Il microbiota intestinale umano: funzioni metaboliche, trofiche e protettive

Università San Raffaele Roma

Paola Checconi

Il microbiota intestinale umano

Microbiota intestinale: tutti i microbi presenti nel tratto gastrointestinale;

Microbioma: patrimonio genetico del microbiota

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I microbi nel microbiota intestinale

Comprendono

Origin of mitochondria

BACTERIA

Mitochondria

specie di ciascuno dei principali domini

EUKARYA

Fungi Animals Cellular slime molds Oomycotes Plants Amoebas

ARCHAEA

Gram-negative bacteria

Chloroplasts

Methanogens

Chromista

Euglenozoa

Gram-positive bacteria

Hyperthermophiles

Plasmodial slime molds

Microspora

Thermotoga

Archaezoa

Mitochondrion degenerates

Nucleoplasm grows larger

All organisms evolved from cells that formed over 3 billion years ago. The DNA passed on from ancestors is described as conserved. The Domain Eukarya includes the kingdoms Fungi, Plantae, and Animalia. It also includes the protists, discussed on page 281.

3.5 billion years ago.

Living organism from which all currently living organisms descended.

Key Concept Based on similarities in ribosomal RNA, living organisms are classified into three domains: Bacteria, Archaea, and Eukarya.

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Batteri Archea Fungh

Virus

Origin of chloroplasts

Cyanobacteria

Extreme halophiles

Ciliates

Massa della microflora associata ai vari siti corporei

Tabella I. I.

Organ	Associated microflora (grams wet weight)
Eyes	1
Nose	10
Mouth	20
Upper respiratory tract	20
Vagina	20
Skin	200
Intestines	1000

Numero di batteri che colonizzano il nostro intestino: 1014

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Batteri e processi fisiologici

Principali batteri presenti

Organo	Principali processi fisiologici	Prevotella Streptococcus Veillonella
Esofago	Esofago	Stomaco
Stomaco	Secrezione di acido (HCI) Digestione di macromolecole pH 2	Duodeno
Duodeno	Enterococchi Lattobacilli - Digiuno	Intestino tenue
Intestino tenue	Digestione continua Assorbimento di monosaccaridi, aminoacidi, acidi grassi, acqua pH 4-5	Bacteroides Bifidobacterium Clostridium Enterobatteri Enterococcus Escherichia Eubacterium Klebsiella Lactobacillus Methanobrevibacter (Archaea) Peptococcus Peptostreptococcus Proteus Ruminococcus Staphylococcus Streptococcus
Ileo	Colon	Intestino crasso
Intestino crasso	Assorbimento di acidi biliari, vitamina B12 pH 7	Ano

Helicobacter Proteobacteria Bacteroidetes Actinobacteria Fusobacteria

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Sviluppo del microbiota intestinale

Fasi della vita

PREGNANCY CHILDHOOD ADULTHOOD

Birth Solid food

IL-41

0~1month 1~6 months 6~24 months

Proteobacteria1 lgGt TLR Į Allergies

Bacteroides Staphylococcus, Corynebacterium, Propionibacterium spp.

Enterobacteria Bifidobacteria

Bacteroides Bacteroidetes Firmicutes

Bacteroidetes Firmicutes

Lactobacillus, Prevotella, Sneathia spp.

Obesity

TNF-at ?

Carbohydrate + utilization

Bacteroidetes Firmicutes t

IL-1B1

Bacteroidetes t Firmicutes |

B. fragilis

Diversity t

Clemente Jose et al., Cell 2012

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Vaginal delivery

Crohn's disease

C-section

Antibiotics

Sterile GI tract in utero

Analisi del primo meconio

Presenza di microrganismi

In UTERO L'analisi del primo meconio rivela la presenza di microrganismi Ardissone A. Plos One 2014

PARTO NATURALE

PARTO CESAREO

Lactobacillus Prevotella Bifidobacterium spp

Staphylococcus Corynebacterium Propionibacterium spp

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Fattori che influenzano il microbiota

Bifidobacterium e Bacteroides

Bifidobacterium Bacteroides

Svezzamento/Dieta Farmaci Ambiente Stile di vita

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Cambiamenti nella flora intestinale con l'età

Microbial counts in 1g of feces

CHANGES IN THE INTESTINAL FLORA WITH AGE

Bacteroids, Eubacterium, Anaerobic Streptococcus

1012

1010

Bifidobacterium

108

Escherichia, Enterococcus

10°

Lactobacillus

104

Clostridium

Day of birth Weaning Adulthood Senescence

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Composizione del microbiota

Classificazione tassonomica

PHYLUM	examples	CLASS	examples	ORDER	examples	FAMILY	examples	GENUS	examples	SPECIES	examples
Actinomycetales	Corynebacteriaceae	Corynebacterium	Actinobacteria	Bifidobacterium	longum	Bifidobacteriales	Bifidobacteriaceae	Bifidobacterium	Actinobacteria	Coriobacteriia	Coriobacteriales
Coriobacteriaceae	Atopobium	Faecalibacterium	Faecalibacterium	prausnitzii	Clostridiaceae	Clostridia	Clostridiales	Clostridium	Clostridium	spp	Lachnospiraceae
Roseburia	Roseburia	intestinalis	Epsilon proteobacteria	Campylobacterales	Helicobacteraceae	Helicobacter	Helicobacter	pylori	Fusobacteria	Fusobacteriia	Fusobacteriales
Fusobacteriaceae	Fusobacterium	Fusobacterium	nucleatum	Verrucomicrobia	Verrucomicrobiae	Verrucomicrobiales	Akkermansiaceae	Akkermansia	Akkermansia	muciniphila	Firmicutes
> 90%	Sphingobacteriia	Sphingobacteriales	Sphingobacteriaceae	Sphingobacterium	Bacteroides	fragilis	Bacteroidaceae	Bacteroides	Bacteroides	vulgatus	Bacteroidetes
Tannerella	Bacteroides	uniformis	Tannerellaceae	Parabacteroides	Parabacteroides	distasonis	Bacteroidia	Bacteroidales	Rikenellaceae	Alistipes	Alistipes
finegoldii	Prevotellaceae	Prevotella	Prevotella	spp.	Composizione del microbiota	Escherichia	Escherichia coli	Gamma proteobacteria	Enterobacterales	Enterobacteriaceae	Shigella
Shigella flexneri	Desulfovibrio	Desulfovibrio	intestinalis	Proteobacteria	Delta proteobacteria	Desulfovibrionales	Desulfovibrinaceae	Bilophila	Bilophila	wadsworthia	Ruminococcaceae
Ruminococcus	Ruminococcus	faecis	Firmicutes	Negativicutes	Veillonellales	Veillonellaceae	Dialister	Dialister	invisus	Lactobacillus	Lactobacillus
Lactobacillus	reuteri	Lactobacillus	Enterococcaceae	Enterococcus	Enterococcus	faecium	Bacilli	Bacillales	Staphylococcaceae	Staphylococcus	Staphylococcus
leei	Bacteroidetes	Proteobacteria	Fusobacteria	Actinobacteria	Verrucomicrobia	Rinninella E. et al. Microorganisms 2019	Il microbiota intestinale 10 di 20	Bifidobacterium	bifidum

Phyla maggiormente presenti nella flora batterica

Caratteristiche principali

• Firmicutes Batteri gram positivi (>200 generi) Es. Clostridium spp, Lactobacillus, Enterococcus, Staphylococcus spp.
• Bacteroidetes Gruppo eterogeno di batteri gram-negativi aerobi ed anaerobi Es. Bacteroides, Prevotella spp.

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Lattobacilli e Bifidobatteri

Caratteristiche

Lattobacilli Gram positivi, Anaerobi facoltativi

Bifidobatteri (Actinobacteria) Gram positivi, Anaerobi obbligati

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Virobiota

Distribuzione nei siti corporei

Respiratory tract: bacteriophages, retroviruses and Epstein-Barr virus35,36

Oral/nasopharyngeal: bacteriophages, herpes viruses, Coronaviruses, respiratory syncytial virus, adenoviruses, influenza A virus, picornaviruses and uncharacterized eukaryotic viruses 10,24-27

Skin: bacteriophages, polyomaviruses, and ß and y-papillomaviruses7,23

Gastrointestinal tract: bacteriophages, adenoviruses, parvoviruses, caliciviruses, astroviruses, picornaviruses, papillomaviruses, plant viruses and uncharacterized eukaryotic viruses5,6,8,15,28-30

Duerkop B and Hooper L.V. Nat Immunol. 2013

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Distribuzione del microbiota

Longitudinale e latitudinale

B

A

Proximal GI tract

Increasing numbers Increasing diversity

Stomach

Lactobacillus 101 Veillonella Helicobacter

Epithelium Epithelial surface Mucus layer Intestinal lumen Feces

Duodenum 103 Clostridium Lactobacillus Enterococcus Bacteroides Bifidobacterium Streptococcus Enterobacteriacea Enterococcus Clostridium Lactobacillus Ruminococcus

Jejunum 104 Bacilli Streptococcaceae Actinobacteria Actinomycinaeae Corynebacteriaceae

Ileum 107

Colon 1012 -Lachnospiraceae Bacteroidetes cells/gram

Distal GI tract

A Distribuzione «longitudinale» B Distribuzione «latitudinale»

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Fattori che determinano la distribuzione del microbiota

Bisogno dei nutrienti

Stomach

Pylorus

Jejunum

Bile duct

0

Clostridiales

Duodenum

0

Bacteroidales

XXX

O

Nutrients Undigestible nutrients

00

Ileocecal valve

Colon

Large intestine

Cecum

Rectum

Anus

Altro fattore che determina la distribuzione del microbiota è il bisogno dei nutrienti

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Ileum Small intestine

.

Proteobacteria Lactobacillies, Erysipelotrichales

Biochimica dell'intestino

Principali pathways metabolici

• Le fonti di carbonio e di azoto disponibili, che la microflora si è adattata ad utilizzare, sono costituite dai carboidrati e dalle proteine che sfuggono all'idrolisi da parte degli enzimi digestivi dell'ospite
• I principali gruppi microbici intestinali ricavano C, N ed energia, dal metabolismo di: -carboidrati (metabolismo saccarolitico) o -proteine (metabolismo proteolitico)

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Principali pathways metabolici nel colon

Carboidrati e prodotti di fermentazione

• A causa dell'assorbimento nel tenue, il colon è un ambiente povero di zuccheri semplici quali mono- e disaccaridi. Sono invece presenti quegli oligo- e polisaccaridi che resistono all'idrolisi da parte delle idrolasi dell'ospite e sono:
  • l'amido (5-20% dell'amido ingerito raggiunge il colon inalterato ed è fermentato in questa sede)
  • galatto-oligossaridi (GOS) e frutto-oligosaccaridi (FOS), es. inulina
  • oligosaccaridi delle leguminose (raffinosio e stachiosio),
  • polidestrosio, pectine, gomme, mucillagini e alcune emicellulose
• Questi carboidrati non-digeribili vengono depolimerizzati e metabolizzati dalla flora batterica attraverso una grande varietà di reazioni e di pathways metabolici
• I principali prodotti della fermentazione dei carboidrati sono gli acidi grassi a catena corta (SCFA, Short Chain Fatty Acids) : - acetato - butirrato - propionato

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Metabolismo proteolitico putrefattivo

Prodotti di fermentazione batterica

• Lungo il transito nell'intestino crasso la concentrazione dei carboidrati fermentabili si riduce gradualmente fino all'esaurimento facendo sì che il metabolismo saccarolitico ceda il passo a quello proteolitico putrefattivo, come evidenziato dal progressivo aumento del pH.
• Metabolismo proteolitico Le proteasi prodotte dai gruppi microbici proteolitici (es. Clostridium, Bacteroides spp ) idrolizzano le proteine ad aminoacidi e peptidi semplici, che rappresentano un'importante fonte di azoto per l'intero microbiota. Ha luogo principalmente a Bacterial fermentation products livello del colon discendente. Porta alla formazione Carbohydrate Protein 1 di FA (SCFA, BCFA), ma anche di metaboliti potenzialmente tossici (Ammoniaca, Amine, Fenoli) SCFA (acetate, propionate, butyrate) Gases (CO2, H2, CH4) Biomass Ammonia BCFA Phenols/Indoles Amines Sulfides

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