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La persistenza paga nel microbioma intestinale umano

Il microbioma intestinale umano è parte integrante e permanente di noi. Tuttavia, non tutte le specie microbiche sono ugualmente persistenti per tutta la loro vita, alcuni batteri preferiscono uno stile di vita “viaggiatore” passando spesso da un ospite all’altro (eredipersistente), mentre altri possono rimanere non solo con noi per lungo tempo, ma hanno anche una maggiore possibilità di essere ereditato nei nostri figli (tenace).
CREDITO: Earlham Institute/Quadram Institute/EMBL

Il microbioma intestinale umano è una complessa comunità di trilioni di microbi che interagiscono costantemente tra loro e con il nostro corpo. Supporta il nostro benessere, il sistema immunitario e la salute mentale, ma come si sostiene?

Ricercatori nel Regno Unito e in Germania, insieme ad altri collaboratori internazionali, hanno studiato l’evoluzione dei batteri nel microbioma intestinale umano, chiedendosi come questi microbi persistono nel corso della loro vita, tenendo conto dei fattori di influenza interni ed esterni.

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I risultati dello studio aiuteranno a informare i probiotici su misura, i batteri vivi presenti in particolari alimenti o integratori, nonché interventi dietetici o medici, per trattare le malattie intestinali e mantenere un microbioma intestinale sano.

Mantenere una popolazione microbica intestinale stabile e sana è reciprocamente vantaggiosa per noi e per i batteri. In cambio di nutrimento e un habitat confortevole, la comunità dei microbi restituisce il favore fornendoci benefici per la salute, che ora stiamo iniziando a capire.

L’autore principale e leader del gruppo, il dott. Falk Hildebrand del Quadram Institute e dell’Earlham Institute, spiega: “Sappiamo che alcuni microbi ci colonizzano alla nascita e alcuni possono vivere con noi per decenni. Tuttavia, sebbene gli studi abbiano esaminato singole specie di microbi, il i meccanismi e la scala di persistenza nel microbioma nel suo insieme non sono stati esplorati”.

Per esaminarlo, un team di scienziati dell’Earlham Institute e del Quadram Institute nel Norwich Research Park, insieme al Laboratorio europeo di biologia molecolare (EMBL) in Germania, ha utilizzato la metagenomica per analizzare le strategie evolutive e la persistenza di diversi batteri nell’intestino umano microbioma.

La metagenomica è lo studio di tutti i geni di molti organismi diversi in una popolazione. In termini di microbioma intestinale umano, questo processo non solo fornisce informazioni dettagliate sui ceppi batterici presenti, ma indica anche le capacità di miglioramento di quei diversi ceppi, in base alla loro genetica, per mantenere l’intestino in buone condizioni.

Dall’analisi dei campioni di feci, il team ha riesaminato i metagenomi di oltre 2.000 campioni di adulti e neonati, inclusi diversi delle stesse famiglie, e ha trovato tre principali strategie di dispersione alla base della persistenza batterica dell’intestino umano. I dati provengono da studi precedentemente pubblicati che esaminano i cambiamenti del microbioma nel tempo, con ogni individuo che fornisce in media 2-3 campioni a diversi mesi di distanza.

L’ultimo autore e direttore dell’EMBL Heidelberg (Attività scientifiche) Prof Peer Bork, ha dichiarato: “Esaminando le serie temporali di individui e membri della famiglia e sovrapponendole a informazioni geografiche, che vanno dalla famiglia alla città al paese, abbiamo identificato gruppi di ceppi batterici che mostrano diverse strategie di dispersione. Ciò ha presentato modelli di persistenza molto diversi nell’ospite, diffusione regionale e distribuzioni geografiche di centinaia di specie batteriche”.

I dati sono stati incorporati in un set di dati diversificato di 5.278 metagenomi, che sono stati sondati per analizzare i modelli di persistenza nei diversi tipi di batteri e come questi sono stati influenzati dai fattori comuni: età, membri della famiglia, regione geografica e uso di antibiotici.

“La nostra analisi mostra che la maggior parte dei ceppi di batteri presenti nel microbioma sono molto persistenti, con le probabilità che un ceppo persista per almeno un anno di oltre il 90%”, ha affermato il dott. Hildebrand.

“Alcune specie di microbi hanno mostrato differenze consistenti essendo gruppi tassonomici altamente persistenti, o essendo poco persistenti, basandosi maggiormente sugli scambi tra i membri della famiglia. Nei bambini, tuttavia, la persistenza media dei ceppi batterici è scesa all’80%. Questo non è inaspettato ; sappiamo che soprattutto nei neonati c’è uno scambio continuo di microbi intestinali”.

Il professor Bork, ha aggiunto: “Ciò che lo studio mostra è che i livelli di persistenza intrinseca dei batteri osservati negli adulti si riflettono anche nei bambini e gradualmente iniziamo ad acquisire quei batteri persistenti fino a circa dieci anni, a quel punto il microbioma raggiunge uno stato stazionario”.

“Gli antibiotici hanno avuto effetti diversi su diversi tipi di batteri, con l’effetto complessivo che dipende da quanto sono resilienti i diversi batteri, dalla loro persistenza intrinseca e fino a che punto erano sostituibili all’interno del microbioma”.

Per approfondire ciò che guida la persistenza, i ricercatori hanno confrontato le comunità di microbiomi oltre un livello individuale, ma anche tra famiglie, paesi e regioni. Ciò ha permesso loro di raggruppare i batteri in base alle loro caratteristiche di persistenza e, attraverso l’analisi genomica, cercare indizi sull’evoluzione delle strategie di questi gruppi nella dispersione tra i nuovi ospiti umani.

Perseveranza tenace

Il primo gruppo, chiamato batteri “tenaci”, era il più persistente e ben adattato per la sopravvivenza nell’intestino umano. Ad esempio, questi batteri sono stati in grado di sopravvivere passando a diverse fonti di nutrimento mentre l’ospite si spostava dall’infanzia all’età adulta.

I batteri tenaci, tuttavia, sono quelli che hanno maggiori probabilità di essere persi dal microbioma a seguito dell’uso di antibiotici. Se portiamo in noi questi batteri fin dall’infanzia, la loro perdita potrebbe essere permanente. Questa è una preoccupazione particolare in relazione all’abuso e all’abuso di antibiotici.

Un altro gruppo è stato definito i batteri “eredipersistenti”, che sono ceppi “ereditati” e raggruppati all’interno delle famiglie. Questi hanno una minore persistenza nell’infanzia e un tasso di turnover più elevato, suggerendo che i cicli di reinfezione sono la chiave per la loro persistenza in un individuo.

L’analisi genomica ha mostrato che questi batteri tendono ad avere geni che consentono loro di diffondersi tramite spore, il che aiuterebbe la trasmissione, ad esempio, da un genitore a figlio, ma anche attraverso un’unità familiare.

Un terzo gruppo, chiamato ‘spaziopersistente’, sembra raggrupparsi nelle proprie aree geografiche, ma non è associato alle famiglie.

Con molto interesse attuale nel mantenere o manipolare il microbioma per la salute, il team di ricerca spera che la loro esplorazione olistica dell’evoluzione della diversa persistenza nei microbi intestinali porterà a strategie cliniche migliori e più ben informate.

Ad esempio, interventi una tantum come il trapianto di microbiota fecale (FMT) possono essere adatti per introdurre o addirittura sostituire batteri tenaci ma non batteri che si basano sulla reinfezione. Questi potrebbero beneficiare maggiormente di terapie a base di probiotici o cambiamenti dietetici che, nel tempo, alterano l’ambiente intestinale per favorirne la colonizzazione e la persistenza. Le nuove intuizioni sui danni ad ampio raggio e potenzialmente permanenti che gli antibiotici possono arrecare al microbioma potrebbero anche indicare nuove strategie per mitigare questi diversi effetti.

“Il nostro studio ci ha dato un’idea molto migliore di quali batteri intestinali sono strettamente associati al loro ospite e quali sono più inclini a passare da un ospite all’altro. Queste sono informazioni importanti per informare i pro-prebiotici e la maggior parte delle applicazioni mediche mirate al microbioma intestinale umano”, ha aggiunto il dottor Hildebrand.

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Il documento “Le strategie di dispersione modellano la persistenza e l’evoluzione dei batteri intestinali umani” è pubblicato su Cell Host and Microbiome .

Lo studio è stato finanziato dal Biotechnology and Biological Sciences Research Council e dal European Research Council.

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