Il supplemento di probiotici a base di Lactobacillus spp. sembrerebbe avere effetti positivi nella memoria promuovendo la produzione di lattato nel colon e l’accumulo di GABA a livello ippocampale. Nonostante questi risultati necessitino di una conferma nell’uomo, sembrerebbe quindi esserci la possibilità di migliorare la memoria sfruttando l’asse intestino-cervello.

È quanto dimostra lo studio di Jian-Hua Mao e colleghi del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley, USA), recentemente pubblicato su Microbiome.

Probiotici che stimolano l’espressione di GABA

Determinati ceppi batterici, Lactobacillus e/o Bifidobacterium spp. soprattutto, hanno dimostrato di influenzare non solo la salute fisica dell’ospite, ma anche il suo comportamento riducendo in alcuni casi sintomi ansiosi o depressivi e, di contro, migliorandone la memoria.

Il supplemento con L. rhamnosus JB-1 ad esempio ha dimostrato di aumentare l’espressione ippocampale di GABA, recettore coinvolto nella memoria. L’aumento della sua espressione potrebbe derivare tuttavia anche da una produzione a livello intestinale.

Risultati analoghi anche in seguito alla co-somministrazione di L. acidophilus CUL60, L. acidophilus CUL21, B. bifidum CUL20 e B. lactis CUL34. Sembrerebbe quindi esserci un legame tra specifici metaboliti batterici e la memoria con meccanismi però ancora da chiarire. La complessità di relazione tra genetica dell’ospite, ambiente, stile di vita e microbioma intestinale rendono però lo studio del contributo batterico nella memoria particolarmente difficile per l’ingente numero di fattori confondenti, nell’uomo soprattutto.

Per ridurre questo problema, i ricercatori hanno sfruttato il modello murino “Collaborative Cross” (CC) prodotto combinando otto diversi genomi (A/J, C57BL/6J, 129S1/SvImJ, NOD/LtJ, NZO/HlLtJ, CAST/ EiJ, PWK/PhJ e WSB/EiJ) e che rappresenta circa il 90% delle variazioni fenotipiche e genotipiche note nei topi da laboratorio e in generale nell’uomo. In questo modo, grazie una stretta ingegnerizzazione, è possibile infatti tenere meglio sotto controllo i possibili confondenti ambientali e genetici.

Sulla base di questo modelli è stato quindi condotto uno screen genetico “unbiased” per identificare i tratti genetici dell’ospite e i ceppi batterici coinvolti nella memoria. Un’ulteriore analisi metabolica è stata condotta una volta identificati le specie maggiormente coinvolte. Di seguito i principali passaggi dello studio e risultati ottenuti.

I risultati dello studio

Per avere un riferimento iniziale, a 535 modelli provenienti da 29 CC è stata valutata la memoria nel breve termine. Mediante il test di “memoria di evitamento passivo” è stata infatti registrata la latenza nell’entrare nel compartimento scuro della camera dove tre giorni prima avevano sperimentato una piccola scossa (0.3mA for 5s).

I potenziali di memoria si sono registrati significativamente differenti e riproducibili tra le CC con un range di latenza di 87.9 – 600 secondi. In particolare:

• modelli appartenenti a CC036 e CC010 non sono mai entrati nella porzione scura prima dei 600 secondi
• CC019 e CC032 hanno registrato differenze di memoria tra i sessi con valori migliori per quello maschile. Tali variazioni non sono tuttavia state registrate in altre coorti

La componente genetica sembrerebbe quindi influenzare la memoria nel breve termine. Volendone identificare le variazioni genetiche potenzialmente coinvolte è stato dimostrato che:

• 715 polimorfismi a singolo nucleotide (SNPs) corrispondenti a 222 geni sono risultati significativamente associati alla memoria
• oltre ai 71 geni già noti per avere un ruolo nella memoria e apprendimento, ne sono emersi altri 135

I ricercatori hanno poi approfondito il legame tra specifici membri del microbioma intestinale e la memoria trovandone un riscontro in 41 famiglie. Di queste:

• Lactobacillaceae, Deferribacteraceae, Bacteroidaceae e Clostridiaceae sono risultate significativamente correlate alla memoria
• un’elevata espressione di Lactobacillaceae (L. reuteri) e Deferribacteraceae contrapposta a una scarsa abbondanza di Bacteroidaceae e Clostridaceae sembrerebbero tratti associati a una buona memoria

Considerando come altri ceppi di Lactobacillus abbiano in altri studi dimostrato correlazione positiva con la memoria (L. rhamnosus JB-1 nei topi, L. casei LC122 nei topi anziani, L. helveticus ROO52 nell’uomo ecc.), l’attenzione si è concentrata su questo phylum, L. reuteri in particolare.

Distinte coorti di modelli germ-free (GF) sono state quindi colonizzate con L. reuteri F275, Lactobacillus plantarum BDGP2, L. brevis BDGP6 o Eschericia coli DH10B come controllo.  Tutti i gruppi con lattobacilli hanno registrato un miglioramento nella memoria, non quello con E. coli.

In che modo la memoria viene influenzata dai lattobacilli? La risposta sembrerebbe essere nei metaboliti. Analizzando i campioni fecali dei vari gruppi è stato infatti registrato un profilo metabolico notevolmente distinto.

• in generale, lattato e trietoli sono risultati notevolmente più elevati nelle feci di modelli colonizzati con ceppi di lattobacilli seppur con differenze ceppo specifiche. Di contro, glicerolo e la classe dei carboidrati sono risultati nel complesso meno espressi suggerendo una maggiore degradazione
• D-mannitolo e acido galatturonico hanno infatti dimostrato i valori maggiori nel gruppo con L. reuteri; D-xilosio, acido glicerico e metil-fosfato in quello con L. plantarum; uracile con L. brevis

Continuando con l’analisi metabolica nel plasma e cervello si è invece dimostrato come siano pochi i metaboliti significativamente alterati tra i gruppi. Tra questi:

• arabitolo, acido citrico, glucosio e L-triptofano sono risultati più elevati nel plasma mentre acido D-malico e deidroascorbico, GABA, lattato, metil-fosfato, mio-inositolo e scillo-inositolo nel cervello del gruppo con L. plantarum
• glicina ha invece registrato i valori maggiori nel cervello del gruppo L. reuteri
• rispetto al gruppo controllo, glicerolo, acido L-glutamico, L-serina e acido N-acetil-aspartico hanno mostrato valori cerebrali maggiori con L. reuteri o L. plantarum; 2,5-didrossipirazine e acido citrico con L. plantarum e L. brevis

Dato l’incremento di memoria con tutte le tre specie di Lactobacillus, sono stati esaminati più nel dettaglio i metaboliti più espressi in relazione alla loro inoculazione.

• a livello fecale, particolarmente elevati rispetto ai controlli sono risultati essere lattato, D-tietriolo, acido 2-idrossivalerico e acetil-serina
• nel plasma, i livelli maggiori sono stati registrati da 1,5 anidrossiexitolo, carbonati, acido piruvico e xylitolo con un trend di crescita anche per lattato
• nel cervello nessuno di questi metaboliti ha dimostrato un netto incremento ad eccezione del lattato nel gruppo con L. plantarum

Tra tutti, il lattato sembrerebbe quindi il principale mediatore dell’effetto di lattobacilli. Per confermarlo, a modelli con scarsa memoria (CC042) è stato fornito un supplemento di lattato esogeno (0.5g/100ml di acqua) per 5 settimane.

Il tempo di latenza al test di evitamento passivo si è effettivamente allungato passando da 92 a 210 secondi (p=0.01).

Quantificando poi i livelli di GABA con lo scopo di approfondire i meccanismi d’azione del rapporto lattobacilli-lattato-memoria si è visto che:

• l’espressione di GABA è significativamente aumentata nell’ippocampo di modelli inoculati con L. plantarum. Valori aumentati leggermente anche con L. reuteri (p=0.065)
• nessun aumento significativo del recettore è emerso nel plasma e nelle feci dei gruppi con lattobacilli rispetto ai controlli
• il trattamento con solo lattato incrementa la frazione di corpi cellulari che esprime GABA rispetto ai controlli dal 32% al 43% suggerendo come questo metabolita sia realmente il mediatore tra intestino e cervello

L’incremento del GABA a livello centrale potrebbe essere a sua volta correlato a un aumento nell’espressione dell’enzima glutammato decarbossilasi (GAD) in questa regione e non dipendere quindi dall’intervento batterico. Per testare la validità di questa ipotesi, i ricercatori ne hanno quantificato l’espressione (GAD67) nei vari modelli non registrando tuttavia significative variazioni. Di contro, L. brevis ha dimostrato di esprimere due geni codificanti per questo enzima, un singolo gene invece per L. plantarum e L. reuteri.

L’ulteriore ipotesi di aumento di GABA correlata a un metabolismo non-ossidativo e alla conversione di lattato tramite α-chetoglutarato transaminasi rimane da verificare.

Da ultimo, è stata valutata la trasferibilità di questi risultati nell’uomo esponendo cellule epiteliali umane (Caco-2) a L. reuteri in condizioni di coltura simili al tratto gastrointestinale. Misurando i metaboliti rilasciati a 6 e 24 ore si è osservata una situazione analoga a quella registrata in vivo. Lattato e mannitolo sono difatti incrementati con il tempo. Il lattato in particolare ha dimostrato di oltrepassare la barriera cellulare supportandone di conseguenza una circolazione sistemica anche nell’uomo.

Conclusioni

In conclusione dunque, anche questo studio dimostra come il microbioma intestinale, Lactobacillus spp. in particolare, sia attivamente coinvolto nella regolazione della memoria sfruttando il lattato come mediatore.

Un supplemento probiotico con L. plantarum potrebbe quindi rappresentare un valido supporto nella correzione di questi disturbi. Ulteriori conferme nell’uomo sono tuttavia necessarie.