Si sente sempre più spesso parlare di microbioma e microbiota, tanto in medicina umana quanto nel nostro settore veterinario: di cosa si tratta e quali possibili sviluppi futuri possiamo prevedere?

Lo scopriamo in questo nuovo blog grazie alla collaborazione di due esperti Mylav: il dr. Bottero e il dr. Ruggiero.

Il tratto gastrointestinale alberga un complesso ecosistema costituito da differenti comunità di microorganismi (batteri, funghi, virus, archea e protozoi) denominato microbiota; con il termine microbioma intendiamo invece l’insieme complesso dell’espressione genica di tali microorganismi.

La principale componente del microbiota è rappresentata dai batteri (circa 97-99%), distinti in anaerobi facoltativi e obbligati che si distribuiscono in tutto il tratto gastroenterico.

I phyla dominanti sono 5: Firmicutes, Fusobacteria, Bacteroidetes, Proteobacteria e Actinobacteria (Honnefer 2017).

Lo stomaco nel cane alberga solo alcuni tipi di batteri che resistono all’ambiente acido, tra i quali Helicobacter e in misura minore lattobacilli; il tenue è colonizzato da batteri aerobi o anaerobi facoltativi (Proteobacteri) mentre nel colon la prevalenza è data da batteri anaerobi obbligati (Clostridia, Bacteroides, Fusobacterium).

Ogni individuo ha una composizione del microbioma unica e peculiare, nonostante ci siano numerose similitudini tra gli uomini così come tra gli animali che vivono in condizioni epidemiologiche simili.

Nonostante queste differenze filogenetiche, i prodotti finali metabolici del microbioma gastrointestinale sono simili tra gli individui. (Handl 2011).

Figura 1. Distribuzione tassonomica dei 5 phyla più rappresentati in un campione fecale di cane (Foto Dr. Michele Marino).

Il microbiota intestinale interagisce con l’ospite in modo biunivoco, dinamico e variabile, secondo un modello di simbiosi mutualistica nel quale entrambe le componenti (animale e microbica) traggono vantaggi in termini di benessere e sopravvivenza. Si tratta a tutti gli effetti di un organo vero e proprio che interagisce primariamente ma non solo con l’apparato gastroenterico (Baquero 2012).

L’elevato numero di geni identificati nel microbioma (circa 3,3 milioni) rappresentano il patrimonio genetico variabile del cane o dell’uomo; la sua grande  capacità di  adattarsi alle esigenze evolutive mutevoli nel tempo, lo ha fatto definire “ adattoma”.  Secondo molti autori, questo adattoma è stato fondamentale nell’evoluzione dell’uomo e degli animali ed è un attore protagonista nel complesso mondo dell’epigenetica.  

Ad oggi non è possibile definire quale sia un microbioma “normale” perché ogni individuo ha un corredo altamente individuale di microorganismi, acquisito a partire dalla nascita, che persiste per tutta la vita, subendo modificazioni legate ad eventi fisiologici, parafisiologici e patologici come l’invecchiamento,  i cambiamenti alimentari e le malattie. La colonizzazione delle superfici mucosali e cutanee del nascituro avviene già alla nascita e subisce variazioni legate al parto (cesareo, naturale) e a fattori ambientali (casa, famiglia e animali conviventi).

I principali passaggi della vita sono  fondamentali per l’ospite come per il microbiota. Ad esempio durante  lo svezzamento nel cane, il passaggio progressivo da una dieta lattea ad una solida promuove l’abbondanza di Bacteroidetes (dall’1% di abbondanza a 2 giorni al 39% a 2 mesi) che degradano i polisaccaridi e di Fusobacteria, che fermentano proteine e aminoacidi producendo Small Chains Fatty Acids - SCFA (acidi grassi a catena corta).

La ricchezza delle specie microbiche (biodiversità) nelle feci dei cuccioli aumenta significativamente dall'età di 2 giorni fino alle 52 settimane (Guard 2017), mentre nei cani di età compresa tra 3 mesi e 12 anni sono stati osservati pochi o addirittura nessun cambiamento della diversità microbica (You 2021); ciò potrebbe suggerire, analogamente a ciò che accade nell’uomo, che la biodiversità del microbiota dei cuccioli aumenta durante il periodo postnatale, si stabilizza pochi mesi dopo lo svezzamento e poi diminuisce lentamente una volta anziani.

Questa sintesi  temporale serve a sottolineare l’importanza della fase neonatale e della giovane età per la strutturazione di un microbioma ricco di biodiversità e complessità. Il microbiota basale, che secondo diversi esperti si forma nei primi 4-6 mesi nel cane, viene definito “core microbiome”.  Proprio in questa fase, quello che il cane vive, sperimenta, mangia o subisce può determinare molto della salubrità ed anche della sua vulnerabilità futura.

E’ necessario trasmettere ai proprietari, agli allevatori ed ai veterinari l’importanza cruciale che hanno sia il sostegno che la difesa del microbioma in questa fase. Al contrario, la diminuzione della ricchezza del microbiota intestinale con l'invecchiamento è un evento fisiologico (Mizukami 2019).

Va inoltre sottolineato che il rapporto tra dieta e microbiota è centrale per tutto il corso della vita. Ad esempio il microbiota è nevralgico per l’instaurarsi della cosiddetta “ tolleranza orale” , condizione che influenza la suscettibilità del paziente a disturbi immunitari come l’atopia o le enteropatie infiammatorie croniche.

Inoltre il microbiota, come ogni organo, ha una serie di ruoli e funzioni ed interazioni molto diversificate in vari settori: metabolico (es. conversione degli acidi biliari), difensivo (es. competizione e resistenza ai patogeni, costituente essenziale della barriera intestinale), trofico (es. sintesi di vit B e K, produzione SCFA), immunologico (es. tolleranza orale) e neuroendocrino (es. GABA, regolazione motilità e secrezione intestinale).   

La premessa ad una valutazione qualitativa del microbiota prevede la conoscenza del concetto di Eubiosi e di Disbiosi.

Per Eubiosi si intende il bilancio armonico qualitativo e quantitativo delle componenti del microbioma che esitano in una cooperazione metabolica ed immunologica positiva con l’ospite, migliorando la funzionalità gastroenterica, ottimizzando l’apporto nutrizionale, modulando la reattività immunitaria e l’infiammazione intestinale e sistemica.

Per Disbiosi si intende invece un’alterazione strutturale del microbioma sia a livello di composizione che di funzionalità (eccesso di patobionti, riduzione o perdita di batteri commensali ad azione benefica, perdita selettiva di alcuni ceppi specifici, alterazione del profilo microbiotale aderente alla mucosa etc.).

E’ importante sottolineare come questi concetti non abbiano dei confini precisi, netti e sovrapponibili tra individui appartenenti a specie diverse e/o a soggetti diversi della medesima specie. La soglia di cambiamento oltre la quale si può parlare di disbiosi è variabile e non si è ancora arrivati a concordare quale sia il corredo batterico ideale, eubiotico, sul quale poterci basare per classificarne uno alterato.

La propensione a sviluppare disbiosi intestinale dipende dalle caratteristiche e dalla stabilità del «core microbiome» che comunque conserva una grande capacità di ripristinare il suo assetto originario (resilienza) dopo aver subito un evento turbativo.

Come possiamo noi descrivere e valutare la condizione del microbioma? Mentre per la maggior parte degli organi addominali abbiamo analisi clinico patologiche e metodiche di diagnostica per immagini indiretta, per l’analisi del microbioma ci affidiamo alle cosidette “scienze omiche” (metagenomica, metabolomica, proteomica e trascrittomica), che si basano su concetti di bio-informatica avanzata e su una strumentazione analitica complessa, inaccessibile fino a pochi anni fa.  

L’analisi metagenomica si basa sullo studio di un insieme di sequenze di DNA provenienti da diversi microrganismi.

La tecnologia Next Generation Sequencing, permette di identificare le comunità microbiche intestinali tramite analisi delle regioni variabili V2-V4-V8 e V3-V6/7-V9 del gene codificante l’RNA 16S, presente in ogni batterio e quindi utilizzabile come criterio di classificazione. Esistono tuttavia diversi fattori preanalitici (raccolta matrice, estrazione RNA, primers, tecnologia impiegata) che possono influenzare i risultati. In sintesi, non esiste un unico approccio migliore per il sequenziamento del gene 16S rRNA del microbioma, ma comprenderne alcuni limiti, scegliere la coerenza nei metodi di analisi e utilizzare tecniche complementari (NGS, qPCR, metabolomica) potrebbe aiutare a chiarire alcuni dei numerosi dubbi.

Visto i molteplici ruoli che il microbioma intestinale riveste sia in condizioni fisiologiche che di patologia, la sua analisi non ha un valore solo speculativo, ma rappresenta un vero e proprio orizzonte anche dal punto di vista terapeutico.

La cosiddetta “modulazione del microbiota” viene già praticata, seppur in maniera un po' grossolana ed empirica, tramite l’utilizzo di Probiotici, Prebiotici, Simbiotici, Antibiotico e del trapianto fecale.

Le industrie farmaceutiche da anni hanno messo la bioprotica e la modulazione del microbioma al centro della loro ricerca finalizzata all’individuazione di presidi  terapeutici  in grado di correggere quadri disbiotici specifici, correlati a diverse tipologie di pazienti e  di patologie. Siamo probabilmente all'inizio di una nuova era nella gestione dei pazienti gastroenterici.

Referenze:

Jan Suchodolski, Jennifer Camacho, Jörg M. Steiner, Analysis of bacterial diversity in the canine duodenum, jejunum, ileum, and colon by comparative 16S rRNA gene analysis, FEMS Microbiology Ecology, Volume 66, Issue 3, December 2008

Honneffer, J.B., Steiner, J.M., Lidbury, J.A. et al. Variation of the microbiota and metabolome along the canine gastrointestinal tract. Metabolomics 13, 26 2017.

Guard BC, Mila H, Steiner JM, Mariani C, Suchodolski JS, Chastant-Maillard S. Characterization of the fecal microbiome during neonatal and early pediatric development in puppies. PLoS ONE. (2017)

You I., Kim M.J. Comparison of Gut Microbiota of 96 Healthy Dogs by Individual Traits: Breed, Age, and Body Condition Score. Animals 2021, 11, 2432.

Mizukami K, Uchiyama J, Igarashi H, Murakami H, Osumi T, Shima A, et al. Age-related analysis of the gut microbiome in a purebred dog colony. FEMS Microbiol Lett. (2019)

Pilla R., Suchodolsky J.S. The Gut Microbiome of Dogs and Cats, and the Influence of Diet  Vet Clin Small Anim 51 (2021) 605-621

Garrigues Q, Apper E, Chastant S and Mila H (2022) Gut microbiota development in the growing dog: A dynamic process influenced by maternal, environmental and host factors. Front. Vet. Sci. 9:964649.

Pilla R and Suchodolski JS (2020) The Role of the Canine Gut Microbiome and Metabolome in Health and Gastrointestinal Disease. Front. Vet. Sci. 6:498

Kalenyak K, Isaiah A, Heilmann RM, Suchodolski JS, Burgener IA. Comparison of the intestinal mucosal microbiota in dogs diagnosed with idiopathic inflammatory bowel disease and dogs with food-responsive diarrhea before and after treatment. FEMS Microbiol Ecol. (2018)

Enrico Bottero, Med. Vet., Esperto in Gastroenterologia di Mylav

Pietro Ruggiero, Med. Vet., Esperto in Gastroenterologia di Mylav  

Michele Marino, Biol. Mol., Responsabile del servizio di Biologia Molecolare e Genetica di Mylav

Walter Bertazzolo, Med. Vet. EBVS European Specialist in Veterinary Clinical Pathology (Dipl. ECVCP); Direttore Scientifico di MYLAV