Stato dell’arte
I modelli in vitro per la coltura di comunità microbiche complesse vengono utilizzati per studiare gli effetti di diversi fattori sulla modellizzazione dei microrganismi coltivati ​​in vitro. Studi precedenti hanno convalidato un modello 3D in vitro del microbiota intestinale umano basato su impalcature di gelatina elettrofilate ricoperte di mucine.

Cosa aggiunge questa ricerca
La presenza di Bacillus cereus ha indotto importanti modificazioni nelle comunità intestinali. In particolare, i livelli di Proteobatteri (in particolare Escherichia coli), Lactobacillus e Akkermansia erano ridotti, mentre l’abbondanza di Bifidobacterium e Mitsuokella era aumentata. Inoltre, B. cereus era in grado di aderire alle mucine.

Conclusioni
I risultati ottenuti dal modello in vitro presentato nello studio sottolineano l’ipotesi che B. cereus sia in grado di colonizzare la mucosa intestinale aderendo stabilmente alle mucine e influenzando le comunità microbiche intestinali come ulteriore meccanismo patogenetico durante l’infezione gastrointestinale.

In letteratura diversi studi utilizzano modelli in vitro tridimensionali (3D) del microbiota intestinale umano. Il modello si basa su impalcature di gelatina reticolare elettrofilata adatte a migliorare l’adesione microbica e la formazione di biofilm, e a preservare la ricchezza e la biodiversità dei microbi intestinali coltivati ​​in vitro.

È stato inoltre dimostrato che l’aggiunta di un rivestimento di mucine alle strutture elettrofilate seleziona i microrganismi intestinali in grado di aderire alle mucine seguendo comportamenti adattativi in ​​presenza di muco. 

Fino ad oggi è stato studiato l’impatto dell’Escherichia coli e del Clostridioides difficile sulla composizione delle comunità intestinali. Un nuovo studio, i cui risultati sono stati pubblicati su Microorganism, ha utilizzato un sistema 3D in vitro per valutare l’effetto di un ceppo enterotossigeno di Bacillus cereus ATCC 14579 sui microrganismi intestinali in coltura.

Modelli in vitro

Studi clinici e diversi modelli animali sono stati tradizionalmente utilizzati per valutare la composizione e la funzionalità delle popolazioni microbiche intestinali in condizioni sane e patologiche. 

Parallelamente sono stati sviluppati e gradualmente convalidati, come possibili alternative per lo studio dei consorzi microbici che risiedono nell’intestino ex vivo, modelli in vitro sempre più moderni, tecnologici e diversificati per coltivare comunità microbiche complesse, come il microbiota intestinale. 

Riproducibilità, facile accesso e possibilità di monitoraggio continuo sono solo alcuni dei vantaggi mostrati dai modelli in vitro rispetto ai modelli animali o agli individui umani. 

Tra le numerose possibilità di applicazione, i modelli in vitro integrati con microrganismi patogeni possono essere facilmente utilizzati per valutare gli effetti di alcuni agenti patogeni sul microbiota coltivato in vitro. 

Bacillus cereus

Bacillus cereus è un batterio Gram-positivo, a forma di bastoncello e sporigeno, principalmente responsabile di intossicazioni alimentari e gravi infezioni extra-intestinali negli esseri umani e in altri mammiferi. 

Grazie alla sua capacità di resistere ad ambienti difficili formando spore e biofilm, B. cereus è distribuito a livello globale, soprattutto nel suolo e nella vegetazione. Oltre a produrre cereulide negli alimenti contaminati, tossina responsabile della sindrome emetica, B. cereus può colonizzare il tratto intestinale umano e produrre altri fattori di virulenza che determinano la sindrome diarroica. 

Tuttavia, l’impatto di B. cereus sulle comunità microbiche che popolano l’intestino è sconosciuto. Pertanto è utile indagare la capacità di B. cereus di aderire alle mucine in vitro e gli effetti delle cellule vegetative e dei surnatanti di coltura di B. cereus sulle comunità intestinali coltivate in vitro.

B. cereus e mucine

B. cereus è risultato in grado di aderire fortemente alle mucine e quando ciò si verifica si hanno in contemporanea importanti cambiamenti trascrizionali. Inoltre la secrezione di diversi fattori di virulenza viene alterata in modo massiccio a seconda della concentrazione di mucine. È quindi ragionevole affermare che, una volta raggiunta la mucosa del tratto gastrointestinale, B. cereus aderisce alle mucine e modifica la sua espressione genetica per colonizzare il nuovo ambiente e determinare il processo infettivo.

Modifiche al microbiota intestinale indotte da B. cereus

Nel modello in vitro, l’aggiunta di cellule vegetative e surnatante di B. cereus ha causato notevoli alterazioni nella composizione dei consorzi microbici intestinali. Ciò suggerisce che le modifiche indotte nel microbiota intestinale sono dovute principalmente a composti secreti dal microbo nell’ambiente extracellulare. Poiché l’effetto dei ceppi enterotossigeni di B. cereus sul microbiota intestinale umano non è noto, la scoperta che B. cereus ha causato l’espansione di microbi benefici come il Bifidobacterium è stata sorprendente. 

Un risultato simile è stato ottenuto in studi precedenti per Bacillus subtilis C-3102, che ha dimostrato di secernere fattori bifidogenici, consentendo interazioni di cross-feeding e successiva espansione di Bifidobacterium spp. 

B. cereus ha determinato anche una drastica riduzione di Proteobatteri, Lactobacilli e Akkermansia. 

I microrganismi appartenenti ai generi Lactobacillus e Akkermansia sono importanti membri delle comunità intestinali mucoaderenti in condizioni di salute, e carenze nella loro quantità, come nel caso della presenza di B. cereus, sono spesso associate ad un peggioramento della funzionalità intestinale e del benessere generale. Al contrario, la significativa riduzione contestuale dei proteobatteri, può essere interpretata come un effetto positivo sulla salute intestinale poiché alti livelli di proteobatteri sono comunemente considerati marcatori microbici di compromissione intestinale, infiammazione e malattie.

Conclusioni

In questo studio, è stato dimostrato che B. cereus ATCC 14579 si lega e aderisce alle mucine. Il contatto con la mucosa intestinale è probabilmente fondamentale affinché il microrganismo possa colonizzare l’intestino ed esplicare il suo ruolo di patogeno intestinale. 

Oltre a essere in grado di causare danni a diverse cellule e tessuti dell’ospite, B. cereus ha portato a modifiche sostanziali nella composizione del microbiota intestinale umano, in particolare per quanto riguarda E. coli, Bifidobacterium, Lactobacillus, Akkermansia e Mitsuokella. Inoltre, le perturbazioni della composizione del microbiota non sono state prontamente ripristinate al termine dell’infezione, almeno nelle condizioni in vitro utilizzate nello studio. Tutti questi risultati suggeriscono che le alterazioni della microflora intestinale potrebbero essere parte del meccanismo patogeno alla base dell’infezione da B. cereus.