Quintilioni di microbi in una persona definiscono la nostra essenza

2024 Autore: Seth Attwood | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-16 16:08

Più gli scienziati studiano i microbi che vivono nel corpo umano, più apprendono la potente influenza di queste briciole sul nostro aspetto, comportamento, persino sul modo di pensare e sentire.

Virus, batteri, funghi unicellulari e altri organismi che vivono nei polmoni e nell'intestino, nella pelle e nei bulbi oculari dipendono davvero dalla nostra salute e dal nostro benessere? Non è troppo strano credere che le creature microscopiche che portiamo in noi e su di noi, in molti modi determinino la nostra stessa essenza?

L'influenza del microbioma - questo è il nome di questo mini-zoo - può essere fondamentale già nelle prime fasi dello sviluppo.

Uno degli studi, i cui risultati sono stati pubblicati l'anno scorso, mostra che anche una qualità apparentemente innata come il temperamento di un bambino può dipendere dal fatto che la maggior parte dei batteri nel suo intestino appartengano allo stesso genere: più bifidobatteri, più allegro è il bambino..

Le conclusioni raggiunte da Anna-Katariina Aatsinki e dai suoi colleghi dell'Università di Turku in Finlandia si basano sull'analisi dei campioni di feci di 301 bambini. Quei bambini che avevano più bifidobatteri a due mesi avevano maggiori probabilità di mostrare "emozioni positive", come hanno determinato i ricercatori, a sei mesi.

Lo studio del microbioma è iniziato relativamente di recente, in effetti solo 15 anni fa. Ciò significa che la maggior parte della ricerca condotta fino ad oggi è stata preliminare e di portata modesta, coinvolgendo solo dozzine di topi o umani. Gli scienziati hanno trovato una relazione definita tra lo stato del microbioma e varie malattie, ma non sono ancora stati in grado di identificare chiare relazioni di causa ed effetto tra gli abitanti specifici di un "mondo interiore" densamente popolato di una persona e la sua salute.

Anche il numero di questi abitanti è sorprendente: oggi si ritiene che circa 38 quintilioni (1012) di microbi vivano nel corpo di un giovane normale - questo è anche più delle loro stesse cellule umane. Se impariamo a capire come disporre di questa - nostra - ricchezza si apriranno davanti a noi affascinanti prospettive.

Secondo gli ottimisti, nel prossimo futuro diventerà comune iniettare a una persona complessi di microbi sani sotto forma di prebiotici (composti che fungono da substrato su cui possono moltiplicarsi i batteri benefici), probiotici (questi batteri stessi) o per via fecale trapianto (trapianto di un ricco microbioma intestinale da donatori) - in modo che possa sentirsi sano.

Quando le persone parlano di microbioma, intendono principalmente gli abitanti del tratto gastrointestinale, che costituiscono il 90% dei nostri microrganismi. Tuttavia, altri organi brulicano di vita: i microbi riempiono qualsiasi parte del corpo che è in contatto con il mondo esterno: occhi, orecchie, naso, bocca, ano, sistema genito-urinario. Inoltre, i germi sono presenti su qualsiasi pezzo di pelle, specialmente sotto le ascelle, il perineo, tra le dita dei piedi e nell'ombelico.

Ed ecco cosa è davvero sorprendente: ognuno di noi ha un insieme unico di microbi che nessun altro ha. Oggi, secondo Rob Knight del Center for Microbiome Innovation dell'Università della California (San Diego), si può già sostenere che la probabilità che due persone con lo stesso insieme di specie nei microbiomi si stia avvicinando allo zero. L'unicità del microbioma potrebbe essere sfruttata in medicina legale, ha detto Knight. "Chiunque abbia toccato un oggetto viene tracciato dall'"impronta digitale" del microbioma che viene lasciata sulla pelle di una persona", spiega. Bene, un giorno gli investigatori, alla ricerca di prove, inizieranno a raccogliere campioni di microbi che vivono sulla pelle, proprio come fanno oggi per le impronte digitali.

In questo articolo condivideremo alcune delle scoperte significative fatte dagli scienziati che hanno studiato il microbioma e come ci influenza dall'infanzia alla vecchiaia.

Infanzia

Il feto nell'utero è praticamente sterile. Spremendo attraverso il canale del parto, incontra una miriade di batteri. Durante il parto normale, il bambino viene "lavato" dai microbi che vivono nella vagina; inoltre, i batteri intestinali della madre si accumulano su di esso. Questi microbi iniziano immediatamente ad abitare nel proprio intestino, entrando in una sorta di comunicazione con il sistema immunitario in via di sviluppo. Quindi, già nelle prime fasi della sua esistenza, il microbioma prepara il sistema immunitario a funzionare correttamente in futuro.

Se il bambino nasce attraverso un taglio cesareo, non c'è contatto con i batteri della madre e altri microrganismi colonizzano il suo intestino - dalla pelle della madre e dal latte materno, dalle mani di un'infermiera, persino dalla biancheria ospedaliera. Un microbioma così estraneo può complicare l'intera vita futura di una persona.

Nel 2018, Paul Wilms del Center for Systems Medicine dell'Università del Lussemburgo ha pubblicato i risultati di uno studio su 13 bambini nati naturalmente e 18 bambini nati chirurgicamente. Wilms e colleghi hanno analizzato le feci dei neonati e delle loro madri, nonché i tamponi vaginali delle donne in travaglio. I "cesarei" avevano un numero significativamente inferiore di batteri che producono lipopolisaccaridi e quindi stimolano lo sviluppo del sistema immunitario. Ci sono pochi di questi microbi rimasti per almeno cinque giorni dopo la nascita - questo, secondo Wilms, è sufficiente per portare a conseguenze a lungo termine per l'immunità.

Dopo qualche tempo, di solito entro il primo compleanno, i microbiomi dei bambini di entrambi i gruppi acquisiscono somiglianze. Tuttavia, secondo Wilms, la differenza osservata nei primi giorni di vita significa che nel corpo dei bambini nati con taglio cesareo, l'immunizzazione primaria potrebbe non passare, durante la quale le cellule immunitarie imparano a rispondere correttamente alle influenze esterne. Questo probabilmente spiega perché questi bambini hanno maggiori probabilità di sviluppare una serie di problemi legati al funzionamento del sistema immunitario, tra cui allergie, infiammazioni e obesità. Secondo Wilms, in futuro, forse, ai "cesarei" verranno somministrati probiotici, creati sulla base di ceppi di batteri della madre, per popolare il loro apparato digerente con microbi benefici.

Infanzia

Le allergie alimentari sono diventate così comuni che alcune scuole hanno imposto restrizioni sul cibo che i bambini possono portare da casa (ad esempio, non sono autorizzati a portare barrette di arachidi o panini con marmellata) in modo che alcuni compagni di classe non sviluppino reazioni allergiche. Negli Stati Uniti, 5,6 milioni di bambini soffrono di allergie alimentari, cioè ci sono almeno due o tre di questi bambini in ogni classe.

Vengono citate una serie di ragioni che potrebbero portare alla diffusione di allergie, tra cui un aumento del numero di bambini nati con taglio cesareo e l'uso eccessivo di antibiotici che possono distruggere i batteri che ci proteggono. Katherine Nagler e i suoi colleghi dell'Università di Chicago hanno deciso di testare se la diffusione delle allergie alimentari tra i bambini è correlata alla composizione del loro microbioma. L'anno scorso hanno pubblicato i risultati di uno studio che ha coinvolto otto bambini di sei mesi, metà dei quali allergici al latte di mucca. Si è scoperto che i microbiomi dei rappresentanti dei due gruppi sono piuttosto diversi: nell'intestino dei bambini sani c'erano batteri tipici per lo sviluppo corretto dei bambini della loro età e batteri che sono più caratteristici degli adulti sono stati trovati in coloro che soffrono di mucca allergie al latte

Nei bambini allergici, ha detto Nagler, la transizione solitamente lenta dal microbioma infantile all'adulto "si è verificata a un ritmo anomalo".

Nagler e i suoi colleghi hanno trapiantato (tramite trapianti fecali) i batteri intestinali dei “loro” bambini in topi, nati con taglio cesareo e cresciuti in condizioni sterili, cioè completamente privi di microbi. Si è scoperto che solo i topi trapiantati da bambini sani non hanno mostrato una reazione allergica al latte di mucca. Altri, come i loro donatori, sono diventati allergici.

Ulteriori studi hanno dimostrato che il ruolo principale nella protezione del primo gruppo di topi, a quanto pare, era svolto da batteri di una specie, presenti solo nei bambini: Anaerostipes caccae del gruppo Clostridia. I clostridi prevengono anche le allergie alle arachidi, hanno scoperto Nagler e i suoi colleghi in uno studio.

Nagler, presidente e co-fondatore della startup farmaceutica ClostraBio con sede a Chicago, spera di testare il potenziale terapeutico di Anaerostipes caccae nei topi di laboratorio e poi nelle persone allergiche. Il primo compito era trovare un posto nell'intestino dove potesse essere atterrato un gruppo di batteri benefici. Anche in un microbioma malsano, dice Nagler, tutte le nicchie sono già occupate; quindi affinché Clostridia possa radicarsi in un nuovo luogo, è necessario scacciare i precedenti abitanti. Pertanto, ClostraBio ha creato un farmaco che libera una certa nicchia nel microbioma. Nagler e i suoi colleghi lo "prescrivono" ai topi, quindi iniettano loro diversi tipi di Clostridia, nonché fibre alimentari che promuovono la riproduzione dei microbi. Nagler spera di iniziare le sperimentazioni cliniche umane di Clostridia entro i prossimi due anni e, infine, di creare un farmaco per i bambini con allergie alimentari.

I microbi intestinali possono anche essere associati ad altre malattie nei bambini, incluso il diabete di tipo I. In Australia, gli scienziati hanno analizzato campioni di feci di 93 bambini i cui parenti soffrivano di diabete e hanno scoperto che quelli di loro che successivamente hanno sviluppato la malattia avevano livelli aumentati di enterovirus A. Tuttavia, uno degli sperimentatori, W. Ian Lipkin di Meilmanovskaya School of Public Health della Columbia University, mette in guardia i colleghi dal trarre conclusioni affrettate secondo cui le cause di alcune malattie sono dovute esclusivamente alle differenze nel microbioma. "Tutto quello che sappiamo per certo", dice, "è che alcuni microbi sono in qualche modo collegati a determinate malattie".

Tuttavia, Lipkin è entusiasta del futuro della scienza del microbioma. Secondo le sue previsioni, nei prossimi cinquant'anni gli scienziati riveleranno il meccanismo dell'effetto del microbioma sul corpo e inizieranno studi clinici sull'uomo per dimostrare come si può migliorare la salute "modificando" il microbioma.

Gioventù

Molti adolescenti hanno una predisposizione all'acne e sembra esserci un fenomeno chiamato "microbioma sebaceo". La pelle dei ragazzi è particolarmente accogliente per due ceppi di batteri Cutibacterium acnes associati all'acne. La maggior parte dei ceppi di questo batterio sono sicuri o addirittura benefici perché inibiscono la crescita di microbi patogeni; infatti, questo batterio è un componente importante del normale microbioma del viso e del collo.

Tuttavia, un ceppo cattivo può fare molti danni: la sua presenza, secondo Amanda Nelson, dermatologa del College of Medicine dell'Università della Pennsylvania, è uno dei prerequisiti per lo sviluppo dell'infiammazione. Tra le altre ragioni per lo sviluppo della malattia, gli scienziati chiamano sebo (prodotto dalle ghiandole sebacee per idratare la pelle), che funge da terreno fertile per C. acnes, follicoli piliferi e tendenza all'infiammazione. Funziona tutto insieme e, secondo Nelson, non sappiamo ancora quale sia più importante.

I ricercatori della School of Medicine dell'Università di Washington hanno esaminato il microbioma delle ghiandole sebacee e hanno scoperto che l'unico trattamento per l'acne di lunga durata, l'isotretinoina (conosciuta con vari nomi commerciali), agisce in parte alterando il microbioma cutaneo, aumentando la diversità complessiva di microbi, tra i quali è più difficile per i ceppi dannosi attecchire.

Ora che gli scienziati hanno appreso che l'isotretinoina agisce alterando la composizione del microbioma, possono provare a creare altri farmaci con lo stesso effetto, ma si spera che siano più sicuri - dopotutto, l'isotretinoina può portare a difetti alla nascita nei bambini se le madri hanno assunto il farmaco durante durante la gravidanza.

Scadenza

E se potessi fare di più con i tuoi allenamenti semplicemente prendendo in prestito i microbi intestinali di un atleta? Questa domanda è stata posta da scienziati dell'Università di Harvard. Per due settimane, hanno raccolto campioni di feci giornalieri da 15 corridori che hanno preso parte alla maratona di Boston 2015 - iniziando una settimana prima della gara e finendo una settimana dopo - e li hanno confrontati con campioni di feci raccolti da dieci persone nel gruppo di controllo anche su due settimane non in esecuzione. I ricercatori hanno scoperto che pochi giorni dopo la maratona, i campioni prelevati dai corridori contenevano significativamente più batteri di Veillonella atypica rispetto a quelli del gruppo di controllo.

"Questa scoperta spiega molto, perché Veilonella ha un metabolismo unico: la sua fonte di energia preferita è il lattato, il sale dell'acido lattico", afferma Aleksandar Kostić del Joslin Diabetes Research Center e della Harvard Medical School. “E abbiamo pensato: forse la Veilonella decompone il lattato muscolare nel corpo dell'atleta?” E, se è davvero così, è possibile, introducendo i suoi ceppi a persone lontane dagli sport professionistici, aumentare la loro resistenza?

Quindi gli scienziati hanno affrontato i topi di laboratorio: Veilonella, isolata dalle feci di uno dei corridori, è stata iniettata in 16 topi con un normale microbioma testato per i patogeni. I soggetti sono stati quindi posti su un tapis roulant e costretti a correre fino allo sfinimento. Lo stesso è stato fatto con 16 topi di controllo; solo loro sono stati iniettati con batteri che non consumano lattato. Come si è scoperto, i topi "infettati" da Veilonella hanno funzionato molto più a lungo degli animali di controllo, il che significa che, secondo i ricercatori, il microbioma può svolgere un ruolo fondamentale nel mantenimento delle prestazioni.

Secondo Kostich, questo esperimento è "un meraviglioso esempio di ciò che ci offre la simbiosi". Veilonella prospera quando una persona, suo portatore, a seguito dell'attività fisica produce lattato, di cui si nutre, e, a sua volta, avvantaggia la persona convertendo il lattato in propionato, che influisce sulle prestazioni dell'ospite, perché, tra l'altro, aumenta le contrazioni di frequenza del cuore e migliora il metabolismo dell'ossigeno e, eventualmente, previene lo sviluppo di infiammazioni nei muscoli.

"Questo tipo di relazione sembra essere alla base della maggior parte delle interazioni tra l'uomo e il microbioma", spiega Kostich. "In definitiva, la relazione tra loro è così reciprocamente vantaggiosa".

Il microbioma può anche essere responsabile delle caratteristiche meno piacevoli della natura umana, comprese le condizioni mentali come l'ansia e la depressione. Nel 2016, gli scienziati della National University of Ireland di Cork hanno pubblicato i risultati di uno studio sull'influenza del microbioma sullo sviluppo della depressione. I ricercatori hanno diviso 28 ratti da laboratorio in due gruppi. Il gruppo sperimentale ha ricevuto trapianti di microflora intestinale da tre uomini affetti da grave depressione e il gruppo di controllo da tre uomini sani.

Si è scoperto che il microbioma intestinale delle persone che soffrono di depressione è precipitato nella depressione e nei topi. Rispetto agli animali di controllo, hanno mostrato una perdita di interesse per le attività che portano piacere (nei ratti ciò è determinato dalla frequenza con cui vogliono bere acqua dolce) e un aumento dell'ansia, espresso nel desiderio di evitare aree aperte o sconosciute del laboratorio labirinto.

Data la grande differenza tra ratti e umani, i ricercatori notano che il loro studio fornisce nuove prove che il microbioma intestinale può svolgere un ruolo nella depressione. Prima o poi, dicono, potrebbe venire il giorno in cui la depressione e altri disturbi simili verranno combattuti, anche prendendo di mira alcuni batteri nel corpo umano.

Vecchiaia

Il microbioma è allo stesso tempo resiliente e fluido. La sua struttura unica è in gran parte formata dall'età di quattro anni e solo fattori molto significativi possono davvero influenzarla - ad esempio, un cambiamento nella dieta, l'intensità dell'attività fisica o il tempo trascorso all'aperto, il trasferimento in un nuovo luogo di residenza, l'uso di antibiotici e alcuni altri medicinali. Tuttavia, in un certo senso, il microbioma è in costante flusso, cambiando sottilmente ad ogni pasto. Negli adulti, questi cambiamenti sono così prevedibili che la tua età può essere determinata approssimativamente semplicemente familiarizzando con l'insieme di batteri che vivono nell'intestino.

Questa tecnica, nota come "determinazione dell'età mediante l'orologio microbioma dell'invecchiamento", richiede l'aiuto dell'intelligenza artificiale, come in un esperimento recentemente condotto dalla startup Insilico Medicine con sede a Hong Kong. Gli scienziati hanno raccolto informazioni sui microbiomi di 1165 persone provenienti da Europa, Asia e Nord America. Un terzo di loro aveva 20-30 anni, un altro terzo - 40-50 e l'ultimo - 60-90 anni.

Gli scienziati, contrassegnando l'età dei loro portatori, hanno sottoposto i dati sul 90 percento dei microbiomi a "interpretazione al computer", quindi hanno applicato i modelli identificati dall'intelligenza artificiale ai microbiomi del restante dieci percento delle persone la cui età non è stata contrassegnata. È stato possibile stabilire la loro età con un errore di soli quattro anni.

Cosa significa "modificare" il proprio microbioma e vivere in pace? Purtroppo, anche i più grandi appassionati di scienza del microbioma affermano che finora è difficile trarre conclusioni accurate sulla relazione tra il microbioma e la salute umana e insistono sul fatto che occorre prestare molta attenzione nella transizione al trattamento con innesti batterici.

Molti sono ora entusiasti del potenziale utilizzo del microbiota come medicinale, afferma Paul Wilms dell'Università del Lussemburgo, osservando che le aziende farmaceutiche stanno sviluppando nuovi probiotici per bilanciare il microbioma.

"Prima di poterlo fare davvero in modo corretto e intelligente", afferma Wilms, "dobbiamo capire in dettaglio che cos'è un microbioma sano e come influisce esattamente sul corpo umano. Penso che siamo ancora molto lontani da questo".

I microbi dentro di noi

• colon - 38 quintilioni
• targa - 1 quintilion
• pelle - 180 miliardi
• saliva - 100 miliardi
• intestino tenue - 40 miliardi
• stomaco - 9 milioni

Guarda il microbioma

Tutte le immagini di questo articolo sono state scattate da Martin Eggerly utilizzando un microscopio elettronico a scansione: i campioni sono stati essiccati, atomi d'oro sono stati spruzzati su di essi e posti in una camera a vuoto. La lunghezza d'onda del raggio di elettroni del microscopio è più corta della luce visibile, quindi il raggio "evidenzia" gli oggetti più piccoli, ma al di fuori dello spettro dei colori. Microbi eccessivamente tinti, il cui colore è noto, in questi colori, in altri casi ha scelto una gamma diversa in modo da poter distinguere i microbi e le loro caratteristiche.