Stipsi: probiotici ingegnerizzati regolano il transito intestinale

23 luglio 2018

Mayo Clinic, Rochester, MN (studio originale)

La modificazione di alcuni batteri commensali per favorirne la produzione di triptamina potrebbe essere un’alternativa terapeutica efficace e più sicura nella cura di disturbi legati al ridotto transito intestinale quali costipazione o malattie infiammatorie croniche.

È quanto scoperto dai ricercatori della Mayo Clinic statunitense attraverso uno studio di recente pubblicazione su Cell Host & Microbiome e coordinato da Yosesh Bhattarai.

Il microbioma gioca un ruolo fondamentale nel metabolismo dei nutrienti introdotti con la dieta.

Fra questi, troviamo il triptofano, un amminoacido essenziale molto importante per il nostro organismo in quanto coinvolto nella formazione degli acidi nucleici nonché precursore di svariati composti attivi come chinurenina, serotonina, melanina o altri derivati indolici.

A questa ultima classe appartiene la triptamina, una monoamina il cui ruolo fisiologico a livello del tratto gastrointestinale rimane ad oggi ancora poco chiaro benché sia ormai noto come vada a legare attivamente i recettori della serotonina detti anche 5HTR, l’isoforma 5HT-4 in particolare, grazie alla sua spiccata omologia strutturale con il neurotrasmettitore in questione.  

Le terapie oggi in uso per il trattamento dei disturbi associati allo scarso transito intestinale come la stitichezza puntano principalmente questi recettori, data la loro ampia distribuzione nell’epitelio dell’intestino e il loro ruolo nel controllare le secrezioni di anioni e di fluidi per lubrificare il colon.

Tuttavia, essendo questi recettori presenti anche in altre aree del corpo, sistema nervoso in primis, possono verificarsi effetti collaterali indesiderati a livello sistemico.

Diventa dunque necessaria la messa appunto di una strategia d’intervento alternativa e più mirata al tratto gastrointestinale.

Triptamina, stipsi e transito intestinale

I ricercatori della Mayo Clinic hanno puntato sulla triptamina indagandone i reali effetti sui recettori 5HT e quindi il suo possibile utilizzo per controllare le secrezioni a livello del colon mediante osservazioni in vivo su modelli murini, sia maschi che femmine, esprimenti rispettivamente microbioma fisiologico (CR), umano (HM) e nessun microbioma (GF).

Da ultimo, il batterio commensale Bacteroides thetaiomicron è stato opportunamente ingegnerizzato per esprimere l’enzima di decarbossilazione del triptofano e quindi messo nelle condizioni di produrre triptamina.

Le basi per questo processo di modificazione sono derivate dal precedente studio di altri due batteri commensali, Ruminococcus gnavus e Clostridium sporogenes, tra i pochi in grado di sintetizzare di fisiologicamente triptamina, ma meno propensi alla colonizzazione, ragion per cui si è optato per B. thetaiomicronLa buona riuscita dell’ingegnerizzazione è stata prima testata in vitro e successivamente in vivo.

 Ecco i risultati ottenuti descritti nei vari passaggi intermedi.

La triptamina aumenta le secrezioni nel colon attraverso l’attivazione dei recettori 5HT-4 indipendentemente dal sesso e dalla componente batterica presente.

  • In un primo momento si è voluto verificare se la triptamina esogena andasse a modificare le secrezioni e il relativo trasporto di ioni/anioni del colon testandola sia su membrana mucosale che sottomucosale di modelli germ-free (GF) andando a monitorare le variazioni di corrente (∆Isc). 3Mm di triptamina applicati sia a livello di mucosa che di sottomucosa nelle prossimità del colon hanno provocato l’incremento di Isc in entrambi i sessi.
  • Si è poi indagato il possibile ruolo della componente batterica in questo processo ripetendo l’analisi anche su modelli CR e HM. I risultati ottenuti sono risultati tuttavia comparabili a quelli su GF suggerendo come la triptamina agisca indipendentemente sia dal sesso che dai batteri locali benché la variazione di potenziale massima si sia verificata in topi GF e HM maschi rispetto ai CR mentre nessuna differenza importante è stata osservata tra le femmine.
  • Dopo aver confermato il ruolo di triptamina nell’influenzare i livelli secretori agendo sul trasporto delle cariche elettriche, è stato accertato se questa sua proprietà fosse effettivamente mediata dall’attivazione dei recettori 5HT, 5HT-3 e 5HT-4 in particolare, come suggerito da studi precedenti. Nel dettaglio:
  • La ∆Isc è stata del tutto annullata se somministrati antagonisti specifici per recettori 5HT-4 indipendentemente dal sesso e dalla composizione batterica, risultati non confermati in caso di somministrazione di antagonisti per 5HT-3;
  • Modelli murini modificati per non esprimere il recettore 5HT-4 non hanno presentato ∆Isc in seguito ad applicazione di triptamina a differenza di modelli wild-type, andando a supportare ulteriormente il ruolo del recettore 5 HT-4 nel mediare gli effetti di triptamina;

La triptamina agisce solo sui recettori 5 HT-4 espressi a livello dell’epitelio intestinale senza comportare effetti sistemici.

I recettori 5 HT-4 si trovano espressi sia a livello dell’epitelio intestinale sia nei neuroni sottomucosali.

Nel caso in cui, la triptamina andasse a interagire anche con i recettori neuronali potrebbe comportare effetti sistemici non desiderati al pari delle altre terapie farmacologiche attualmente utilizzate per favorire il transito intestinale. I ricercatori hanno quindi valutato la specificità recettoriale della monoamina in questione per profilare la sicurezza di un suo potenziale uso clinico.

  • Gli effetti dell’applicazione cumulativa di triptamina sono stati testati in presenza di tetradotossina, un bloccante dei neuroni della sottomucosa, non riscontrando tuttavia alcuna interferenza con i livelli di Isc dimostrando anzi un incremento nella differenza di potenziali tra prima e dopo.
  • Se alla tetradotossina si va aggiungere l’antagonista GR-113808, specifico per i 5 HT-4 epiteliali si osserva invece il blocco completo della riposta Isc evocata da triptamina confermando il coinvolgimento di solo questi recettori nella mediazione dei suoi effetti.

Ingegnerizzando Bacteroides thetaiomicron è possibile produrre triptamina endogena andando ad accelerare il transito intestinale  

Dopo aver approfondito le caratteristiche e le potenzialità della triptamina esogena, come anticipato, i ricercatori hanno voluto accertare gli effetti anche di quella endogena attraverso l’ingegnerizzazione del commensale Bacteroides thetaiomicron che è stato quindi attrezzato con l’enzima di decarbosilazione del triptofano, elemento essenziale per la biosintesi della monoamina. Si è ottenuta quindi una nuova versione di B. thetaiomicron detta appunto B. thetaiomicron Trp D+.

Dopo aver confermato l’avvenuta modificazione in vitro, sono stati colonizzati modelli murini GF rispettivamente con il nuovo batterio (B. thetaiomicron Trp D+) o con il batterio nella sua forma standard (B. thetaiomicron Trp D). Per verificare l’effettiva capacità di metabolizzazione, ad entrambi i gruppi è stata somministrata una soluzione acquosa contenente il precursore triptofano allo 0.25%.

L’utilizzo di modelli GF permette di imputare esclusivamente al batterio d’interesse eventuali effetti sul metabolismo del triptofano.

  • I modelli GF colonizzati con B. thetaiomicron Trp D+ hanno mostrato a 5 giorni un significativo decremento di triptofano bilanciato da un altrettanto consistente aumento delle concentrazioni di triptamina nei campioni fecali;
  • Di contro, i modelli riceventi B. thetaiomicron Trp Dnon hanno riportato alcuna attività relativa al processo di metabolismo da triptofano a triptamina;
  • Entrambi i gruppi non hanno mostrato alterazioni nei livelli sierici sia di triptofano sia di triptamina, essendo quest’ultima rapidamente degradata a livello intestinale;
  • I modelli con B. thetaiomicron Trp D+ hanno presentato un tempo di transito intestinale ridotto rispetto alla controparte supportando l’efficacia dell’ingegnerizzazione e, in generale, del ruolo della triptamina;

In conclusione dunque, sulla base di questo studio, possiamo affermare che:

  • La triptamina, metabolita del triptofano, favorisce la secrezione di fluidi a livello del colon;
  • Gli effetti della triptamina sono mediati solo dal recettore 5 HT-4 espresso a livello epiteliale;
  • L’opportuna ingegnerizzazione di batteri commensali può portare alla produzione endogena di triptamina diventando una strategia terapeutica alternativa sulla quale puntare nella cura di disturbi legati al ridotto transito intestinale.

Silvia Radrezza

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