Microbioma dei neonati: scoperti specifici funghi coinvolti nella regolazione dell’insulina

Nelle prime fasi della vita, l’arricchimento di alcuni microbi è essenziale per lo sviluppo delle cellule β pancreatiche. In particolare, un meccanismo macrofago-dipendente mediato dal microbiota che riconosce gli stimoli della parete cellulare di lieviti commensali, come la Candida, potrebbe essere utilizzato per prevenire o invertire la perdita di cellule β, riducendo l’incidenza del diabete.

Questo studio, pubblicato su Science, dimostra l’esistenza di un nuovo pathway di segnalazione ospite-microbo che supporta la produzione di insulina.

Fin dalla nascita, il nostro microbiota segue diverse fasi, ciascuna dominata da specifici taxa microbici. Acquisire il corretto insieme di microbi è fondamentale per garantire la salute per tutta la vita. Ad esempio, una perdita di diversità microbica nelle prime fasi della vita è correlata allo sviluppo del diabete. Tuttavia, l’impatto dei microbi sullo sviluppo e la funzione del pancreas non è ancora del tutto chiaro.

I macrofagi svolgono un ruolo importante nello sviluppo dei tessuti. La maggior parte della nostra conoscenza su queste cellule delle isole pancreatiche si basa su studi condotti su modelli adulti, mentre sono ancora poche le informazioni sulla loro influenza nel periodo neonatale.

L’impatto del microbiota postnatale sullo sviluppo e la funzione delle cellule β

Esperimenti condotti in modelli murini hanno dimostrato che la proliferazione delle cellule β raggiunge il picco entro due settimane dalla nascita. Successivamente, inizia uno stato di quiescenza che rende più difficili eventuali riaggiustamenti in età adulta. Nei topi germ-free (GF) è stata osservata una riduzione della conta delle cellule β rispetto ai modelli con un microbiota normale. Questo dato suggerisce il ruolo del microbiota intestinale nella proliferazione delle cellule β.

Non solo. Il microbiota della prima infanzia, incluso quello umano, è in costante rimodellamento. Infatti, la diversità batterica e fungina aumenta nella finestra postnatale: per esempio, la Candida è stata rilevata nei topi di 12 settimane, ma a malapena in quelli di 20 settimane, mentre nei bambini, la Candida dubliniensis ha dimostrato di promuovere lo sviluppo delle cellule β.

Uno squilibrio nel microbiota postnatale potrebbe quindi influire sullo sviluppo delle cellule β. In particolare, è stato osservato che l’esposizione neonatale agli antibiotici nei modelli murini ha avuto conseguenze durature, con un difetto persistente nella conta delle cellule β in caso di esposizione ad antibiotici ad ampio spettro. Tuttavia, trattamenti diversi hanno determinato differenze significative nella quantità di cellule β, nella glicemia basale e nei livelli di insulina, suggerendo che diversi taxa siano responsabili della loro espansione neonatale. Inoltre, dai risultati ottenuti è emerso che:

• gli antibiotici β-lattamici hanno avuto l’effetto maggiore. Tra questi, il moxalattame ha arricchito in modo unico i bacilli nel microbiota rimanente
• la produzione di insulina non è risultata sempre correlata alla risposta glicemica, suggerendo molteplici interferenze microbiche
• nel complesso, la glicemia a digiuno è aumentata con una parallela riduzione della tolleranza al glucosio, dell’insulina sierica a digiuno e della secrezione di insulina in risposta al glucosio
• campioni fecali umani di bambini (dai 4 ai 30 mesi di età) sono stati utilizzati per colonizzare cuccioli di topo GF. I bambini di età compresa tra 7 e 12 mesi che hanno ricevuto il farmaco presentavano una quantità significativamente maggiore di tessuto insulino-esprimente e di insulina sierica rispetto ai topi colonizzati da qualsiasi altra fascia d’età
• i topi trattati con moxalattame presentavano un aumento significativo della conta delle cellule β rispetto ai controlli GF, mostrando anche una glicemia normale e livelli sierici elevati di insulina
• i topi trattati con moxalattame e quelli privi di patogeni specifici (SPF) hanno mostrato una diversa distribuzione dell’abbondanza batterica, in particolare di Enterococcus
• i livelli di DNA di Candida spp. variano in base al trattamento antibiotico, mostrando un arricchimento negli animali trattati con moxalattame rispetto ai topi SPF
• i cuccioli trattati con solo moxalattame presentano un’elevata conta delle cellule β. Al contrario, il co-trattamento con fluconazolo ha indotto una diminuzione significativa, indicando il ruolo dei funghi nella proliferazione delle cellule β. Infatti, mentre gli isolati di E. coli non hanno avuto alcun effetto stimolatorio sulla proliferazione delle isole pancreatiche, Candida dubliniensis ha portato a un aumento significativo delle cellule β rispetto agli animali GF.

Come il microbiota influenza lo sviluppo delle isole neonatali

I macrofagi rappresentano solo una piccola minoranza dell’RNA totale delle isole pancreatiche, ma rappresentano il principale tipo di cellula immunitaria delle isole in condizioni stazionarie. È stato dimostrato che il microbiota influenza la semina, non il fenotipo, dei macrofagi delle isole. Infatti, i dati ottenuti indicano che:

• il microbiota ha indotto cambiamenti nel trascrittoma delle isole. I processi biologici importanti per la risposta ai microbi, inclusi gli elementi di risposta associati ai funghi, sono risultati tutti aumentati nelle isole nei topi SPF rispetto a quelli GF di 20 settimane
• esistono differenze anche nell’espressione dei trascritti associati alle cellule mieloidi tra i campioni prelevati dai topi SPF e da quelli GF. Inoltre, a 20 settimane i marcatori dei macrofagi sono risultati significativamente aumentati nei primi rispetto ai secondi
• il numero medio di macrofagi per isola è aumentato significativamente dalle 10 alle 20 settimane di età negli animali SPF, indicando che i macrofagi associati alle isole pancreatiche si espandono nelle prime fasi della vita in risposta al microbiota
• anche se promuove la proliferazione dei macrofagi nello sviluppo delle isole neonatali, il microbiota ha un impatto minore sul loro stato infiammatorio.

I macrofagi sono importanti per l’aumento della massa delle cellule β postnatali.

I ricercatori hanno valutato se i macrofagi fossero essenziali per l’espansione delle cellule β neonatali. A questo scopo, sono stati eliminati i macrofagi sistemici residenti nei tessuti e ridotti quelli circolanti nei cuccioli SPF e GF, osservando quanto segue:

• la perdita sistemica di macrofagi ha indotto una riduzione tissutale, inclusa una minore massa pancreatica. Inoltre, sono stati rilevati valori basali di insulina e di tessuti insulino-produttori inferiori rispetto ai topi di controllo. Tuttavia, i topi GF presentavano una massa di cellule β e livelli di insulina simili ai topi privi di macrofagi, suggerendo un effetto dipendente dal microbiota
• l’assenza di macrofagi ha portato a un arricchimento dei pathway di segnalazione proinfiammatori
• i macrofagi delle isole pancreatiche secernono fattori di crescita che stimolano la proliferazione delle cellule β
• l’assenza di macrofagi nelle prime fasi della vita ha effetti a lungo termine. Topi adulti SPF privi di macrofagi durante il periodo neonatale presentano infatti riduzioni tendenziali della massa delle cellule β associate a una significativa riduzione dell’insulina sierica a digiuno, della tolleranza al glucosio e della secrezione di insulina
• Candida dubliniensis necessita dei macrofagi per indurre l’espansione delle cellule β dell’ospite, mentre altri microbi sono indipendenti dai macrofagi, suggerendo come la diversità delle interazioni ospite-microbo influenzi lo sviluppo dei tessuti che esprimono insulina.

Parete cellulare della Candida e fenotipi delle cellule β dell’ospite

Candida albicans e C. dubliniensis sono molto simili, ma presentano alcune differenze nella composizione della parete cellulare e nella formazione delle ife. Nonostante queste piccole variazioni, è stato dimostrato che la regolazione immunitaria dell’ospite risponde in modo univoco. Per verificare se gli effetti negativi di C. albicans sullo sviluppo delle cellule β possano essere attribuiti all’aumento dei filamenti, i topi sono stati esposti a un ceppo di C. albicans incapace di formare ife, che non mostrava alcun aumento della massa delle cellule β. Pertanto, la perdita di ife non è risultata sufficiente per ripristinare lo sviluppo delle cellule β dell’ospite. Tuttavia, quando i topi sono stati trattati con un mutante di C. albicans che non esprime il fattore di trascrizione Ahr1 (che ha un ruolo importante nella regolazione della composizione della parete cellulare di Candida), la massa delle cellule β è aumentata significativamente.

Nel caso di C. dubliniensis, l’effetto sulle cellule β varia a seconda del ceppo: per esempio, il ceppo selvatico Wü284 ha indotto un aumento significativo dei livelli di mannano e chitina con conseguente riduzione della massa delle cellule β. Al contrario, un mutante di Wü284, Dnrg1, caratterizzato da una maggiore formazione di ife, non ha influenzato la massa delle cellule β.

La composizione della parete cellulare di Candida varia quindi significativamente tra i ceppi ed è un fattore importante nella regolazione della massa delle cellule β.

C. dubliniensis può ridurre l’incidenza del diabete

Ulteriori esperimenti hanno dimostrato che nei modelli murini non obesi di diabete di tipo 1 C. dubliniensis, un fungo commensale, può ridurre l’incidenza del diabete. Non solo. Nei topi adulti GF, C. dubliniensis ha anche promosso la sostituzione delle cellule β dopo lesioni e trattamenti antibiotici, migliorando il tasso di sopravvivenza e la capacità di eliminare il glucosio dal sangue.

Il profilo del microbiota nelle prime fasi della vita è dunque fondamentale per regolare l’insorgenza del diabete. 

Conclusioni

Questo studio evidenzia l’esistenza di un periodo cruciale nelle prime fasi della vita in cui determinati microbi sono necessari per sostenere lo sviluppo delle cellule β pancreatiche. Funghi e batteri svolgono un ruolo fondamentale nella regolazione dell’insulina, ma l’impatto sull’ospite varia in base alla loro origine e alle loro caratteristiche. 

I risultati individuano in particolare un meccanismo macrofago-dipendente mediato dal microbiota che facilita il riconoscimento di stimoli unici provenienti dalla parete cellulare di lieviti commensali, che potrebbe essere impiegato per arrestare o invertire la perdita di cellule β.