In un recente lavoro pubblicato sulla rivista Frontiers in Microbiology Lingyun Zou e colleghi della Third Military Medical University di Chongqing in Cina hanno analizzato i cambiamenti enterici che avvengono nei corridori amatoriali impegnati nella mezza maratona. L’abbondanza di alcune specie microbiche è risultata significativamente diversa prima e dopo la corsa e la famiglia delle Coriobacteriaceae è stata identificata come un potenziale biomarcatore dell’efficacia dell’esercizio fisico sul miglioramento del nostro stato di salute.

La corsa è in grado di modificare la composizione del microbiota intestinale

La corsa regolare migliora non solo la salute mentale, ma anche le condizioni fisiche agendo sul sistema ematopoietico, sull’apparato osteo-muscolare, sul sistema immunitario e sull’apparato cardiovascolare. Per questo suo effetto pleiotropico, l’esercizio fisico è considerato un potente modulatore del metabolismo. I cambiamenti indotti dalla corsa coinvolgono i metaboliti della purina, i metaboliti del triptofano e i metaboliti prodotti dal microbiota intestinale. Queste sostanze sono dosabili nel sangue, nelle urine e nelle feci e possono essere almeno in parte responsabili degli effetti salutistici della corsa. Precedenti studi hanno suggerito che i marcatori ematologici e biochimici tendono a cambiare immediatamente e tornano ai livelli basali dopo 2-7 giorni di distanza da una mezza maratona amatoriale. Si ipotizza che l’azione meccanica ripetitiva della corsa possa promuovere la motilità intestinale riducendo il tempo di transito del bolo fecale.

Diversi studi condotti su topi di laboratorio hanno dimostrato che la corsa sulla ruota è in grado di modificare la composizione microbica intestinale, ma non sono noti gli effetti degli sport di endurance, come la maratona, sulle comunità microbiche che abitano il nostro intestino. Si sa però che la maratona causa già durante la sua esecuzione una serie di cambiamenti metabolici a livello ematico, urinario, muscolare e linfatico. L’ipotesi che è stata avanzata è che questi cambiamenti possano avere un impatto sul microbiota intestinale nell’arco temporale di alcune ore.

Ipotesi di lavoro

Gli autori del presente lavoro hanno ipotizzato che i cambiamenti metabolici che intervengono nei fluidi corporei e l’azione meccanica ripetitiva e ad alto impatto che la corsa esercita sugli organi interni possano influenzare l’ambiente intestinale e quindi la flora batterica residente. L’identificazione dei meccanismi attraverso i quali l’esercizio fisico riesce a influenzare la nostra salute, passando attraverso la modulazione del microbiota, potrebbe fornire nuove strategie terapeutiche per la cura delle patologie a carico del sistema gastrointestinale e di quelle sistemiche (cronico-degenerative).

I ricercatori hanno reclutato 20 corridori amatoriali in buone condizioni di salute (16 maschi e 4 femmine) tra gli atleti che hanno partecipato alla Chongqing International Half Marathon del 2016. Sono stati raccolti i loro campioni fecali prima (BEF) e dopo (AFT) la gara. Sono stati esclusi coloro che avevano seguito una terapia antibiotica nei 12 mesi precedenti e coloro che presentavano comorbidità gastrointestinali e malattie cardiovascolari.

Durante il periodo di osservazione gli atleti non hanno modificato la loro alimentazione.

L’età media degli atleti era di 31,3 anni. Si allenavano da 18,1 mesi (tempo medio). Il tempo di completamento della mezza maratona (21,1 km) andava da 92 a 160 minuti. La gara è iniziata alle 8:00. I campioni BEF sono stati raccolti tra le 5,00 e le 7,00, mentre i campioni AFT sono stati raccolti al mattino successivo nella stessa fascia oraria.

Analisi del metaboloma fecale

Per esaminare i metaboliti estratti dalle feci prima e dopo la corsa è stato utilizzato un approccio combinato di cromatografia liquida e spettrometria di massa (LC-MS). Le concentrazioni dei metaboliti nei gruppi BEF e AFT sono state confrontate usando il modello statistico OPLS-DA (Orthogonal Projections to Latent Structures Discriminant Analysis). Complessivamente 40 metaboliti sono risultati significativamente modificati dopo la corsa:

• 9 componenti dell’acido nucleico,
• 8 acidi organici,
• 4 zuccheri,
• 3 alcoli,
• 3 steroidi,
• 3 lipidi,
• 3 aminoacidi
• e 7 altri metaboliti.

Gli acidi organici sono tra i metaboliti la cui concentrazione si è elevata in maggior misura, mentre i componenti dell’acido nucleico sono tra quelli che si sono ridotti maggiormente.

L’L-omotirosina, la diadenosina pentafosfato, la diguanosina tetrafosfato, il levonorgestrel e il sedoeptulosio sono i primi 5 metaboliti ad avere subito modificazioni significative. La guanosina trifosfato (GTP), che è coinvolta in alcuni processi biosintetici, è risultata sensibilmente aumentata. Per identificare i pathway metabolici influenzati dalla corsa sono stati studiati 25 metaboliti di cui era noto il KEGG ID. Si ricorda che il KEGG pathway Database (noto più semplicemente come KEGG) è una delle più importanti banche dati bioinformatiche contenente informazioni sulle principali vie metaboliche cellulari. Dei 25 metaboliti analizzati, 8 sono significativamente rappresentati in 3 vie: la via dei pentoso-fosfati, il metabolismo della pirimidina e la biosintesi della fenilalanina, della tirosina e del triptofano.

Variazioni a carico del microbioma intestinale

La composizione del microbiota fecale è stata analizzata mediante sequenziamento di una piccola porzione della subunità 16S dell’rDNA (regioni variabili V3 e V4). In totale, dai 40 campioni sono stati ottenuti 811 OTU (Operational Taxonomic Unit) che includeono 21 phyla, 34 classi, 71 ordini, 123 famiglie, 317 generi e 564 specie. Lo studio non ha rivelato differenze significative nell’α-diversità dopo la conclusione della gara.

L’LEfSe (Linear discriminant analysis Effect Size) ha consentito di identificare i taxa che differiscono tra i gruppi BEF e AFT. Nello specifico si è potuto verificare che:

• 7 taxa erano più abbondanti nel gruppo BEF (p <0,05);
• il batterio più rappresentato nel gruppo BEF era il Bacteroides coprophilus;
• i generi Pseudobutyrivibrio, Coprococcus_2, Collinsella e Mitsuokella erano tutti aumentati dopo la corsa (AFT).

I taxa più abbondanti sono stati ulteriormente studiati mediante analisi statistica dei profili metagenomici (STAMP) utilizzando il test di Welch. Questo tipo di analisi ha identificato 15 OTU, 7 aumentati e 8 diminuiti dopo aver corso.

Il test di Welch ha consentito di verificare che la funzione “motilità cellulare” propria del microbiota intestinale è risultata significativamente potenziata dopo la corsa, mentre “la produzione e la conversione dell’energia” sono state represse. Circa 23 pathway KEGG hanno subito variazioni significative dopo la corsa, tra cui l’“assemblaggio dei batteri” (flagellar assembly) e la “chemiotassi batterica” (bacterial chemotaxis), associati alla funzione “cell motility”.

Correlazione tra il metaboloma fecale e il microbioma intestinale

I risultati hanno mostrato 26 interazioni statisticamente significative tra 19 metaboliti e 4 taxa batterici (p <0,05). L’aumento della famiglia batterica delle Coriobacteriaceae, verificatosi dopo la corsa, è stato messo in relazione con 15 metaboliti differenti:

• 4 componenti dell’acido nucleico,
• 4 acidi organici,
• 2 steroidi,
• 1 aminoacido
• e 4 altri metaboliti.

L’aldosterone 18-glucuronide, la 3-deidrocarnitina, il p-metilolfenolo e la guanosina trifosfato (GTP) hanno mostrato forti interazioni positive con la famiglia delle Coriobacteriaceae (r> 0,5, p <0,001). Negli studi precedenti era già stato documentato che la famiglia delle Coriobacteriaceae è coinvolta nel metabolismo degli acidi biliari e che l’allenamento sulla ruota potrebbe ridurre la proporzione degli acidi biliari secondari. Nel presente studio sono state osservate variazioni significative in 16 acidi biliari prima e dopo la corsa.

Correlazione tra i macronutrienti e il microbioma intestinale

Per indagare le correlazioni esistenti tra la composizione del microbiota e l’assunzione di cibo sono stati determinati i coefficienti di correlazione di Spearman tra i primi 50 OTU e 6 nutrienti. È stato dimostrato che 16 taxa batterici all’interno di quattro phyla Firmicutes, Proteobacteria, Bacteroidetes e Actinobacteria stabiliscono 135 correlazioni significative con i macronutrienti (p <0,05). Nello specifico è stato possibile verificare che:

• i gruppi tassonomici all’interno della famiglia delle Lachnospiraceae correlano positivamente con i grassi alimentari (r> 0,5, p <0,001).
• le famiglie delle Enterobacteriaceae, delle Veillonellaceae e delle Clostridiaceae correlano positivamente con l’apporto glucidico;
• le famiglie delle Erysipelotrichaceae e delle Prevotellaceae correlano positivamente con il contenuto in colesterolo della dieta;
• le famiglie delle Peptostreptococcaceae e delle Coriobacteriaceae correlano positivamente con l’abbondanza dei macronutrienti alimentari (protidi, glicidi e lipidi).

Al contrario è stata verificata una correlazione negativa tra l’abbondanza delle famiglie delle Bifiobacteriaceae e delle Alcaligenaceae e il contenuto in macronutrienti della dieta. Questi risultati suggeriscono che l’intervento dietetico è un altro fattore importante tra quelli in grado di alterare con una certa rapidità la comunità batterica.

Identificata una famiglia di batteri potenzialmente legata agli effetti benefici della maratona

In conclusione si può dire che l’esercizio fisico è in grado di:

1. cambiare la composizione del microbiota intestinale;
2. promuovere la funzionalità dell’apparato gastro-enterico grazie all’azione di stimolo sui pathway “assemblaggio dei batteri” (flagellar assembly), “chemiotassi batterica” (bacterial chemotaxis) e “cell motility”;
3. stimolare la sintesi degli aminoacidi essenziali (la fenilalanina, la tirosina ed il triptofano) agendo sulla via dell’acido shikimico;
4. modulare la sintesi delle diadenosine polifosfatate contrastando la loro azione vasocostrittrice e di promozione delle patologie cardio-vascolari.

Ulteriori ricerche chiariranno se i batteri appartenenti alla famiglia delle Coriobacteriaceae possano rappresentare un valido biomarcatore degli effetti benefici della corsa sullo stato di salute intestinale e sistemico.

Roberta Martinoli