Un nuovo approccio metaproteomico (Metagenome-informed metaproteomics, MIM) ha rivelato l’interazione tra ospite, microbiota intestinale e dieta in modelli animali e in coorti umane, permettendo di identificare nuovi biomarcatori di disbiosi e disturbi gastrointestinali. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Cell.
Microbiota, dieta e malattie gastrointestinali
Il tratto gastrointestinale umano e il suo microbiota costituiscono un’interfaccia metabolicamente attiva, fondamentale per la digestione dei nutrienti, la regolazione immunitaria e la difesa contro i patogeni. I segnali dietetici influenzano in modo significativo la funzionalità della mucosa intestinale, la composizione del microbiota e le loro reti di interazione.
La perturbazione di questo equilibrio, in particolare negli individui con predisposizione genetica, è associata a numerose condizioni patologiche, tra cui la malattia infiammatoria intestinale (IBD), la celiachia, la malnutrizione, i disturbi cardiometabolici, il cancro e le malattie neurodegenerative.
I progressi nella metaproteomica hanno migliorato l’identificazione delle proteine grazie all’utilizzo di database specifici e tecniche ad alta risoluzione; tuttavia, persistono difficoltà nel raggiungere una risoluzione a livello di specie e nel distinguere le proteine batteriche funzionali. Analogamente, le risposte proteiche della mucosa intestinale umana ai cambiamenti dietetici e microbici restano ancora poco esplorati.
Sebbene centinaia di proteine intestinali mostrino un’espressione differenziale tra stato di salute e malattia, attualmente solo la calprotectina—costituita dalle proteine S100A8 e S100A9—viene comunemente impiegata per valutare la gravità dell’IBD, con una sensibilità e specificità moderate.
Un’ulteriore sfida è rappresentata dalla quantificazione diretta e accurata dell’esposoma nutrizionale umano. Il contenuto dietetico, le tempistiche dei pasti e i modelli di consumo a lungo termine sono considerati fattori chiave nella modulazione della funzione della mucosa intestinale e del microbiota lungo il tratto gastrointestinale. Tuttavia, la valutazione dell’apporto dietetico si basa spesso su questionari soggettivi o diari alimentari, soggetti a bias di memoria, scarsa aderenza e limitata risoluzione. Attualmente, mancano metodologie oggettive e non invasive in grado di mappare in modo dettagliato l’esposizione alimentare e l’assorbimento a livello di singolo nutriente. Inoltre, un’analisi imparziale dell’impatto specifico della dieta sulle funzioni dell’ospite e del microbiota, così come degli effetti reciproci di ospite e microbiota sulla digestione e sull’assorbimento dei nutrienti, costituirebbe uno strumento essenziale per decifrare il contributo combinato di questi fattori alla fisiologia umana e alla patogenesi delle malattie.
L’approccio metagenome-informed metaproteomics
Per affrontare queste sfide, gli autori dello studio pubblicato su Cell hanno adottato la metodologia metagenome-informed metaproteomics (MIM) per l’analisi del microbiota. Questo approccio si basa sulla generazione, per ogni esperimento, di un catalogo di riferimento proteico affinato e completo, che consente la quantificazione simultanea della maggior parte delle proteine intestinali di origine alimentare, microbica e dell’ospite.
La tecnica è stata applicata a modelli murini e umani per esplorare in modo non invasivo le interazioni tra microbiota e ospite a livello di specie, analizzando la colonizzazione da parte di commensali e patogeni, le modifiche nutrizionali e le perturbazioni indotte dagli antibiotici. Parallelamente, l’analisi MIM fecale ha caratterizzato con precisione il panorama dell’esposizione nutrizionale in diversi contesti clinici e dietetici.
L’applicazione della MIM a modelli murini di auto-infiammazione e alla malattia infiammatoria intestinale (IBD) umana ha rivelato la presenza di una “disbiosi composizionale”, accompagnata da una “disbiosi funzionale” specie-specifica, determinata dalla soppressione delle risposte dei batteri commensali ai segnali infiammatori dell’ospite. Il trasferimento di microbiota ha permesso di osservare la cinetica precoce di questi modelli di risposta incrociata tra ospite e commensali, mentre le analisi predittive hanno identificato coppie di biomarcatori proteici fecali ospite-microbiota per l’IBD, con prestazioni superiori a S100A8/S100A9 (calprotectina).
Inoltre, la valutazione simultanea del MIM nutrizionale fecale ha permesso di identificare i modelli di consumo alimentare associati all’IBD, il grado di aderenza ai trattamenti dietetici e le alterazioni della digestione nell’intestino tenue.
Conclusioni e prospettive future
Nel complesso, l’analisi parallela di dieta, microbiota e ospite mediante MIM consente di svelare gli interattomi trans-regno che modellano l’ecologia gastrointestinale. Questo approccio offre nuove prospettive diagnostiche e terapeutiche personalizzate per le malattie associate al microbiota, aprendo la strada a promettenti opportunità nella diagnosi e nel trattamento di queste patologie.
