CORSO DI LAUREA MAGISTRALE
SCIENZE DELLA NUTRIZIONE UMANA
ANNO ACCADEMICO 2014-2015
Corso di Microbiologia Applicata
Microbiota intestinale
Dott.ssa Claudia Matteucci
Dipartimento di Medicina Sperimentale e Chirurgia
Università di Roma “Tor Vergata”
MICROBIOTA DELL’APPARATO
GASTROINTESTINALE




Complessa comunità
+ 100 miliardi di cellule
+1000 filotipi
1 Kg di peso
Organo virtuale
ausiliario
FUNZIONI DEL MICROBIOTA INTESTINALE
 Influenza l'omeostasi;
 Influenza lo sviluppo e
la fisiologia del corpo
umano;
 Influenza il normale
metabolismo;
 Modula il sistema
immunitario;
 Influenza la
suscettibilità alle
malattie.
[Sommer F. and Bäckhed F., 2013
LA COLONIZZAZIONE MICROBICA INTESTINALE
 Fase 1: acquisizione di parte della flora materna tramite il passaggio
nel canale del parto (parto naturale a termine);
 Fase 2: acquisizione tramite latte materno o formulato;
 Fase 3: svezzamento;
 Fase 4: sviluppo della flora acquisita fino alla colonizzazione definitiva
(all'incirca intorno ai 12-18 mesi).
Sekirov I. et al., 2010
COLONIZZAZIONE INTESTINALE STIMOLA MATURAZIONE
DELLA MUCOSA E LE SUE FUNZIONI
Tissier H.,1900; Mackie, R.I, et al., 1999; Jiménez, E. et al., 2005; Pettker C.M. et al., 2007; Walker W.A.,2013.
MECCANISMI DI RICONOSCIMENTO DEI PATOGENI
DA PARTE DELLE CELLULE DELL’IMMUNITA INNATA
(http://www.imm-bonn.de/research/hornung-group/research-hornung-group.html).
COLONIZZAZIONE INTESTINALE STIMOLA MATURAZIONE
DELLA MUCOSA E LE SUE FUNZIONI
Maynard et al. Nature 2012
LA COLONIZZAZIONE INTESTINALE
Nell'ultimo decennio alcuni studi mostrano come già durante
la gravidanza possa iniziare la colonizzazione batterica.
Alcune specie batteriche presenti nel microbiota intestinale
materno sono state isolate:
 nel sangue del cordone ombelicale;
 nel liquido amniotico;
 nel meconio;
 nella placenta;
 e in altre membrane fetali.
LA COLONIZZAZIONE INTESTINALE
I meccanismi di trasferimento
batterico tra madre e feto non
sono, però, ancora del tutto chiari.
Controllo parziale da parte
dell'ambiente materno:
 il trasferimento transplacentare;
 l'ingestione di liquido amniotico;
 la colonizzazione microbica del
tratto gastrointestinale
neonatale da parte del
microbiota materno durante il
periodo perinatale;
 e l'alimentazione con latte
materno.
Martìn R. et al., 2004; Thum C. et al., 2012
La cavità amniotica è da
sempre stata considerata
sterile, ma è ormai noto che
alcuni microrganismi con cui
viene a contatto il feto
provengono dall'intestino
materno e giungono tramite la
placenta e il liquido amniotico.
La maggior parte dei batteri,
però, entra in contatto con il
neonato durante il parto
naturale, tramite l'allattamento
al seno e tramite il contatto
interumano postnatale.
Rautava S. et al., 2012
SVILUPPO DEL MICROBIOTA INFANTILE
Dopo il parto, diversi microrganismi entrano in
contatto con l'intestino del neonato, attraverso il
passaggio nel canale del parto.
I microrganismi provenienti dalla flora
vaginale materna non sono in grado di
colonizzare l'intestino del neonato.
É riconosciuto come la flora intestinale materna
sia una fonte di batteri per il neonato
SVILUPPO DEL MICROBIOTA INFANTILE
Il neonato viene colonizzato inizialmente da
enterobatteri, che possono raggiungere il numero di
109 CFU/g di feci.
Si può osservare la presenza anche di Streptococchi,
Enterococchi e Stafilococchi, mentre
ancora non sono presenti batteri anaerobi quali
Bifidobatteri, Lattobacilli e Bacteroides spp
FATTORI CHE INFLUENZANO LA COLONIZZAZIONE
NEONATALE:
- Fattori genetici
- natura del parto
- condizioni di stress o stato infiammatorio della gestante
- uso eccessivo di antibiotici durante il periodo perinatale
- condizioni igieniche
- il tipo di alimentazione (latte materno vs. latti artificiali)
IL RUOLO DELLA NUTRIZIONE MATERNA
La dieta può avere un forte impatto sullo sviluppo e
sull'omeostasi del microbiota.
Una diminuzione totale
dell'assunzione di carboidrati
è associata ad una riduzione
del consumo di fibre e di
amido resistente, portando
ad una diminuzione della
concentrazione di
microrganismi positivi per la
salute.
IL LATTE MATERNO
Una delle principali componenti del latte materno in
grado di influenzare la colonizzazione intestinale
sono gli oligosaccaridi.
Il latte materno, oltre, a fornire nutrienti e
componenti non nutritivi:
stimola il sistema immunitario;
favorisce lo sviluppo cognitivo;
protegge dalle malattie;
colonizza e supporta la crescita del microbiota.
SVILUPPO DEL MICROBIOTA INFANTILE
Nella maggior parte dei bambini allattati al seno o con l'utilizzo
di latti artificiali, non esiste una predominanza di una specie
batterica.
Allattati al seno:
Il microbiota risulta dominato
principalmente da Bifidobatteri
(Bifidobacterium breve), ma vi
sono anche Enterococchi,
Lattobacilli, Streptococchi ed
Enterobatteri.
Clostridi e Bacteroides sono
residenti non comuni.
Alimentati con latti artificiali:
Il microbiota risulta dominato
principalmente da Bifidobatteri
(Bifidobacterium longum e
adolescentis), ma vi si
riscontrano comunemente
anche Clostridi, Enterobatteri,
Stafilococchi e Escherichia
coli e Bacteroides spp.
SVILUPPO DEL MICROBIOTA INFANTILE
La capacità della dieta infantile di modificare in modo
profondo e duraturo lo sviluppo del sistema immunitario.
Il microbiota dei macachi alimentati con
nutrizione artificiale era meno ricco di specie
e meno diversificato.
Importante nella propensione allo sviluppo di
risposte immunitarie alle vaccinazioni e
all'insorgenza di malattie autoimmuni.
Ardeshir, A. et al, 2014; Cotillard A. et al., 2013; Le Chatelier E. et al., 2013.
COMPOSIZIONE DEL MICROBIOTA INTESTINALE
Per determinare la composizione
del microbiota intestinale
si utilizza il sequenziamento della
subunità piccola ribosomiale (16SrRNA)
SPECIE MICROBICHE DOMINANTI
 FIRMICUTES
 Ruminococcus, Clostridium, Streptococcus,
Bacilli, Lactobacillus, Eubacterium,
Faecalibacterium prausnitzii, Roseburia
intestinalis
 BACTEROIDETES
 Bacteroides, Prevotella, Xylanibacter
 ACTINOBACTERIA
 PROTEOBACTERIA
 Collinsella, Bifidobacterium
 Escherichia, Desulfovibrio, Enterobacteriaceae
 VERRUCOMICROBIA
 EURYARCHAEOTA
 VIRUS
 LIEVITI
 Akkermansia
 Methanobrevibacter
 Phage
DISTRIBUZIONI MICROBICHE NELL’APPARATO GASTROINTESTINALE
Brock. Biologia dei microrganismi. Vol 3, microbiologia biomedica. (2012)
Conoscere la composizione della popolazione
microbica non implica la conoscenza della sua
funzione.
Le informazioni sulla funzione provengono, in
parte, da studi su colture da isolati batterici, che
hanno ben caratterizzato il contenuto del genoma
e i fenotipi, e in altra parte dal sequenziamento
del DNA della comunità microbica.
Microbiota fecale
Microbiota orale
Nonostante le enormi
differenze nella
composizione del
microbiota
dell’apparato
gastrointestinale, i
profili funzionali dei
geni sono abbastanza
simili in diversi
individui, e in diverse
localizzazioni del
corpo.
ENTEROTIPI
- La Tipizzazione del microbiota ha evidenziato la
presenza di tre varianti predominanti indicate
come Enterotipi.
- Ogni Enterotipo rappresenta un ecosistema composto dai batteri colonizzati.
- Ciascun Enterotipo possiede caratteristiche
filogenetiche e funzionali differenti.
ENTEROTIPI
ENTEROTIPO 1
ENTEROTIPO 2
ENTEROTIPO 3
Manimozhiyan A et al Enterotypes of the human gut microbiome Nature 2011
DIVERSITA’ FUNZIONALI TRA GLI ENTEROTIPI
ENTEROTIPO 1
Bacteroides
Degradazione dei carboidrati e delle
proteine
ENTEROTIPO 2
Prevotella
Degradazione delle glicopreteine della
mucina e dei polisaccaridi vegetali
ENTEROTIPO 3
Ruminococcus
Degradazione dei carboidrati e della
mucina
Manimozhiyan A et al Enterotypes of the human gut microbiome Nature 2011
IMPATTO DELLA DIETA
NELLA VARIAZIONE DEL
MICROBIOTA
A – bambini di un villaggio rurale
africano  prevalenza specie
che degradano la cellulosa
B – bambini europei  prevalenza
specie che degradano i carboidrati
De Filippo Impact of diet in shaping gut microbiota revealed by a comparative
study in children from Europe and rural Africa PNAS 2010
FUNZIONI DEL MICROBIOTA
 ATTIVITA’ METABOLICHE
 Sintesi vitamine (K, B12, Tiamina, Niacina, Riboflavina)
 Produzione di SCFAs (acetato, propionato, butirrato)
 Produzione di gas e sostanze odorose (CO2, CH4, H2, H2S, NH3)
 Metabolismo degli acidi biliari (a. desossicolico, a. litocolico)
 Reazioni di glicosidazione (β- gluconosidasi, α-/β-galattosidasi, α-/βglucosidasi)
 DIFESA CONTRO PATOGENI
 Competizione per i recettori sulle cellule ospite
 Concorrenza per le sostanze nutritive
 Produzione di batteriocine e sostanze antibiotiche
 Abbassamento del pH
 MODULAZIONE ESPRESSIONE GENICA NELLE
CELLULE EPITELIALI INTESTINALI
creazione habitat favorevoli per flora residente
MICROBIOTA e SISTEMA IMMUNITARIO
Barriera
mucosale
IgAs
GALT
Tessuto linfoide
associato
all’intestino
Brown, Sadarangani & Finlay The role of the immune system in governing hostmicrobe interactions in the intestine. Nat Immunol 2013
RUOLO DEL MICROBIOTA NELL’OMEOSTASI
E NELLA DISBIOSI
OMEOSTASI
Microganismi microflora
MAMPs  citochine
controllo dell’infiammazione
DISBIOSI
Cambiamento delle
composizione
microbica/Microrganismi
patogeni
PAMPs  Citochine proinfiammatorie
Maynard et al. Reciprocal interactions of the intestinal microbiota
and immune system.. Nature 2012
LA DISREGOLAZIONE IMMUNOLOGICA È IL RISULTATO DELLA DISBIOSI
TJune L. Round & Sarkis K. Mazmanian. The gut microbiota shapes intestinal immune responses during health and disease Natur Rev Immunology 2009
LA DISREGOLAZIONE IMMUNOLOGICA È IL RISULTATO DELLA DISBIOSI
Legenda figura diapositiva precedente:
A ) Il microbiota sano contiene una composizione equilibrata di più classi
di batteri. I commensali sono residenti permanenti di questo complesso
ecosistema e non forniscono alcun beneficio o danno per l’ospite
(almeno alla luce delle conoscenze attuali). I simbionti sono organismi
con funzioni di promozione della salute. I pathobionti sono anche essi
residenti permanenti del microbiota, ma con la possibilità di indurre una
patologia.
B) Durante la disbiosi, vi è uno spostamento innaturale nella
composizione della flora batterica: il numero di simbiotici sono ridotti e
pathobionts sono aumentati. Le varie cause della dispbiosi non sono del
tutto chiare, ma è probabile si possono includere i recenti progressi della
società nei paesi sviluppati. Il risultato è l'infiammazione non specifica
che può predisporre alla malattia infiammatoria in quelle persone
geneticamente sensibili . In questo bilancio, i «patogeni» sono organismi
opportunisti che causano l'infiammazione rara e acuta.
INFIAMMAZIONE «LOW GRADE»
LPS
LPS
TLR4 (tessuto adiposo, fegato, endotelio vasale)
CITOCHINE PRO-INFIAMMATORIE
FLOGOSI CRONICA “LOW DOSE”
PATOLOGIE
CRONICO-DEGENERATIVE
E CANCRO
ALTERAZIONE DEL MICROBIOTA:
CAUSE DELLE DISBIOSI
RUOLO DEL MICROBIOTA NELLE PATOLOGIE DELL’OSPITE
OBESITA’ /
DMT2
AUTISMO
MALATTIE
NEUROLOGICHE
IBD/IBS
MICROBIOTA
PATOLOGIE
REUMATICHE
MORBO
CELIACO
DMT1
CANCRO
OBESITA’ E DMT2
Alterazioni nella composizione e nella capacita metabolica del microbiota
nell’obesita promuovuono:
- l’adiposita e influenzano i processi metabolici negli organi
periferici, come ad esempio il controllo dell’appetito nel SNC;
- il rilascio di ormoni dall’intestino (PYY e GLP-1) e, in sintesi il deposito di
energia o il metabolismo dei lipidi nel tessuto adiposo, nel fegato e nei
muscoli.
- Le molecole rilasciate dai microrganismi inoltre aumentano la permeabilita
intestinale, favorendo l’insorgenza di infiammazioni sistemiche e insulinoresistenza.
OBESITA’ E DMT2
Infiammazione 
alterazione barriera  LPS
in circolo
Infiammazione
Lipogenesi via SRE-BP 
Steatosi
Insulino-resistenza
Infiammazione
Infiltrazione Macrofagica
Insulino-resistenza
Inibizione FIAF  Aumento
LPL
Infiammazione
Insulino-resistenza
Aumento LPL
Tremaroli & Bäckhed Functional interactions between the gut microbiota and host metabolism Nature 2012
PATOLOGIE INFIAMMATORIE DELL’INTESTINO (IBD)
Distruzione delle funzioni dei linfociti Treg e il
depauperamento della risposta immunitaria
mucosale verso la normale flora batterica
AMBIENTE
Alimentazione
GENETICA
FATTORI
IMMUNITARI
Mutazioni nei geni codificanti per il
riconoscimento, il processamento e la
distruzione dei microrganismi e nelle
proteine regolatorie del sistema
immunitario.
Kalliopi Gkouskou et al. The gut microbiota in mouse models of inflammatory bowel
disease - Front. Cell. Infect. Microbiol.2014
CANCRO
Mutazioni
Espressione
Oncogeni
Silenziamento
genico
Cancerogenes
http://cancerdiscovery.aacrijournals.org/content/3/4/384/F1. expansion.htlm
PATOLOGIE AUTOIMMUNI
Disbiosi 
Cellule proinfiammatorie
Th1-Th 17

Attivazione cellule B 
Differenziazione in plasma
cellule 
Produzione anticorpi 
Migrazione nel tessuto
sinoviale 
Attivazione cellule effettrici 
Cascata infiammatoria
Scher & Abramson The microbiome and rheumatoid arthritis Nature Reviews Rheumatology , 2011
PATOLOGIE DEL SISTEMA NERVOSO CENTRALE
Disbiosi  alterazione segnali intestino SNC
Ansia
Autismo
Deficit neurologici
Patologie
neurologiche
Disturbi del
comportamento
Ajit Kumar Thakur Gut-Microbiota and Mental Health: Current and Future Perspectives J Pharmacol Clin Toxicol 2014
TRAPIANTO DEL MICROBIOTA FECALE
Infusione di sospensione liquida di feci da donatore sano
(enteroclisma /gastroscopia /sondino naso-digiunale)
per ristabilire la composizione e la funzionalità del microbiota
intestinale in pazienti con patologie gastrointestinali
 Infezioni intestinali (es. Clostridium difficile)
 Patologie infiammatorie croniche intestinali
 Pseudocolite membranosa (PMC)
 Sindrome dell’intestino irritabile (IBS)
(IBD)
SOMMINISTRAZIONE DI PROBIOTICI E PREBIOTICI
Handbook of PREBIOTICS AND PROBIOTICS INGREDIENTS Health
Benefits and Food Applications
Lactobacillus paracasei subsp paracasei
Lactobacillus plantarum
Pediococcus pentosaceus
Bifidobacterium longum R0175
INTERVENTO NUTRIZIONALE
 E’ stato dimostrato che
in soggetti
geneticamente
predisposti, la dieta
ricca in acidi grassi
saturi è responsabile di
significative alterazioni
delle condizioni
microambientali
intestinali soprattutto in
termini di
caratteristiche
fenotipiche del
microbiota
Tsukumo et al. Translational research into gut microbiota: new horizons in obesity treatment. 2009
Turnbaugh et al. A core gut microbiome in obese and lean twins. Nature 2009
Turnbaugh et al. Microbial ecology: Human gut microbes associated with obesity Nature 2006
DISTRIBUZIONE DI FIRMICUTES E BACTEROIDETES
IN INDIVIDUI MAGRI E IN SOGGETTI OBESI:
EFFETTO DELLA DIETA CORRELAZIONE CON IL CALO PONDERALE
Composizione della flora batterica
intestinale in soggetti normopeso ed
obesi prima e dopo 52 settimane di:
DIETA a basso contenuto carboidrati (CARB-R)
DIETA a basso contenuto di grassi (FAT-R)
Correlazione tra l’ incremento dei
Bacteroidetes e la percentuale di
decremento ponderale nelle due
diete ipocaloriche.
Ley et al. Microbial ecology: Human gut microbes associated with obesity.
Nature2006