E.Coli: invasione e colonizzazione del microbiota intestinale umano sano
L’intestino ospita la più grande popolazione microbica del corpo umano, nota come microbiota intestinale, il che esercita importanti implicazioni per la salute. Ad esempio, un microbiota intestinale sano può conferire resistenza contro i batteri nocivi, ma tale beneficio viene meno nel caso in cui venga perturbato; ciononostante, la colonizzazione avviene comunque in condizioni di buona salute dell’intestino. «I meccanismi precisi alla base di questo fenomeno sono ancora sconosciuti e la comprensione è complicata dal fatto che il microbiota intestinale specifico di ogni persona dispone del potenziale di determinare risposte uniche», afferma Hugo Barreto, il ricercatore principale del progetto MICROINVADER, che è stato avviato al fine di comprendere le modalità attraverso cui la variazione individuale influenza le dinamiche di colonizzazione batterica.
Test in vitro e in vivo sul microbiota intestinale umano
L’Escherichia coli è un batterio che colonizza molti ambienti, compreso l’intestino umano: geneticamente molto diverso, quando colonizza l’intestino umano è considerato un «commensale», ovvero un organismo che coesiste con quello ospitante senza causargli danni. Tuttavia, può anche rivelarsi patogeno, provocando circa 1 milione di decessi all’anno(si apre in una nuova finestra). Negli esseri umani, è noto che si evolve rapidamente e, anche in condizioni di buona salute, i ceppi invasivi di E. coli sostituiscono costantemente quelli residenti, secondo un fenomeno noto come sostituzione dei ceppi. «In quanto organismo modello, l’E. coli può essere manipolato a livello genetico, consentendo l’introduzione di “codici a barre molecolari” o impronte digitali in ceppi distinti di tale batterio, precedentemente isolati dagli esseri umani», spiega Barreto, ricercatore presso l’Istituto nazionale francese della ricerca medica e sanitaria(si apre in una nuova finestra), l’ente che ha ospitato il progetto. «Dato che ciascuno possiede un codice a barre diverso, il sequenziamento permette di identificare gli isolati naturali di E. coli in grado di invadere e colonizzare il microbiota intestinale umano.» Per studiare questo processo in vitro, il progetto, che è stato finanziato dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie(si apre in una nuova finestra), ha selezionato 16 microbioti (provenienti dalla coorte NutriNet-Santé)(si apre in una nuova finestra), coltivandoli in un array di minibioreattori (MBRA, MiniBioReactor array) all’interno di una camera anaerobica per un periodo fino a due settimane. «Questo sistema preserva la comunità microbica associata al microbiota intestinale di ciascun donatore, consentendo al contempo manipolazioni precise (quali l’introduzione di isolati naturali di E. coli e il campionamento della comunità) senza gli effetti fuorvianti legati al comportamento mutevole di un ospite vivente», aggiunge Barreto. Dopo alcuni giorni di acclimatazione, nell’MBRA è stato introdotto un insieme di 26 isolati naturali di E. coli dotati di codice a barre, monitorandone l’abbondanza e le dinamiche di tali codici nel corso del tempo. È fondamentale notare che i microbioti intestinali selezionati contenevano già uno o più ceppi residenti di E. coli, il che ha permesso di testare in tempo reale la sostituzione dei ceppi o la co-colonizzazione. Per caratterizzare le dinamiche evolutive degli invasori di E. coli di successo, sono stati colonizzati topi axenici(si apre in una nuova finestra) (privi di batteri) con otto microbiota intestinali umani selezionati dall’esperimento MBRA, venendo monitorati per due mesi.
Caratterizzare il successo di invasione e colonizzazione
Il team ha osservato che il successo dell’invasione e della colonizzazione dell’E. coli variava tra i diversi microbiomi intestinali umani, con differenze che potevano arrivare fino a tre ordini di grandezza; inoltre, il ceppo dominante di E. coli in seguito all’invasione dipendeva dal donatore. «Sebbene ciò sia in parte spiegabile con la diversità del microbiota intestinale umano e la presenza di sottogruppi genetici di E. coli al suo interno, abbiamo osservato che la rapida evoluzione del ceppo invasore dominante alterava queste dinamiche», osserva Barreto. Al tempo stesso, considerando che le analisi sono ancora in corso, il lavoro sul modello murino ha portato all’osservazione del fatto che alcuni microbioti intestinali umani limitano l’abbondanza di E. coli di due ordini di grandezza. «L’osservazione più sorprendente è stata che i ceppi residenti di E. coli sono stati sostituiti in tutti i microbiomi intestinali umani testati. In precedenza, la colonizzazione era stata testata utilizzando un unico ceppo e aveva fallito nella maggior parte dei casi, mentre noi abbiamo introdotto oltre 20 ceppi contemporaneamente, suggerendo che la sostituzione dei ceppi sarebbe una conseguenza sia della diversità dei batteri invasori sia della composizione del microbiota intestinale umano», evidenzia Barreto. Comprendere i meccanismi che regolano la sostituzione dei ceppi in condizioni di salute potrebbe portare allo sviluppo di terapie in grado di modificare il microbiota intestinale umano per mantenere la salute in maniera più efficace, come i trapianti fecali dello stesso.
