Un recente studio, pubblicato su Nature Medicine, ha rivelato che sono le interazioni microbiche, non tanto la presenza, l’assenza o l’abbondanza relativa di alcuni generi, associate all’esacerbazione della bronchiectasia, una forma di broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO), dovuta a una malformazione cronica dei bronchi i quali perdono la loro caratteristica anatomica di “tubi” a pareti parallele, per diventare progressivamente tortuosi, dilatati e sfiancati in diversi punti.

Cause e sintomi della bronchiectasia

I sintomi della bronchiectasia sono un’importante produzione di muco, tosse cronica, frequenti infezioni delle vie respiratorie e mancanza di respiro.

Un’eziologia eterogenea (che va dalla fibrosi cistica e dalla polmonite fino all’esposizione a sostanze estranee nelle vie aeree e all’asma non controllata) rendono complicato lo studio e il trattamento di questa patologia. Precedenti analisi hanno rivelato una correlazione tra l’esacerbazione della malattia, caratterizzata da un’intensa infiammazione, un microbioma batterico delle vie aeree meno diversificato e una maggiore prevalenza di un particolare genere di batteri gram-negativi, lo Pseudomonas. Tuttavia, studi longitudinali non hanno mostrato cambiamenti significativi nelle comunità batteriche associati all’esacerbazione della malattia.

Lo studio condotto con Integrative Microbiomics

In questo studio, i ricercatori, guidati da Micheál Mac Aogáin e Jayanth Kumar Narayana della Lee Kong Chian School of Medicine della Nanyang Technological University di Singapore, hanno utilizzato Integrative Microbiomics, disponibile come strumento web ospitato dalla Nanyang Technological University in Singapore.

Integrative Microbiomics utilizza un metodo di calcolo noto come similarity network fusion (SNF) che crea reti di dati per ciascuna tipologia di informazioni disponibili (per esempio batterioma, viroma, micobioma) e quindi li unisce iterativamente e “pesa” i dati, in questo caso, in base al numero relativo di taxa in ogni bioma microbico. Questo strumento è in grado di eseguire uno “spectral clustering”, una forma di analisi statistica multivariata.

L’obiettivo è assemblare un insieme di dati complesso e unito in pochi gruppi o cluster, in base alle somiglianze in uno qualsiasi dei parametri per scoprire quali sono le caratteristiche in grado di predire un determinato outcome.

Quando applicato ai dati sulle bronchiectasie, l’SNF ponderato ha identificato chiaramente due gruppi di partecipanti allo studio; coloro che hanno avuto una maggiore frequenza di episodi di riacutizzazione hanno mostrato una minore alpha-diversity a livello delle vie aeree, un numero totale inferiore di microbi all’interno del network, un indice di massa corporea (BMI) più alto e un maggiore uso di corticosteroidi per via inalatoria. Inoltre, questi soggetti avevano maggiori probabilità di essere di origine europea ed erano più propensi a segnalare l’abitudine al fumo.

A differenza dei risultati ottenuti in precedenti studi sul microbioma batterico, i pazienti con tassi di esacerbazione più elevati hanno mostrato livelli di abbondanza di Pseudomonas significativamente più bassi. Inoltre, il test di espirazione forzata e gli indici di gravità delle bronchiectasie non sono risultati significativamente differenti tra i due gruppi di soggetti. Lo strumento Integrative Microbiomics ha quindi distinto i partecipanti allo studio con una precisione maggiore rispetto all’analisi del microbioma batterico o ai soli marker clinici.

Interattoma e bronchiectasia

I ricercatori hanno raccolto campioni di espettorato da 217 pazienti con bronchiectasie da moderate a gravi provenienti da Scozia, Malesia, Kuala Lumpur e Singapore, nonché da 40 soggetti sani di controllo. Inoltre, sono stati stabiliti record microbici batterici, virali e fungini per ciascun soggetto utilizzando il sequenziamento del gene 16S rRNA.

L’interattoma descrive le interazioni tra i microbi che sono stati definiti come positive o negative. I pazienti che rientrano nello spectral cluster caratterizzato da una maggiore frequenza di episodi di esacerbazione hanno mostrato una minore diversità ecologica del microbioma delle vie aeree e più interazioni negative – o esclusive – verso altri microbi della comunità.

I ricercatori hanno osservato un’alterazione dell’interattoma associata alla frequenza di esacerbazione; ciò suggerisce che, oltre alla semplice presenza o assenza di microbi specifici, le interazioni tra i microbi possono favorire l’esacerbazione clinica. Gli autori dello studio hanno quindi ipotizzato che il trattamento antibiotico delle riacutizzazioni possa alterare l’interattoma, piuttosto che agire su specifici batteri.

Il team di ricercatori ha quindi condotto due studi separati su scala ridotta per convalidare le proprie osservazioni. Il primo era uno studio prospettico di coorte condotto in Scozia per monitorare longitudinalmente l’interattoma prima, durante e dopo la terapia antibiotica per trattare l’esacerbazione. Questa indagine ha supportato i risultati ottenuti, in base ai quali le interazioni tra i microrganismi, rispetto all’abbondanza microbica, sono predittori più potenti del tempo che intercorre tra una riacutizzazione e l’altra. Nel secondo studio, condotto in collaborazione con un team italiano, è stato eseguito un sequenziamento metagenomico in una coorte separata di pazienti con bronchiectasie. L’analisi dell’interattoma ha nuovamente rivelato la presenza di due gruppi di pazienti chiaramente delineati, distinti in base alla frequenza di esacerbazione. I pazienti nel cluster con frequenza di riacutizzazione più elevata hanno mostrato un profilo viromico significativamente diverso, compreso quello dei batteriofagi, e una maggiore abbondanza di geni che codificano per la resistenza a diversi farmaci rispetto ai pazienti del cluster con una bassa frequenza di esacerbazioni. Questi dati hanno confermato nuovamente il valore predittivo clinico e la riproducibilità dell’analisi dell’interattoma.

Batteri, virus e funghi

Gli scienziati hanno utilizzato un set di dati multi-biomico che incorporava dati di microbiomi batterici, virali e fungini.

Ulteriori analisi del cluster caratterizzato da un’alta frequenza di esacerbazioni hanno dimostrato che le specie del genere Pseudomonas si comportano in modo significativamente diverso nei confronti di altri microbi rispetto a quanto accade nel cluster di pazienti con una bassa frequenza di esacerbazioni.

Conclusioni

Chiarendo le interazioni tra i taxa microbici, lo strumento Integrative Microbiomics potrebbe potenzialmente definire sottotipi di bronchiectasie e altre malattie respiratorie per creare modelli di previsione del rischio di esacerbazione più coerenti e valutare gli interventi. Questo approccio, a differenza degli studi che utilizzano il sequenziamento genetico per identificare i microbi e determinarne l’abbondanza, è stato in grado di identificare il passaggio verso relazioni microbiche più competitive durante i periodi di esacerbazione delle bronchiectasie.

Gli autori suggeriscono dunque che in futuro gli studi dovranno prendere in considerazione anche la concorrenza tra i microbi per il substrato, l’influenza dei batteriofagi e la risposta immunitaria dell’ospite ai cambiamenti dell’interattoma microbico.