Stato dell’arte
Manipolare il microbiota con la dieta è una strategia abbastanza diffusa. Le conseguenze in termini di interazione batterica rimangono però ancora poco note.

Cosa aggiunge questo studio
Scopo dello studio è stato esaminare in vivo i meccanismi con i quali ceppi di Bacteroides comuni nell’intestino umano metabolizzano 34 diverse fibre abitualmente introdotte con la dieta occidentale e interagiscono tra loro in seguito alla somministrazione di questo supplemento.

Conclusioni
L’impatto delle fibre sul microbiota dipende dall’interazione e dalla competizione tra specie di Bacteroides, quali B. vulgatus, B. cellulosilyticus o B. ovatus. Conoscerne gli esatti meccanismi potrà essere utile per impostare il giusto intervento dietetico.

Manipolare il microbiota intestinale con la dieta, seppur mirata, sembrerebbe tutt’altro che semplice. A influenzarne il risultato sarebbero infatti meccanismi di interazione e/o competizione tra determinate specie di batteri, nel caso delle fibre i Bacteroides. Conoscere nel dettaglio le caratteristiche dei componenti bioattivi introdotti con la dieta, nonché il loro impatto sul microbiota, è perciò fondamentale per impostare interventi efficaci e positivi per l’ospite.

È quanto dimostra l’ampio studio di Michael L. Patnode e colleghi della Washington University School of Medicine di St. Luois (USA), di recente pubblicazione su Cell.

La maggior parte dei supplementi dietetici per la manipolazione del microbiota sono a base di fibre vegetali, e perciò ricavate da frutta, verdura e cereali. Tuttavia, mentre i loro effetti biologici sono stati ampiamente studiati, meno chiaro è l’impatto biochimico, vista la difficoltà di identificare e isolare i componenti bioattivi. È necessario inoltre tener conto del contesto globale, ovvero delle interazioni tra i membri della comunità batterica, spesso accomunati dalle stesse vie metaboliche e perciò in competizione per le risorse energetiche.

I ricercatori americani hanno quindi cercato di individuare in vivo quali fibre, tra le 34 più comunemente introdotte con la dieta occidentale, siano in grado di influenzare l’espressione di ceppi di Bacteroides commensali per l’uomo, focalizzandosi in particolare sui relativi componenti bioattivi e, a livello batterico, sui meccanismi metabolici e d’interazione. Di seguito i principali risultati ottenuti.

Al fine di selezionare le fibre a maggior impatto batterico, opportuni modelli murini gnotobiotici (n=20) sono stati alimentati con una dieta ricca di grassi saturi (HiSF) o scarsa in frutta e verdura (LoFV) per quattro settimane.

A 13 di questi è stato quindi somministrato un supplemento misto di fibre, variabile per fonte, ma in concentrazione fissa (8% di una fibra + 2% di un’altra fibra), per quattro cicli da una settimana ciascuno. Dei topi rimanenti usati come controllo, 3 hanno continuato con la sola LoFV, 4 con la HiSF.

Dai risultati ottenuti è emerso che, dei 20 ceppi inoculati, solo 15 hanno registrato un’abbondanza relativa sufficiente per essere considerati nello studio (>0,1%). Tra le fibre invece:

  • la pectina degli agrumi e della parte fibrosa del pisello ha registrato un impatto notevole su B. thetaiotaomicron
  • per B. ovatus è stata registrata una buona responsività ai beta-glucani e alla crusca dell’orzo
  • quando somministrate alla concentrazione più alta (8%), l’inulina ad alto peso molecolare, le maltodestrine e psillio hanno incrementato l’espressione rispettivamente di B. caccae, P. distasonis ed E. coli.

L’effetto delle fibre sembrerebbe quindi ceppo-specifico, sebbene possa essere mediato da molteplici meccanismi e coinvolgere anche altre specie. Per approfondire questo aspetto, al mix di fibre è stato sostituito, dopo adeguato periodo di wash-out, un supplemento singolo al 10% rispettivamente di pisello, agrumi (polpa), arancia (buccia) e pomodoro (buccia), ossia le fibre considerate “più promettenti” in base all’impatto batterico. Dal confronto dei campioni fecali si è visto che:

  • l’abbondanza relativa sia di B. thetaiotaomicron sia di B. ovatus è migliorata significativamente con il supplemento di piselli
  • la pectina degli agrumi ha indotto una notevole espansione di B. cellulosilyticus, B. finegoldii e un membro di Ruminococcaceae, ma non di B. thetaiotaomicron, come da precedente test basato sul supplemento misto
  • la buccia d’arancia ha aumentato significativamente l’espressione di B. vulgatus, seppur con minimi effetti sulla struttura della comunità batterica complessiva
  • la buccia di pomodoro non ha fatto registrare alcuna alterazione batterica ad essa correlabile.

Sulla base di questi risultati, quindi, agrumi e piselli sono stati selezionati per ulteriori test. Analizzandoli strutturalmente è emerso che, dopo amido e cellulosa:

  • l’arabinano è il polisaccaride più abbondante nella fibra di pisello, seguito da xylano lineare, omogalatturonano e ramnogalatturonano (RGI)
  • l’omogalatturonano ad alto grado di esterificazioni metiliche è il polisaccaride più abbondante anche nella pectina degli agrumi dopo arabinano, 1,4-galattano e RGI, che rappresentano invece componenti minori.

L’arabinano del pisello e l’omogalatturonano metilato degli agrumi potrebbero quindi essere i responsabili dell’effetto sul microbiota. Per confermarlo, i ricercatori hanno condotto un’analisi proteomica su campioni fecali raccolti il sesto giorno di dieta con supplemento singolo, considerando per ciascun ceppo anche i vari loci di utilizzazione polisaccaridica (PULs). Dai risultati ottenuti è emerso che:

  • in seguito a supplemento con fibre da pisello, B. thetaiotaomicron ha mostrato non solo un incremento dell’abbondanza relativa, ma anche dell’espressione di determinate proteine codificate rispettivamente da PUL7 (coinvolto nel metabolismo di arabinano), PUL75 (degradazione di RGI) e PUL73 (metabolismo di omogalatturunano). Andamento simile sul profilo proteico di B. ovatus con l’up-regolazione della via metabolica di RGI (PUL97)
  • la pectina degli agrumi ha invece incrementato l’espressione di proteine codificate da PUL83 (scissione omogalatturonano) in B. cellulosilyticus e di PUL34, PUL35, PUL42 e PUL43 (codifica di enzimi metabolici per galatturonano) in B. finegoldii.

L’approccio proteomico è stato poi combinato con l’analisi INSeq (multi-taxon insertion sequencing) colonizzando i modelli murini rispettivamente con B. thetaiotaomicron, B. ovatus, B. cellulosilyticus e B. vulgatus mutati a livello di trasposoni (Tn) e alimentando i topi con dieta HiSF o LoFV e introducendo successivamente la fonte di fibra (piselli o agrumi).

Nel complesso, è interessante osservare come B. thetaiotaomicron, B. vulgatus e B. cellulosilyticus competano per l’arabinano e di come, tra tutti, B. cellulosilyticus domini più di un contesto dietetico, facendo supporre un’attività a più ampio raggio.

Per confermarlo, modelli germ-free sono stati colonizzati con o senza B. cellulosilyticus e gli altri 14 ceppi selezionati all’inizio dello studio e alimentati come in precedenza (HiSF-LoFV con o senza il 10% di fibre da piselli o agrumi). Secondo quanto riportato nello studio, è stato osservato che:

  • l’abbondanza di B. thetaiotaomicron in seguito a supplemento di fibre da pisello non è aumentata in assenza di B. cellulosilyticus, suggerendo una competizione minima fra le due specie per l’arabinano
  • di contro, con supplemento a base di piselli o agrumi e in assenza di B. cellulosilyticus, è stata osservata una notevole espansione di B. vulgatus. Anche PUL27, coinvolto nel metabolismo dell’arabinosio, ha registrato una up-regolazione. Andamento simile anche per Odoribacter splanchnicus
  • indipendentemente dalla presenza di B. cellulosilyticus, i PULs 5,6,31,42 e 43 di B. vulgatus sono risultati sovraespressi in seguito a supplemento con pectina da agrumi.

L’interazione negativa tra B. cellulosilyticus e B. vulgatus sembrerebbe perciò basarsi sulla competizione per l’arabinano nei piselli e per l’omogalatturonano nella pectina da agrumi.

La competizione inter-batterica è stata poi ulteriormente esaminata mediante un saggio di degradazione di glicani. Dopo aver selezionato due polisaccaridi, uno dal pisello composto prevalentemente da arabinosio (83%) e xylosio (4%) e uno dal grano (38% arabinosio, 62% xylosio), sono stati ancorati a biglie magnetiche e marcati per poterli tracciare una volta somministrati a modelli germ-free colonizzati con B. cellulosilyticus o B. vulgatus e alimentati come sopra. Biglie vuote sono state utilizzate come controllo negativo.

B. ovatus ha mostrato un metabolismo flessibile in grado di mitigare la competizione con B. cellulosilyticus per l’arabinano. In particolare:

  • l’assenza di B. ovatus non ha comportato l’espansione di B. cellulosilyticus
  • le proteine coinvolte nel metabolismo dell’arabinoxylano codificate da PULs di B. ovatus hanno registrato un marcato incremento in assenza di B. cellulosilyticus
  • i PULs del metabolismo di arabinoxylano di B. ovatus sono più rilevanti per il benessere del batterio in assenza di B. cellulosilyticus
  • B. ovatus è risultato responsabile della degradazione residua di arabinoxylano in assenza di B. cellulosilyticus.

In conclusione, quindi, nonostante siano necessari ulteriori approfondimenti anche sull’uomo, sulla base di questo studio è possibile affermare come l’effetto di un intervento dietetico sul microbiota sia veicolato non solo dalla scelta dei nutrienti, ma anche dei meccanismi di interazione batterica. Conoscerli nel dettaglio consentirebbe una efficacia, nonché una sicurezza terapeutica e/o preventiva, maggiore.