A. Marchese Università degli Studi di Genova · Essenziale per sviluppo, omeostasi e protezione...
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia
IL MICROBIOTA
A. Marchese
Università degli Studi di
Genova
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia
in Natura
si distingue:
Vita saprofita: nell’ambiente a spese di materiale inanimato
Vita parassitaria: a carico di organismi superiori
Parassiti
Obbligati Facoltativi
(Maggioranza microbi)
(Minoranza)
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Parassiti
Commensali (indifferenti)
Simbionti (utili)
Opportunisti (talvolta possono dare malattia)
Patogeni (nocivi) (moltiplicazione in vivo e
tossigenicità)
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Il corpo dei vertebrati è colonizzato da un
grande numero di germi (batteri, virus,
funghi e protozoi) commensali e simbionti
che nel loro complesso sono riferiti come
MICROBIOTA
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MICROBIOTA
Già alla fine del ‘600…
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Microbiota o
Popolazione Microbica Normale
la popolazione dei
microrganismi presente
sulla cute e sulle mucose
delle persone sane normali
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche
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POPOLAZIONE MICROBICA NORMALE o MICROBIOTA
Microrganismi acquisiti dalla nascita
subiscono modifiche in numero e specie lungo tutto il decorso della vita
La colonizzazione dipende da
•fattori genetici
•abitudini alimentari e igieniche
•situazioni di stress/fenomeni psicosomatici
•Età
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Nell’uomo il MICROBIOTA è costituito
prevalentemente da batteri (>100 bilioni) che
colonizzano superfici cutanee e mucose
tappezzando esternamente e internamente il
nostro corpo
Il MICROBIOTA umano risiede principalmente
nell’intestino: Si stima che circa il 60% del
materiale fecale sia costituito da batteri.
Mettere immagine
Sommer and Backhed, Nat Rev., 2013
È dominato dai batteri anaerobi o anaerobi facoltativi L‘unico sito anatomico privo di anaerobi è la faringe
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PMN o microbiota
Oltre al tratto intestinale si trova:
•Cute
•Cavità orale e prime vie aeree
•Uretra
•Vagina
•Occhio
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Cellule del MICROBIOTA 1014
cellule umane 1013
Il nostro rapporto con i batteri deve
essere riconsiderato
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Pubblicazioni
MICROBIOTA
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licazio
ni
Singole
specie e
globalità
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Pubblicazioni
microbioma/microbiota
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche
Il MICROBIOMA può essere definito come
la somma dei geni di tutti i
microrganismi presenti in un
determinato organismo superiore.
MICROBIOMA
>100 volte
Genoma umano
Joshua Lederberg ( 1925 – 2008)
MICROBIOMA
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche
Il MICROBIOTA può essere studiato
grazie al MICROBIOMA
MICROBIOTA
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Sommer and Backhed, Nat Rev., 2013
Definizione di Self
strutture proprie +
microbiota
Teoria del Superorganismo
l’uomo è
un super-organismo
il cui assetto genico
comprende sia il
proprio genoma sia i
genomi dei microbi in
esso residenti e le cui
caratteristiche fisiologiche
sono la sintesi dell’attività
dell’uomo e del
metabolismo microbico. Lederberg, Science 2000
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MICROBIOTA
intestinale Il più diversificato
Il più abbondante (sino a 1012CFU/gr)
Si forma alla nascita e cambia con l’età
Alterazioni nei primi mesi di vita possono avere
effetti di lunga durata
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Composizione: 500-1000 specie diverse di
cui molte non coltivabili
(sequenza gene rRNA 16S )
Prevalenza di anaerobi obbligati
MICROBIOTA
intestinale
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microbiota intestinale adulto
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PMN intestinale
Duodeno: 103-106/gr
Digiuno-ileo: 105-108/gr
Cieco-colon trasverso: 108-1010/gr
Sigma-retto: 1011-12/gr
antibiotici
pH acido
basico
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche
Il MICROBIOTA vive in equilibrio con noi
Se il rapporto tra MICROBIOTA e OSPITE si altera
il MICROBIOTA
può contribuire a/o causare malattia
Sommer and Backhed, Nat Rev., 2013
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche
MICROBIOTA
intestinale e omeostasi
Le interazioni microbiota-ospite devono essere
strettamente controllate per l’omeostasi:
l’accrescimento del microbiota deve essere
contenuto e il S.I. deve essere tollerante e non
attivarsi X infiammazione cronica
La mucosa deve essere resistente alle infezioni e
impedire la traslocazione dei germi
Kamada et al., Nature Rev Immunol, 2013
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche
Essenziale per sviluppo, omeostasi e
protezione dell’intestino
Ha una serie di funzioni tra cui eseguire
reazioni enzimatiche che le cellule umane
non possono catalizzare
Un organo dentro un altro organo
con sue specifiche funzioni
MICROBIOTA
intestinale
Sommer and Backhed, Nat Rev., 2013
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche
MICROBIOTA
Ruolo
metabolico Ruolo
immunologico
Ruolo protettivo
vs patogeni
Ruolo di
regolazione
attività
extra-
intestinali
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MICROBIOTA Ruolo metabolico
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche
MICROBIOTA Ruolo metabolico
Estrae il 40-50% dell’energia dei nutrienti
(fermentazione di fibre non digeribili)
- 2 OMP per legame e
importazione amidi
- 226 glicosilasi
-15 liasi polisaccaridiche
•98 glicosilasi
•1 liasi
Bacteroides
tetaiotaomicron
Montalto et al., Dig. And Liver Dis., 2009
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POPOLAZIONE MICROBICA NORMALE o microbiota
Una gran varietà di composti che possono essere metabolizzati (è un organo aggiunto, bioreattore)
Quando varia, si modifica anche l'assorbimento dei nutrienti
Obesi e magri hanno profili batterici radicalmente diversi nei loro intestini
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MICROBIOTA Ruolo metabolico
Sintesi e utilizzo vitamine (B2, B12 e K)
Trasformazione acidi biliari
Catabolismo proteine e aa
Produzione isoflavoni
Produzione butirrato
70% energia delle
cellule epiteliali espressione citochine
proinfiammatorie
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MICROBIOTA Ruolo metabolico
Degradazione ossalati
Oxalobacter formigenes
Se assente formazione
calcoli renali
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche
MICROBIOTA Ruolo protettivo vs patogeni
Resistenza alla colonizzazione
Via diretta
Competizione per i nutrienti
Inibizione fattori di virulenza
Via indiretta
Azione sulla barriera mucosa
Azione su cellule immunitarie
Sommer and Backhed, Nat Rev., 2013
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche Kamada et al., Nat. Rev. Immunol., 2013
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche
Resistenza alla colonizzazione
Via diretta
Competizione per i recettori sulle cellule
epiteliali
Parametro spesso utilizzato per valutare
l’adesività e la possibile efficacia di un
probiotico (Lattobacilli, Bifidobatteri)
MICROBIOTA Ruolo protettivo vs patogeni
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche
Via indiretta
promuove funzione barriera della mucosa
agendo su:
cellule epiteliali
muco
villi
giunzioni cellulari
molecole antimicrobiche
MICROBIOTA Ruolo protettivo vs patogeni
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche
Germ-free mice Regime standard di allevamento
MICROBIOTA Ruolo protettivo vs patogeni
defensine
Kamada et al., Nat. Rev. Immunol., 2013
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche
MICROBIOTA Ruolo protettivo vs patogeni
Giunzioni
occludenti desmosoma
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche
MICROBIOTA Ruolo immunologico
Sviluppo e maturazione GALT Germ-free mice Regime standard di
allevamento
Kamada et al., Nat. Rev. Immunol., 2013
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche
Controlla produzione di :
IgA indotta da flagellina derivata dal
microbiota
IL-22 in ILCs (innate limphoid cells)
pro-IL-1beta nei fagociti
MICROBIOTA Ruolo immunologico
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche
Controlla sviluppo di:
TReg
Th17
M
MICROBIOTA Ruolo immunologico
(specie specifico)
Kamada et al., Nat. Rev. Immunol., 2013
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche
MICROBIOTA Omeostasi del tessuto osseo
Regola la densità minerale dell’osso
Nei topi germ-free l’osso ha una densità minerale
più elevata :
ridotto riassorbimento di tessuto osseo per
mancanza di citochine proinfiammatorie indotte
dal microbiota
Sjogren et al., J. Bone Min. Res., 2012
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche
MICROBIOTA
gut-brain axis Influisce sul comportamento e
sulla maturazione del SN modulando i livelli di
molecole segnale
Diaz Heijtz et al., PNAS 2011
Neurologic disorders
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche
MICROBIOTA-MICROBIOMA
il microbiota/ma può cambiare rapidamente:
come risultato di un cambiamento nella
popolazione o per modificazioni (mutazioni) nel
genoma del singolo microrganismo.
Profilo proteomico
e metabolico
modificato
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche
Modificazioni del
Microbiota/Microbioma
possono essere monitorate grazie alle nuove tecniche di biologia molecolare.
METAGENOMICA :
analisi
contemporanea
dei genomi di tutti i
microroganismi
presenti
in un ambiente
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Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia
riuscire a monitorare in dettaglio il
microbiota nell’uomo in varie
condizioni per traslare i risultati
ottenuti in:
sistemi diagnostici, trattamenti
profilattici e terapeutici per l’uomo
Il futuro
