Microbiota intestinale: generalità e funzioni

Generalità

L’importanza dell’omeostasi intestinale e del microbiota intestinale nel benessere dell’uomo sono da sempre oggetto di studio e ricerca, tanto da presentare ancora oggi dei “misteri”.

Il ruolo chiave del microbiota intestinale nella salute umana venne intuito già da Ippocrate di Cos (460 a.C. – 377 a.C.), padre della Medicina moderna, il quale affermò che “la morte ha origine nell’intestino”, sottolineando l’importanza di una dieta sana e di uno stile di vita adeguato, al fine di mantenere una composizione microbica intestinale tale da svolgere correttamente le sue funzioni.

La simbiosi tra l’individuo ospite e l’insieme dei microrganismi che risiedono nell’intestino è definita dalle caratteristiche fisiologiche dell’individuo ospite stesso, ben più complesse e diversificate di quelle degli animali “germ-free”, privi di vera attività microbica a livello intestinale, nonché caratterizzati da una minore temperatura corporea, una minore gittata cardiaca, una maggiore suscettibilità alle infezioni e molto altro. Ulteriormente, paragonando la mucosa intestinale di un feto umano in utero con la mucosa intestinale di un neonato, la prima apparirà più sottile e povera di tessuto linfoide, indispensabile per la risposta immunitaria contro agenti patogeni, mentre la seconda, colonizzata, presenterà un epitelio diversificato, robusto e ricco di tessuto linfoide. Inevitabilmente, ciò dimostra l’utilità della varietà microbica intestinale nel regolare la salute dell’ospite.

Sono descritte, di seguito, le principali funzioni che un microbiota intestinale, la cui composizione è varia ed equilibrata, svolge.

*Figura 1 – Rappresentazione 3D del microbiota intestinale [fondazioneveronesi.it]*

Funzioni metaboliche del microbiota

La varietà di specie microbiche presenti a livello intestinale mette a disposizione dell’individuo un gran numero di microrganismi che, per mezzo di specifici enzimi, danno il via a numerosi metabolismi utili alla digestione di nutrienti altrimenti non tollerabili (es. cellulosa), alla sintesi di acidi grassi a catena corta (SCFA) come il butirrato, di numerose vitamine del gruppo B, la vitamina K, amminoacidi indispensabili per il mantenimento dell’integrità della superficie intestinale e coinvolti nella trasformazione degli acidi biliari primari in secondari.

Inoltre, molti batteri intestinali sono capaci di sintetizzare “batteriocine“, composti di natura proteica utili a contrastare lo sviluppo di agenti microbici che potrebbero competere con loro e compromettere l’omeostasi intestinale. Tali composti hanno un effetto tossico e sono prodotti lungo l’intero tratto gastrointestinale da batteri “colicinogeni“, i quali hanno la capacità di resistere alla tossicità di questi prodotti peptidici.

Sintesi delle vitamine

Le vitamine sono caratterizzate da strutture chimiche e funzioni ben diverse tra loro. Sono distinte in idrosolubili e liposolubili: alle prime ,ad esempio, appartengono le vitamine del gruppo B; alle seconde, invece, appartiene la vitamina K, presente in natura sotto forma di Vit. K1, perlopiù di origine vegetale, e di Vit. K2, rilevabile in alimenti di origine animale ma perlopiù sintetizzata dal nostro organismo nella sua forma bioattiva MK-7, a partire proprio dalla vitamina K1.

Ad accomunare alcune vitamine del gruppo B e quella K2, vi è la possibilità di essere sintetizzate da alcuni batteri commensali normalmente presenti nel microbiota intestinale (batteri lattici e bifidobatteri). La vitamina K2 può essere sintetizzata da Lactococcus lactis, la cui capacità di sintesi vitaminica è stata riconosciuta, oltre che in ambiente intestinale, su matrici a base di soia, suggerendone il potenziale impiego per la produzione di prodotti nutraceutici.

Le vitamine del gruppo B, invece, sono sintetizzate perlopiù nel colon e si distribuiscono lungo tutti gli organi dell’ospite. Tra le varie, una nota di merito va fatta per la Vitamina B12, prodotto di una delle vie di sintesi più complicate e articolate in natura. È caratterizzata da una struttura particolarmente complessa ed articolata ed è sintetizzabile a partire da Propionibacterium shermanii (anaerobio) o Pseudomonas dentrificans (aerobio).

Struttura della Vitamina B12, o Cobalamina — *Figura 2 – Struttura della Vitamina B12 o Cobalamina [wikipedia.org]*

Fermentazione dei substrati non digeribili e sintesi SCFA

I carboidrati non normalmente digeribili (NDC) dal nostro intestino, classificati come fibre alimentari funzionali, causano molteplici effetti benefici, soprattutto in soggetti obesi e/o diabetici.

Queste fibre subiscono fermentazione a livello del colon e si assumono perlopiù da cereali, frutta e legumi. Al termine della loro fermentazione intestinale si ha la formazione di SCFA, come propionato, butirrato, e molti altri.

Specificatamente, il propionato è sintetizzabile a livello intestinale per mezzo di Veillonella parvula, Clostridium propionicum e Roseburia inulinivorans, mentre il butirrato da Roseburia intestinalis e Eubacterium hallii. Tali sintesi, inoltre, giocano un ruolo chiave nel contrasto all’accumulo di adipe, comunicando con alcuni recettori intestinali che regolano le attività metaboliche.

Funzioni protettive del microbiota

Le funzioni del microbiota intestinale non sono solo di tipo metabolico; questo, infatti, si comporta da vero e proprio scudo per il suo ospite, sia sintetizzando composti come le citochine, che dimostrano il legame tra sistema immunitario e microbiota, sia contrastando l’ingresso di patogeni che andrebbero ad alterare il benessere dell’individuo.

Contrasto alla colonizzazione di un patogeno

Come descritto nei paragrafi precedenti, un sano microbiota intestinale vive un perfetto equilibrio tra le sue componenti batteriche, virali ed eucariotiche, indispensabile per il mantenimento della salute del suo ospite. Tale equilibrio, però, è costantemente minacciato sia da patogeni esterni, sia da patogeni opportunisti normalmente presenti nel microbiota intestinale, la cui concentrazione è limitata dagli altri microrganismi, al fine di evitare lo sviluppo di infezioni.

Un caso che ha suscitato particolare interesse negli ultimi tempi è il legame che ci sarebbe tra microbiota intestinale e contrasto al virus SARS-CoV 2, responsabile dell’infezione COVID-19. I recettori delle proteine Spike di quest’ultimo, infatti, sono spesso rintracciabili lungo l’epitelio intestinale e del colon di pazienti infetti, dimostrando, ancora una volta, sia che COVID-19 è un’infezione che non colpisce solo l’apparato respiratorio, sia che un microbiota intestinale in salute può aiutare nel suo contrasto. Batteri intestinali Bacteroidetes, infatti, sono sotto-modulatori dei recettori appena citati e diminuiscono radicalmente la loro espressione, nonché l’interazione tra virus e ospite.

*Figura 3 – Rappresentazione 3D di una proteina Spike appartenente al virus SARS-CoV 2* [ansa.it]

Regolazione delle citochine infiammatorie

Le citochine sono proteine che regolano la risposta immunitaria, sia adattativa che innata, e che contribuiscono al mantenimento dell’omeostasi. La produzione di queste può essere influenzata anche dal microbiota intestinale e la sua composizione: in caso di disbiosi, ad esempio, vi è una sovrapproduzione IL-18, utile al contrasto a Salmonella typhimurium.

In altri casi, invece, la produzione di citochine pro-infiammatorie può essere alterata da fattori genetici; nel caso della celiachia, ad esempio, vi è una “anormale” risposta immunitaria in caso di interazione tra enterociti e glutine, con elevata produzione di IL-15, responsabile delle alterazioni a carico della barriera epiteliale e conseguente atrofia dei villi.

*Figura 4 – Osservazione al microscopio e confronto tra villi intestinali sani e villi intestinali in atrofia in paziente celiaco [biomedicalcue.it]*

Funzioni strutturali del microbiota

Lo stato di salute dell’ospite dipende anche dalle condizioni della barriera epiteliale dell’intestino; essa è spesso definita come uno dei più importanti filtri che dividono il nostro organismo dall’ambiente esterno, rappresentato dagli alimenti che ingeriamo, capace di selezionare le sostanze benefiche da indirizzare al nostro sistema circolatorio e di scartare ciò che è potenzialmente dannoso.

Tra le varie funzioni strutturali svolte dal microbiota intestinale troviamo soprattutto lo sviluppo dei villi intestinali e la differenziazione degli enterociti, ma anche la produzione di muco, tanto da notarsi anche nelle mucose “germ-free” dei feti umani dentro l’utero, particolarmente sottosviluppati e sottili.

Sviluppo villi intestinali ed enterociti

Indispensabili per l’integrità della barriera intestinale, le tight junctions (TJ) sono formate da proteine sintetizzate a livello intestinale; il probiotico Escherichia coli Nissle1917, ad esempio, contribuisce all’espressione delle proteine ZO-1 e ZO-2, indispensabili per la formazione delle giunzioni strette. Lo stesso ruolo è svolto da Lactobacillus rhamnous GG e Lactobacillus plantarum B452.

Produzione di muco

Il muco che ricopre l’epitelio enterico influisce particolarmente nel contrasto alla colonizzazione patogena. Svolge varie funzioni protettive e previene malattie infiammatorie e infettive; è composto da mucine: glicoproteine prodotte dalle cellule calciformi mucipare (Globet) e distinte tra mucine secrete nel lume intestinale e mucine transmembrana.

Alcuni ceppi batterici sono in grado di modulare la produzione di mucina. Tra questi distinguiamo il ceppo 299V, di Lactobacillus plantarum e il precedentemente citato Escherichia coli Nissle 1917.

Fonti

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