SOMMARIO

I microrganismi sono esseri in costante cambiamento per sopravvivere; ogni cellula microbica deve competere con altri microrganismi per le risorse disponibili che sono di solito scarse, deve riuscire a reagire velocemente ai cambiamenti esterni, e deve poter rispondere rapidamente a situazioni avverse. Questa competizione è particolarmente sviluppata a livello cutaneo e raggiunge l’apice a livello intestinale, dove si trova quella che è probabilmente la più densa e popolata nicchia ecologica. Non c’è da meravigliarsi se la maggior parte dei microrganismi ha sviluppato delle sofisticate strategie finalizzate a combattere microrganismi rivali per sopravvivere in queste condizioni.

La conoscenza di questi meccanismi può essere sfruttata dall’uomo per utilizzare germi commensali per combattere quelli patogeni. Ci sono numerosi esempi di come i probiotici siano in grado di prevenire le infezioni. Questo capitolo considererà alcuni di questi meccanismi, specificando come l’uomo possa sfruttare la competizione tra microrganismi per migliorare la propria salute.

 

 

INTRODUZIONE

La competizione è la forza trainante dell’evoluzione, e ogni organismo che sopravvive in particolari condizioni deve essere in grado di combattere adeguatamente con i suoi simili. Le strategie utilizzate per sopravvivere cambiano continuamente. Per esempio, nell’intestino umano, densamente popolato, le cellule devono affrontare cambiamenti fisico-chimici come quelli indotti dalla bile, devono competere per limitati macro e micro-nutrienti, e lottare per garantirsi la possibilità di sopravvivere in un ambiente molto dinamico. Alcuni di questi meccanismi sono ampiamente conosciuti, ma i precisi sistemi attraverso cui alcune specie mantengono un vantaggio competitivo sono sconosciuti, per il fatto che molti microrganismi intestinali non sono coltivabili con le metodiche microbiologiche classiche. In alcuni casi, però, studi effettuati sulla frazione coltivabile hanno consentito di studiare i meccanismi che permettono ai microrganismi di sopravvivere nell’intestino. Idealmente dovrebbe essere possibile sfruttare le strategie utilizzate dai batteri in una particolare nicchia per impedire un’infezione da parte di un agente patogeno. Dobbiamo considerare che le forze ecologiche presenti in una nicchia sono le stesse che hanno reso possibile la sopravvivenza del patogeno per consentirgli di competere con il microbiota esistente nello stesso locus.

Questo suggerisce che potrebbe essere utile aumentare la competizione al fine di prevenire l’infezione. Per esempio, la somministrazione di probiotici a dosi elevate può alterare temporaneamente l’equilibrio a favore dei commensali, e quindi prevenire o curare un’infezione.

Si possono facilmente prevedere almeno tre meccanismi attraverso i quali i batteri commensali o i probiotici possono combattere un potenziale patogeno: l’antagonismo diretto, la competizione per specifici siti di legame sulla superfice del corpo (o per nutrienti essenziali), e la modulazione della risposta immunitaria.

Questo capitolo non vuole essere una review esaustiva della ricerca in questo campo, ma presenterà alcuni esempi di come i probiotici si sono dimostrati utili nel prevenire o limitare gli eventi infettivi, e descriverà alcuni dei meccanismi responsabili. Verrà inoltre effettuata una breve descrizione di come si possono sviluppare delle terapie efficaci sulla base della nostra conoscenza dei meccanismi di competizione batterica a livello intestinale.

 

 

ANTAGONISMO DIRETTO

Molti microrganismi intestinali hanno la capacità di produrre composti antimicrobici, inclusi peptidi chiamati batteriocine (1). Programmi di screening hanno identificato molti batteri produttori di batteriocine a livello intestinale. Le più recenti tecniche di metagenomica e biologia molecolare hanno rivelato la capacità di sintesi di batteriocine in molti microrganismi che non sono ancora coltivabili (2). La prevalenza di questo tratto suggerisce che esso svolga un ruolo prezioso nella competizione tra microrganismi e che potrebbe, quindi, rappresentare un meccanismo utile per competere con il microrganismo patogeno.

Dati recenti dimostrano che le batteriocine prodotte da alcuni batteri possono svolgere un effetto protettivo (3). Una miscela di cinque ceppi di probiotici (4 lactobacilli e 1 Pediococco) è risultata in grado di proteggere i maiali dalle infezioni da Salmonella enterica (4).

È interessante notare che l’unico ceppo batteriocino-produttore si è mostrato dominante sugli altri 4 ceppi non produttori di batteriocine. Ciò suggerisce che la capacità di produrre batteriocine non sia solo un’importante fattore di colonizzazione, ma che sia anche utile nel prevenire l’infezione da parte del microrganismo patogeno.

Ci sono molti altri esempi di ceppi batteriocino-produttori in grado di svolgere un ruolo antinfettivo. Un ceppo di Pediococcus acidilactici MM33, produttore di periocina PA-1/AcH (una batteriocina), è stato in grado di controllare le infezioni da enterococchi vancomicina-resistenti nei topi, mentre un ceppo non in grado di sintetizzare le batteriocine non ha avuto lo stesso effetto (5). Un altro studio ha dimostrato che un ceppo di Streptococco mutans, attraverso la mutacina 1140, può controllare la crescita dei batteri responsabili della formazione della placca dentaria (6). È da notare che un ceppo produttore di batteriocine può essere recuperato dal cavo orale di diversi individui 14 anni dopo una singola somministrazione (6). Streptococcus

salivarius K12 è un altro produttore di batteriocine per cui è stato dimostrato un ruolo attivo nel controllo della crescita dei batteri produttori di placca e nell’alitosi (7,8). Altri ceppi di S. salivarius produttori di batteriocine hanno dato risultati promettenti nei confronti delle faringiti associate a Streptococcus piogenes (9). Gli stessi ceppi sono in grado di prevenire le vaginosi (10), anche se in questo caso non è ancora stato dimostrato alcun ruolo diretto per le batteriocine. La prova del ruolo diretto delle batteriocine come meccanismo per prevenire le infezioni è stata fornita da un modello murino di listeriosi. In questo studio è stato dimostrato che un ceppo produttore di batteriocine, Lactobacillus salivarius UCC118, è risultato in grado di prevenire l’infezione da Listeria monocitogenes in un modello murino (11). I topi trattati con il ceppo UCC118 prima dell’infezione sono sopravvissuti tutti, mentre quelli trattati con il placebo sono morti.

A supporto dei dati precedenti, una variante di Lactobacillus salivarius UCC118 batteriocino-negativo, identica alla forma wild-type in ogni altro aspetto, non è stata in grado di prevenire l’infezione da Listeria nei topi, mentre un ceppo di Listeria reso immune alle batteriocine è stato in grado di infettare il topo. Un’altra forma di interazione fra microrganismi è il rapporto tra batteri e batteriofagi. I batteriofagi sono virus batterici che possono spostarsi portando al loro interno genomi batterici (fagi moderati o lisogenici) o esistere come forme extracellulari (fagi litici). I batteriofagi probabilmente giocano un ruolo importantissimo nel modellamento delle strutture microbiche nel corpo umano, incluso l’intestino. Identificando e caratterizzando i fagi noi possiamo comprendere e controllare meglio le strutture di questi microrganismi, e possiamo anche usare i fagi (o i loro enzimi litici) come biofarmaci in medicina, nella sicurezza alimentare e nella conservazione degli alimenti.

I batteriofagi sono stati studiati come potenziali agenti terapeutici per molte decadi, soprattutto nella medicina orientale, mentre quella occidentale confidava più negli antibiotici; ciò nonostante, ci sono numerose prove che i fagi possono funzionare a scopo terapeutico. Inoltre, l’FDA ha recentemente approvato la supplementazione di alcuni alimenti con una miscela di fagi per prevenire patologie di origine alimentare come la listeriosi. Uno studio recente ha utilizzato dei batteriofagi per controllare l’infezione da Pseudomonas aeruginosa in un modello murino di infezione polmonare, e su un biofilm di cellule polmonari prelevate da pazienti affetti da fibrosi cistica (12). I risultati sono stati molto promettenti. I topi trattati con i fagi sono guariti rapidamente mentre nel modello ex vivo i fagi sono stati in grado di eliminare i batteri patogeni dal biofilm maturo formato su cellule polmonari.

 

 

COMPETIZIONE PER I SITI DI LEGAME E NUTRIENTI

I microbi competono per siti specifici e limitati nel piccolo e nel grande intestino, e ci sono numerose evidenze che dimostrano la capacità dei probiotici di bloccare l’accesso dei patogeni in modelli di linee cellulari. È ragionevole assumere che questo fenomeno possa essere traslato all’intestino. Per esempio, è dimostrato che Lactobacillus GG produce dei pili che sono molto simili a quelli espressi sulla superficie di enterococchi vancomicinaresistenti

(13). Sfruttando questa proprietà, LGG è stato utilizzato con successo nel trattamento delle infezioni gastrointestinali da enterococco vancomicina-resistente in pazienti nefropatici (14). Più recentemente, è stato documentato che Bifidobacterium spp possiede pili Tad IV (pilo a stretta aderenza) che sono espressi solo in vivo e che promuovono la colonizzazione del tratto gastrointestinale murino (15). Prima di questa scoperta, il pilo Tad IV era stato associato esclusivamente a patogeni, come Yersinia enterocolitica (16).

In uno studio recente (17) topi germ-free sensibili a Citrobacter rodentium, una volta ricolonizzati con una flora commensale, sono stati in grado di difendersi dall’infezione da Citrobacter rodentium.

È quindi chiaro che la colonizzazione da parte di agenti patogeni è legata all’espressione di geni di virulenza batterica, ma è anche influenzata dalla competizione con commensali per gli stessi substrati di crescita e per gli stessi siti recettoriali.

 

 

IMMUNOMODULAZIONE

I microbi, occupando delle nicchie nel corpo umano, interagiscono necessariamente con il sistema immunitario. Ciò offre il razionale per supporre interventi microbici diretti a stimolare una risposta più aggressiva contro i patogeni. Il sistema immunitario della mucosa (GALT) è complesso ed altamente regolato; pertanto è molto difficile poter stabilire con precisione le basi meccanicistiche attraverso cui i microrganismi commensali competono tra loro utilizzando il sistema immunitario.

Molti ceppi di probiotici sono stati immessi in mercato perché hanno effetti immunomodulatori, ma la maggior parte di questi effetti è stata dimostrata in vitro e non in vivo.

Ciò nonostante, diverse evidenze suggeriscono che l’immunomodulazione sia uno dei meccanismi utilizzati dai batteri commensali per prevenire le infezioni da batteri patogeni. Un esempio un po’ insolito è quello della mastite bovina. Questa è un’infezione che interessa la ghiandola mammaria ed è una delle più costose malattie animali in tutto il mondo; il suo trattamento si basa su una terapia antibiotica tradizionale. In uno studio recente, animali con mastite moderata e severa sono stati randomizzati a ricevere o la terapia antibiotica standard o un ceppo di Lactococcus lactis. I risultati hanno dimostrato che il trattamento con probiotici ha avuto un’efficacia simile a quella con antibiotici. L’efficacia è stata del 64% con probiotici e del 72% con il trattamento antibiotico. Il follow-up degli animali ha inoltre consentito di dimostrare un significativo incremento dei livelli di leucociti polimorfonucleati nella lamina propria della ghiandola mammaria degli animali trattati

con probiotici, suggerendo un possibile meccanismo alla base del loro effetto protettivo (18). È stato inoltre osservato un incremento nel latte delle proteine di fase acuta (aptoglobina e sieroamiloide A) in risposta al trattamento con probiotici.

 

 

CONCLUSIONI

L’idea di usare i microrganismi che combattono tra loro può rappresentare la base per una strategia alternativa nel controllo delle infezioni. È evidente dagli animali germ-free che la dose infettante per molti patogeni è significativamente più bassa in assenza della competizione con il microbiota commensale. Ed è una logica estensione di questa osservazione cercare di migliorare la barriera alle infezioni fornita dai commensali attraverso specifiche terapie microbiche. Questi interventi si potrebbero basare sull’uso di prebiotici o probiotici.

Tra i vantaggi di questa nuova strategia anti-infettiva ci sarebbero inoltre la scarsità di effetti collaterali e la riduzione del rischio di indurre resistenza agli antibiotici.

 

 

REFERENZE