Stato dell’arte
Il disturbo dello spettro autistico (ASD) è una condizione che colpisce lo sviluppo neurologico, in particolare le capacità cognitive, comportamentali e comunicative. Alterazioni dell’asse intestino-cervello (GBA) sono state implicate nell’ASD, sebbene manchino risultati coerenti tra gli studi.
Cosa aggiunge questa ricerca
I ricercatori hanno sviluppato un algoritmo per identificare i profili molecolari e i taxa associati all’ASD in vari set di dati che includevano informazioni su microbioma, modelli alimentari, metabolomica, profili di citochine ed espressione genica del cervello umano. I risultati hanno rivelato una struttura funzionale all’interno del GBA correlata ai diversi fenotipi di ASD. Questa struttura è caratterizzata da specifici profili di aminoacidi, carboidrati e lipidi influenzati da specie microbiche come Prevotella, Bifidobacterium, Desulfovibrio e Bacteroides. La struttura è risultata inoltre correlata a cambiamenti nell’espressione genica del cervello, a modelli dietetici restrittivi e a profili di citochine proinfiammatorie.
Conclusioni
Gli autori propongono una nuova prospettiva per sfruttare set di dati multi-omici ottenuti da coorti ben definite e per esaminare l’impatto del GBA sull’ASD.
Il disturbo dello spettro autistico (ASD) è una condizione che colpisce lo sviluppo neurologico, in particolare le capacità cognitive, comportamentali e comunicative. Sebbene oltre 100 geni siano stati collegati all’ASD, la maggior parte delle varianti genetiche sono associate a fenotipi eterogenei, rendendo difficile individuare i meccanismi molecolari specifici responsabili di particolari disturbi.
L’asse intestino-cervello (GBA) mantiene l’omeostasi cerebrale e regola le funzioni cognitive ed emotive. Ricerche recenti hanno evidenziato l’importante ruolo del microbioma intestinale nel modulare il GBA e nel regolare le reti neuroimmuni, le connessioni neurali e la comunicazione diretta con il cervello.
Si ritiene che alterazioni del microbioma intestinale e del GBA contribuiscano alla patogenesi dei disturbi dello sviluppo neurologico, compreso l’autismo. A causa del ruolo che il GBA svolge nella determinazione dei fenotipi dei disturbi dello sviluppo neurologico, i contributi metagenomici e metabolici del microbioma intestinale dovrebbero essere considerati come potenziali componenti chiave dell’architettura funzionale, vale a dire la rete di interazioni tra diversi livelli omici che determina i fenotipi individuali di autismo.
Per identificare i profili omici specifici dell’autismo, Oldenburg e colleghi hanno ideato un algoritmo per stimare la distribuzione dei differenziali microbici tra più potenziali sottotipi di ASD presi da 25 set di dati omici. Il loro lavoro è stato recentemente pubblicato sulla rivista Nature Neuroscience.
Eseguendo una meta-analisi multi-coorte e multi-omica che combina set di dati omici provenienti da diversi studi in un’analisi integrata, gli autori hanno identificato associazioni significative tra i vari livelli omici all’interno del GBA, in particolare del microbioma in relazione all’ASD.
Inoltre, hanno presentato un quadro per la ricerca futura volta a chiarire la relazione causale tra il microbioma, altri livelli omici e l’ASD, contribuendo in definitiva a una comprensione più precisa di queste interconnessioni.
Nel presente studio, i bambini con ASD sono stati accoppiati individualmente con bambini di controllo neurotipici corrispondenti per età e sesso all’interno di ciascuna coorte di studio.
Le classifiche differenziali microbiche, stimate dai dati dell’amplicone del gene rRNA 16S provenienti da 7 coorti abbinate per età e sesso rispetto ad altri 15 set di dati omici, sono state confrontate per contestualizzare i potenziali ruoli funzionali che questi microbi potrebbero svolgere nell’autismo.
Forti collegamenti ASD-microbioma
Confrontando 7 set di dati selezionati, è stata condotta un’analisi completa che ha abbinato gli individui in base alla loro età e sesso. I risultati hanno mostrato una chiara separazione nella composizione microbica tra individui con e senza ASD.
Nello specifico, è stata rilevata una maggiore prevalenza di 591 microbi nei bambini con ASD e di 169 nel gruppo di controllo, indicando chiare differenze microbiche associate all’ASD.
Sono state inoltre osservate forti differenze microbiche tra bambini con ASD e bambini neurotipici all’interno di coorti corrispondenti per età e sesso, ma non nelle coorti corrispondenti per fratelli.
I rapporti logaritmici dei taxa sono stati costruiti dall’analisi dell’abbondanza differenziale abbinata per età e sesso: i risultati hanno indicato una netta tra i bambini con ASD e i controlli neurotipici all’interno di ciascuno studio.
A partire da queste analisi è stato elaborato un unico rapporto logaritmico microbico, che ha evidenziato un forte e coerente arricchimento di taxa nei bambini con ASD rispetto alle loro controparti di controllo; questo modello è risultato coerente in tutte le coorti abbinate per età e sesso.
L’analisi della classificazione differenziale di diversi livelli omici, in particolare del microbioma e del trascrittoma umano, ha rivelato distinzioni sostanziali e statisticamente significative tra i bambini con ASD e i loro coetanei neurotipici della stessa età e sesso. Tuttavia, l’analisi di due ulteriori livelli omici, vale a dire il metaboloma e il viroma, non ha mostrato risultati significativi.
Citochine correlate con l’abbondanza microbica
L’ASD è stato ripetutamente collegato alla disregolazione immunitaria, che può manifestarsi con varie anomalie tra cui la presenza di anticorpi “anti-cervello”, di alterati profili di citochine o una storia familiare di disturbi immunitari. Uno studio recente ha dimostrato che le concentrazioni del fattore di crescita TGF-β sono significativamente elevate nei bambini con ASD.
Un’ulteriore analisi del set di dati di questo studio, considerando sempre individui della stessa età e sesso, ha rivelato che i differenziali microbici stimati erano associati al TGF-β e correlati positivamente con le differenze microbiche globali tra ASD e coppie di controllo.
Al contrario, le differenze microbiche globali sono risultate correlate solo in minima parte con le concentrazioni di un’altra citochina infiammatoria (IL-6).
Tuttavia, i rapporti logaritmici dei taxa microbici più differenzianti erano altamente correlati sia alle concentrazioni di TGF-β sia di IL-6, indicando come i cambiamenti di IL-6 siano collegati solo a pochi taxa, mentre quelli di TGF-β a un numero molto maggiore.
Prevotella, Bacteroides e Bifidobacterium sono risultati prevalentemente associati alle differenziali di citochine. In effetti, P. copri e Bacteroides fragilis sono entrambi presenti in concomitanza con fagi arricchiti in bambini con ASD o in bambini neurotipici; tuttavia, sebbene in precedenza fosse stata dimostrata la capacità di questi microbi di mediare le infezioni virali, le basi meccanicistiche di queste interazioni con l’immunità dell’ospite sono ancora poco chiare.
Il metabolismo del microbioma rispecchia il metabolismo del cervello umano
Per studiare la possibile interazione tra il microbioma e il cervello umano, le capacità metaboliche codificate dal metagenoma microbico sono state confrontate con il genoma umano espresso in modo differenziale nel cervello, due livelli omici che rappresentano contesti biologici distinti. Da questa analisi sono stati identificati 138 geni microbici e 1.772 geni che codificano per fattori coinvolti nel metabolismo umano collegati al fenotipo ASD. In particolare, 95 pathway metabolici nei tessuti cerebrali umani, che erano espressi in modo differenziale in individui con ASD, presentavano pathway microbici analoghi differenzialmente abbondanti nel microbioma dei bambini con ASD, suggerendo una potenziale coordinazione delle vie metaboliche attraverso i livelli omici nell’ASD.
I pathway correlati al metabolismo degli aminoacidi, dei carboidrati e dei lipidi erano rappresentati in modo sproporzionato tra i pathway sovrapposti. Confrontando i geni che codificano per gli enzimi microbici associati all’ASD con i moduli intestino-cervello (GBM) precedentemente identificati, è stata osservata una sovrapposizione approssimativa del 48,5%, supportando ulteriormente il potenziale crosstalk metabolico tra i livelli omici.
La capacità metabolica del microbioma rispecchia i modelli dietetici
Studi precedenti hanno indicato una correlazione tra i tratti autistici nella prima infanzia e la scarsa qualità della dieta nelle fasi successive della vita. Nel presente studio, sono stati rianalizzati i dati relativi al microbioma e all’indagine dietetica per indagare la relazione tra qualità della dieta e tratti autistici.
Dai risultati ottenuti sono emersi modelli di associazione del metabolismo degli aminoacidi, dei carboidrati e dei lipidi simili a quelli osservati nell’analisi della capacità metabolica microbioma-cervello: i bambini autistici avevano minori probabilità di consumare cibi ricchi di aminoacidi coinvolti nella biosintesi dei neurotrasmettitori; inoltre, numerosi taxa di Bacteroides e P. copri figuravano tra i primi 20 taxa, evidenziando il loro possibile coinvolgimento nel metabolismo di composti alimentari degli aminoacidi.
Trapianto di microbiota fecale
Gli autori hanno rianalizzato i dati di uno studio della durata di 2 anni in aperto sul trapianto fecale (FMT) che ha coinvolto 18 bambini con ASD. I dati ottenuti hanno suggerito un potenziale ruolo del microbioma nel migliorare i sintomi dell’autismo; inoltre, è stato osservato che tutti i microbi associati all’ASD presenti nei 18 bambini prima del FMT erano anche tra i microbi associati all’ASD individuati nell’analisi trasversale abbinata per età e sesso condotta nel presente studio. Inoltre, dai dati ottenuti è emersa, a distanza di 2 anni, una riduzione dell’abbondanza del 91% di questi microbi, che è risultata significativa nel 57% dei microbi.
Gli autori hanno osservato anche un aumento di Prevotella sp. e Desulfovibrio piger nell’arco di 2 anni e nessun cambiamento significativo nei bifidobatteri, mentre 305 taxa sono rimasti stabili per tutta la durata dello studio. Di questi, 13 taxa appartenevano ai lignaggi Prevotella, Bifidobacterium, Bacteroides e Desulfovibrio, indicando una diversità funzionale potenzialmente ampia all’interno di questi generi che non era stata notata nello studio originale.
Si sono rivelati stabili anche diversi produttori di butirrato appartenenti ai generi Butyricimonas e Anaerobutyricum durante i 2 anni dello studio, indicando un loro potenziale ruolo nel contribuire all’omeostasi del GBA. Nel complesso, la presenza di questo “core” stabile, in combinazione con la riduzione della maggior parte dei taxa associati all’ASD, suggerisce un ruolo causale di questi microrganismi nell’influenzare i sintomi dell’autismo.
Conclusioni
In conclusione, questo studio ha rivelato una chiara separazione tra bambini con ASD e controlli neurotipici non correlati per età e sesso; questo risultato è stato convalidato utilizzando metodologie distinte in più coorti.
Analisi parallele dell’immunoma, del trascrittoma e del dietoma umano hanno rivelato la presenza di forti associazioni e l’identificazione di alcuni microrganismi uniformemente rilevati nei diversi livelli omici, indicano connessioni funzionali potenzialmente interessanti.
Sulla base dei loro risultati, gli autori ritengono dunque che studi longitudinali multi-omici che coinvolgano coorti accuratamente selezionate, insieme a metadati completi dei pazienti, potrebbero offrire preziose opportunità per far avanzare la ricerca meccanicistica sul GBA nell’ASD.
