Biodiversità nel microbiota grazie al fitness cardiorespiartorio

Corsa tra le discipline del fitness cardiorespiratorio.
Fitness cardiorespiratorio.
Corsa in fitness cardiorespiratorio è un’attività fisica consigliabile a tutte le persone sane come prevenzione primaria per favorire la #biodiversità nel microbiota.
Corsa: una delle specialità allenanti cuore e polmoni

La biodiversità è vita

La biodiversità rafforza la produttività di qualsiasi ecosistema. E l’intestino umano non fa eccezione.

L’intero corpo umano è popolato da un gran numero di batteri, virus e altri microrganismi: questi colonizzano ogni superficie esposta all’ambiente esterno come pelle, apparato genitourinario, tratto respiratorio e apparato gastroenterico.

L’apparato gastroenterico, però, rappresenta la superficie con il maggior numero di colonie.

L’ecosistema del tratto gastrointestinale è molto dinamico: nell’ habitat intestinale alcuni membri del microbiota possono essere considerati residenti, vale a dire componenti autoctone normalmente presenti, mentre altri dovrebbero essere visti come “viaggiatori di passaggio“, cioè selezionati da dieta o altri fattori ambientali.

Il rapporto tra il microbiota intestinale e l’ospite è generalmente di tipo commensale, ovvero uno dei due ottiene benefici senza influenzare positivamente o negativamente l’altro.

Una popolazione immensa e silenziosa

La flora batterica non è distribuita in maniera omogenea.

Il numero delle cellule batteriche presenti nell’intestino dei Mammiferi è nell’ordine dei 101-103 individui per grammo nello stomaco e duodeno, aumenta a 104-107 per grammo nel digiuno ed ileo, e raggiunge i 1011-1012 nel colon.

Anche la composizione della popolazione microbica varia nei diversi distretti.

Oltre all’eterogeneità in senso longitudinale mostrata dal microbiota intestinale, infatti, vi è una gran quantità di variazioni latitudinali nella composizione.

L’epitelio intestinale, per esempio, è separato dal lume da uno strato di muco denso e complesso dal punto di vista chimico-fisico.

Sezione longitudinale di colon umano. La #biodiversità tra i vari strati della organizzazione generale della parete.
La tonaca mucosa (M) è sottile e liscia, non sono più presenti né pieghe circolari, né villi intestinali.
I rilievi interni, detti pieghe semilunari, sono dovuti al fatto che lo strato muscolare longitudinale discontinuo esterno è più corto dell’intestino.
Alla formazione di tali pieghe, pertanto, partecipano la tonaca mucosa, la tonaca sottomucosa (SM) e lo strato muscolare interno circolare (Mc) della tonaca muscolare.
La tonaca sierosa avvolge il colon solo in alcuni tratti, nei restanti tale tonaca viene sostituita dalla tonaca avventizia.
Sezione longitudinale di colon umano. Organizzazione generale della parete.

Il microbiota presente nel lume intestinale differisce significativamente da quello attaccato e intrappolato nel muco così come che da quello presente nelle immediate vicinanze dell’epitelio.

Ospitiamo un’antologia di adattamenti alla vita

La maggior parte di questa flora intestinale è composta da anaerobi stretti, microrganismi cioè che non necessitano affatto di ossigeno per sopravvivere, i quali dominano sugli anaerobi facoltativi –che possono vivere in assenza o presenza di ossigeno- e sugli aerobi –che necessitano di ossigeno-, superandoli per numero di 2 o 3 ordini di grandezza.

Nella composizione della popolazione microbiotica prevalgono due ceppi: Bacteroides e Firmicutes, che rappresentano circa il 90% della flora totale (rispettivamente 25% e 65%) mentre Proteobacteria, Verrucomicrobia, Actinobacteria, Fusobacteria e Cyanobacteria sono presenti in proporzioni minori.

Il 70% di tutti i batteri, presenti nel corpo umano, risiede nel colon.

Tra i batteri commensali residenti nel tratto gastrointestinale dei Mammiferi, i Bifidobatteri rappresentano uno dei più numerosi ceppi probiotici, anche se il loro reale contributo al microbiota intestinale dipende dall’età e dalla dieta del soggetto ospite.

Il metabolismo del microbiota al “nostro servizio”

Ciascuna specie riveste e svolge un ruolo specifico nell’ecosistema in cui vive e proprio in virtù del suo ruolo aiuta l’ecosistema a mantenere i propri equilibri vitali.

Il microbiota intestinale umano supporta l’ospite in molte ed importanti funzioni: digestione, assorbimento, stimolo immunitario, protezione da patogeni enterici.

I batteri riducono i residui parzialmente digeriti dei carboidrati complessi introdotti con i cibi ricchi di fibre vegetali (prebiotici) mediante fermentazione, liberando come preziosi sottoprodotti acidi grassi a catena corta: butirrato, acetato e propionato.

Tale classe di acidi grassi funge da originario nutrimento per i colonociti -cellule intestinali del colon-, i quali richiedono e consumano il 10% della intera energia alimentare.

Il butirrato, in particolare, riveste un ruolo essenziale nel matenimento della omeostasi e nella salute generale dell’intestino.

Alterazioni durature nella composizione della comunità microbica, definita disbiosi, comporta effetti nocivi sulla salute dell’ospite: noi.

La biodiversità intestinale è una nostra responsabilità

Nello studio condotto da Le Chatelier e colleghi nel 2013, la biodiversità nel microbiota intestinale è emersa come indicatore per eccellenza della salute generale dell’ospite.

Una ridotta varietà di comunità microbiche, invece, è stata correlata ad altri markers di difunzione metabolica, come adiposità localizzata, insulinoresistenza e stato infiammatorio.

Legate alla biodiversità enterica risultarono anche le condizioni gastrointestinali generali, i disturbi infiammatori del colon, le infezioni da Clostridium difficile, fino a giungere al cancro del colon-retto.

Per questo, la miglior ricerca, negli ultimi anni, si è concentrata sulla comprensione e lo sviluppo di strategie che promuovessero soprattutto la salute gastrointestinale, mediante manipolazione delle comunità batteriche, nel tentativo di risolvere i disturbi associati alla disbiosi.

Differenti variabili estrinseche, totalmente nelle nostre mani, come lo stress, l’assunzione di probiotici o antibiotici, il consumo di alcool, il tipo di dieta osservata, sono state indicate come fattori trasformanti per il microbiota.

Il legame, invece, tra attività fisica e composizione del microbiota intestinale è stato suggerito dal 2008 nello studio condotto da Matsumoto e colleghi, che per primo ha registrato incrementi nel livello di butirrato nel cieco di ratti fisicamente attivi, prodotto da specifici ceppi batterici intestinali.

Il successivo studio di Allen e dei suoi ricercatori, dimostrò, inoltre, che l’attività fisica in modalità attiva e volontaria, con ratti in corsa sulla ruota, rispetto ad una forzata routine, fosse in grado di alterare il microbiota in modo differente ed utile.

Questo primo dato dimostrava l’importanza della volontarietà e gradevolezza del movimento fisico, affinchè questo apportasse modifiche biochimiche favorevoli all’habitat microbico.

Fitness cardiorespiratorio: la chiave di volta

Estaki insieme ai suoi colleghi, nel 2016, ha invece condotto un sequenziamento genico per analizzare il microbiota fecale umano di 39 partecipanti sani in una stessa fascia di età, con indice di massa corporea (BMI) e dieta comparabili, ma con livelli differenti di fitness cardiorespiratorio.

Il fitness cardiorespiratorio è la pratica sportiva che mira alla salvaguardia e al rafforzamento del sistema cardiovascolare e polmonare.
Per definire perfettamente la quantità di esercizio fisico idonea ad ogni soggetto, occorre effettuare misurazioni relative alla percentuale della massa magra presente.

L’American Heart Association (AHA) ha pubblicato una dichiarazione pionieristica che raccomanda la valutazione di routine del fitness cardiorespiratorio (CRF) da parte dei medici.

Bassi livelli di fitness cardiorespiratorio, infatti, sono associati a tassi di mortalità e patologie cardiache più elevati rispetto alla norma.

Il CRF è risultato il fattore di rischio potenzialmente più importante per predire la mortalità rispetto a fumo, ipertensione, colesterolo alto e diabete di tipo 2.
Persino in caso di obesità -e compresenza di più di un fattore di rischio-, se il CRF è alto, tale indice può mitigare lo stato di rischio cronico .

Un elevato valore di CRF è associato ad un minor rischio di sviluppo di patologie cardiovascolari, demenza, morbo di Alzheimer e varie forme di cancro, quali carcinoma polmonare, cancro al seno e carcinoma gastroenterico.

Idoneità cardiorespiratoria

Per idoneità cardiorespiratoria si intende l’abilità o la capacità del cuore, dei polmoni e dei muscoli di assumere ossigeno e di usarlo per produrre energia. Più è alto il valore di fitness cardiorespiratorio, più efficiente è l’intero processo. Più il soggetto è sano.

Il concetto di “cardio” include, tuttavia, sia la funzionalità cardiaca che quella dei vasi sanguigni: anche i muscoli del cuore possono diventare più forti, con un esercizio specifico e regolare, e così anche i vasi sanguigni risulteranno più elastici e meno intasati.

Il concetto di “respiratorio”, invece, è legato all’ irrobustimento dei muscoli respiratori che corrisponde anche ad un maggior numero di capillari.

Un aumento del numero dei capillari sanguigni, a livello muscolare, consente un miglior scambio di O2 e CO2, maggiore afflusso di sangue -con relativo trasporto di nutrienti- e più efficace eliminazione dei prodotti di scarto del metabolismo locale.

Ed arriviamo ad oggi

Lo studio condotto da Stephen J. Carter e colleghi, pubblicato su Experimental Physiology il 14 febbraio scorso, si è posto l’obiettivo di indagare la validità universale del legame tra livello di fitness cardiorespiratorio e la biodiversità del microbiota.

Il fitness cardiorespiratorio determina biodiversità tra i ceppi intestinali anche in seguito a modifiche nella percentuale di massa grassa e alterazioni della spesa energetica collegata all’attività (AEE)?

Questo il quesito centrale di tutta la ricerca in esame.

L’indagine ha riguardato, in particolare, pazienti oncologici in post-trattamento per tumore primario non metastatico,al seno.

I trattamenti oncologici innescano, infatti, di solito, sostanziali e deleteri cambiamenti fisiologici multipli sulla composizione corporea e sulla salute generale del paziente.

Questo è il primo studio ad esaminare il legame tra fitness cardiorespiratorio e biodiversità del microbiota intestinale, spiegando contemporaneamente i sottostanti effetti della percentuale di massa grassa e di dispendio energetico legato all’attività libera (AEE)

L’analisi genetica per guardare nel microbioma

La composizione microbica dei campioni fecali prelevati da 37 pazienti oncologici con cancro al seno è stata determinata mediante l’analisi microbica del 16S.

Si tratta della determinazione della sequenza di geni presenti in una regione variabile, chiamata 16S, dell’ rRNA (materiale genetico presente negli organuli cellulari noti come ribosomi).

Le differenze di sequenza nell’ rRNA 16S vengono utilizzate come una vera e propria impronta digitale microbica per identificare e quantificare i diversi taxa (le unità di organismi raggruppati per comuni caratteristiche morfologiche e genetiche).

Impronte digitali dei microrganismi intestinali, in biodiversità.
Microrganismi che popolano l'intestino (fonte: U.S. Department of Agriculture/Washington)

Microrganismi che popolano l’intestino umano
(fonte: U.S. Department of Agriculture/Washington)

Il lavoro di Carter si è addentrato nella valutazione sia della biodiversità nel microbiota di campioni individuali (α‐diversity), sia delle differenze tra campioni di comunità (β‐diversity).

E’ stato inoltre stimato il Picco di Assorbimento dell’Ossigeno (V̇O2peak) durante un Esercizio-Test Graduale (GXT), derivante dal protocollo Naughton modificato, in cui l’esercizio termina all’85% del massimo della frequenza cardiata prevista per l’età del soggetto.

Il protocollo di Naughton è un test di esercizio submassimale progettato per mantenersi in una zona di frequenza cardiaca più bassa rispetto a quella massima per il soggetto.

La seduta consiste di diverse fasi, ognuna delle quali leggermente più intensa di quella che la precede.

La frequenza cardiaca aumenta gradualmente durante tutta la prova con una zona di destinazione dell’endpoint che è proprio l’80-90% della frequenza cardiaca massima.

Componenti della spesa energetica e loro contributo percentuale alla spesa energetica totale

I tre principali componenti della spesa energetica sono:

metabolismo basale cioè l’energia spesa da un soggetto a riposo il cui maggior determinante è il tessuto muscolare, direttamente proporzionale alla massa magra metabolicamente attiva.
effetto termico del cibo (TEF) cioè l’aumento della spesa energetica indotto dall’assunzione di cibo.
attività fisica che rappresenta la componente più variabile della spesa energetica giornaliera e può portare ad un significativo aumento della spesa energetica in soggetti molto attivi.

La spesa energetica derivante dall’ attività fisica è quella necessaria per la contrazione muscolare volontaria.

La quasi totalità dell’energia nell’uomo è ricavata da processi ossidativi, per cui si può valutare il consumo energetico in base alla velocità del consumo di ossigeno (VO2).

Dal valore di VO2 è possibile risalire al dispendio energetico conoscendo l’equivalente calorico per litro di ossigeno.

La spesa energetica può essere determinata indirettamente mediante la tecnica della diluizione dell’acqua doppiamente marcata con deuterio e ossigeno-18 (2H218O).

Infine, il metodo del monitoraggio della frequenza cardiaca (HRmax ).

Tale metodo si basa sul principio per il quale la frequenza cardiaca aumenta all’aumentare dell’attività fisica e questo aumento è discretamente correlato al consumo d’ossigeno.

Si stabilisce la relazione (attraverso una analisi di regressione lineare) tra frequenza cardiaca e VO2 del soggetto per tutta una serie di attività svolte nella giornata. Si effettua quindi una registrazione continua della frequenza cardiaca e si calcola il VO2 (regressione lineare).

Attraverso l’equivalente calorico si risale dalla VO2 alla spesa energetica.

Risultati in dettaglio

Il dispendio energetico legato all’attività fisica è stato misurato per oltre 10 giorni usando acqua doppiamente marcata in cui la percentuale del grasso corporeo è stato calcolato dall’acqua corporea totale.

Le correlazioni di Pearson rivelano indici di diversità positivamente associati ai picchi di assorbimento dell’ossigeno (r = 0.34 0.51; p < 0.05).

La percentuale, invece, del battito cardiaco massimo (%HRmax), durante le fasi 1-4 del GTX (r = ‐0.34 ‐0.50; p < 0.05) e la percentuale di grasso corporeo (r = ‐0.32 ‐0.41; p < 0.05) erano negativamente associate agli indici dei campioni con α-diversità.

I modelli di regressione lineare multipla hanno mostrato picchi di assorbimento dell’ossigeno per 22% – 26% della varianza nella ricchezza tassonomica (specie microbiche osservate) e diversità filogenetica anche in seguito all’adeguamento della percentuale di grasso corporeo e in stato di menopausa.

La distanza filogenetica tra i ceppi (unweighted UniFrac β‐diversity) è stata significativa e correlata agli effetti del fitness cardiorespiratorio.

Associazioni invece tra dispendio energetico legato all’attività fisica libera (AEE) e biodiversità nel microbiota non sono stati trovati.

Cuore allenato, Intestino variegato

I risultati finali di questo freschissimo studio genetico affermano, quindi, chiaramente, che solo il fitness cardiorespiartorio, non la semplice attività fisica, sia strettamente correlato alla benefica biodiversità nel microbiota intestinale.

Ilaria G. Giuliani

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Mi occupo di Nutrizione Umana, con approfondimento su Terapie Nutrizionali Specifiche per Stati Patologici e Dismetabolismi. Ho condotto programmi scolastici di Educazione Alimentare ed ho collaborato a Progetti di Ricerca in Microbiologia e Tecnologia Alimentare presso CNR-ISPA BARI. Poichè la divulgazione delle conoscenze professionali ha sempre avuto, per me, un valore assoluto, amministro il sito di Informazione Scientifica RiBEN.

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