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Il nostro Intestino: Portale per la nostra salute (o malattia) Prof. Giacomo Pagliaro DB PhD Trieste 13/11/2014
Il nostro Intestino:
Portale per la nostra
salute (o malattia)
Prof. Giacomo Pagliaro DB PhD
Trieste
13/11/2014
OPENDAYSSALUTE2014
Il Microbiota intestinale:
una storia tutta da scrivere!
OPENDAYSSALUTE2014
Using the key words “human gut microbiota” or “human fecal flora” and using the ISI
Web of Knowledge database, shows citations in each year regarding this subject
between 1993 - 2011.
OPENDAYSSALUTE2014
Using the key words “human gut microbiota” or “human fecal flora” and using the
ISI Web of Knowledge database shows the number of published items each year,
between 1993 and 2011.
We Are Really More Bug than Man.......
25.000 Genes
2500 Enzymes
1400
Chemicals
Metabolomics
Proteomics
Genomics
PIRAMIDE DELLA VITA: corpo umano
Kau et al, Nature 2011 Qin et al, Nature 2011
>3.000.000 Genes
>58.000 Enzymes
>25.000
Chemicals
Metabolomics
Proteomics
Genomics
PIRAMIDE DELLA VITA: microbiota intestinale umano
Kau et al, Nature 2011 Qin et al, Nature 2011
Un pranzo dal
NOSTRO punto di vista…
Dutton RK Turnbugh PJ, Curr Opin Clin Nutr Metab Care 2012
... e il pranzo dal punto di vista
METAGENOMICO
Dutton RK Turnbugh PJ, Curr Opin Clin Nutr Metab Care 2012
Acido Ellagico
Fibra del caffè
Polifenoli
Polisaccaridi dei cereali
Oligosaccaridi
SCFAs (acetato, butirrato,
propionato, succinato) Inulina
Fruttani
Soia
Isoflavoni
Glucosinolati
Xanthoumoli
Porfirani
Lignani
SCFA
Fosfatidilcolina
Amine eterocicliche
Nitrosamine
Amino acidi
Bacteria from
foods
Probiotics
PRODUCTS
OPENDAYSSALUTE2014
Che cos’è il Microbiota intestinale
J.K. Nickolson, sci-mag,
2012
La flora intestinale comprende i microrganismi presenti all’interno dell’apparato digerente. Essi, appartengono a diversi Regni, e costituiscono un:
complesso ecosistema che si pone in rapporto con le cellule dell’ospite.
La microflora intestinale, è costituita da organismi vivi, e subisce tutte le dinamiche tipiche delle popolazioni: • accrescimento, • morte, • variazioni di numero, • variazioni di tipologie di organismi, ecc.
In un intestino in buono stato di salute, la flora batterica è in una situazione di equilibrio dinamico. Essa è regolata da numerosi fattori quali:
• Velocità di riproduzione
• Tasso di mortalità
• Portata di microrganismi espulsi attraverso la progressione intestinale
• Portata dei microrganismi assunti attraverso l’alimentazione.
INTESTINO Ingresso organismi
con l’alimentazione
Riproduzione della
flora intestinale
Espulsione organismi
attraverso l’ano
Organismi morti o
asportati meccanicamente
I batteri della microflora intestinale costituiscono un
ecosistema complesso, che si autoregola mediante:
• produzione di batteriocine;
• produzione di acido lattico;
• produzione di perossido di idrogeno
La flora intestinale è a sua volta influenzata a feedback da
molti fattori:
• secrezione acido-gastrica,
• motilità intestinale,
• secrezione biliare e pancreatica,
• immunità locale,
• glicocalice di superficie,
• strato di muco
• alimentazione
• utilizzo di antibiotici
• stato di salute generale
La microflora enterica comprende un numero notevole di
specie di microrganismi che possono instaurare con l’ospite
rapporti di commensalismo o di simbiosi.
Accanto a questi organismi innocui sono comunque presenti
alcune specie di batteri potenzialmente patogeni
Questi ultimi possono costituire una fonte di infezione o sepsi
in diverse circostanze quale ad esempio nel caso in cui
l ’ integrità della parete intestinale è fisicamente o
funzionalmente non garantita.
© Prof. Giacomo Pagliaro
I generi microbici più rappresentati sono batteri:
• Bacteroides
• Bifidobacterium
• Eubacterium
• Clostridium
• Peptococcus
• Peptostreptococcus
• Ruminococcus
A questi si aggiungono, come sottodominanti:
• Escherichia
• Enterobacter
• Enterococcus
• Klebsiella
• Lactobacillus
• Proteus.
QUANTI SONO I MICRORGANISMI CHE COSTITUISCONO
LA FLORA INTESTINALE?
QUANTE SPECIE SONO REALMENTE PRESENTI?
Le informazioni sulla diversità microbiologica all’ interno di
questa comunità ha visto una netta esplosione negli ultimi anni
grazie ai risultati della 16s rRNA-Based analyses.
Oggi la sfida è quella di estendere ed utilizzare questi aspetti
allo scopo di migliorare la comprensione della responsività,
della variabilità e della resilienza della comunità intestinale e le
sue interazioni con la dieta e con l’ospite umano.
Gli apporti energetici forniti dalle comunità microbiologiche del
grande intestino sono i componenti della dieta che resistono
alla degradazione nel tratto dell’ intestino tenue, insieme a
prodotti endogeni come la Mucina.
© Prof. Giacomo Pagliaro
La maggior parte degli autori asserisce che nell ’ intestino
umano siano presenti 400 - 500 specie di microrganismi. In
realtà recentissime stime basate sulla ricerca di sequenze
geniche 16S rRNA hanno dimostrato la presenza di oltre 1000
sequenze geniche differenti. Tutto ciò suggerisce che la
composizione intestinale della microflora risulti comunque
superiore ai 1800 generi ed oltre 40.000 specie microbiche.
Questi risultati finora non erano mai emersi in quanto i dati
ottenuti dalle coltivazioni cellulari non sono mai stati incrociati
con quelli ottenuti dall’analisi molecolare.
Inoltre, recenti studi dimostrano che i virus rappresentano un
ulteriore importante costituente ad oggi praticamente
sconosciuto. Ad oggi sono stati identificati oltre 1200 genotipi
virali nelle feci umane con densità superiore ai 109 virioni per
grammo di sostanza secca (Breitbart et al., 2003; Zhang et al.,
2006). © Prof. Giacomo Pagliaro
22 (Rajilic-Stoianovic et al. 2007)
Qin J et al,
Nature 2010
The
Minimal Core
Gut Genome
And
Metagenome
COMPOSIZIONE DEL GUT MICROBIOTA:
APPROCCIO MOLECULARE
Eckburg et al, Science 2005
C.A. Lozupone et al. 2012 Nature 489:220-230
26
© Prof. Giacomo Pagliaro
28 (Guarner e Malagelada - Lancet 2003)
OPENDAYSSALUTE2014
Quali sono le evoluzioni del
Microbiota intestinale
30
OPENDAYSSALUTE2014
Alla nascita l’intestino è sterile.
Le sue prime fasi di attecchimento vedono un microbiota
pressocché indifferenziato, sostanzialmente omogeno tra i
vari individui.
Una serie di fattori possono influenzarne l’evoluzione:
- Tipo di allattamento [Ravel 2011]
- Tipologia di parto
- Tipologia di svezzamento
- Eventuali comunità microbiche uterine
OPENDAYSSALUTE2014
La dominanza dei batteri aerobi alla nascita è alterata
durante il periodo peri e post-natale.
Il microbiota si diversifica dopo le prime settimane di vita
inducendo la formazione di una comunità microbica
complessa caratterizzata dalla dominanza degli anaerobi
[Mitsou 2008].
Questa iniziale colonizzazione coincide con l’attivazione
dell’asse HPA (hypothalamic-pituitary-adrenal), asse
ormonale che ha un impatto sul SNE che innerva il tratto
GI.
OPENDAYSSALUTE2014
Le cellule enteroendocrine dell’intestino secernono una
varietà di peptidi metabolicamente correlati, conosciuti per
essere connessi a:
- assunzione del cibo,
- deposito di lipidi,
- omeostasi energetica
Questi possono essere attivati da metaboliti batterici quali:
- SCFAs che agiscono attraverso recettori GPR
(heterotrimeric guanine nucleotide–binding protein (G
protein)–coupled receptors), come il recettore GPR41
espresso dalle cellule enteroendocrine [Samuel 2008].
34
La flora intestinale si stabilisce precocemente nel neonato:
• i neonati allattati al seno presentano specialmente
Bifidum longum, Bifidum infantis, Bifidum breve;
• i neonati allattati artificialmente hanno una flora
batterica differente: essa è caratterizzata dalla
presenza dello Bifidum adolescensis-biovar-a e dal
Bifidum adolescensis-biovar-b.
© Prof. Giacomo Pagliaro
35
La semplicità delle popolazioni batteriche nel neonato è
determinata dal tipo di alimentazione basata sul latte.
Col passare del tempo la dieta del bambino cambia. Ciò
determina una variazione della composizione anche nella
flora intestinale che, man mano, diviene più simile a quella
dell’adulto.
In tutti i casi le modalità di prima colonizzazione
dell’ambiente enterico influenzano la composizione della
flora permanente dell’adulto.
La composizione della flora intestinale dell’adulto dipende
principalmente dalle abitudini alimentari. Ad esempio:
alimentazioni molto ricche di carne determinano un aumento
di Bacteroides ed una riduzione dei batteri lattici.
© Prof. Giacomo Pagliaro
OPENDAYSSALUTE2014
Il microbiota intestinale tende a diventare più stabile
nell’adulto, sebbene alcuni studi mettono in evidenza che
gli adolescenti presentino un’alta abbondanza di
bifidobatteri e clostridi rispetto agli adulti [Agans 2011].
Una ultima serie di modifiche legate all’età nella
composizione e nella funzione del microbiota intestinale si
verifica durante la vecchiaia.
L’invecchiamento è associato ad alterazioni fisiologiche
(quali quelle a carico del sistema immunitario) in grado di
modificare la composizione del microbiota intestinale.
37 © Prof. Giacomo Pagliaro
Ottmann N et al. Front Cell Infect Microb 2012
Bacterial diversity is affected by ageing
OPENDAYSSALUTE2014
Le differenze nella composizione microbica riconducibili
all’età includono:
- Incremento degli anaerobi facoltativi,
- Cambiamento nel rapporto tra Bacterioides e Firmicutes
- Forte diminuzione dei Bifidobatteri
I cambiamenti metabolici coincidenti con l’evoluzione e la
maturazione del microbiota intestinale possono essere
fondati sui profili di escrezione batterica dovuti la
metabolismo di aminoacidi ed ai metaboliti energetico-
correlati.
OPENDAYSSALUTE2014
…è conseguente
alla composizione della dieta Ley RE et al, Science 2008
L’Universo del Gut Microbiota…
43
BF Bacteroidetes
>Firmicutes
EU Firmicutes
>Bacteroidete
s
De Filippo et al, PNAS 2010
OPENDAYSSALUTE2014
A cosa serve il
Microbiota
intestinale
OPENDAYSSALUTE2014
La flora intestinale è responsabile di una grande varietà di
reazioni metaboliche che direttamente, o indirettamente,
possono influire sulla vita dell’ospite.
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• deconiugazione degli acidi biliari. A livello intestinale,
dopo la deconiugazione la maggior parte degli acidi biliari ritorna a livello epatico dove viene riconiugata ed eliminata attraverso la bile.
• Metabolismo degli ormoni steroidei (androgeni, estrogeni e corticosteroidi): nell'intestino gli ormoni vengono deconiugati e sottoposti alle modifiche enzimatiche per poi ritornare al fegato attraverso il sistema della vena porta.
© Prof. Giacomo Pagliaro
48
Microflora come audiuvante istologico
Altre funzioni sostenute dalla flora batterica intestinale sono
l’induzione al mantenimento della normale struttura istologica
della parete.
Riduzione o mancanza flora
simbionte
Assottigliamento
pareti intestinali
Appiattimento
cripte di
Lieberkuhn
< n. linfociti
Dilatazione del
cieco
© Prof. Giacomo Pagliaro
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Cmq…effetti specifici in ogni tratto GI!
EFFETTI DEL GUT MICROBIOTA SULLA
SALUTE DELL’OSPITE
Effetto barriera
Immunocompetenza/Tolleranza
Sintesi
Funzioni Metaboliche/Trofiche
Behavior conditioning
OPENDAYSSALUTE2014
OPENDAYSSALUTE2014
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Cmq…effetti specifici in ogni tratto GI!
EFFETTI DEL GUT MICROBIOTA SULLA
SALUTE DELL’OSPITE
Effetto barriera
Immunocompetenza/Tolleranz
a
Sintesi
Funzioni Metaboliche/Trofiche
OPENDAYSSALUTE2014
OPENDAYSSALUTE2014
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Migrazione e colonizzazione dei linfociti del Malt
PP
Antigeni 1
sangue
Antigeni 1
Linfoblasto 2
Linfonodi
mesenteriali 3
Dotto
toracico 4
Circolo
sanguigno 5
Mucosa
bronchiale
Ghiandole
mammarie Aggiunta del
ligando 7
Rilascio di
IgA 6
Nell S, Nature 2010
Modified by Balfour Sartor, Gastroenterology 2008
Luminal Mi.AMPs
LPS (Gram -)
UPEC/Profilin
Flagellin
Peptidoglican/lipopeptide
Bacterial lipopeptide
ds RNA
Fibronectina (many bacteria)
Lipothecoic acid (Gram +)
Lipooligosaccharide
Specific PRRs
TLR-4
TLR-11
TLR-5
TLR-1 e TLR-2
TLR-2 e TLR-6
TLR-3
α5β1 integrin
TLR-2
PAF
Endosomial Mi.AMPs
ss RNA
CpG DNA
Specific PRRs
TLR-6 e TLR-7
TLR-9
Il Microbiota stimula il Sistema Immunitario attraverso le PRRs
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Microflora come immunoadiuvante diretto
La microflora aumenta le difese immunitarie attraverso:
• l’attivazione dei macrofagi (aumento dell’attività
fagocitaria)
• la stimolazione dei linfociti (stimolazione dei Linfociti
Tkiller alla produzione di INF-).
• funzione immunoadiuvante sui vaccini orali.
• aumento del dosaggio delle IgA sieriche
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Microflora commensale e simbionte e protezione dell’ospite: effetti indiretti La flora commensale protegge la mucosa enterica attraverso diversi meccanismi:
• occupazione delle nicchie ecologiche:
• competizione per i nutrienti
• produzione di fattori regolatori come batteriocine e acidi grassi a catena corta quali acido butirrico, acido propionico, acido acetico.
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Cmq…effetti specifici in ogni tratto GI!
EFFETTI DEL GUT MICROBIOTA SULLA
SALUTE DELL’OSPITE
Effetto barriera
Immunocompetenza/Tolleranza
Sintesi
Funzioni Metaboliche/Trofiche
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• Produzione Vitamine
• B1, B2, B6, B12, • PP (B3), • H (B7), • K, • ac. Pantotenico (B5 o W) • ac.Folico (B9 o M).
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Cmq…effetti specifici in ogni tratto GI!
EFFETTI DEL GUT MICROBIOTA SULLA
SALUTE DELL’OSPITE
Effetto barriera
Immunocompetenza/Tolleranza
Sintesi
Funzioni Metaboliche/Trofiche
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• Digestione di alimenti e loro parti non digeribili (specialmente grandi polisaccaridi (cellulosa, emicellulosa, pectina, gomma)
• Digestione del muco endogeno • Accumulo di energia sotto forma di acidi grassi a
catena corta • Promuovere l’assorbimento di calcio e magnesio a
livello intestinale
Hashida H et al. Nat Chem Biol 2012
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Cmq…effetti specifici in ogni tratto GI!
EFFETTI DEL GUT MICROBIOTA SULLA
SALUTE DELL’OSPITE
Effetto barriera
Immunocompetenza/Tolleranza
Sintesi
Funzioni Metaboliche/Trofiche
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•Il microbiota intestinale è un ottimo
bioreattore energetico anaerobico
•Utilizza, accumula e redistribuisce energia
•Ci permette di estrarre calorie dai
carboidrati indigeribili
METABOLOMA
Funzioni metaboliche del Gut Microbiota
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GUT microbiota esercita una potente azione
metabolica nei ruminanti: gli erbivori ottengono
il 70% del loro intake energetico dal microbial
breakdown dei polisaccaridi vegetali della dieta
HJ Flint et al. Nature Review Microbiol 2008
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1. Recupero di calorie dai polisaccaridi
complessi attraverso la produzione di SCFA
e monosaccaridi
1. Influenza il metabolismo ed il deposito
lipidico (anche attraverso SCFAs)
2. Influenza il metabolismo del cibo
Funzioni metaboliche del Gut Microbiota
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L’ospite e il Microbiota co-producono una gamma di piccole
molecole durante il metabolismo del:
- cibo
- composti xenobiotici (composti di origine non-ospite
che arrivano nell’intestino attraverso il cibo o sono
prodotti dal microbiota).
Molte di queste molecole giocano un ruolo critico nel
traghettare informazioni tra le cellule dell’ospite e cellule
simbioti del microbiota.
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Differenti regioni del tratto GI umano, variano in termini di
composizione del microbiota indigeno [Gordon 2012; Ravel
2011].
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Per ogni compartimento del tratto GI esiste un “dialogo
chimico”tra differenti specie microbiche così come tra
organismi simbionti e cellule dell’ospite [Dominguez-Bello
2012; Li 2008].
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Questo “dialogo chimico” consiste in segnali esercitati da:
- metaboliti a basso peso molecolare,
- peptidi,
- proteine
Ma può anche avvenire indirettamente attraverso modelli
immunomediati.
Alcune delle principali classi chimiche che regolano le
interazioni sono descritte nella Tab successiva:, ma è facile
che molte altre esistano.
OPENDAYSSALUTE2014
OPENDAYSSALUTE2014
OPENDAYSSALUTE2014
Gli umani escretono tra i 50 e i 100 mg/die di fenoli volatili
(specie 4-cresolo e fenolo, principalmente come glucuronidi
o solfato-coniugati), e piccoli quantità di 4-etilfenolo.
La produzione di cresolo dalla Tirosina nei mammiferi, è
stata attribuita a varie specie di Clostridium,
Bifidobacterium, e Bacteroides fragilis.
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Altri batteri, come l’E. coli, sono stati associati alla
produzione di fenolo.
Alterati livelli del metabolita 4-cresolo nelle urine umane,
sono stati associati a diverse condizioni fisiologiche e
patologiche dalla perdita di peso alle IBD [Ley 2006].
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Queste condizioni sono state associate all’alterazione della
composizione del microbiota, cioè una riduzione nella
diversità del microbiota a causa di una perdita specie di
Lactobacillus e Bacteroides nel caso delle IBD [Ott 2004] e
differenze nel rapporto tra Firmicutes e Bacteroidetes nel
caso della perdita di peso [Ley 2006].
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Gli SCFAs
La fibra dietetica (carboidrati complessi) può essere digerita
e, successivamente fermentata, nel colon dal Microbiota in
SCFAs.
Ciò produce
• n-butirrato,
• acetato,
• propionato
Questi SCFAs sono “percepiti” dalla mucosa enterica
attraverso “Recettori proteina G-accoppiata” specie GPR41
e GPR43.
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I recettori GPR 41 e GPR43 sono espressi nell’intestino
attraverso le cellule enteroendocrine [Samuel 2008].
Gli SCFAs rappresentano:
- una fonte nutrizionale locale per i colonociti
- una fonte secondaria per i microbi (es.
Desulfotomaculum spp. del tratto GI [Gibson 1993]).
Gli SCFA prodotti dal Microbiota influenza il deposito dei lipidi
Tilg H, Gatroenterology 2009
2. L’attivazione
del Gpr41/42
blocca
l’espressione
epiteliale del
Fasting-induced
adipocyte factor
(Fiaf), un
inibitore della
LPL
1. Gli SCFA si
legano al
“recettore
accoppiato alla G-
proteina” Gpr41 e
Gpr42
OPENDAYSSALUTE2014
Oltre a ciò, l’n-butirrato ha dimostrato nei topi ed in colture
cellulari di:
• Stimolare la produzione di Leptina negli adipociti
regolare l’omeostasi energetica
• Stimolare la secrezione di glucagon-like peptide-1 (GLP-1)
da parte delle cellule “enteroendocrine L” [Samule 2008]
OPENDAYSSALUTE2014
I principali produttori di butirrato sono Clostridi, Eubatteri e
specie appartenenti al genere Roseburia.
In generale l’n-Butirrato svolge le seguenti funzioni:
- Regola la migrazione e le funzioni dei neutrofili
- Inibisce le citochine pro-infiammatorie
- Induce l’espressione delle molecole VAC-1 (vascular cell
adhesion molecule-1)
- Incrementa l’espressione delle proteine delle Tight
junction nell’epitelio del colon
- Esercita un’azione antinfiammatoria attraverso la
riduzione di citochine e chemochine da parte delle cellule
del Sistema Immunitario.
Diamant M et al., Ob Rev 2010
The “Second Meal” effect
OPENDAYSSALUTE2014
Quindi, l’n-butirrato o specifiche specie microbiche enteriche
butirrato-producenti possono costituire nuovi target per
ripristinare la funzione immunitaria dell’ospite e sostenere
l’integrità della barriera enterica e per regolare il
metabolismo energetico.
L’n-Butirrato può anche essere utilizzato direttamente dalle
cellule epiteliali del colon per produrre corpi chetonici e CO2.
OPENDAYSSALUTE2014
Altri SCFAs come il Propionato e l’Acetato sono trasportati
attraverso il circolo sanguigno a vari organi dove saranno
utilizzati per l’ossidazione, la sintesi lipidica e per il
metabolismo energetico.
Ciò in particolare dagli epatociti i quali utilizzano il
propionato per la gluconeogenesi [Samuel 2008; Wong
2006].
OPENDAYSSALUTE2014
E’ stato visto che gli SCFAs:
1. regolano la funzione dell’Istone deacetilasi (HDACs),
2. Stimulano il Sistema Nervoso Simpatico
3. possono influenzare i comportamenti sociali nei roditori
[Mac Fabe 2011].
4. Stimulano la motilità ed il transito intestinale
5. E’ stato visto che a concentrazioni fisiologiche in vitro
colture di colonociti mucosali sottoposte a concentrazioni
fisiologiche di SCGAs manifestano un incremento di 8 –
10 volte del rilascio di serotonina.
OPENDAYSSALUTE2014
1. Gli SCFAs sono chiaramente uno dei più importanti
prodotti microbici del microbiota intestinale in grado di
influenzare tutta una serie di processi dell’ospite incluso:
1. L’utilizzazione dell’energia
2. I segnali ospite-microbiota
3. Il controllo del pH del lume intestinale con
conseguente effetto su:
1. Composizione del microbiota
2. Motilità intestinale
3. Proliferazione dell’epitelio colico.
Diamant M et al., Ob Rev 2010
L’effetto “Secondo Pasto”
Ibrahim M et al, Bioch Bioph Res Comm 2012
Il microbiota intestinale gioca un ruolo
essenziale nel catabolismo della fibra
dietetica nel metabolizzare
monosaccaridi e disaccaridi. La fibra
dietetica è stat identificata quale forte
fattore positivo di prevenzione
dell’obesità.
Angelakis E et al, Future Microbiol 2012
Dieta, microbiota, e le cellule epiteliali:
il‘‘NUTRIENT SENSOR pathway’’
Tilg H, J Hepatology 2010
OPENDAYSSALUTE2014
Il ruolo della Colina.
Colina elemento nutritivo essenziale principalmente
metabolizzato nel fegato.
Anche gli enzimi del microbiota intestinale catalizzano la
conversione della colina dietetica in Trimetilamina.
Una volta formata, la Trimetilamina viene in seguito
metabolizzata grazie alla Flavinmonoossigenasi nel fegato
con produzione di Trimetil-N ossido.
OPENDAYSSALUTE2014
Sta diventando evidente che la conversione della colina
dietetica costituisca una caratteristica metabolica associata a
disfunzioni del fegato e cardiovascolari.
Ad esempio, i “topi129-S-6” sono conosciuti per essere
suscettibili a sviluppare obesità, scompenso della tolleranza
al glucosio e ad andare incontro a Steatosi epatica non
alcolica (NAFLD).
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Se questi sono alimentati con una dieta ad alto contenuto in
grassi, si manifesta un incremento dell’attività enzimatica
che comporta la riduzione della biodisponibilità della colina
con la conseguenza dell’insorgenza di sintomi tipici della
Steatosi epatica non alcolica.
Questi sintomi sono stati anche registrati in topi alimentati
con una dieta povera nel contenuto di colina.
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Nello studio di Wang et al. risulta evidente un ruolo
patologico da parte del Trimetilamina-N-ossido nello sviluppo
della aterosclerosi, fornendo un potenziale collegamento tra
il microbiota intestinale, la colina dietetica, e il rischio di
malattia cardiovascolare.
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Gli Acidi Biliari
Gli acidi biliari (o sali biliari) sono steroidi acidi che sono
prodotti dal fegato a partire dal colesterolo.
Essi sono secreti nella Bile.
La loro funzione è quella di facilitare il metaboilismo dei
grassi alimentari e facilitare l’assorbimento delle proteine
liposolubili, e del colesterolo.
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Gli acidi biliari compiono un ciclo enteropatico tra intestino e
fegato circa 8 volte al giorno.
Qui circa il 90-95% degli acidi biliari sono riassorbiti
nell’intestino e ritrasferiti al fegato dove, in seguito, saranno
coniugati principalmente alla Taurina e alla Glicina allo scopo
di riformare sali biliari.
Circa il 5-10% dei sali biliari sono in gran parte biotrasformati
dalla degradazione dei batteri intestinali mentre alcuni sono
persi attraverso le feci.
OPENDAYSSALUTE2014
Circa il 5-10% dei sali biliari sono in gran parte biotrasformati
dalla degradazione dei batteri intestinali mentre alcuni sono
persi attraverso le feci.
La trasformazione dei sali biliari nell’intestino è effettuata
principalmente dai batteri anaerobici appartenenti al genere
Bacteroides, Eubacterium, e Clostridium e coinvolge la
deconiugazione della taurina e della glicina attraverso
l’azione di specifiche “Sali-biliari-idrolasi”.
OPENDAYSSALUTE2014
Gli acidi biliari liberi così ottenuti, formano acidi biliari
secondari, quali il Desossicolato e il Litocolato (30, 31), che
vengono riassorbiti principalmente attraverso i trasportatori
per la bile dell’epitelio del digiuno e dell’ileo ma anche
attraverso un riassorbimento passivo attraveros l’epitelio
enterico.
Gli enzimi “Sali-biliari idrolasi” sono stati identificati in
numerose specie batteriche, principlamente ananerobie
appartenenti ai genere Bacteroides, Clostridium,
Eubacterium, Lactobacillus, e Escherichia.
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La deconiugazione e la 7-ab-deidrossilazione dei sali biliari,
incrementa la loro idrofobicità ed esalta l’assorbimento, cosa
questa che è stata associata ad un incremento degli effetti
patologici.
Una minor percentuale di biotrasformazioni degli acidi biliari
può anche essere effettuata da vari altri gruppi di anaerobi
quali gli Actinobatteri e ei Proteobatteri.
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Un ulteriore studio ha dimostrato che topi allevati in
condizioni “germ-free”, ovvero trattati con antibiotici,
mostravano un modello di alterazione della espressione
genica epatica.
Questa era relativa ai geni associati alla sintesi di
colesterolo, steroidi e dei sali biliari così come l’alterazione
della conjugated bile acid signatures (specialmente la
taurino-coniugazione) in diversi compartimenti corporei.
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I metaboliti degli acidi biliari, formati attraverso l’interazione
tra i metabolismi dei mammiferi e del microbiota
(cometabolismo) rappresentano i maggiori ligandi per i
recettori ormonali nucleari.
Essi sono in grado di attivare fortemente un importante
membro di questa famiglia: il “farnesoid X receptor (FXR)”.
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I segnali dell FXR colpiscono numerosi gene target inclusi
quelli coinvolti nella sintesi e nel trasporto degli acidi biliari e
nel metabolismo dei lipidi e dei carboidrati.
FXR è anche coinvolto nella regolazione del sistema
immunitario innato intestinale.
Il Microbiota intestinale potrebbe, attraverso gli effetti sul
metabolismo della bile nel lume intestinale, influenzare il
modello di “signaling” coinvolto nel metabolismo energetico
e lipidico, comportando l’alterazione della perossidazione
lipidica, un aumento della produzione di acidi grassi epatici,
ed indurre il deposito di trigliceridi.
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Alte concentrazioni di acidi biliari secondari, in vari fluidi
biologici, sono stati associati a malattia quale ad esempio il
cancro al colon.
Interessantemente, è stato dimostrato che l’attività delle
“sale biliari idrolasi” è una caratteristica della maggior parte
dei gruppi batterici, e la modulazione di questi enzimi
possono costituire un efficace target per la gestione
dell’obesità e della sindrome metabolica.
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TUTTO CIO’ AVVIENE REGOLARMENTE SE
L’ECOSISTEMA INTESTINALE E’ IN STATO DI EUBIOSI E
NON DI DISBIOSI.
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Eubiosi e Disbiosi
COME MANTENERE IN EQUILIBRIO IL
MICROBIOTA E STABILE LA BARRIERA
INTESTINALE?
Secrezione di :
Acidi gastrici
Muco/Sali Biliari
IgA
pH Mucosale e del lume
Integrità della barriera mucosale
Motilità intestinale
GALT e MALT
Interazioni batteriche interspecifiche
Dieta
Quando questi maccanismi falliscono…
Alterazione quali-quantitativa del Microbiota
gastrico e/o enterico e/o colico
Variazione della biodiversità microbica(DISBIOSI)
...GI, Liver and Systemic-associated diseases
Live bacteri vivi o frammenti batterici traslocano nel
circolo portale epatico e nel circolo sistemico
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Barriera intestinale e
Nelle malattie
del GI del Fegato
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Funzionalità epatica e Infiammazione nelle Malattie
Metaboliche
Negli ultimi 50 anni, la prevalenza di malattie metaboliche
quali l’obesità ed il diabete sono in costante aumento nelle
società industrializzate.
I principali colpevoli di ciò sono la cattiva alimentazione e
l’assenza di attività fisica.
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Gli eventi del primo periodo di vita quali la modalità del
parto, il tipo di allattamento, il BMI, i trattamenti antibiotici
durante l’infanzia, possono costituire, in seguito, fattori
obesigeni nei bambini.
Studi su gemelli omo ed eterzigoti concordanti per
magrezza o obesità dimostrano che il Microbioma
intestinale umano è condiviso dai membri familiari con un
grado di covarianza nelle specie microbiche simile a quello
dei gemelli.
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Gordon ed i suoi colleghi hanno dimostrato che il Microbiota
intestinale possa causare disturbi metabolici in topi
indipendentemente dal background genetico.
In breve, la colonizzazione di topi germ-free con il microbiota
intestinale di un “topo obeso donatore” induce un incremento
ponderale nettamente superiore rispetto alla condizione in
cui il donatore fosse un topo magro [Turnbaugh 2006].
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Questo studio, per primo, ha permesso di comprendere
quanto importante fosse il contributo del Microbiota
intestinale all’epidemia di obesità.
Questo studio ha anche messo in evidenza che vi fossero
delle differenze nella composizione del Microbiota intestinale
tra i due topolini.
In particolare l’intestino del topolino obeso manifestava una
ridotta diversità di specie appartenenti ai Bacterioides ed
una aumento di quelle appartenenti ai Firmicutes
[Turnbaugth 2008].
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A causa delle differenze nella composizione microbica, i
soggetti obesi possono manifestare una maggior efficacia
nella estrazione di energia dal cibo e una forte capacità di
stimolare la lipogenesi.
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Un incremento di Lipolisaccaridi (LPS), un componente delle
membrane esterne dei batteri Gram-negativi, è in grado di
generare nei topi uno stato moderato di infiammazione
cronica (endotossiemia metabolica).
Ciò induce insulino-resistenza [Cani 2007] che può
manifestarsi attraverso gli endocannabinoidi prodotti
dall’ospite [Muccioli 2010].
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E’ stato dimostrato che:
una dieta ad alto contenuto in grassi
incrementa nel Microbiota la quantità dei G- rispetto ai G+
favorendone la crescita
ciò comporta un aumento della liberazione di LPS,
responsabili dello stato infiammatorio.
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E’ importante sottolineare che questa condizione potrebbe
essere contrastata attraverso la somministrazione di
opportuni prebiotici in grado di indurre un accrescimento
significativo dei G+ [Cani 2007].
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Il microbiota transpiantato a partire da un topo obeso, è in
grado di:
- esaltare l’assorbimento dei monosaccaridi dal lume
intestinale
- sopprimere, in maniera selettiva, la produzione del Fiaf
(fasting-induced adipocyte factor) - una lipoproteina del
circolo inibitrice della LPL, col risultato di una induzione
alla Lipogenesi epatica de novo e alla deposizione di
trigliceridi negli adipociti e nel fegato [Backed 2007].
Diet, microbiota, and the epithelial cell:
the ‘‘NUTRIENT SENSOR pathway’’
Tilg H, J Hepatology 2010
TOPI Germ Free non
transplantati > [AMPK]
muscolare e
epatica
AMPK fosforila
AcetilCoAcarbossilas
i
< [Malonil CoA
AMPK: Adenosinmonoposfatoproteincinasi fosforilata
Riduzione inibizione enzima
Carnitinapalmitoliltransferasi > Ossidazione Acidi Grassi e
deplezione depositi adiposi
Backhed - Proc. Natl. Acad. Sci. 2007
OPENDAYSSALUTE2014
Il contributo delle LPS batteriche alla Sindrome Metabolica
e altre condizioni infiammatorie è indiscutibile.
Di conseguenza, l’utilizzo di peptidi con proprietà
antimicrobiche per ottenere una immunomodulazione
attraverso il sequestro delle LPS costituisce una attraente
vie terapeutica.
OPENDAYSSALUTE2014
Un ulteriore disturbo metabolico che costituisce una
comorbosità associata ad obesità e sindrome metabolica è
la Steatosi epatica non alcolica.
Il suo range di incidenza oscilla tra il 20 ed il 30% della
popolazione generale con picchi compresi tra il 75 ed il
100% negli obesi.
OPENDAYSSALUTE2014
Il Microbiota intestinale può contribuire allo sviluppo della
Steatosi epatica non alcolica attraverso le attività
complesse e di cooperazione di:
a) due famiglie di “Microbe-sensing protein”:
1. Nucleotide oligomerization domain receptor (NLRs)
2. Toll-like receptors (TLRs) (46, 47),
b) “Inflammasomi” (oligomeri multiproteici comprendenti le
Caspasi 1 e 5; PYCARD; NALP) (48) che sostengono
eventi metabolici quali ad esempio l’accumulo di lipidi.
OPENDAYSSALUTE2014
La perdita degli Infiammasomi NLRP3 e del NLRP6 nel
topo è associata a disbiosi intestinale e comporta un
anomalo accumulo di prodotti batterici quali ad esempio
LPS e DNA batterici nel circolo portale epatico.
Questi prodotti batterici stimolano TLR4 e TLR9 che,
rispettivamente porta ad un aumento dell’espressione
epatica della della citochina proinfiammatoria (TNF)–a, che
a sua volta promuove la progressione verso la Steatosi
epatica non alcolica.
Diet, microbiota, and the epithelial cell:
the ‘‘NUTRIENT SENSOR pathway’’
Tilg H, J Hepatology 2010
OPENDAYSSALUTE2014
E’ stato dimostrato che i prebiotici ed altri interventi
nutrizionali possono influire sull’espressione dei geni TLR-
encoding [Trevisi 2008, ciò sottolineando ulteriormente
l’importanza delle relazioni trilaterali tra ospite, microbiota e
nutrizione.
Una questione chiave è quella di identificare come i fattori
prodotti dai batteri interagiscano con l’ospite.
E’ stata proposta una origine orale di alcuni componenti
batterici, dato che la malattia peridontale è stata correlata
all’aterosclerosi e da qui alla malattia cardiovascolare
OPENDAYSSALUTE2014
Ad esempio la presenza di placche aterosclerotiche sono
state associate ad un Microbiota caratterizzato da un
maggior quantitativo di specie di Proteobacteria e una
riduzione di Firmicutes, e una ulteriore correlazione è stata
trovata tra la contemporanea abbondanza di Veillonella e
Streptococcus nella cavità orale e la formazione di placche
ateromatose [Koren 2011].
Inoltre i cambiamenti nella dieta possono determinare la
perdita delle Tight junctions all’interno delle cellule epiteliali
intestinali, con conseguente accumulo di componenti
batterici nelle vene portali epatiche e una susseguente
diminuzione degli effetti sulla infiammazione [Cani 2009].
OPENDAYSSALUTE2014
L’esposizione cronica ad una dieta iperlipidica incrementa
le concentrazioni plasmatiche di LPS da due a tre volte
una soglia, questa, che potrebbe essere definita come
endotossemia metabolica.
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Nei topi, la continua infusione sottocutanea di LPS
comporta la manifestazione delle caratteristiche tipiche
delle malattie metaboliche, come:
• infiltrazione di F4 / 80-positive-cells (macrofagi simile
alle cellule di Kupffer)
• aumento del contenuto di trigliceridi del fegato a
causa di meccanismi indotti da CD14, TLR4, NOD1, e
Myd88 [Wagnerberger 2011].
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Questo processo di attivazione LPS-indotta del TLR4 e altri
recettori suggerisce un importante collegamento tra
microbiota intestinale e sua rapida evoluzione negli ultimi
decenni risultati da un cambiamento delle abitudini
alimentari, e un basso grado di infiammazione.
Malattie Gastro-intestinali ed epatiche
associate al GUT Microbiota
1. Obesità
2. Sindrome Metabolica
3. IBS e IBD
4. Autoimmune Enteropathy and Celiac disease
5. Tumori GI
6. SIBO Intestinal Bacterial Overgrowth
7. Intolleranze alimentari
8. Progressione e complicazione delle malattie
epatiche
9. …
Il microbiota intestinale ha un ruolo nell’obesità
Cambiamenti nell’ecologia del Microbiota intestinale • Riduzione in Bacteroidetes and proporzionale incremento in Firmicutes
• Drammatica riduzione della biodiversità
• Esplosione di una singola classe di Firmicutes: i Mollicutes
Alterazione del potenziale metabolico • > sistema della Fosfotrasferasi: assunzione e fermentazione zuccheri
• Arricchimento dei geni codificanti la beta-fruttosidasi
Conseguenze • > capacità ad assumere i tipici carboidrati della “Western-diet”
• > capacità a metabolizzare gli zuccheri della dieta
Tilg H, Gatroenterology 2009
Il MICROBIOMA intestinale basale dell’Obeso
L’obesità è associata a: - < diversità batterica, - Cambiamenti a livello dei Phila del Microbiota - Alterata rappresen-tazione dei geni batterici e dei modelli metabolici
BACTEROIDETES/ FIRMICUTES:
adiposity index Turnbaugh – Nature 2009
obese control
Hyperinsulinemic clamp
S.I. biopsies
Fecal samples
ALLOGENIC (9)
AUTOLOGOUS (9)
Hyperinsulinemic clamp
S.I. biopsies
Fecal samples
Gut Microbiota infusion
Random 6 wks
Allogenic Autologous
Miglioramento della
sensibilità periferica
all’insulina dopo
infusione di Microbiota
intestinale allogenico e
tendenza al miglioramento
della sensibilità epatica
all’insulina
Disfunzione della Barriera Intestinale
Permeabilità intestinale (Leaky gut)
Tutti questi
eventi si
verificano
nelle patologie
GI ed epatiche
Danno alle cellule
immunitarie
residenti epatiche
Danno alla barriera
acida gastrica
Alterazione del
GALT e/o del MALT
e/o del Sistema
Immunitario
generale
Distruzione della
barriera intestinale
(leaky gut)
Reclutamento dei linfociti nel fegato
Le molecole di adesione sono espresse a livelli minimi
Comunque, MadCAM-1 e CCL25 non sono espresse
Fegato normale
Adams and al, Nat Rev Immunol 2006
Incremento espressione molecole di adesione
Induzione all’espressione di MadCAM-1 e CCL25
Durante IBD
Adams and al, Nat Rev Immunol 2006
Reclutamento dei linfociti nel fegato
Adams and al, Nat Rev Immunol 2007
Reclutamento attraverso il
fegato delle specifiche T-cells
intestinali attivate
Flusso anormale di antigeni
intestinali saltanola barriera
mucosale alterata
Danneggiamento epatico
Anormale attivazione delle
specifiche T-cells intestinali
Danno epatico nelle malattie intestinali
Traslocazione di batteri o di antigeni batterici
Superaccrescimento batteri
intestinali
Incrementata
permeabilità intestinale
Asse Intestino-Fegato patologico
Ipertensione portale
Traslocazione di LPS nel circolo portale con
tendenza all’insorgenza di fibrosi epatica
Gomez Hurtado I et al, PLoS ONE 2011 Seki et al, J Physiol 2011
Thalheimer et al., Eur J Gastroenterol Hepatol 2010
Seki E et al Hepatology 2009
Le LPS dei batteri
intestinali attivano
i recettori Toll-Like
receptor 4 delle
cellule stellate
epatiche
TGF-b signaling
and liver fibrosis
Risultati: Riduzione
della fibrogenesi
epatica e della
infiltrazione
macrofagicain topi
TLR4-mutanti
Collagen Deposition
Expression of alpha-SMA
Macrophage infiltration
Topi TLR4-mutanti
Seki E et al. Hepatology 2009
Traslocazione batterica o di antigeni batterici
Disbiosi
batterica/SIBO
> Permeabilità
intestinale
Ipertensione portale
PBS
Cachessia
Sepsi Endotossiemia
Stato circulatorio
iperdinamico
Asse Intestino-Fegato patologico
149 predominant
taxonomic units in
cirrhotics
To analyze fecal microbial community was analyzed by way of 454
pyrosequencing of the 16S ribosomal RNA V3 region followed by real-
time quantitative polymerase chain reaction
Chen et al.
Hepatol 2011
GUT microbiota and NAFLD
La colonizzazione di topi germ-free con una popolazione
microbica proveniente da topi obesi, stimola la sintesi di
trigliceridi e la glicogenesi nel fegato
Delzenne et al., Nat Rev Endocrinol 2011 Abu-Shanab et al., Nat Rev Gast Hep 2011
Tilg H, J Hepatology 2010
DIETA IPRELIPIDIDICA O
IPERGLUCIDICA NEGLI UMANI:
•↓ Bifidobacteria
•↓ Geni codificanti per le proteine
tight junction
•(↑ permeabilità intestinale,
•↑ circolazione di LPS
•↑ Endotoxiemia )
Il consumo di acidi grassi trans ha prodotto un aumento nello
scorso decennio di Steatosi epatica non alcolica e resistenza
insulinica
GUT microbiota and NAFLD/NASH
Frazier TH, J Parent Ent Nutrition 2011
Cani et al, Pharm Ther 2010 Miele and Gasbarrini, Hepatology 2009 Scarpellini and Gasbarrini, Am J Gastro 2010
LA IPERPERMEABILITA’ PORTA AD UNA
ENDOTOSSIEMIA METABOLICA
Zhu L et al., Hepatology 2012
The Gut microbiome in NASH
Three groups of
children/adolescents
(12-14 yrs) were
recruited in this study:
NASH patients (22)
Obese patients (25)
Nealthy controls (16)
Abundance of alcohol producing bacteria in NASH
microbiome: the elevated blood ethanol concentration in
NASH and the well-established role of alcohol metabolism in
oxidative stress and liver inflammation, suggest a role for
alcohol producing microbiota in the pathogenesis of NASH
Zhu L et al., Hepatology 2012
Characterization of the gut microbiome in NASH
an endogenous alcohol-ptroducing microbiota
Canì, Diabetes 2010
Ipotesi per disturbi metabolici batteri indotti
High Fat Diet
Cambiamenti Microbiota
Incremento permeabità
Assorbimento PAMPs
Endotossiemia
Infiammazione
Disordini
metabolici
Ist HIT
IInd HIT
Jalan R J Hepatol 2010
Conclusioni Liver-gut axis derangements
Cerf-Bensussan N al, Nat Rev Immunol. 2010
