Colon irritabile e microbiota: ricerca getta nuova luce sul ruolo della serotonina

9 luglio 2018

University of Gothenburg (studio originale)

Il microbiota intestinale è in grado di modulare diversi processi fisiologici propri dell’apparato gastroenterico quali la motilità, la secrezione di fluidi, l’assorbimento di nutrienti ed il flusso ematico.

Questa molteplicità di azioni è resa possibile dall’interazione tra la popolazione microbica residente e il sistema nervoso enterico (Enteric Nervous System, ENS) e passa attraverso il rilascio di serotonina (5-HT) e la successiva attivazione del recettore 5-HT4.

Non è un caso che i topi Germ-Free (GF) abbiano un sistema nervoso enterico immaturo che tende però a normalizzarsi dopo la colonizzazione con un microbiota convenzionale.

La forte correlazione esistente tra disbiosi intestinale e disturbi gastrointestinali, tra i quali per esempio la sindrome dell’intestino irritabile, passa attraverso la capacità del microbiota di condizionare lo sviluppo del sistema nervoso enterico.

La possibilità di modulare il microbiota (ad esempio attraverso la dieta) aprirà nuovi ambiti di ricerca in neurogastroenterologia e potrebbe fornire spunto per interessanti applicazioni sul piano clinico.

È quanto conclude lo studio di Fredrik Bäckhed e colleghi recentemente pubblicato sulla rivista PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America).

Il Sistema nervoso enterico

Il tratto gastrointestinale si differenzia dagli altri distretti corporei perché dotato di un proprio sistema nervoso. Il sistema nervoso enterico è formato dal plesso mioenterico di Auerbach e dal plesso sottomucoso di Meissner.

Tra i compiti dell’ENS vi sono quelli di modulare:

  1. la secrezione gastrica;
  2. la secrezione biliare e pancreatica;
  3. la peristalsi intestinale;
  4. l’assorbimento dei nutrienti;
  5. l’irrorazione ematica.

Nei topi la maggior parte dei neuroni enterici si forma durante l’embriogenesi e nella prima fase della vita post-natale. In quest’arco temporale una piccola sottopopolazione di cellule derivanti dalla cresta neurale ed esprimenti il marker Sox10 colonizzano la prima parte dell’apparato gastrointestinale, vanno incontro a proliferazione e finiscono con l’invadere l’intero intestino dando così origine ai neuroni e alle cellule gliali.

Per lungo tempo si è ritenuto che nei topi la formazione dei neuroni enterici si bloccasse al raggiungimento del ventunesimo giorno di vita per riattivarsi solo in caso di infiammazione e di danneggiamento. Più recentemente è stato invece dimostrato che l’ENS si rinnova continuamente anche nei topi adulti attraverso l’alternanza bilanciata tra apoptosi e neurogenesi.

Nella fase post-natale la maturazione dell’ENS segue di pari passo la colonizzazione del tratto gastrointestinale da parte di un microbiota via via più ricco e variegato. Per contro i topi germ free, mancando in toto del microbiota intestinale, sviluppano una serie di anomalie strutturali e funzionali a carico dell’ENS.

Quando però l’intestino dei topi GF viene colonizzato con il microbiota proveniente da topi donatori allevati in modo convenzionale (CONV-R, Conventionally Raised) si assiste ad un evidente miglioramento degli aspetti strutturali e funzionali.

Microbiota intestinale e serotonina

Circa il 90% della serotonina (5-HydroxyTryptamine o 5-HT) è prodotta dalle cellule enterocromaffini (EC).

Si tratta di cellule epiteliali endocrine così chiamate a causa della loro somiglianza istologica con le cellule cromaffini (come quest’ultime si colorano di giallo se trattate con i sali di cromo). Come dimostrano alcuni recenti studi il microbiota intestinale è in grado di modulare la secrezione della serotonina ad opera delle cellule enterocromaffini.

Va precisato che la 5-HT neuronale e quella mucosale rappresentano due distinti pool legati ciascuno all’esistenza di due differenti enzimi, il TPH1 (TryPtophan Hydroxylase) proprio delle cellule EC ed il TPH2 usato invece dai neuroni. La 5-HT neuronale non solo rappresenta il principale fattore di crescita per l’ENS ma è anche in grado di favorire il turnover epiteliale della mucosa intestinale e di agire a questo livello come un anti-infiammatorio. Mentre di per sé la 5-HT mucosale esercita un’azione fortemente pro-infiammatoria, l’attivazione del recettore 5-HT4 (5- HT4 Receptor o 5-HT4R) ha la capacità di indurre fenomeni di neurogenesi e di neuro-riparazione.

Nello studio condotto da Fredrik Bäckhed e colleghi si è voluto verificare l’ipotesi che il microbiota intestinale possa modulare la funzionalità e l’anatomia del sistema nervoso enterico attraverso il rilascio di 5-HT e l’attivazione del recettore 5-HT4. Tra le varie osservazioni a vantaggio dell’ipotesi iniziale merita menzione il fatto che i topi GF colonizzati (GF mice colonized o CONV-D) con il microbiota proveniente da topi allevati in modo convenzionale (CONV-R) andavano incontro ad una riduzione del tempo di transito intestinale mentre si assisteva ad un aumentato rilascio di 5-HT.

Per sottoporre ad ulteriore verifica l’ipotesi di partenza gli Autori:

  1. hanno studiato gli effetti degli antibiotici sullo sviluppo dell’ENS;
  2. hanno verificato una maggiore plasticità dell’ENS (contrassegnata dalla presenza dei marker cellulari Nestina e HuC/HuD) nei topi germ-free;
  3. hanno studiato il tasso di proliferazione delle cellule progenitrici esprimenti nestina (una proteina del citoscheletro) nei topi germ-free dopo la colonizzazione;
  4. hanno studiato topi carenti di TPH1 germ-free e colonizzati;
  5. hanno studiato il ruolo della 5-HT mucosale e neuronale ricorrendo all’inibizione dei due enzimi (TPH1 e TPH2) attraverso la somministrazione di paraclorofenilalanina o PCPA (ParaChloroPhenylAmine) o attraverso la deplezione della 5-HT neuronale per mezzo della reserpina;
  6. infine hanno stabilito il link esistente tra il microbiota intestinale e l’attivazione neuronale del 5-HT4R ricorrendo alla modulazione farmacologica di questo recettore 

I risultati

  1. Se è vero che il microbiota intestinale ha un ruolo cruciale nel determinare lo sviluppo dell’ENS, quale può essere l’effetto di una terapia antibiotica somministrata nei primi mesi di vita? Dopo appena 3 settimane di antibiotici i topi CONV-R dimostravano avere una ridotta innervazione della mucosa colica e del plesso mioenterico (Longitudinal Muscle/Myenteric Plexus, LMMP) ed una ridotta rete gliale.
  2. La capacità di restaurare l’integrità anatomica e funzionale dell’ENS a seguito della colonizzazione con un microbiota convenzionale prova che la plasticità di questo sistema nervoso è mantenuta anche nei topi adulti. La nestina e l’HuC/HuD rappresentano la segnatura della suddetta plasticità. La colonizzazione dei topi GF porta ad una progressiva riduzione dei neuroni contrassegnati da questi marker, segno che all’assenza del microbiota si associa una maggiore plasticità. Questa segnatura persiste al più fino al terzo giorno dopo la colonizzazione ma tende a scomparire quando il microbiota ha raggiunto il suo steady state.
  3. Al fine di verificare se la colonizzazione dei topi GF con un microbiota normale possa indurre la proliferazione dei precursori neuronali, gli autori hanno esaminato la coesistenza di nestina e Ki67 nei gangli mioenterici a livello del colon. La nestina è una proteina del citoscheletro ben espressa nelle cellule progenitrici dei neuroni e della glia. Il Ki67 è una proteina nucleare strettamente associata con la proliferazione cellulare. Presente a livello del nucleo in tutte le fasi del ciclo cellulare (G1, S, G2 e mitosi) e assente nella fase G0, il Ki67 è un marker della frazione di crescita di una data popolazione cellulare. Analizzato assieme alla nestina il Ki67 ci informa sul tasso di crescita dei precursori neuronali e gliali. Procedendo in questo modo i ricercatori hanno potuto verificare che il 5% delle cellule esprimenti la nestina mantenevano la capacità di andare incontro a proliferazione fino al quindicesimo giorno dopo la colonizzazione con un microbiota convenzionale. Al contrario meno dell’1% delle cellule nestina+ esprimevano anche il Ki67 nei topi CONV-R. Tutto questo non fa altro che confermare che i topi GF mantengono un certo potenziale di neurogenesi e di maturazione dell’ENS e che questo potenziale può essere attivato a seguito della colonizzazione intestinale.
  4. Diversi studi documentano che la 5-HT è implicata nella neurogenesi così come nella sopravvivenza dei neuroni. La colonizzazione dei topi GF compensa parzialmente i livelli sierici di 5-HT promuovendo l’attività dell’enzima mucosale TPH1. Allo stesso tempo la deplezione del microbiota attraverso la somministrazione di una terapia antibiotica causa una riduzione dei livelli circolanti di 5-HT. Al fine di verificare se la produzione mucosale di 5-HT sia richiesta per mantenere integra la struttura dell’ENS, gli Autori hanno quantificato la densità neuronale di topi knockout per l’enzima TPH1 (Tph1-/-) mettendola a confronto con quella dei topi wild-type. Mentre i CONV-R Tph1-/- non mostravano evidenti alterazioni nella neuroanatomia dell’ENS, quando i topi GF Tph1-/- venivano colonizzati per 3 giorni con il microbiota di topi CONV-R wild-type C57BL/6 si notava un più ridotto numero di neuroni mioenterici. Questa osservazione conferma l’importanza della 5-HT mucosale nel mantenimento dell’integrità dell’ENS durante le prime fasi della colonizzazione.
  5. Allo scopo di stabilire l’importanza della 5-HT nella maturazione dell’ENS gli autori dello studio hanno trattato i topi CONV-D con PCPA, un inibitore selettivo e reversibile degli enzimi TPH1 e TPH2, o con la reserpina, un inibitore irreversibile del trasportatore vescicolare delle monoammine. In entrambi i casi si assisteva ad una ridotta densità dei neuroni del plesso mioenterico.
  6. Il recettore per la serotonina 5-HT4R è espresso ubiquitariamente nell’intestino. La somministrazione degli agonisti di questo recettore promuove la produzione di muco da parte delle cellule caliciformi e la secrezione di Cl da parte degli enterociti. D’altro canto gli antagonisti del 5-HT4R bloccano le suddette azioni. La stimolazione del 5-HT4R ha inoltre la capacità di promuovere la neurogenesi e di favorire la neuroprotezione nell’intestino dei topi adulti. Il presente studio conferma che il 5-HT4R è espresso nell’ENS ed in modo specifico a livello dei neuroni mioenterici e che la sua densità è vincolata alla presenza di un microbiota intestinale convenzionale. Bäckhed e colleghi, dopo aver colonizzato dei topi GF, li hanno trattati per tre giorni con l’antagonista del 5-HT4R GR-125487. Come atteso, dopo la somministrazione della molecola antagonista, si è assistito ad una diminuzione del numero di neuroni mioenterici e ad una riduzione dei neuroni esprimenti nestina. La somministrazione dell’agonista sc-53116 per 4 giorni era invece associato ad un’aumentata velocità di transito intestinale, ad un aumentato numero di neuroni mioenterici e ad un’aumentata innervazione della mucosa colica.

È noto che i mutamenti a carico del microbiota intestinale legati ad infezioni, stress o terapie antibiotiche possono avere un ruolo nell’insorgenza della sindrome del colon irritabile (Irritable Bowel Syndrome). Conoscere a fondo il dialogo tra microbiota ed ENS può aprire la strada alla messa a punto di nuovi approcci terapeutici in caso di malattie infiammatorie intestinali.

Roberta Martinoli

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