Un microbiota sano è spesso associato a una maggiore diversità microbica e a una maggiore abbondanza di batteri produttori di butirrato, come Faecalibacterium prausnitzii, la cui abbondanza varia con l’età e lo stile di vita ed è ridotta nelle popolazioni occidentali.

I microrganismi intestinali umani creano tra di loro complesse interazioni ecologiche che svolgono un ruolo significativo nel mantenimento dell’equilibrio intestinale. 

Una funzione chiave del microbiota intestinale è la fermentazione dei carboidrati in acidi grassi a catena corta (SCFA), come il butirrato, che offre vari benefici all’ospite. 

La fermentazione è un processo primario di generazione di energia per i microrganismi intestinali ed è fondamentale gestire sottoprodotti come il lattato e l’idrogeno per sostenere questi processi. 

A tal fine, gli scavenger dell’idrogeno, come i batteri solfato-riduttori, svolgono un ruolo vitale nello stabilire reti metaboliche all’interno dell’intestino.

Negli ultimi vent’anni gli studi metagenomici hanno individuato un ampio spettro di batteri che potrebbero fungere da potenziali candidati per lo sviluppo di probiotici di nuova generazione. Tuttavia, poiché il 70% delle specie batteriche identificate non sono coltivabili in vitro, negli studi sull’uomo è stato valutato un numero limitato di potenziali candidati.

Ostacoli significativi allo sviluppo di probiotici di nuova generazione contenenti batteri intestinali umani comprendono condizioni di crescita impegnative, come la necessità di nutrienti o ambienti specifici, e la suscettibilità all’ossigeno.

A questo proposito Fredrik Bäckhed e i suoi colleghi hanno recentemente pubblicato uno studio sulla rivista Nature, in cui hanno isolato un nuovo ceppo di F. prausnitzii co-coltivandolo con un nuovo ceppo di Desulfovibrio piger solfato-riduttore. 

Hanno così sviluppato un nuovo approccio per utilizzare F. prausnitzii come probiotico di nuova generazione e ne hanno valutato la sicurezza nell’uomo.

Isolamento e alimentazione incrociata di F. prausnitzii e D. piger in vitro

Raccogliendo materiale fecale da individui sani e coltivandolo in condizioni anaerobiche, gli autori dello studio sono stati in grado di isolare con successo un ceppo di F. prausnitzii cresciuto in co-coltura con un ceppo di D. piger. I due ceppi isolati non erano mai stati caratterizzati prima.

I ricercatori hanno studiato il potenziale probiotico di F. prausnitzii isolato rispetto a diversi ceppi di F. prausnitzii e hanno trovato proprietà antinfiammatorie simili, come la riduzione della secrezione di IL-8 indotta dal fattore proinfiammatorio interleuchina-1β (IL-1β), convalidando ulteriormente il potenziale probiotico di questo ceppo.

È stato inoltre ipotizzato che il co-isolamento di F. prausnitzii e D. piger e la loro potenziale connessione simbiotica derivi da esigenze metaboliche complementari. 

Per verificare questa ipotesi, gli studiosi hanno coltivato insieme i due ceppi in un terreno di coltura arricchito con glucosio per supportare F. prausnitzii e hanno osservato un notevole aumento nella crescita di questo batterio rispetto alle monocolture nello stesso terreno.

L’analisi dei metaboliti dopo 24 ore di crescita ha confermato le aspettative: nelle monocolture, D. piger consumava esclusivamente lattato e generava acetato, senza utilizzare glucosio; al contrario, le monocolture di F. prausnitzii hanno prodotto una quantità minima di lattato, ma quando co-coltivato con D. piger, la fermentazione del glucosio e la generazione di lattato e butirrato sono notevolmente aumentate.

Poiché l’acetato è necessario per la sintesi del butirrato, non si è accumulato nel mezzo di co-coltura, suggerendo che D. piger sia in grado di fungere da dissipatore di elettroni all’interno della co-coltura consumando lattato. 

Attraverso questo processo, D. piger genera acetato, che a sua volta viene utilizzato da F. prausnitzii per la sua crescita e per la produzione di butirrato.

Sviluppo della tolleranza all’ossigeno in F. prausnitzii mediante adattamento graduale

Lo sviluppo di probiotici di nuova generazione è complesso, in particolare a causa della sensibilità dei batteri intestinali umani all’ossigeno. Come dimostrato in studi precedenti, la longevità delle formulazioni contenenti F. prausnitzii può essere migliorata attraverso l’incorporazione di antiossidanti come la cisteina. 

Tuttavia, questo approccio ha un’utilità limitata per la produzione su larga scala, poiché la vitalità diminuisce entro 24 ore dall’esposizione all’aria.

Per migliorare la tolleranza di F. prausnitzii all’ossigeno è stata impiegata una tecnica di adattamento utilizzando un bioreattore. Il ceppo è stato esposto a successive fasi di sottocoltura, con concentrazioni decrescenti di cisteina e aumento del potenziale anodico in condizioni ossidate.

Durante questo processo sono emerse morfologie distinte delle colonie e sono stati selezionati e ulteriormente caratterizzati per la tolleranza all’ossigeno cinque morfotipi. Quello con il maggiore aumento di tolleranza all’ossigeno è stato successivamente scelto per valutare la sua crescita sinergica con D. piger.

In seguito alla selezione per la tolleranza all’ossigeno e alla co-coltura con D. piger, è stata generata per la somministrazione umana una quantità sufficiente di F. prausnitzii, che è stato liofilizzato con successo, rendendolo adatto allo sviluppo di capsule con una perdita minima di vitalità.

Poiché la tolleranza acquisita all’ossigeno non ha esercitato alcuna influenza sulle caratteristiche immunomodulatorie, sulla fisiologia cellulare, sul metabolismo e sulla potenziale interazione del ceppo con l’ospite all’interfaccia mucosale, F. prausnitzii è stato selezionato per la produzione di un prodotto sperimentale.

La sicurezza del prodotto è stata successivamente valutata somministrando una sospensione batterica contenente F. prausnitzii e D. piger a topi maschi e femmine e non è stata osservata alcuna risposta avversa. 

Per esaminare ulteriormente la tollerabilità dei batteri, a un gruppo di 50 individui sani di età compresa tra 20 e 40 anni è stata somministrata una dose bassa o alta di F. prausnitzii e D. piger per un periodo di otto settimane.

Il prodotto sperimentale è stato ben tollerato, indipendentemente dalla dose somministrata. Nessun partecipante allo studio si è ritirato a causa di eventi avversi e non si è verificato alcun aumento nella frequenza degli eventi avversi o dei sintomi gastrointestinali all’interno dei gruppi di trattamento. 

È importante inoltre sottolineare l’assenza di differenze clinicamente o statisticamente significative tra i gruppi in termini di cambiamenti di parametri quali funzionalità renale, conta delle cellule del sangue, enzimi epatici, marcatori di infiammazione, livelli di emoglobina, di emoglobina glicosilata o di glicemia a digiuno.

D. piger e F. prausnitzii in volontari sani per otto settimane

Per valutare il potenziale impatto della formulazione probiotica sul microbiota intestinale umano, è stato eseguito il sequenziamento dell’intero genoma e non sono state osservate differenze tra i gruppi di individui nella composizione complessiva del microbiota al basale o alla conclusione dello studio.

Entrambi i ceppi parentali F. prausnitzii e D. piger erano notevolmente prevalenti al basale; inoltre, le proporzioni di D. piger sono aumentate nel gruppo ad alto dosaggio e in particolare negli individui con abbondanza relativa inizialmente bassa. Tuttavia, questi livelli sono rimasti entro l’intervallo osservato nel gruppo placebo.

Le proporzioni di F. prausnitzii sono rimaste invariate e i livelli di acidi grassi a catena corta (SCFA) fecali non hanno mostrato alcun cambiamento, così come i livelli di idrogeno solforato fecale. 

Nel loro insieme, questi risultati suggeriscono che la formulazione probiotica sviluppata in questo studio non è sicura solo per l’ospite, ma anche per il microbiota intestinale, come evidenziato dall’assenza di eventi avversi e sintomi gastrointestinali e di alterazioni compositive e metaboliche. 

L’abbondanza complessiva di F. prausnitzii a livello di specie è variata dal 3,4% al 25,9%. Livelli simili sono stati riscontrati in individui sani della stessa età provenienti dagli Stati Uniti, così come in individui sani più anziani provenienti da Svezia e Regno Unito. Di conseguenza, è plausibile che un ulteriore aumento di F. prausnitzii sia stato limitato dalla saturazione della nicchia.

Tuttavia, l’aumento di D. piger potrebbe potenzialmente influenzare l’abbondanza di altri produttori di butirrato. 

È stata riscontrata una correlazione positiva significativa tra la variazione del potenziale di produzione di butirrato e la variazione dei livelli di D. piger alla fine del periodo di somministrazione rispetto al basale in tutti gli individui, nonché in quelli che hanno ricevuto una dose bassa o alta, ma non nel gruppo placebo.

Questi risultati suggeriscono che la formulazione probiotica potrebbe supportare il potenziale complessivo di produzione di butirrato all’interno delle comunità presenti nell’intestino umano. Queste osservazioni sottolineano il potenziale significato delle configurazioni del microbiota di base per le strategie terapeutiche basate sul microbiota.

Nei campioni fecali di alcuni partecipanti al basale o nel gruppo placebo sono stati trovati marcatori della variante di F. prausnitzii tollerante all’ossigeno. 

Ulteriori varianti e/o varie combinazioni sono state osservate al termine della somministrazione del prodotto in un sottogruppo di partecipanti che facevano parte dei gruppi a basso e ad alto dosaggio.

Gli autori hanno dunque ipotizzato che questa formulazione probiotica possa avere la capacità di potenziare la crescita di F. prausnitzii in gruppi di pazienti con minore abbondanza di questo batterio (per esempio, individui con diabete di tipo 2) e in quelli con infiammazione intestinale (come nei soggetti con malattia infiammatoria intestinale). 

Questa ipotesi è supportata dall’osservazione che la somministrazione di F. prausnitzii migliora la colite e ripristina parzialmente il microbiota nei topi.

Conclusioni

In conclusione, i ricercatori hanno sviluppato una strategia basata sull’interazione simbiotica tra F. prausnitzii e D. piger, che porta a una maggiore crescita di F. prausnitzii e alla produzione di butirrato in vitro. Ciò potrebbe avere un impatto sulla sua produzione intestinale nell’uomo.

Una quantità ridotta di F. prausnitzii è stata osservata nel microbiota di pazienti affetti da iperlipidemia, prediabete, diabete di tipo 2, steatosi epatica non alcolica e malattia infiammatoria intestinale. 

Pertanto la produzione di F. prausnitzii come probiotico di nuova generazione è di grande interesse. L’approccio sviluppato in questo studio, basato sullo sfruttamento delle interazioni sinergiche esistenti tra i microrganismi intestinali e sul miglioramento della tolleranza all’ossigeno, delinea la potenziale trasformazione di F. prausnitzii in un probiotico di nuova generazione adatto all’utilizzo nell’uomo.

Questa tecnologia può anche essere adattata ad altri batteri altamente sensibili all’ossigeno, consentendo la loro trasformazione in probiotici di nuova generazione da utilizzare in popolazioni di pazienti che presentano livelli ridotti di questi batteri.