I disturbi e le patologie del tratto gastrointestinale sono un problema largamente diffuso. Capirne le cause e le dinamiche di sviluppo è perciò fondamentale e questo è stato l’obiettivo dello studio condotto da Maria Laura Santoru, dell’Università di Cagliari, e pubblicato sulla rivista Scientific Reports.

Combinando tecniche di analisi del patrimonio genetico (metagenomica) e dei processi metabolici (metabolomica), il gruppo di ricercatori ha infatti dimostrato come pazienti con patologie infiammatorie croniche intestinali, colite ulcerosa e morbo di Crohn in particolare, presentino un profilo metabolico e batterico notevolmente differente da quello degli individui sani.   

Nonostante l’elevata incidenza, le cause dello sviluppo delle patologie infiammatorie croniche intestinali o IBD (Inflammatory Bowel Disease) sono ancora poco chiare. A un’alterata risposta immunitaria si associano fattori ambientali quali dieta, stile di vita e abitudine al fumo.

Anche la componente batterica intestinale e i relativi processi metabolici hanno dimostrato un ruolo attivo in questo processo benché ci sia ancora molto da scoprire a riguardo. Lo scopo principale del presente studio è stato appunto quello di analizzare entrambi questi aspetti, microbioma e metabolismo, in 183 soggetti, 82 dei quali affetti da colite ulcerosa (CU), 50 da morbo di Crohn (MC) e 51 controlli sani (CS).

Analisi del microbiota

La caratterizzazione dei campioni di microbiota fecale è stata eseguita attraverso sequenziamento genico e PCR dalle quali è emerso che:

• nel complesso la maggior parte degli OTUs (Operational Taxonimic Units) appartiene ai seguenti 7 phyla: Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria, Proteobacteria, Verrucomicrobia, Cyanobacteria e Fusobacteria
• a livello di phylum, entrambi i gruppi di pazienti (CU e MC) hanno mostrato maggiore espressione di Firmicutes, Proteobacteria, Verrucomicrobia e Fusobacteria rispetto ai controlli, ma inferiore di Bacteroidetes e Cyanobacteria
• a livello di genere, Escherichia, Faecalibacterium, Streptococcus, Sutterella e Veillonella sono risultati incrementati nei pazienti, al contrario di Bacteroides, Flavobacterium e Oscillospira
• considerando invece le specie, 25 hanno registrato un aumento nel gruppo MC e 22 un decremento, mentre nel gruppo CU 18 sono aumentate e 17 diminuite
• in entrambi i gruppi di pazienti, né la dieta né lo stato attivo della malattia hanno influenzato la composizione del microbioma al contrario della somministrazione della terapia farmacologica

Analisi metabolomiche

Per indagare il profilo metabolico a tutto tondo e per una maggiore affidabilità dei dati, i ricercatori hanno applicato varie tecniche e strumentazioni all’avanguardia, ovvero la gas cromatografia abbinata a spettrometria di massa (GC-MS), la risonanza magnetica nucleare (NMR) e la cromatografia liquida combinata con spettrometria di massa a quadruplice tempo di volo (LC-QTOF-MS).

Analisi di GC-MS: il profilo metabolico dei pazienti, sia con colite ulcerosa sia con morbo di Crohn, è risultato nettamente distinto da quello di soggetti sani. Nel dettaglio:

• 14 metaboliti sono risultati alterati tra gruppo MC e controlli. Nel gruppo MC si è infatti osservato un aumento per 8 di questi (alanina, beta-alanina, acido fenilacetico, ecc.) e una diminuzione per 6 (acido nicotinico, acido pantotenico, acido 3-metiladipico ecc.)
• confrontando i controlli con pazienti CU sono stati identificati 16 metaboliti in grado di separare i due gruppi. Di questi, 6 sono risultati aumentati nel gruppo CU (acido 4-idrossifenilacetico, glucosio, cadaverina ecc.) mentre 10 diminuiti (acido nicotico, acido pantotenico ecc.)

Analisi NMR: anche in questo caso è stato possibile distinguere il gruppo dei pazienti (CU e MC) da quello dei controlli, seppur non così distintamente come nella precedente analisi.

• Rispetto ai controlli, i soggetti con MC hanno presentato bassa concentrazione di acido 2-idrossi-3-metilvalerico, acido citrico e metilammina, ma alta espressione di cadaverina, putrescine e fenilalanina
• se confrontato con i controlli, il gruppo CU ha mostrato notevole diminuzione di acido 2-idrossi-3metilvalerico, acido glutammico, acido citrico e metilammina, ma una maggior espressione di cadaverina, trimetilamina-N-ossido, tiramina e fenilalanina

Analisi LC-QTOF-MS: la separazione tra condizione di malattia e salute si è riconfermata.

• nel complesso, tra i metaboliti endogeni, sono stati identificati in particolar modo steoroidi, ceramidi, fosfatilserine, fosfatidilcoline, fosfatidiletanolammina, diacilgliceroli, triacilglicerolo e n-acilfosfatiletanolammina.
• la separazione tra gruppo MC e controlli è stata attribuita a 17 metaboliti; a 16 invece quella tra pazienti con CU e controlli
• né la dieta, né la terapia o la localizzazione della malattia hanno dimostrato di influenzare significativamente la composizione del metaboloma

Analisi delle vie metaboliche

Considerando solo i metaboliti che hanno dimostrato differenze statisticamente significative tra il gruppo dei pazienti con colite ulcerosa e quello dei controlli, i ricercatori hanno inserito i dati ottenuti nel complesso intreccio dei processi metabolici dimostrando che:

• i metaboliti di separazione tra controlli e gruppo con CU sono coinvolti nel metabolismo degli amminoacidi (fenilalanina, glutatione e beta-alanina), ma anche dei cofattori e delle vitamine (acido pantotenico e biosintesi del CoA)
• i metaboliti espressi dal gruppo CU hanno inoltre dimostrato un coinvolgimento nel metabolismo energetico (lisina)

Correlazione tra metaboloma e microbioma

Anche in questo ulteriore passaggio sono stati presi in esame solo i metaboliti che hanno ben discriminato i pazienti dai controlli e i generi batteri la cui abbondanza relativa è risultata statisticamente differente tra i gruppi.

L’indice di correlazione di Spearman ha mostrato:

• forte associazione tra 5 generi batterici e 10 metaboliti nel gruppo con morbo di Crohn ovvero:
  • Oscillospira: correlazione positiva con acido cinnamico, acido 3-metiladipico, 5beta-coprostanolo, acido citrico, metilammina, acido 2-idrossi-3metilvarico, fosfatidilcolina e urobilina, ma negativa con cadaverina e putrescina
  • Faecalibacterium: positivamente associato ad acido nicotico, negativamente a cadaverina e putrescina
  • Escherichia: associazione positiva con cadaverina, negativa con acido nicotico, acido citrico e fosfatidilcolina
  • Flavobacterium: correlato positivamente a 5beta-coprostanolo
  • Veillonella: associazione positiva con cadaverina
• associazione più debole per il gruppo con colite ulcerosa, con solo tre generi batteri e 6 metaboliti interessati:
  • Flavobacterium: forte associazione positiva con acido 3-metiladipico, acido 2-idrossi-3metilavalerico, acido citrico, metilammina e fosfatidilcolina, ma negativa con trimetilammina-N-ossido
  • Oscillospora: correlazione positiva con acido 3-metiladipico, acido 2-idrossi-3metilavalerico e acido citrico
  • Veillonella: associazione positiva con acido citrico

Volendo quindi riassumere si può affermare che:

• i pazienti con patologie infiammatorie croniche intestinali hanno profilo metabolico e batterico distinti da quelli dei soggetti sani
• rispetto ai controlli, in entrambi i gruppi di pazienti Firmicutes, Proteobacteria, Verrucomicrobia e Fusobacteria sono risultati notevolmente incrementati; diminuiti, invece, Bacteroidetes e Cyanobacteria
• molteplici metaboliti, inclusi le amine biogene, gli aminoacidi e i lipidi, hanno presentato un aumento nei pazienti, mentre altri sono risultati ridotti rispetto ai controlli
  

Questo studio, dunque, sottolinea le potenzialità di un approccio incrociato tra due “scienze omiche”, metagenomica e metabolomica in questo caso, nella comprensione più dettagliata dei processi metabolici coinvolti nelle patologie infiammatorie croniche intestinali. Integrare le informazioni sul microbiota fecale con quelle sul metabolismo è una strategia utile per distinguere i soggetti sani da quelli con patologia.