Interazioni reciproche tra la flora microbica intestinale ed il sistema immunitario 100 trilioni (1012) di batteri abitano il nostro intestino: più delle cellule dell’intero organismo

La complessa e dinamica interazione fra la flora microbica ed il suo ospite umano è il risultato di 500 miliardi di anni di coevoluzione che ha reciprocamente formato l’insieme dei microbi e del sistema immunitario che li tollera. Ogni individuo è popolato da circa il 15% delle 1000 e più specie di batteri intestinali che sono stati descritti. Esiste perciò ampia variabilità nella flora intestinale dei diversi individui Il genoma collettivo dei microbi (metagenoma) contiene 100 volte il numero di geni del genoma umano

Benefici ottenuti dai microbi Benefici ottenuti dall’ospite Un ambiente caldo e ricco di nutrienti in cui creare un ecosistema stabile Un motore metabolico altamente adattato che fornisce fattori nutrizionali essenziali ed aumenta la capacità di assorbire nutrienti dal cibo Un tampone microbico che limita l’accesso ai microbi non appartenenti alla simbiosi

I simbionti però non sono innocui e se la loro capacità di attraversare la mucosa non viene limitata possono invadere i tessuti ospiti causando malattie Anche modifiche dalla composizione microbica dovute ad antibiotici, modifiche della dieta, ingresso di patogeni possono danneggiare l’ospite.

Queste alterazioni sono dette disbiosi e alterano le relazioni immunitarie che controllano l’infiammazione dando origine a malattie infiammatorie come morbo di Crohn e colite ulcerosa Crescono sempre di più i dati scientifici che indicano legami fra disbiosi e malattie ad origine immunitaria extraintestinali, come l’artrite reumatoide, la sclerosi multipla, il diabete, la dermatite atopica e l’asma

Coevoluzione di microbi e immunità adattativa E’ stato proposto che la pressione evolutiva che ha indotto lo sviluppo dell’immunità acquisita abbia avuto anche la funzione di proteggere la colonizzazione microbica. Mentre i meccanismi di difesa innati sono una barriera non discriminante nei confronti dei microbi, il nuovo meccanismo tramite Ab permette di riconoscere quelli innocui e utili rispetto a a quelli dannosi. Il meccanismo dell’immunità acquisita si è evoluto nei vertebrati e proprio alle possibilità di simbiosi che permette è dovuto il successo evolutivo di questa classe di organismi.

I microbi e lo sviluppo del sistema immunitario Effetti materni Nel parto naturale i batteri della flora vaginale sono i primi a colonizzare il neonato e solo successivamente sono colonizzati dai batteri orali e cutanei tipici dell’adulto I neonati nati con il parto cesareo sono colonizzati subito dai batteri dell’adulto, ma questo li rende più suscettibili allo sviluppo di allergie e asma I batteri transvaginali competerebbero con gli altri fintanto che il sistema immunitario del bambino non è più maturo.

Nei mammiferi il latte che viene fornito ai cuccioli è ricco di anticorpi. Questi Ab sono determinanti per lo sviluppo del sistema immunitario del piccolo e dei microbi che ne colonizzeranno l’intestino Il mix di nutrienti ed antimicrobici influenza l’ecosistema dei microbi del neonato Le IgA secretorie sono state selezionate in base all’ambiente microbico della madre: la memoria immunologica della madre è trasmessa alla prole In questo modo l’ecosistema batterico viene ereditato nell’ambito familiare

L’ecosistema microbico guida lo sviluppo del GALT Prima della nascita L’ecosistema microbico guida lo sviluppo del GALT Follicoli di cellule B Zone di cellule T Linfoid tissue inducer (LTi) Fegato fetale Intestino fetale P. di Peyer e Linfonodi mesenterici (MLN) Intestino neonato Follicoli linfonodali isolati (ILF) Invasione microbica

I batteri rilasciano i MAMPs Dopo la nascita I batteri rilasciano i MAMPs 1 2 1 I MAMPs attivano cellule dendritiche ed epiteliali 2 Queste attivano le ILF MAMP: microbe-associated molecular pattern Entrano nelle p. di Peyer via cellule M Fagocitosi da parte delle cell. dendritiche che si caricano di Ag Si sviluppano plasmacellule secernenti IgA che migrano nella lamina propria Differenziazione di linfociti B Differenziazione di linfociti T

Stimola la proliferazione dell’epitelio stesso 3 4 Le cell. dendritiche cariche di Ag migrano negli MLN tramite i vasi linfatici Stimola la proliferazione dell’epitelio stesso Aumenta la profondità delle cripte Differenziazione di linfociti T effettori Il contatto con i MAMP dell’epitelio intestinale delle cripte 3 Aumenta il numero di cellule di Paneth Prepara l’epitelio intestinale al rilascio di sostanze antimicrobiche 4

L’epitelio intestinale si carica di linfociti specializzati già prima della nascita. Essi contribuiranno a mantenere l’integrità della barriera epiteliale per tutta la vita Dopo la nascita c’è un periodo finestra in cui linfociti T regolatori e cellule NK che hanno avuto una prima maturazione nel timo, ricevono una «educazione» dai microbi per stabilire un pattern immunologico cruciale per prevenire malattie infiammatorie dell’infanzia e dell’età adulta

L’epitelio intestinale ed i microbi L’epitelio è centrale nella difesa intestinale Enterociti Tight junction Secrezione di peptidi antimicrobici verso l’esterno Secrezione di citochine per attivare il sistema immunitario Cellule mucose Produzione di muco Microbi Cellule di Paneth Produzione di a-difensine (controllano la composizione dell’ecosistema microbico) Cellule M Informano il sistema immunitario sulle specie batteriche predominanti

Impermeabile ai batteri, contiene il materiale antimicrobico Il muco Permette l’adesione dei batteri simbionti creando un film in grado di bloccare i patogeni Impermeabile ai batteri, contiene il materiale antimicrobico Il muco nutre, con i suoi glicani, specie batteriche come Bifidobacterium e Bacterioides spp. che sono specie protettive Producono metaboliti (es. propionato e butirrato) che sono nutrienti per le cellule epiteliali Producono SCFA (Short Chain Fatty Acid) che sono tossici per patogeni ed inibitori della risposta infiammatoria.

L’epitelio e le cellule del sistema immunitario In condizioni eubiotiche, i MAMP stimolano la secrezione baso-laterale da parte degli enterociti di citochine che promuovono la differenziazione di macrofagi e cellule dendritiche tollerogeniche In caso di invasione patogena, danni alla mucosa o disbiosi, i MAMP stimolano la produzione di citochine proinfiammatorie

Relazione fra sistema immunitario adattativo e microbi Le cellule CD4+ sono essenziali per il mantenimento del mutualismo con i microbi Producono l’IL10: una delle principali citochine immunoregolatorie richieste per la tolleranza intestinale Deficienze di linfociti CD4+ causa la malattia infiammatoria dell’intestino La proliferazione di linfociti CD4+ è indotta da commensali specifici e dai loro metaboliti Anche altre popolazioni di cellule T sono indotte dai microbi (Th17 e Th1)

Con il progredire nell’era della metagenomica integrata nella conoscenza del «superorganismo» uomo-microbioma, la possibilità di una medicina personalizzata, che era lo scopo della sequenziazione del genoma umano, può essere incrementata in proporzione all’aumento del contributo dei geni microbici. Questo fornirebbe l’opportunità di interventi mirati ancora più specifici e di prevenire malattie che hanno la loro origine nelle comparsa dei vertebrati e del loro microbioma milioni di anni fa