Un modello di coltura batch in vitro per stimare gli effetti dei regimi interventistici sul microbiota fecale umano

Il microbiota umano è una comunità complessa composta da batteri, archei, virus e microbi eucarioti¹, che abitano il corpo umano internamente ed esternamente. Prove recenti hanno stabilito il ruolo fondamentale del microbiota intestinale e del microbioma intestinale (l’intera raccolta di microbi e dei loro geni presenti nel tratto gastrointestinale umano) in varie malattie umane, tra cui l’obesità, il diabete, malattie cardiovascolari e il cancro^1,2,3. Inoltre, i microrganismi che vivono nel nostro intestino producono un ampio spettro di metaboliti che influenzano significativamente la nostra salute e possono anche contribuire alla fisiopatologia di diverse malattie, nonché una varietà di funzioni metaboliche^{4, 5.}I cambiamenti anomali (perturbazioni) nella composizione e nella funzione di questa popolazione microbica intestinale sono generalmente definita come “disbiosi intestinale”. La disbiosi è di solito associata a uno stato malsano dell’ospite e quindi può essere differenziata dalla normale comunità microbica (omeostatica) associata a uno stato di controllo sano dell’ospite. Modelli specifici di disbiosi del microbioma intestinale si trovano spesso in varie malattie diverse^1,2,3,6,7.

La fermentazione di alimenti non digeriti, in particolare i carboidrati/fibre fermentabili, da parte del microbiota intestinale non solo produce energia, ma produce anche metaboliti divergenti tra cui acidi grassi a catena corta (SFA), lattati, formate, anidride carbonica, metano, idrogeno ed etanolo⁶. Inoltre, il microbiota intestinale produce anche una serie di altre sostanze bioattive come folato, biotina, trimetilamina-N-ossido, serotonina, tritofano, acido gamma-aminobutirico, dopamina, noradrenalina, acetilcolina, istamina, deossicolico acido, e 4-ethylphenyl solfato. Ciò avviene principalmente attraverso l’utilizzo di flussi metabolici intrinseci all’interno della nicchia host-microbe, che contribuisce in diversi processi del corpo, funzioni metaboliche e cambiamenti epigenetici^{1,8,9, 10}. Tuttavia, gli effetti di vari interventi su tali prodotti microbici rimangono sconosciuti o poco chiari a causa della mancanza di protocolli facili, efficienti e riproducibili. La composizione del microbiota intestinale umano è un ecosistema estremamente complesso e diversificato, e quindi, molte domande sul suo ruolo nella salute umana e nella patologia della malattia rimangono ancora senza risposta. Gli effetti di molti modulatori comuni del microbioma intestinale (ad esempio, probiotici, prebiotici, antibiotici, trapianti fecali e infezioni) sulla composizione e sulle funzioni metaboliche del microbiota intestinale rimangono in gran parte sfuggenti. Inoltre, l’esame e la convalida di questi effetti in vivo è difficile, in particolare perché la maggior parte dei nutrienti e dei metaboliti prodotti dal microbiota intestinale vengono assorbiti o smaltiti simultaneamente e rapidamente nell’intestino; pertanto, misurare la produzione, la quantità e la lavorazione di questi metaboliti (ad esempio, SCFA) in vivo rimane ancora una sfida pratica. Infatti, modelli fisiologici come animali e soggetti umani sono fondamentali per determinare il ruolo del microbioma intestinale e la sua modulazione sulla salute dell’ospite, ma questi potrebbero non essere adatti per lo screening su larga scala di diversi tipi di modulatori del microbioma a causa vincoli etici, monetari o temporali. A tal fine, i modelli in vitro e/o ex vivo, come la coltura del microbiota intestinale in vitro e poi intervenendo con diversi modulatori del microbiota, possono offrire opportunità di risparmio di tempo e denaro e quindi possono consentire uno screening preliminare o su larga scala vari componenti (come probiotici, prebiotici e altri composti interventistici) per esaminare/prevedere i loro effetti sulla diversità del microbiota fecale, composizione e profili metabolici. Studi che utilizzano tali sistemi in vitro ed ex vivo del microbioma intestinale possono facilitare un’ulteriore comprensione delle interazioni ospite-microbioma che contribuiscono alla salute e alla malattia dell’ospite e potrebbero anche portare a trovare nuove terapie che colpisce il microbioma migliorare la salute dell’ospite e prevenire e trattare varie malattie¹.

Anche se i sistemi di coltura del microbiota intestinale in vitro non sono in grado di replicare realmente le condizioni intestinali effettive, diversi laboratori si sono sforzati di sviluppare tali modelli, alcuni dei quali sono stati ritenuti attuabili in una certa misura e sono stati utilizzati con successo per scopi diversi. Uno dei modelli intestinali recenti è il Simulatore dell’ecosistema microbico intestinale umano, che imita l’intero tratto gastrointestinale umano, tra cui lo stomaco, l’intestino tenue e diverse regioni del colon. Tuttavia, tali modelli tecnicamente complessi potrebbero non essere accessibili ad altre strutture di ricerca in tutto il mondo. Pertanto, c’è ancora una necessità critica per lo sviluppo di nuovi modelli alternativi che sono relativamente semplici, convenienti e pratici per i laboratori che studiano i modulatori del microbioma e i loro effetti sul microbiota intestinale e sulla salute dell’ospite. Quindi, l’uso di un sistema di coltura del microbiota fecale in vitro (o ex vivo) sarebbe utile per studiare gli effetti di tali interventi^11,12. In particolare, l’effetto di diversi prebiotici sulla capacità di fermentazione del microbiota in termini di cambiamenti periodici nella diversità e nella composizione del microbiota intestinale, nel pH fecale e nei livelli di metaboliti microbici, tra cui SCFA e lattato, può essere studiato ¹³. L’uso dell’inulina (uno dei componenti prebiotici più studiati) come esempio del modulatore del microbioma, viene descritto un protocollo passo-passo di questo semplice sistema di coltura in batch ex vivo microbiota per dimostrare il suo uso per stimare cambiamenti nel microbiota fecale e metaboliti microbici a seguito dell’intervento con i modulatori del microbioma.