L’ossigenoterapia, terapia comune per patologie respiratorie acute o croniche, altera la composizione del microbiota polmonare e intestinale in vivo favorendo di conseguenza il danno polmonare. Lo dimostra lo studio di Shanna L. Ashley e colleghi della University of Michigan (USA), di recente pubblicato su Science Translational Medicine.

Iperossia e infiammazione polmonare

Gli effetti polmonari dell’iperossia (condizione che si verifica in seguito a inalazione di ossigeno) sono ben noti sia in vivo sia sull’uomo.

Infiammazione alveolare e danno polmonare sono infatti comuni conseguenze nonostante i meccanismi ne rimangano ancora del tutto da chiarire. La componente genetica è sicuramente coinvolta ma non è la sola.

Contrariamente a quanto si pensava fino a poco tempo fa, l’ambiente polmonare è tutt’altro che sterile. Il microbiota che lo colonizza è infatti non solo ricco e diversificato ma anche attivamente partecipe alla sua funzionalità e benessere.

La popolazione batterica di pazienti con patologie respiratorie è infatti alterata rispetto a condizioni fisiologiche. Differenti anche i livelli di tolleranza all’ossigeno tra le varie specie. Come impatta quindi la somministrazione d’ossigeno sul microbiota?

Hanno cercato di scoprirlo i ricercatori americani caratterizzando i cambiamenti di composizione della popolazione batterica polmonare e intestinale in vivo in seguito ad acuta iperossia. Vediamone i passaggi e i risultati principali.

Ossigenoterapia e microbiota polmonare

Prima di sperimentare gli effetti dell’iperossia in vivo, è stata confrontata la popolazione batterica polmonare di pazienti esposti a differenti livelli di inalazione di ossigeno (bassa 21-46%, intermedia 43-55%, alta >55%) dimostrando che i pazienti meno esposti hanno pari livelli di S. aureus e P. aeruginosa (28.3% e 22.6%), due dei principali patogeni associati a infezioni da ventilazione meccanica.

Di contro, aumentando l’inalazione di ossigeno si è registrato un aumento anche di S. aureus (28.3& vs 22.6% nel gruppo intermedio, 35.9% vs 14.9% nel gruppo ad alta esposizione).

Partendo da queste osservazioni, i ricercatori hanno quindi approfondito la relazione tra iperossia acuta e alterazioni batteriche su modelli murini.

Per farlo, a 9 esemplari è stato inalato ossigeno al 75% subito dopo la nascita per 2 settimane. Rispetto ai controllo (n=8, respirazione autonoma al 21% di ossigeno), il microbiota del gruppo in iperossia ha registrato:

• decremento di ricchezza batterica
• eliminazione di Erysipelotrichaceae, taxa anaerobio principale in condizioni fisiologiche
• aumento di Streptococcus spp.

Tali condizioni sembrerebbero confermate anche nei topi adulti dove la comunità batterica di modelli con iperossia (n=5, 95% di ossigeno), ha mostrato una rapida e persistente diminuzione di abbondanza relativa dei taxa anaerobi (Clostridia e Bacteroidia ad esempio) con, di contro, un aumento di quelli ossigeno-tolleranti (famiglia Staphylococcus).

Ossigenoterapia e microbiota intestinale

Cambiamenti anche a livello intestinale. In particolare:

• nei controlli, la famiglia Staphylococcus rappresenta solo il 2.74% della comunità batterica totale. Nel gruppo con iperossia raggiunge il 49.5% dopo 72 ore
• la crescita batterica polmonare totale non cambia con la durata dell’iperossia
• la durata dell’iperossia ha un impatto significativo anche sulla composizione batterica  intestinale (significativo fino alle 72 ore)
• a 72 ore di iperossia, il phylum Firmicutes e la famiglia Ruminococcaceae hanno mostrato un decremento a livello intestinale con, di contro, un aumento di Bacteroidetes

Ma la disbiosi indotta da ossigenoterapia precede o è una conseguenza del danno polmonare clinico? Sembrerebbe anticiparlo e quindi esserne una causa. L’infiammazione polmonare che si registra in caso di danno polmonare è infatti risultata relazionata alla variazione della comunità batterica seppur con trend differenti:

• la concentrazione polmonare di marcatori infiammatori quali IL-1α ha mostrato forte correlazione negativa con la diversità batterica nei controlli, debole invece con l’aumento dell’iperossia
• di contro, TNF- α e IL-17 hanno mostrato un aumento positivamente correlato con la durata dell’iperossia con correlazione negativa con alla diversità batterica
• l’espressione di Erysipelotrichaceae ha mostrato correlazione positiva con i livelli di citochine infiammatorie
• I taxa intestinali (cieco) hanno mostrato correlazione con i livelli di TNF- α e IL-17 polmonari dopo 48 ore di iperossia, le famiglie Lachnospiraceae e Ruminococcaceae in particolare
• rispetto a quelli con normale componente batterica, modelli germ-free hanno mostrato una maggiore resistenza al danno alveolare indotto da iperossia supportando il ruolo batterico nell’eziopatologia. Ridotta infatti l’alterazione strutturale/funzionale e l’espressione di immunoglobuline M, marcatore di infiammazione che hanno invece mostrato valori elevati in presenza del microbiota dopo iperossia. Di contro, il neutrofilo CXCL1 ha mostrato concentrazioni maggiori rispetto ai modelli convenzionali
• la somministrazione sistemica di antibiotici ha modificato la suscettibilità al danno polmonare da iperossia. Ceftriaxone ad esempio ha indotto non solo alterazioni nell’espressione di Gram negativi ma anche aumentato il danno polmonare misurato come proteine e IgM alveolari
• gli effetti dell’iperossia sull’anatomia dell’ospite alterano anche il microambiente di crescita batterica favorendo le condizioni per la proliferazione di S. aureus

Conclusioni

Per riassumere quindi:

• l’inalazione di ossigeno (ossigenoterapia) impatta sul microbiota polmonare e intestinale in vivo promuovendo la crescita di taxa aerobi come Staphylococcus spp.
• durante l’iperossia, la disbiosi batterica precede il danno alveolare e si correla con l’infiammazione risultante

Ulteriori studi sono tuttavia necessari per meglio determinare i meccanismi attraverso i quali l’iperossia aumenta selettivamente l’espressione di certi taxa e come questi siano correlati con il microbioma intestinale.

Una maggiore comprensione del ruolo dell’ossigeno nell’omeostasi batterica e salute polmonare è quindi fondamentale per l’ottimizzazione delle terapie correntemente in uso.