ECOSISTEMA INTESTINALE:
FISIOPATOLOGIA E IMPLICAZIONI SISTEMICHE
F
Gerardo Nardone, Olga Maria Nardone
Area Funzionale Complessa di Gastroenterologia a prevalente indirizzo oncologico,
Dipartimento di Medicina Clinica e Sperimentale, Università degli Studi di Napoli “Federico II”
Alla nascita l’intestino è sterile, ma già dopo le prime ore di vita inizia
una lenta e progressiva contaminazione batterica di tutto il tratto gastro-intestinale. Questo processo dipende essenzialmente da quattro fattori: modalità di espletamento del parto (naturale o cesareo), flora
batterica vaginale della madre, igiene ambientale e tipo di alimentazione
del neonato. Mentre appare ovvio e naturale il condizionamento dei primi
tre fattori, risulta interessante ed intricante come variazioni anche minime
della composizione della dieta possano condizionare l’ecosistema intestinale. Difatti, se il neonato è alimentato al seno della madre la flora batterica è costituita prevalentemente da bifidobatteri, viceversa, se il
neonato è alimentato con latte artificiale la flora batterica è costituita da
una popolazione mista di Bifidobatteri, Bacteroidi ed Escheria Coli (1).
Generalmente dopo un mese dalla nascita la flora batterica è costituita
per l’85% da bifidobatteri e per il 15% da enterobatteri e enterococchi,
ma dopo il primo mese la flora batterica si arricchisce di germi aerobi e
anaerobi facoltativi. Un ulteriore arricchimento delle specie batteriche
si osserva a sei mesi con l’ingresso di enterococchi, enterobatteri, streptococchi, clostridi e germi anaerobi(2).
Ad un anno dalla nascita la flora batterica intestinale appare definita e
costituita prevalentemente da una miscela di germi aerobi - anaerobi
facoltativi e bifidobatteri che in questa fase rappresentano circa il 20%
della popolazione batterica intestinale totale.
Da un punto di vista tassonomico distinguiamo quattro principali divisioni batteriche: i Proctobatteri (Escherichia coli) e gli Actinobatteri (Bifidobacterium) ,prevalentemente presenti nei primi giorni di vita,ed i
Firmicutes e in minor misura i Bacteroidi presenti nelle fasi successive
della vita adulta. Pertanto, la flora batterica intestinale, risulta essere un
sistema dinamico costituito da diverse specie batteriche, in parte acquisite alla nascita ed in parte di provenienza ambientale, che colonizzano
l’intestino durante le varie fasi della vita. La numerosità, la presenza di
diverse specie batteriche e le influenze ambientali fanno si che ogni individuo abbia una peculiare flora batterica intestinale così come avviene
per le proprie impronte digitali (3).
La flora batterica intestinale è una comunità di microorganismi dislocata
in una nicchia ecologica del nostro organismo anche se, sarebbe più giusto
dire che le cellule dell’organismo umano occupano una nicchia del mondo
batterico, difatti, il rapporto tra cellule procariotiche di origine batterica
e cellule eucariotiche di origine umana è di 9 a 1.
Il tratto gastrointestinale è popolato da più di 1000 specie batteriche che
sono in continua competizione sia per occupare le varie nicchie presenti
sulla superficie epiteliale sia per utilizzare i nutrienti presenti nel lume
intestinale. L’equilibrio e la costituzione della flora batterica intestinale è
controllato dall’organismo umano tramite quattro meccanismi: secrezione
acida gastrica, peristalsi gastrointestinale, presenza di IgA secretorie dislocate lungo la superficie epiteliale della mucosa, e continenza della valvola ileo-cecale.
Grazie a questo controllo la flora batterica presenta variazioni qualitative
e quantitative lungo tutto il tratto gastrointestinale. In particolare a livello
gastrico la concentrazione batterica è intorno a 102-103 CFU/ml ed è costituita da Lactobacilli; a livello del piccolo intestino osserviamo un progressivo incremento numerico da 103 a 106 CFU/ml in senso cranio-caudale
con presenza di germi aerobi gram-negativi, mentre a livello del colon riscontriamo un ulteriore incremento numerico della flora batterica con
concentrazioni comprese tra 109-1012 di germi anaerobi gram-negativi
ed in particolare da Enterobatteri, Enterococchi e Clostridi. Il rapporto complessivo tra anaerobi e aerobi è 1000:1.
Considerato che la flora batterica intestinale costituisce un vero
e proprio organo del corpo umano la domanda che ci poniamo
è che funzione essa svolge e soprattutto è utile o dannosa per
l’organismo?
Una esauriente risposta a questo quesito deriva dall’osservazione degli
animali di laboratorio “germ-free”, ovvero animali cresciuti in condizioni
di sterilità ambientale ed in assenza di una flora batterica intestinale.
Questi animali presentano alterazioni strutturali, morfologiche e funzionali dell’epitelio intestinale ed in particolare: i villi sono più lunghi, le
cripte sono più corte, la mucosa è sottile, il turnover epiteliale è ridotto,
la secrezione degli enzimi digestivi e la produzione di citochine e di immunoglobuline è ridotta, la vascolarizzazione e l’innervazione intestinale
risultano insufficienti con una consensuale alterata motilità e distensione
ipotonica del cieco.
Se tuttavia l’intestino dell’animale germ-free viene contaminato da un
batterio il Thetaiotaomicron si assiste ad una up-regulation di germi
coinvolti nella digestione ed assorbimento degli alimenti, nel trasporto
di elettroliti, nei processi angiogenetici e nello sviluppo del sistema nervoso enterico (4).
Pertanto è verosimile che tra batteri e ospite si venga a determinare una
mutua collaborazione, ovvero l’organismo fornisce ai batteri i nutrienti
necessari per la sopravvivenza e lo sviluppo e i batteri producono sostanze necessarie per lo sviluppo ed il benessere dell’individuo. In sintesi,
possiamo dire che i batteri svolgono quattro importanti funzioni: metabolica, trofico-protettiva, immunomodulatoria e motoria.
FUNZIONE METABOLICA
Consiste nella fermentazione di carboidrati complessi non assorbibili ingeriti con la dieta e nella fermentazione del muco prodotto endogenamente. Il prodotto finale di questa fermentazione è la produzione di acidi
organici che rappresentano un’importante fonte energetica dell’individuo
(5-15% delle richieste energetiche dell’individuo). Un animale germ-free
per mantenere il proprio peso corporeo necessita di un introito calorico di
gran lunga superiore a quello ingerito dal controllo.
I processi di fermentazione avvengono prevalentemente a livello del colon
destro dove il pH è acido e la crescita batterica è alta. I microorganismi
più efficienti implicati nei processi fermentativi sono quelli appartenenti
alla classe dei Firmicutes e dei Bifidobacterium. Distinguiamo una fermentazione saccarolitica con produzione di acidi grassi a catena corta (SCFA)
ed una fermentazione proteolitica con formazione di acido fenolico e polifenoli (Figura 1).
Gli acidi grassi a catena corta influenzano importanti funzioni come proliferazione, differenziazione cellulare, assorbimento di oligoelementi e
produzione di vitamine (K, B12, acido folico, biotina, ecc.).
I polifenoli svolgono importanti funzioni anti-infiammatorie, anti-ossidanti e anti-invecchiamento.
Attualmente gli acidi grassi a catena corta ed in particolare il butirrato
per le importanti implicazioni anti-angiogeniche e apoptotiche sono in
corso di studio come farmaci chemioterapici.
Nel colon destro dove la concentrazione di substrati è bassa ed il pH è
neutro prevalgono i fenomeni putrefattivi con produzione di sostanze
tossiche come tioli, indoli e ammonio (Figura 1).
ASPETTO TROFICO
Gli animali presenti in condizioni germ-free presentano villi sottili e lunghi, cripte corte, assottigliamento della mucosa con scarsa rappresentazione di cellule linfoidi, follicoli ed immunoglobuline di superficie.
Queste alterazioni regrediscono in seguito a contaminazione del tratto
gastrointestinale con miscele di batteri. Pertanto, si deduce che la flora
batterica svolga un importante ruolo nel controllo della proliferazione
e differenziazione cellulare dell’epitelio intestinale e delle cellule immunitarie, contribuendo alla formazione della barriera mucosale intestinale,
naturale difesa contro le sostanze tossiche di provenienza ambientale.
Un’alterazione della flora batterica intestinale danneggia la barriera intestinale riducendo la coesione delle cellule “tight junction” e inducendo
un aumento della permeabilità ovvero il passaggio nel circolo sistemico
di macromolecole con potenziale immunogeno.
FUNZIONE IMMUNOMODULATORIA
I batteri intestinali svolgono un ruolo essenziale nello sviluppo del sistema immune. Essi contribuiscono alla costituzione dell’immunità innata e acquisita.
Per immunità innata intendiamo l’induzione e la maturazione del tessuto
linfoide definito GALT a livello intestinale. Questo processo coinvolge le
defensine, i Toll Like Receptor (TLR) e le immunoglobuline di classe A
(IgA) presenti sulla superficie intestinale.
Per immunità acquisita intendiamo la risposta immunolocale che coinvolge le immunoglobuline, le molecole d’adesione, le cellule di istocompatibilità (MHC), le cellule T e le citochine.
L’induzione e la regolazione del sistema immune avviene a livello del
piccolo intestino ed in linea generale possiamo distinguere i batteri costituenti l’ecosistema intestinale in due categorie ovvero:
1. quelli che esplicano un effetto protettivo come i Bifidobatteri, Lactobacilli ed Eubatteri;
2. quelli che inducono un effetto francamente offensivo come Pseudomonas, Proteus, Clostridiium e Stafilococchi.
Questi batteri convivono in un equilibrio dinamico rapportato alle caratteristiche della risposta immune dell’individuo. La risposta immune mucosale a livello epiteliale è regolata da fattori di riconoscimento “recettori”
presenti a livello della superficie mucosa, definiti secondo la terminologia
anglosassone i PRR (Pattern Recognize Receptor) come i TLR localizzati
su superficie della membrana e il sistema NOD-CARD presente a livello
del citosol. Una volta attivato, il sistema di riconoscimento recettoriale
innesca una risposta immune che è specifica per i vari microorganismi
(Tabella 1).
Sono descritte circa 11 sottospecie di TLR ognuno con una specifica funzione:
• TLR2 è coinvolto nel riconoscimento dei batteri gram-positivi;
• TLR3-7-8 sono coinvolti nel riconoscimento dei virus;
• TLR4 è specifico per i batteri gram-negativi;
• NOD-CARD 4 è specifico nel riconoscimento dei batteri gram-negativi.
Normalmente l’enterocita esprime bassi livelli di TLR2 e TLR4, mentre
esprime alti livelli dell’inibitore dell’espressione dei TLR (Toll Like Interacting Protein).
Tabella 1. Sottotipi di recettori Toll Like e NOD e rispettivi ligandi.
TLR
TLR 1
TLR 2
TLR 3
TLR 4
TLR 5
TLR 6
TLR 7
TLR 8
TLR 9
TLR 10
TLR 11
Figura 1. Funzione metabolica della flora batterica intestinale.
Recettori NOD
NOD/CARD4
NOD/CARD5
Ligando
Batteri e Micobatteri
Gram+ Gram- Micobatteri
Virus
GramBatteri Flagellati
Micoplasma Gram+ Funghi
Virus
Virus
Batteri, Virus
Non determinata
Protozoi
Ligando
Batteri
Gram-
La successiva tappa dell’attivazione dei TLR e dei NOD-CARD è la fosforilazione del dimero inattivo dell’NFkb-Ikb (sistema di trasduzione del
segnale). La fosforilazione del dimero comporta l’attivazione dell’NF-kB
che migra a livello nucleare dove induce la trascrizione e l’espressione
di una grande varietà dei geni pro-infiammatori. Pertanto, l’NF-kB è un
importante coordinatore della risposta immune verso batteri patogeni.
La maggior parte dei batteri commensali non attiva l’NF-kB e sopprime
la risposta pro-infiammatoria.
Fino a non molto tempo fa si riteneva che in linea di massima a livello intestinale esistessero due tipi di risposta immune: una risposta Th-1 ed una
Th-2. La risposta Th-1 è indotta da batteri patogeni ed è caratterizzata da
un incremento di citochine pro-infiammatorie come IL-8, IL-12 e TNF-alfa.
La risposta Th-2 è indotta da batteri saprofiti ed è caratterizzata da incremento delle citochine IL-10. IL-4 e IL-13. Attualmente distinguiamo una
risposta Th-1 per le forme di patogeni intracellulari, una risposta Th-2 correlata alle infezioni parassitarie, una risposta Th-17 per i patogeni extracellulari e una risposta TREG immunosoppressiva (Figura 2) (5).
Un disequilibrio della flora batterica intestinale conduce una inadeguata
risposta del sistema immune che over-reagisce con gli antigeni esterni
ed è responsabile dell’insorgenza di alterazioni locali e sistemiche. Si ritiene che nelle forme di intolleranza e allergia alimentare la flora batterica intestinale possa svolgere un ruolo chiave in quanto induce una
risposta iperimmune nei confronti degli antigeni alimentari. In questi
soggetti è stata descritta una riduzione dei bifido batteri ed un incremento del Clostridium Difficile e dello Stafilococco Aureus.
MOTILITÀ
L’animale germ-free presenta un rallentato transito intestinale ed una
marcata distensione del cieco, ma immediatamente dopo la contaminazione batterica del tratto GI si osserva una ripresa del tono del cieco e
della motilità intestinale. Le variazioni della motilità intestinale sono
state evidenziate mediante studi del transito gastrointestinale con marker radioattivi: la contaminazione intestinale con l’Acidofilus e con il Bifidobatterio determina un incremento della peristalsi intestinale, che
aumenta ulteriormente quando l’intestino veniva contaminato con una
flora mista simile a quella riscontrata in condizioni di normalità (7). È
verosimile che i batteri intestinali, attraverso le citochine rilasciate dalla
risposta immune nei confronti degli antigeni alimentari ed attraverso i
prodotti della fermentazione dei carboidrati complessi non assorbiti,
possano influenzare il trofismo dell’enteroglia responsabile della contrazione della muscolatura intestinale (8).
Accanto a queste note funzioni attualmente emerge sempre più il ruolo
che la flora batterica possa svolgere in alcune patologie come l’obesità,
l’ipercolesterolemia, il diabete e la sindrome metabolica.
Per meglio comprendere questo nuovo ed interessante ruolo svolto dalla
flora batterica intestinale riportiamo un esempio.
In una isoletta del pacifico Nauru si conduceva uno stile di vita frugale
basato su agricoltura e pesca. La maggioranza della popolazione per la
scarsa disponibilità di cibo era magra e sottopeso.
Questa condizione che ha caratterizzato la storia dell’uomo segnata da
guerre ed epidemie ha selezionato nel corso di millenni un genotipo frugale “thrifty gene”, ovvero la spiccata tendenza ad utilizzare ed eventualmente immagazzinare le risorse energetiche disponibili nel lume
intestinale. Ma, negli anni ’50, la scoperta nell’isola di giacimenti di fosfato
rese in breve tempo la popolazione una delle più ricche al mondo. Le conseguenze di questo rapido e diffuso benessere con ampia disponibilità di
Figura 2. Sottopopolazioni di cellule T-helper e profilo della risposta immune in relazione all’agente infettivo (Modificata da 6).
risorse alimentari ha fatto sì che un terzo della popolazione di età maggiore ai 20 anni e i due terzi d’età superiore ai 55 anni siano divenuti obesi
e diabetici.
L’alta incidenza di obesità e diabete nel giro di pochi anni non può essere
la conseguenza di una modifica genetica, ma bensì di una brusca variazione del tipo di alimentazione e la consensuale modifica della microflora
intestinale che ha contribuito allo sviluppo endemico della patologia
metabolica.
Infatti la contaminazione intestinale di animali germ-free incrementa
del 60% il grasso corporeo in 6 settimane in assenza di un aumentato
consumo di cibo (9).
Questi dati fortemente sostengono l’ipotesi che la costituzione della flora
batterica intestinale sia responsabile della quantità di energia estratta
dalla dieta rafforzando il detto popolare “non mangio niente eppure ingrasso”.Nei topini ob/ob che, a causa di un deficit geneticamente indotto
di leptina, ormone che induce il senso di sazietà, mangiano tantissimo e
sviluppano l’obesità, si osserva una modifica della flora batterica con una
riduzione del 50% dei Bacteroides ed un aumento dei Firmicutes rispetto
ai topini normali (10). L’uomo obeso mostra una composizione della flora
batterica simile a quella osservata in questi topini. In bambini seguiti dalla
nascita fino ai 7 anni l’analisi della composizione batterica fecale ad intervalli di 6 mesi ha evidenziato che le modifiche della flora batterica si
verificano prima dell’insorgenza clinica di sovrappeso ed obesità.
In un recente studio apparso su una prestigiosa rivista“Nature” si è evidenziato che la flora batterica è costituita da Bacteroides nella misura del 5%
nei soggetti obesi e del 20% nei soggetti magri; inoltre una dieta con scarso
apporto di carboidrati e grassi induceva nel corso di dodici mesi un riequilibrio della flora batterica, simile a quella osservata nei soggetti magri, con
riduzione dei Firmicutes ed incremento dei Bacteroides (11).
Pertanto, appare evidente che il contenuto calorico della dieta può alterare la composizione della flora intestinale che direttamente o attraverso
il rilascio di mediatori infiammatori può essere implicata nel complesso
processo patogenetico di patologie metaboliche come diabete ed obesità. È stato dimostrato che il microbiota intestinale sopprimendo la angiopoietina IV determina un incremento della lipoproteina lipasi e
l’accumulo dei trigliceridi nel tessuto adiposo (12). Inoltre, i prodotti di
derivazione batterica LPS sono responsabili del processo infiammatorio
a carico del tessuto adiposo (13).
Se un alterato equilibrio dei componenti della flora batterica è responsabile della patologia metabolica, una sovra-crescita batterica può essere
la causa di patologia malassorbitiva.
Per sindrome da sovracrescita batterica intestinale (SIBO) si intende una
sindrome caratterizzata da abnorme proliferazione batterica nel piccolo
intestino maggiore di 106 CFU/ml di aspirato intestinale. Nell’ileo si viene
a creare un ambiente batterico simile al colon (14). Gli effetti clinici della
SIBO sono molteplici e vari, in quanto essi inducono un alterato assorbimento dei carboidrati, per distruzione delle disaccaridasi del brush border,
un alterato assorbimento dei lipidi per deconiugazione di sali biliari, ed
inattivazione delle secrezioni pancreatiche ed un alterato assorbimento
di proteine per inattivazione delle proteasi pancreatiche (Figura 3).
I segni clinici riscontrabili vanno dal franco malassorbimento con diarrea,
steatorrea distensione addominale e flatulenza alla presenza di segni di
disvitaminosi come osteomalacia, glossite, chelite, stomatite, cecità notturna, ecc.
Inoltre, nella SIBO è stato osservato un aumento della permeabilità intestinale e della traslocazione batterica, con aumento dei livelli sierici di
endotossine (15). Attualmente si ritiene che un’alterata permeabilità
intestinale possa svolgere un ruolo importante nella patogenesi della
malattia metabolica epatica come la steatosi e steatoepatite epatica non
alcolica.
Figura 3. Sovracrescita batterica del piccolo intestino e patogenesi del
malassorbimento.
In conclusione, la flora batterica intestinale è un organo nell’organo che
gioca un ruolo chiave nelle funzioni trofiche, metaboliche ed immunologiche del sistema gastrointestinale; un equilibrio tra le diverse specie
batterica è alla base del normale sviluppo dell’organismo e dello stato
di benessere.
Mentre una alterazione quali- e quantitativa tra le varie specie batteriche
può essere implicata in un ampio spettro di malattie intestinali ed extraintestinali (Figura 4).
Figura 4. SIBO e patologie intestinali ed extraintestinali.
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