Sono molti gli studi che sottolineano l’importanza di conoscere le interazioni tra i vari componenti del microbioma, soprattutto per delinearne la composizione in uno stato fisiologico da considerare come riferimento in situazioni di sospetta o diagnosticata patologia. Come farlo rimane però ancora una sfida. Sembrerebbe possibile applicando ai consueti metodi analitici la covarianza, un approccio statistico utilizzato principalmente in campo economico-finanziario.

Lo dimostra lo studio di Ariun S. Raman e colleghi della Washington University School of Medicine, di recente pubblicazione su Science. Tramite questo modello è stato infatti individuato un “ecogruppo” di 15 taxa batterici altamente correlati tra loro e fondamentali nello sviluppo di un corretto microbioma già nei primi anni di vita. La trasferibilità di tale risultato e le caratteristiche ad esso associate sono state verificate in più analisi considerando coorti di soggetti differenti per provenienza, età e condizione di salute, oltre che su opportuni modelli animali. Vediamo dunque i principali passaggi e i risultati di questo studio così articolato.

Identificazione dell’ecogruppo

Un totale di 2.455 campioni fecali di 54 bambini del Bangladesh sono stati raccolti durante i loro primi cinque anni di vita, analizzati e confrontati con campioni collezionati da un precedente studio condotto su soggetti adulti. Dalla loro analisi è emerso che:

• 118 (97% ID) sono gli OTUs identificati con abbondanza relativa superiore allo 0,1% e presenti in almeno due campioni
• dai tre anni in poi il profilo filogenetico del microbioma si avvicina sempre più a quello dell’età adulta
• l’alpha diversity ha mostrato un incremento graduale, mentre dal 20° mese di vita in poi la struttura del microbiota si è dimostrata pressoché stabile
• l’età del microbiota, intesa come grado di sviluppo, ha mostrato alta correlazione con quella dell’ospite sulla base dell’analisi Random-Forests
• un gruppo di 15 taxa covarianti rappresenta un core batterico stabile e condiviso tra i soggetti sani includendo OTUs assegnati a Bifidobacterium longum, Bifidobacterium spp., Faecalibacterium prausnitzii, Clostridiales, Prevotella copri, Streptococcus thermophilus e Lactobacillus ruminis
• considerando solo i campioni collezionati tra il 50° e il 60° mese di vita (n=478), è stata riscontrata covarianza positiva ad esempio tra B. longum (OTU 559527) e L. ruminis (OTU 1107027) o tra F. prausnitzii (OTU 514940) e F. prausnitzii (OTU 851865); covarianza negativa è stata riscontrata invece tra P. copri (OTUs 840914 e 588929) e F. prausnitzii (OTUs 514940 e 851865).

Sviluppo del microbioma: coorti a confronto

Al fine di verificare che l’ecogruppo identificato sia un tratto caratteristico di un microbioma sano e non relativo solo ai soggetti finora inclusi, sono stati considerati anche campioni fecali collezionati da altre coorti di individui sani, ma residenti in Perù e India. All’analisi sono stati aggiunti anche i 103 taxa identificati ma esclusi dal core batterico per determinare l’essenzialità di questo ultimo. Dai risultati ottenuti è emerso che:

• la variazione interpersonale nella struttura dell’ecogruppo è risultata elevata al primo mese di vita, per poi ridursi notevolmente dal 4° mese con predominanza diffusa di B. longum, e toccare la stabilità al 20° mese, come già dimostrato
• individui di Perù e India condividono lo stesso core batterico identificato nella coorte del Bangladesh, supportando il suo ruolo di biomarcatore del regolare sviluppo del microbioma intestinale. Anche le caratteristiche e le variazioni temporali hanno mostrato analogo profilo.

Ecogruppo e malnutrizione

Soprattutto in Paesi in via di sviluppo come il Bangladesh, la malnutrizione infantile è un problema diffuso. I ricercatori hanno dunque cercato di capire se, concentrandosi in particolare sui taxa dell’ecogruppo identificato, fosse possibile caratterizzare anche un microbiota in situazioni di carenza nutrizionale moderata o grave prima e dopo la terapia.

Per farlo sono stati analizzati campioni fecali di 63 bambini con malnutrizione moderata e di altri 54 con malnutrizione grave inclusi in due precedenti studi, dimostrando che:

• dopo la terapia di supplemento nutrizionale, il microbiota dei bambini con malnutrizione grave ha mantenuto un profilo alterato rispetto alle condizioni fisiologiche dei coetanei sani e più somigliante a quello di individui con malnutrizione moderata non trattata. Un lieve miglioramento è stato tuttavia registrato a un mese dalle dimissioni, per accrescersi a 6 e 12 mesi
• di contro, il microbioma del gruppo con malnutrizione moderata ha mostrato caratteristiche simil-fisiologiche subito dopo la terapia grazie soprattutto al decremento di B. longum, S. gallolyticus ed E. coli
• tra tutti, B. longum e P. copri sono stati individuati dall’analisi SPIEC-EASI come ceppi chiave di un microbiota sano, senza tuttavia fornire indicazioni longitudinali.

Validazione in vivo

Lo studio si è poi spostato in vivo per una migliore valutazione delle interazioni in particolare tra B. longum e P. copri e gli altri taxa del core batterico durante lo svezzamento.

Suini gnotobici (n=5) sono stati dunque inoculati inizialmente con sette ceppi di B. longum appartenenti all’ecogruppo identificato e condiviso tra più coorti (Bangladesh, Perù, India, USA) e, a 7 giorni, con un secondo mix batterico composto da altri 16 taxa, sempre compresi nell’ecogruppo. Due ceppi di B. breve sono stati aggiunti come riferimento. Per lo schema dietetico dei modelli animali sono state inoltre mimate le abitudini alimentari e le tempistiche seguite in Bangladesh per questa fase di vita, aggiustando il rapporto tra cibo liquido (latte di soia) e solido. Dall’analisi dei campioni fecali e del contenuto intestinale prelevato in seguito al sacrificio si è visto che:

• dopo la seconda inoculazione, l’espressione di B. longum è diminuita notevolmente
• durante lo svezzamento (giorni 8-22), S. gallolyticus, E. coli, E. avium, L. salivarius e P. copri hanno mostrato un diverso trend di espressione temporale
• a svezzamento completato (22-29 giorni), P. copri ha dimostrato di essere il ceppo dominante a livello intestinale e fecale
• la relazione tra P. copri e B. longum si è mostrata paragonabile a quella precedentemente osservata nei bambini sani del Bangladesh
• è stata riscontrata una progressiva e specifica maturazione funzionale dei taxa inoculati tramite la complessiva individuazione di 14 pathway coinvolti nel metabolismo dei carboidrati e di altri per la sintesi di cisteina, folati e acido pantotenico dai campioni raccolti tra l’ottavo e il 18° giorno
• in particolare, i dati di trascrittomica riferiti a P. copri lo differenziano funzionalmente da B. longum per la ridotta o assente espressione di pathway per la biosintesi di amminoacidi quali cisteina, tirosina, triptofano e asparagina o del nucleoside queuosina, l’utilizzo di certi carboidrati (xylosio e beta-xilosidi più galatturonidasi/glucuronato/glucuronide) e per il sequestro di cobalto per la produzione di cobalamina. Profilo simile per E. coli e B. luti
• di contro, tutti i ceppi Bifidobacterium hanno mostrato una buona attività nella biosintesi di tirosina, asparagina e triptofano, scarsa invece nel metabolismo di cisteina, utilizzazione di galattosio/xylosio e glucuronidi o nella via di produzione di queuosina e cobalamina.

L’approccio di covarianza qui applicato ha quindi permesso di individuare e descrivere un core batterico (ecogruppo) condiviso e caratteristico di un microbioma sano utile nel determinare condizioni di alterazione ad esempio in stati di malnutrizione. Inoltre, fornendo dati di variazione batterica temporale e dieta-dipendenti, questo approccio si è dimostrato adatto a studi longitudinali.