Salmonella: individuati batteri intestinali che prevengono l’infezione

7 settembre 2018 / di Silvia Radrezza

Stanford University, Stanford, CA (studio originale)

I Bacteroides, specie commensali risiedenti nel nostro intestino, sono in grado di ostacolare la colonizzazione del patogeno Salmonella Typhimurium attraverso la produzione di propionato, un acido grasso a corta catena, prevenendo quindi l’infezione ad esso correlata.

È quanto afferma lo studio di Amanda Jacobson e colleghi, recentemente pubblicato su Cell Host and Microbiome.

La resistenza alla colonizzazione da parte di patogeni è fondamentale nell’evitare l’insorgenza di invasioni e infezioni batteriche potenzialmente pericolose per l’individuo.

Per fare ciò, le specie commensali che compongono il microbiota mettono in atto una serie di strategie di controllo sia indirette, come ad esempio promuovere la risposta immunitaria dell’ospite, che dirette andando a competere con il patogeno per il sito da colonizzare o per i nutrienti, producendo metaboliti tossici ecc.

Tra i patogeni più aggressivi troviamo la Salmonella enterica serovar Typhimurium (S. Typhimurium), responsabile di molteplici tipi di infezioni, dalla gastroenterite auto-limitante alla febbre tifoidea.

Alcuni studi dimostrano tuttavia la capacità da parte del microbiota di ostacolare lo sviluppo dell’infezione, condizione non verificata in occasione di trattamento antibiotico su modelli animali di colite.  

Per fornire ulteriori evidenze a supporto del ruolo di alcune specie commensali nel ridurre l’infezione da S. Typhimurium, indagandone anche gli eventuali meccanismi di base, i ricercatori americani hanno analizzato la risposta all’infezione in due differenti modelli murini, ovvero il modello 129X1/SvJ (129) e C57BL/6 (B6N), non precedentemente trattati con antibiotici e principalmente attraverso raccolta dei campioni fecali. Ai saggi in vivo sono stati inoltre abbinati test in vitro.  

I punti indagati e i risultati ottenuti sono stati molti, di seguito i principali.

Il microbiota intestinale controlla la diffusione dell’infezione da Salmonella Typhimurium

Dopo aver inoculato per via orale il patogeno S. Typhimurium in entrambi i modelli precedentemente citati, è stato esaminato il grado di diffusione dell’infezione a livello sistemico e dei tessuti intestinali. A 21 giorni dalla contaminazione:

  • Entrambi i modelli presentavano colonizzazione del patogeno simile a livello sistemico e nei tessuti adiacenti l’intestino (milza, fegato, linfonodi mesenterici e intestino tenue)
  • I modelli 129 hanno dimostrato una presenza notevolmente maggiore di S. Typhimurium nel cieco e nel colon rispetto ai B6N
  • Il 62% dei modelli B6N ha espresso S. Typhimurium nelle feci contro un 98% dei 129 i quali ne hanno inoltre dimostrato una maggiore concentrazione

È noto come S. Typhimurium interagisca con numerose specie commensali risiedenti nell’ileo e di come la composizione microbica sia caratterizzata da un’elevata inter-variabilità.

Per determinare dunque l’impatto che la composizione batterica commensale ha nell’infezione, i ricercatori sono ricorsi al trapianto di microbiota fecale (FMT) da modelli B6N a quelli 129.

Il trapianto di microbiota fecale ha limitato l’espansione dell’infezione a livello intestinale e l’espressione del patogeno nelle feci ma non ha influenzato la colonizzazione dei tessuti sistemici o in generale la salute dell’ospite.

Bacteroidales spp. sono più abbondanti nei modelli B6N

Al fine di indagare i meccanismi che stanno alla base della resistenza alla colonizzazione di patogeni, sono stati analizzati i cambiamenti a livello di microbiota in seguito al FMT da entrambi i modelli di partenza in altri germ-free e alla co-abitazione dei due modelli creati.

  • I valori di alpha-diversity filogenetici e non filogenetici non hanno mostrato differenze significative tra i modelli riceventi sia il microbiota da B6N che da 129 suggerendo come la diversa espansione di S. Typhimurium non sia da correlare alla ricchezza batterica
  • Le analisi di beta-diversity hanno invece evidenziato cluster peculiari tra i due gruppi riceventi dimostrando come sia la composizione batterica determinare un differente profilo di resistenza

Avendo dimostrato come sia la composizione del microbiota il fattore chiave nel controllo dell’infezione, si è proceduto con l’analisi tassonomica per identificare le specie maggiormente coinvolte.

I gruppi tassonomici Bacteroidales, i generi Bacteroides e Prevotella e la famiglia Rikenellaceae in particolare, sono risultati quelli maggiormente espressi nei modelli riceventi il FMT da B6N risultando invece assenti nella controparte.

Gli estratti organici di Bacteroides spp. limitano la crescita di S. Typhimurium in vitro

Data l’elevata abbondanza di Bacteroidales spp. dimostrata nei modelli B6N, i ricercatori hanno valutato l’eventuale capacità, in particolare di Bacteroides spp., di ostacolare in maniera diretta la proliferazione del patogeno attraverso test in vitro utilizzandone gli estratti organici.

  • I prodotti derivanti da Bacteroides spp. limitano la crescita di S. Typhimurium a 8 e 24 ore dopo l’inoculazione in base alla misurazione CFUs
  • I prodotti derivanti da Bacteroides spp. limitano solo la crescita di S. Typhimurium mentre non influiscono sulla proliferazione di altri patogeni quali ad esempio L. monocytogenes, Y. Pseudotuberculosis o C. difficile suggerendo un meccanismo di inibizione altamente specifico

La produzione di propionato da parte di Bacteroides spp. limita la crescita di S. Typhimurium in vitro

Tra i prodotti di metabolismo di Bacteroides spp. troviamo gli acidi grassi a corta catena (SCFAs) ovvero formiato, acetato, butirrato e propionato. Essendo queste molecole di norma altamente concentrate a livello dell’ileo, è stato valutato se la loro abbondanza potesse influire sull’espressione di S. Typhimurium a livello fecale.

  • La concentrazione di formiato, acetato e butirrato è risultata simile in entrambi i modelli (BN6 e 129)
  • Il propionato ha mostrato livelli 3 volte maggiori nei B6N rispetto alla controparte

Per testare se la sola produzione di propionato sia in grado di limitare la proliferazione di S. Typhimurium in vitro e in che modo eventualmente questo avvenga, i ricercatori hanno testato l’andamento della colonizzazione in presenza di B. thetaiotamicron (Bt) mutato per non produrre l’SCFAs in questione confrontandolo con un ceppo wild-type.

  • La crescita di S. Typhimurium è stata inibita nella coltura con Bt wild-type ma non in quella con il ceppo mutato confermando l’importanza del propionato
  • L’inibizione si è verificata in maniera dipendente dalla concentrazione di propionato
  • Il propionato ostacola la proliferazione di S. Typhimurium ritardando la prima divisione cellulare del patogeno acidificandone l’ambiente intracellulare

La produzione di propionato da parte di Bacteroides spp. media la resistenza alla colonizzazione di S. Typhimurium in vivo

Per verificare le potenzialità del propionato in vivo, sono stati trattati i modelli murini 129 con un cocktail di Bacteroides spp. vivi o uccisi con calore prima della contaminazione con S. Typhimurium. Nel dettaglio, Bacteroides spp. includevano sia ceppi umani (B. ovatus, B uniformis e B. acidifaciens) sia provenienti da modelli B6N (B. acidifaciens).

  • I Bacteroides spp. vivi hanno colonizzato stabilmente l’ileo dei modelli 129
  • I modelli riceventi la forma batterica viva a 2 giorni hanno mostrato notevole riduzione nella concentrazione di S. Typhimurium a livello dell’ileo rispetto alla controparte trattata con Bacteroides spp. non attivi
  • La colonizzazione con Bacteroides spp. vivi non altera i parametri immunitari dell’ospite suggerendo come l’azione del propionato sul patogeno non sia mediata ma diretta
  • La somministrazione del prebiotico combinato a base di propionato esterificato e inulina ha significativamente ridotto l’espressione di S. Typhimurium fecale rispetto alla sola inulina

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

  • Bacteroides spp. commensali limitano l’infezione da S. Typhimurium nell’ileo
  • L’azione di resistenza alla colonizzazione di S. Typhimurium è mediata dalla presenza di propionato, prodotto di metabolismo di Bacteroides spp.
  • Il propionato inibisce la proliferazione di S. Typhimurium in vitro in maniera diretta alterando il pH intracellulare del patogeno
  • Il propionato limita la diffusione dell’infezione a livello dell’ileo e fecale in vivo

La somministrazione di Bacteroides spp. vive o di altri batteri producenti SCFAs potrebbe dunque essere una valida strategia per contrastare la diffusione del patogeno S. Typhimurium e, di conseguenza, il manifestarsi delle infezioni ad esso correlate.

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