I batteri del dolore: il ruolo del microbiota nella regolazione del dolore

Definizioni di dolore

Possiamo definire il dolore come una sensazione spiacevole associata ad un attuale o potenziale danno tissutale. La sensazione (soggettiva) di dolore include anche la sfera emotiva, cognitiva e sociale.

Possiamo anche classificare il dolore: esiste un dolore acuto, il quale è un sistema di allarme per proteggere l’organismo da un possibile danno tissutale, ed un dolore cronico, il quale è debilitante e riduce significativamente la qualità della vita del soggetto che lo esperisce. Molteplici meccanismi, sia cellulari che nervosi, operano da soli ed in combinazione con il SNC e il SNP per produrre le differenti forme di dolore.

Possiamo anche parlare di dolore nocicettivo e dolore neuropatico. Mentre il primo viene evocato dall’attivazione dei nocicettori (es. dolore insorto in seguito a infiammazione), il secondo viene prodotto da un danno a diversi livelli del sistema nervoso centrale e periferico (es. dolore insorto in seguito a lesione del tronco nervoso periferico o del midollo spinale o dell’encefalo).

Microbiota intestinale

Il microbiota intestinale consiste di batteri, archea, lieviti, eucarioti unicellulari ed elminti o virus (o entrambi). Questo sistema micro-ecologico, che comprende all’incirca 10¹⁴organismi, è coinvolto in numerosi processi per mantenere l’omeostasi dell’ospite all’interno del quale vivono – regolazione energetica, protezione dai patogeni, sviluppo corporeo, funzionamento del sistema immunitario, ecc.

Recentemente, molti studi sembrano confermare la partecipazione di suddetto sistema micro-ecologico nella genesi di numerose malattie neuro-immuni e neuro-psichiatriche come l’Alzheimer, il Parkinson, la depressione e il dolore cronico, avvalorando sempre di più l’ipotesi emergente dell’asse bidirezionale tra il microbiota intestinale e il cervello.

Ad oggi, il ruolo emergente del microbiota intestinale nella regolazione del dolore sta attirando molta attenzione. Sebbene sia già noto che tale microsistema gioca un ruolo importante nel dolore viscerale, l’interesse sta aumentando anche per quanto riguarda un suo coinvolgimento in altri tipi di dolore cronico, come il dolore infiammatorio e il dolore neuropatico.

Il Microbiota e il dolore viscerale

Il dolore viscerale può essere definito come quello percepito a carico degli organi interni, come il dolore addominale ad esempio. E’ stato dimostrato come una dis-omeostasi del microbiota intestinale possa correlare con la patogenesi di numerosi disturbi del tratto gastrointestinale (IBS, IBD, allergie alimentari).

Alcuni studi pre-clinici sono riusciti a determinare il coinvolgimento di suddetto microsistema nella patogenesi del dolore viscerale. Ad esempio, Aguilera e collaboratori hanno dimostrato che un trattamento con antibiotici, sui topi, riduceva il dolore viscerale indotto a seguito di iniezioni intraperitoneali di acido acetico. Di contro, quando gli antibiotici venivano somministrati nelle prime fasi della vita, allora si notava un aumento del dolore viscerale negli adulti – presumibilmente perché il microbiota veniva “disturbato”.

Risultati analoghi si sono ottenuti anche con la somministrazione di probiotici. Ad esempio, Savignac e collaboratori notarono che la somministrazione di bifidobatteri (Bifidobacterium breve 1205 e Bifidobacterium longum 1714), sempre amministrata sui topi, risultava in grado di far revertire il l’ipersensibilità viscerale indotta dalla distensione colorettale.

In più, Miquel et al. hanno notato anzitutto che la presenza di Faecalibacterium prausnitzii diminuisce nei roditori con IBS indotta dalla separazione neonatale materna (NMS), e quindi che la somministrazione di F. prausnitzii A2-165 era in grado sia di ridurre significativamente l’ipersensibilità indotta dalla NMS (con rafforzamento della barriera epiteliale intestinale) sia di esercitare effetti anti-nocicettivi, indicandone un potenziale nel trattamento del dolore addominale in pazienti con IBS.

Il microbiota e il dolore infiammatorio

Il dolore può essere elicitato ed amplificato dalla reazione infiammatoria. Essa fa riferimento ad una diminuzione della soglia del dolore e ad un aumento della risposta dolorifica. In condizioni di infiammazione, difatti, gli stimoli nocivi possono causare un’amplificazione del dolore (iperalgesia), mentre gli stimoli non-nocivi possono causare dolore (allodinia). Alla base c’è una certa “zuppa infiammatoria” che comprende numerosi mediatori pro-infiammatori, come l’ATP, la PGE2, il TNF-α, l’IL-1β, CCL2 e CXCL1. Essi vengono rilasciati dalle cellule del sistema immunitario infiltrate o comunque dalle cellule residenti. Una volta rilasciati, questi mediatori possono attivare o sensibilizzare i nocicettori periferici causando ipersensibilità periferica.

Anche in questo caso, numerosi studi pre-clinici condotti sugli animali indicano che il microbiota intestinale potrebbe avere un ruolo chiave nel dolore infiammatorio. Amaral e colleghi, per esempio, hanno notato che il dolore infiammatorio indotto dal lipopolisaccaride (LPS), dal TNF-α, dall’IL-1β e dalla CXCL1 era ridotto in topi “germ-free” rispetto a topi normali. Anche l’infiammazione indotta dalla carragenina era minore in topi germ-free, però questa si è vista revertire a seguito della ri-strutturazione del microbiota (tramite somministrazione sistemica di LPS).

E’ di rilievo che recentemente Yan e colleghi abbiano dimostrato che l’esposizione a procedure dolorose e/o stressorie durante i primi periodi dopo la nascita possono riprogrammare la neurocircuiteria coinvolta nella nocicezione e nella percezione del dolore. Nel loro studio, i ricercatori hanno somministrato a ratti Sprague-Dawley o il LPS (0.05 mg/kg) o una soluzione salina (equi-volume) nel terzo e nel quinto giorno dopo la nascita. Durante l’adolescenza, si è valutata la sensibilità al dolore mediante l’estesiometro di Von Frey. Sorprendentemente, i ratti ai quali si era somministrato il LPS mostravano un’aumentata sensibilità al dolore sia nei maschi che nelle femmine.

Per concludere, Vieira e collaboratori hanno notato che una deficienza di vitamina D nei topi, condizione che rappresenta uno stato pro-infiammatorio, induceva allodinia associata ad una ipereccitabilità e alla riduzione nella diversità microbica caratterizzata da un aumento in Firmicutes e ad una diminuzione in Bacteroidetes e Verrucomicrobia.

Il microbiota e il dolore neuropatico

Il dolore neuropatico è causato da un danno o da una malattia che colpisce il sistema nervoso somatosensorio, ed è associato ad una sensazione anormale di disestesia (comunemente intesa come dolore o bruciore a seguito di un lieve stimolo tattile) o ad un dolore evocato da un normale stimolo non dolorifico (allodinia). Di base, è fondamentale sapere che i macrofagi infiltrati e le citochine e chemochine secretorie, sotto terapia chemioterapica, possono causare neurotossicità sia inducendo uno stato infiammatorio sia modulando la sensibilità e l’attività dei nocicettori.

Per cominciare, Shen e colleghi hanno visto che un pre-trattamento di circa 3 settimane con antibiotici riduceva di circa due volte il contenuto microbico nelle feci dei topi. Hanno notato anche che l’iperalgesia indotta dall’Oxaliplatino (un agente chemioterapico) veniva ridotta sia nei topi germ-free che nei topi pre-trattati con antibiotici. Inoltre, dopo il trattamento con suddetto chemioterapico, sempre nei topi pre-trattati e rispetto a topi ai quali era stata somministrata soltanto acqua, i ricercatori hanno osservato una ridotta infiltrazione di macrofagi e produzione di citochine (IL-6 e TNF-α) a livello dei gangli delle radici dorsali. Per concludere, Shen e colleghi hanno notato che la ristorazione del microbiota nei topi trattati con antibiotici, ottenuta con somministrazione di LPS esogeno, abrogava suddetta protezione nei confronti dell’iperalgesia.

Un altro studio ha dimostrato che il dolore neuropatico indotto dal Paclitaxel (un agente antineoplastico) poteva essere “contrattaccato” dalla somministrazione del probiotico DSF, una formulazione di probiotico ad alta concentrazione (450 miliardi di batteri per bustina).

Meccanismi molecolari periferici

I mediatori derivati dal microbiota possono regolare direttamente ed indirettamente l’eccitabilità dei neuroni sensori primari nei gangli delle radici dorsali (DRG). Possono agire in primis in maniera diretta attraverso l’attivazione o la sensibilizzazione dei recettori correlati al dolore o di canali ionici, inclusi i TLR, i canali TRP, i recettori del GABA e i canali ionici ASIC (Acid-Sensing Ion Channels). In alternativa, agiscono in maniera indiretta attraverso l’attivazione di cellule non-neuronali, come le cellule del sistema immunitario, stimolandole a rilasciare citochine pro-infiammatorie, chemochine e neuropeptidi.

Si pensa inoltre che i pattern molecolari associati ai patogeni (PAMP) derivati dal microbiota intestinale (es. LPS, LTA, PGN) possano contribuire in maniera importante alla sensibilizzazione periferica in condizioni di dolore cronico. Questi PAMP vengono rilasciati localmente per poi finire in circolo, legano i PRR espressi sulle cellule immunitarie e sui neuroni sensoriali localizzati nei DRG e quindi partecipano alla sensibilizzazione periferica.

Se da una parte infatti i PAMP stimolano le cellule del sistema immunitario a rilasciare citochine pro-infiammatorie e chemochine, dall’altra invece possono attivare direttamente i neuroni sensori primari nei DRG. Ad esempio, il LPS può legare i TLR4 per attivare i neuroni nocicettivi, con un meccanismo parzialmente mediato da TRPV1. Inoltre, il LPS attiva direttamente canali TRPA1 inducendo il rilascio di CGRP, quindi si attiva un flusso di calcio che determina un potenziale d’azione nei neuroni sensori nocicettivi. L’ipereccitabilità neuronale può anche essere stimolata dall’attivazione dei TLR2 sui neuroni sensori primari stimolati dalle prostaglandine o dai frammenti di aggrecano.

Recentemente, si è anche visto che la N-formaldeide prodotta dai batteri viene riconosciuta dagli FPR1 dei nocicettori, e che l’α-emolisina depolarizza direttamente i neuroni nocicettivi (nei DRG). Anche gli acidi grassi a catena corta (SCFA) derivati dalla fermentazione batterica di carboidrati e proteine hanno un ruolo nel dolore, soprattutto in quello cronico. Infatti, gli SCFA agiscono sugli FFAR2/3 regolando la produzione di citochine, eicosanoidi e chemochine da parte dei leucociti. Sebbene gli SCFA siano capaci di sopprimere l’attivazione dei macrofagi, suggerendo un’azione anti-infiammatoria, in alcune condizioni questi prodotti potrebbero avere un ruolo pro-infiammatorio basato soprattutto sulla migrazione e sull’accumulo dei neutrofili.

Meccanismi molecolari centrali

Studi recenti suggeriscono che numerose tipologie cellulari nel cervello, incluse le cellule endoteliali, i periciti, le cellule della microglia, gli astrociti e le cellule immuni infiltrate, siano in grado di ricevere input dalla periferia, specie dal tratto gastrointestinale. L’attivazione di queste cellule contribuisce alla neuro-infiammazione. E’ di rilievo come il microbiota intestinale sia in grado di partecipare alla maturazione, alla morfologia e al funzionamento delle cellule della microglia, come sottolineato da Erny e collaboratori. Per questo motivo, il microbiota intestinale potrebbe partecipare alla patogenesi di numerosi disturbi neurologici.