatto con l'intestino del neonato, attraverso il

passaggio nel canale del parto.

É riconosciuto come la flora intestinale materna

sia una fonte di batteri per il neonato

SVILUPPO DEL MICROBIOTA INFANTILE

Il neonato viene colonizzato inizialmente da

enterobatteri, che possono raggiungere il numero di

109 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

SVILUPPO DEL MICROBIOTA INFANTILE

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)

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.

Una delle principali componenti del latte materno in

grado di influenzare la colonizzazione intestinale

sono gli oligosaccaridi.

IL LATTE MATERNO

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.

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.

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.

SVILUPPO DEL MICROBIOTA INFANTILE

Per determinare la composizione

del microbiota intestinale

si utilizza il sequenziamento della

subunità piccola ribosomiale (16SrRNA)

COMPOSIZIONE DEL MICROBIOTA INTESTINALE

FIRMICUTES

BACTEROIDETES

ACTINOBACTERIA

PROTEOBACTERIA

VERRUCOMICROBIA

EURYARCHAEOTA

VIRUS

LIEVITI

Ruminococcus, Clostridium, Streptococcus,

Bacilli, Lactobacillus, Eubacterium,

Faecalibacterium prausnitzii, Roseburia

intestinalis

Bacteroides, Prevotella, Xylanibacter

Collinsella, Bifidobacterium

Escherichia, Desulfovibrio, Enterobacteriaceae

Akkermansia

Methanobrevibacter

Phage

SPECIE MICROBICHE DOMINANTI

Brock. Biologia dei microrganismi. Vol 3, microbiologia biomedica. (2012)

DISTRIBUZIONI MICROBICHE NELL’APPARATO GASTROINTESTINALE

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.

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.

Mic

rob

iota

fec

ale

Mic

rob

iota

ora

le

- 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.

ENTEROTIPI

ENTEROTIPO 3ENTEROTIPO 2ENTEROTIPO 1

ENTEROTIPI

Manimozhiyan A et al Enterotypes of the human gut microbiome Nature 2011

ENTEROTIPO 1Bacteroides

ENTEROTIPO 2Prevotella

ENTEROTIPO 3Ruminococcus

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

DIVERSITA’ FUNZIONALI TRA GLI ENTEROTIPI

IMPATTO DELLA DIETA NELLA VARIAZIONE DEL MICROBIOTA

De Filippo Impact of diet in shaping gut microbiota revealed by a comparative study in children from Europe and rural Africa PNAS 2010

A – bambini di un villaggio rurale africano prevalenza specie

che degradano la cellulosa

B – bambini europei prevalenza specie che degradano i carboidrati

ATTIVITA’ METABOLICHE Sintesi vitamine (K, B12, Tiamina, Niacina, Riboflavina)

Produzione di SCFAs (acetato, propionato, butirrato)

Produzione di gas e sostanze odorose (CO2, CH4, H2, H2S, NH3)

Metabolismo degli acidi biliari (a. desossicolico, a. litocolico)

Reazioni di glicosidazione (β- gluconosidasi, α-/β-galattosidasi, α-/β-glucosidasi)

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

FUNZIONI DEL MICROBIOTA

Brown, Sadarangani & Finlay The role of the immune system in governing host-microbe interactions in the intestine. Nat Immunol 2013

Barriera

mucosale

IgAs

GALT

Tessuto linfoide

associato

all’intestino

MICROBIOTA e SISTEMA IMMUNITARIO

Maynard et al. Reciprocal interactions of the intestinal microbiotaand immune system.. Nature 2012

OMEOSTASI

DISBIOSI

Microganismi microfloraMAMPs citochine controllo dell’infiammazione

Cambiamento delle composizione microbica/Microrganismi patogeniPAMPs Citochine pro-infiammatorie

RUOLO DEL MICROBIOTA NELL’OMEOSTASI

E NELLA DISBIOSI

TJune L. Round & Sarkis K. Mazmanian. The gut microbiota shapes intestinal immune responses during health and disease Natur Rev Immunology 2009

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.

LA DISREGOLAZIONE IMMUNOLOGICA È IL RISULTATO DELLA DISBIOSI

LPSTLR4 (tessuto adiposo, fegato, endotelio vasale)

CITOCHINE PRO-INFIAMMATORIE FLOGOSI CRONICA “LOW DOSE”

PATOLOGIE CRONICO-DEGENERATIVE

E CANCRO

LPS

INFIAMMAZIONE «LOW GRADE»

ALTERAZIONE DEL MICROBIOTA:

CAUSE DELLE DISBIOSI

RUOLO DEL MICROBIOTA NELLE PATOLOGIE DELL’OSPITE

MICROBIOTA

IBD/IBS

PATOLOGIE REUMATICHE

OBESITA’ / DMT2

DMT1

MORBO CELIACO

CANCRO

MALATTIE NEUROLOGICHE

AUTISMO

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 insulino-

resistenza.

OBESITA’ E DMT2

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

OBESITA’ E DMT2

AMBIENTE

FATTORI IMMUNITARI

GENETICA

Mutazioni nei geni codificanti per il

riconoscimento, il processamento e la

distruzione dei microrganismi e nelle

proteine regolatorie del sistema

immunitario.

Distruzione delle funzioni dei linfociti Treg e il

depauperamento della risposta immunitaria

mucosale verso la normale flora batterica

Alimentazione

Kalliopi Gkouskou et al. The gut microbiota in mouse models of inflammatory bowel disease - Front. Cell. Infect. Microbiol.2014

PATOLOGIE INFIAMMATORIE DELL’INTESTINO (IBD)

http://cancerdiscovery.aacrijournals.org/content/3/4/384/F1. expansion.htlm

Mutazioni

Espressione

Oncogeni

Silenziamento

genico

Cancerogenesi

CANCRO

Scher & Abramson The microbiome and rheumatoid arthritis Nature Reviews Rheumatology , 2011

Disbiosi

Cellule proinfiammatorie

Th1-Th 17

Attivazione cellule B

Differenziazione in plasma

cellule

Produzione anticorpi

Migrazione nel tessuto

sinoviale

Attivazione cellule effettrici

Cascata infiammatoria

PATOLOGIE AUTOIMMUNI

Ajit Kumar Thakur Gut-Microbiota and Mental Health: Current and Future Perspectives J Pharmacol Clin Toxicol 2014

Ansia

Autismo

Deficit neurologici

Patologie

neurologiche

Disturbi del

comportamento

Disbiosi alterazione segnali intestino SNC

PATOLOGIE DEL SISTEMA NERVOSO CENTRALE

Infezioni intestinali (es. Clostridium difficile)

Patologie infiammatorie croniche intestinali (IBD)

Pseudocolite membranosa (PMC)

Sindrome dell’intestino irritabile (IBS)

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

TRAPIANTO DEL MICROBIOTA FECALE

Lactobacillus paracasei subsp paracaseiLactobacillus plantarumPediococcus pentosaceusBifidobacterium longum R0175Handbook of PREBIOTICS AND PROBIOTICS INGREDIENTS Health

Benefits and Food Applications

SOMMINISTRAZIONE DI PROBIOTICI E PREBIOTICI

E’ stato dimostrato che in soggetti geneticamente predisposti, la dieta ricca in acidi grassi saturi è responsabile di significative alterazioni delle condizioni microambientaliintestinali soprattutto in termini di caratteristiche fenotipiche del microbiota

Tsukumo et al. Translational research into gut microbiota: new horizons in obesity treatment. 2009Turnbaugh et al. A core gut microbiome in obese and lean twins. Nature 2009Turnbaugh et al. Microbial ecology: Human gut microbes associated with obesity Nature 2006

INTERVENTO NUTRIZIONALE

Ley et al. Microbial ecology: Human gut microbes associated with obesity. Nature2006

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.

DISTRIBUZIONE DI FIRMICUTES E BACTEROIDETES

IN INDIVIDUI MAGRI E IN SOGGETTI OBESI:

EFFETTO DELLA DIETA CORRELAZIONE CON IL CALO PONDERALE