Come si presenta una foresta sana? Una foresta apparentemente florida e verdeggiante può nascondere segni di inquinamento, malattie o specie invasive. Solo un ecologo può individuare i problemi che potrebbero compromettere il benessere a lungo termine dell’intero ecosistema.
I ricercatori del microbioma sono alle prese con lo stesso problema. Le interruzioni della comunità di microbi che vivono nell’intestino umano possono contribuire al rischio e alla gravità di una serie di condizioni mediche. Di conseguenza, molti scienziati sono diventati abili naturalisti batterici, lavorando per catalogare la sorprendente diversità di queste comunità commensali. Circa 500-1.000 specie batteriche risiedono nel tratto intestinale di ogni persona, insieme a un numero indeterminato di virus, funghi e altri microbi.
I rapidi progressi nella tecnologia di sequenziamento del DNA hanno accelerato l’identificazione di questi batteri, permettendo ai ricercatori di creare “guide sul campo” alle specie nell’intestino umano. “Stiamo cominciando ad avere una sensazione di chi sono i giocatori”, dice Jeroen Raes, un bioinformatico al VIB, un istituto di scienze della vita a Gand, in Belgio. “Ma c’è ancora una considerevole ‘materia oscura’.”
Al momento, queste guide di campo sono di uso limitato nel distinguere un microbioma sano da uno malsano. Parte del problema sono le differenze potenzialmente grandi tra i microbiomi di persone apparentemente sane. Queste differenze nascono da una complessa combinazione di fattori ambientali, genetici e di stile di vita. Questo significa che differenze relativamente sottili possono avere un ruolo sproporzionato nel determinare se un individuo è relativamente sano o a maggior rischio di sviluppare disturbi come il diabete. Comprendere le implicazioni cliniche di queste differenze è anche una sfida, date le ampie interazioni tra questi microbi, e con il loro ospite, così come le condizioni in cui quell’individuo vive. “Il microbioma sano di una persona potrebbe non essere sano in un altro contesto – è un concetto complicato”, dice Ruth Ley, un ecologo microbico presso l’Istituto Max Planck per la biologia dello sviluppo a Tubinga, Germania.
Ricercatori come Ley stanno cercando di capire meglio le forze che modellano il microbioma intestinale umano – sia in epoca moderna, che attraverso la storia evolutiva. Il quadro emergente indica che anche se non esiste un microbioma sano, ci sono ampie opportunità per il nostro stile di vita di interferire con il corretto funzionamento di queste complesse comunità commensali. E per capire come la rottura di questi ecosistemi guida la malattia, i ricercatori dovranno andare oltre le guide di campo microbico e iniziare a sezionare come queste specie interagiscono con i loro ospiti e tra di loro.
Il primo dono di una madre al suo neonato è una sana infarinatura di microbi. Alcuni vengono trasmessi attraverso l’allattamento al seno e il contatto pelle a pelle, ma molti microbi vengono acquisiti durante il passaggio attraverso il canale del parto. Questo significa che se il bambino viene consegnato con taglio cesareo, potrebbe perdere un prezioso starter kit batterico. Poiché i primi anni di un bambino generalmente stabiliscono la composizione di una comunità intestinale che persisterà per tutta l’età adulta, le interruzioni risultanti possono avere gravi conseguenze per la salute a lungo termine. “Mentre questi bambini crescono, hanno un rischio maggiore di obesità e di piaghe moderne come il diabete, allergie e asma”, dice Maria Gloria Dominguez-Bello, un microbiologo della Rutgers University di New Brunswick, New Jersey. In un piccolo studio clinico, il suo team ha scoperto che tamponare i neonati consegnati con taglio cesareo con fluidi dal canale di nascita della madre potrebbe aiutare a mitigare parte della diversità microbica persa1. Diversi studi più grandi sono in corso per valutare i benefici per la salute a lungo termine.
Le esposizioni ambientali all’inizio della vita influenzano fortemente il microbioma di un bambino. Susan Lynch, un ricercatore del microbioma presso l’Università della California, San Francisco, ha esplorato i collegamenti tra i fattori ambientali durante l’infanzia e il successivo rischio di sviluppare allergie e asma. I suoi risultati indicano che i nuovi genitori non dovrebbero avere paura di un po’ di sporco – o di pelo. Dopo aver monitorato una coorte di quasi 1.200 neonati, Lynch e i suoi colleghi hanno scoperto che un cane potrebbe essere il migliore amico di un bambino quando si tratta di evitare disturbi respiratori2. “L’unico fattore che discriminava i gruppi ad alto e basso rischio era la proprietà del cane”, dice Lynch. Dice che i cani (e, in misura minore, i gatti) “aumentano la diversità dei batteri e abbassano la diversità dei funghi nelle case dove questi bambini sono cresciuti”. Questa scoperta si allinea con altre ricerche che mostrano che un’educazione rurale o crescere in una fattoria potrebbe produrre un microbioma intestinale più ricco che riduce il rischio di malattie respiratorie infiammatorie rispetto ai bambini allevati in ambienti più urbani.
A un certo punto durante l’infanzia, la composizione del microbioma intestinale generalmente smette di cambiare – anche se precisamente quando non è chiaro. Uno studio del 2012 ha esaminato i microbi dell’intestino da individui in Malawi, Venezuela e Stati Uniti e ha trovato un modello sorprendente3. “Entro i tre anni, non è più possibile distinguere i bambini dagli adulti”, dice Dominguez-Bello, che era un coautore del documento. Tuttavia, nota che ci sono anche prove che il microbioma rimane in qualche modo mutevole oltre questo punto. Ciò che è chiaro è che in età adulta, questo ecosistema raggiunge uno stato di equilibrio. “È molto stabile”, dice Eran Segal, un biologo computazionale al Weizmann Institute of Science di Rehovot, Israele. “Vediamo i cambiamenti, ma si avrà ancora un aspetto per lo più simile, anche per molti anni.”
Alcuni dei cambiamenti visti in età adulta sono guidati dall’ambiente e dallo stile di vita. In uno studio del 2018 su 1.046 adulti etnicamente diversi che vivono in Israele, Segal ha dimostrato differenze microbiche che hanno poco a che fare con l’etnia4. “Gli input ambientali potrebbero rappresentare il 20-25% della variabilità del microbioma”, dice Segal. I farmaci sono un’ovvia fonte di disturbo, e gli antibiotici – assunti deliberatamente per combattere le infezioni o inconsapevolmente negli alimenti trasformati – possono influenzare profondamente il microbiota. Anche i farmaci che non hanno un ruolo chiaro nel controllo dei batteri possono causare perturbazioni. Raes nota che un importante studio europeo sul microbioma è stato confuso da effetti inaspettati del farmaco per il diabete metformina5.
La dieta è anche una potente influenza esterna, anche se i meccanismi precisi con cui esercita i suoi effetti rimangono poco chiari. Uno studio del 2018 ha scoperto che gli immigrati negli Stati Uniti dalla Thailandia hanno sperimentato una sorprendente “occidentalizzazione” della loro flora intestinale – una trasformazione che potrebbe essere, almeno in parte, attribuita all’adozione di una dieta statunitense6.
Misurato alla modernità
I cambiamenti osservati negli immigrati dalla Thailandia erano accompagnati da un aumento del rischio di obesità. Lo studio non ha stabilito un nesso causale, ma i risultati sono coerenti con un’ipotesi sempre più popolare che l’urbanizzazione – e la vita moderna in generale – potrebbe essere altamente dirompente per il rapporto stretto che si è evoluto tra gli esseri umani e i loro microbi. “Abbiamo fatto il presupposto che il microbioma occidentale di una persona sana è un microbioma sano”, dice il microbiologo Justin Sonnenburg della Stanford University in California. Invece, lui e altri pensano che l’intersezione di dieta, precauzioni antimicrobiche e igiene generale porta a un abbattimento della comunità intestinale, e che questa interruzione potrebbe contribuire al rischio elevato di malattie croniche nelle società industrializzate. “Questa combinazione di dieta occidentale e impoverito microbioma ha probabilmente portato a uno stato infiammatorio bollente,” dice Sonnenburg.
Diversi studi hanno identificato una netta differenza tra il microbiota delle popolazioni urbane e quelli delle popolazioni indigene che conducono stili di vita tradizionali agrari o cacciatori-raccoglitori, che più strettamente assomigliano a quelli dei nostri primi antenati. Queste differenze sembrano essere attribuibili principalmente alla perdita di diversità batterica, che potrebbe essere legata alla mancanza di fibre nelle diete occidentali. Gli Hadza, una popolazione di cacciatori-raccoglitori che vive in Tanzania, mangiano 100-150 grammi di fibre alimentari al giorno, dice Sonnenburg – dieci volte tanto quanto una tipica persona negli Stati Uniti. Di conseguenza, i batteri che digeriscono le fibre come quelli appartenenti al genere Prevotella, che possono formare fino al 60% del microbioma intestinale nelle popolazioni non occidentali, sono molto meno abbondanti negli Stati Uniti. Il team di Sonnenburg ha dimostrato come questi cambiamenti possono diventare saldamente radicati in una popolazione nel corso di poche generazioni7. Topi colonizzati con microbiota umano e alimentato una dieta a basso contenuto di fibre perso specie microbiche che è rimasto in topi che mangiano una dieta ad alto contenuto di fibre. Quando la prole dei topi con una dieta a basso contenuto di fibre è stata data una dieta ad alto contenuto di fibre, la perdita di specie era reversibile, ma dopo quattro generazioni, i batteri mancanti erano andati per sempre.
Crescere con un cane in casa aumenta la diversità dei batteri a cui i bambini sono esposti.Credit: Rachael Porter/Getty
Katherine Amato, un’antropologa della Northwestern University di Evanston, Illinois, ha cercato di arrivare alla radice evolutiva di un microbioma umano sano studiando primati non umani e tracciando gli effetti dei cambiamenti nello stile di vita e nella fisiologia umana. In generale, dice Amato, le somiglianze nella composizione del microbioma tra le specie di primati sono strettamente legate alla loro parentela evolutiva. Ma in un’analisi comparativa del 2019, Amato ha scoperto che i componenti del microbiota umano (in particolare, i microbi delle persone che vivono in società non industrializzate) non sono stati mappati così strettamente come previsto a quelli dei nostri parenti più vicini – le grandi scimmie, gli scimpanzé e i bonobo8. Invece, il microbiota aveva una sorprendente somiglianza con quello dei babbuini – un parente più lontano, ma che ha uno stile di vita più simile a quello dei primi esseri umani. “La maggior parte delle grandi scimmie vive nelle foreste pluviali e mangia diete a base di frutta”, dice Amato, “ma noi tendiamo a pensare ai nostri antenati come se vivessero in boschi aperti o habitat di savana, e mangiassero una dieta onnivora – come i babbuini”. Questo suggerisce che i fattori dietetici e ambientali hanno giocato un ruolo importante nel plasmare il microbioma umano.
Ley pensa che il microbioma offra un potente meccanismo per adattarsi rapidamente ai cambiamenti dello stile di vita – almeno, rispetto al normale ritmo glaciale dell’evoluzione. Infatti, il suo gruppo ha trovato prove di adattamento del microbioma in risposta all’evoluzione della tolleranza al lattosio9 e alla digestione delle diete ad alto contenuto di amido – adattamenti genetici che sono emersi solo in alcune popolazioni negli ultimi 10.000 anni circa. Ma se i cambiamenti avvengono rapidamente, come dimostra la rapida industrializzazione avvenuta negli ultimi secoli, il rapporto storicamente sano tra ospite e microbioma potrebbe diventare disadattivo, poiché le specie su cui il corpo potrebbe essersi evoluto per fare affidamento vengono perse. “Gli antibiotici e l’igiene sono stati fondamentali nel controllo delle malattie infettive”, dice Dominguez-Bello, “ma hanno le conseguenze collaterali e non volute di danneggiare i nostri microbi buoni.”
Vedere la foresta
Anche se i ricercatori hanno ottenuto una migliore comprensione dell’aspetto del microbioma intestinale umano, stanno ancora lottando per individuare quali componenti sono essenziali per il nostro benessere. Un problema è che ci sono troppo pochi set di dati per consentire ai ricercatori di tracciare collegamenti statisticamente robusti tra il microbioma e la salute o la malattia. Segal fa un paragone con il genoma umano – solo quando molte sequenze di alta qualità sono state disponibili ha cominciato ad offrire un valore clinico. “Ci sono probabilmente 30 milioni di persone che sono state sequenziate nel genoma fino ad oggi, mentre nel microbioma ci sono circa 10.000 campioni disponibili pubblicamente”, dice.
Questo problema è aggravato dal bias geografico nei dati del microbioma. Al di là di una manciata di studi di gruppi selezionati come l’Hadza, la maggior parte dei dati provengono dagli Stati Uniti, Europa e Cina. “Sappiamo molto poco sulla variazione del microbioma in Africa, Asia sud-orientale e Sud America”, dice Raes. Quella lacuna di informazioni sarà particolarmente rilevante per capire l’entità del problema suggerito ‘microbi mancanti’ nel mondo industrializzato.
Un set di dati più grande, più globale darebbe un punto di partenza meglio informato per comprendere ampiamente ciò che un microbioma normale in un individuo sano può essere simile – e quindi rendere più facile riconoscere le perturbazioni legate alla malattia. Ma i ricercatori hanno anche bisogno di andare oltre gli studi che semplicemente valutare la correlazione sulla base della presenza o assenza di un microbo specifico in un individuo sano o una persona con una malattia in un particolare punto nel tempo.
Ora ci sono un certo numero di pluriennale, studi longitudinali che monitorare sia la salute e la composizione del microbioma di molti individui per periodi prolungati. Lo studio canadese Healthy Infant Longitudinal Development, per esempio, sta monitorando più di 3.400 bambini nel corso di 5 anni nel tentativo di identificare i fattori che contribuiscono a condizioni come asma e allergie. “Se possiamo vedere che un cambiamento del microbioma precede un cambiamento clinico, allora forse possiamo stabilire la causalità”, dice Segal. Tali modelli darebbero ai medici più fiducia nel valore potenziale di un risultato diagnostico o di un intervento, e sarebbe prezioso per studiare il contributo del microbioma alle condizioni croniche che si manifestano gradualmente, come il diabete.
I ricercatori stanno anche rendendo i loro censimenti batterici più dettagliati. Le prime indagini sul microbioma erano limitate dalla ristretta gamma di specie intestinali che gli scienziati potevano coltivare in laboratorio. Ma l’abbassamento del costo del sequenziamento ha reso possibile catturare istantanee dettagliate del DNA estratto dai microbi fecali. I ricercatori possono ora andare oltre il livello di specie per identificare i ceppi di batteri, e anche le varianti genomiche in quei ceppi. Sonnenburg, per esempio, sta usando questo approccio per cercare mutazioni che potrebbero influenzare l’attività metabolica o le preferenze alimentari di diversi microbi intestinali.
Molti microbi sfuggono ancora alla rete, tuttavia. I metodi standard di analisi del microbioma favoriscono l’identificazione dei batteri e non sono altrettanto bravi a identificare altri microrganismi intestinali comuni. “Raramente vediamo firme di funghi nei nostri dati, ma sappiamo che sono lì”, dice Lynch. “E sappiamo che stanno contribuendo all’interazione complessiva tra microbioma e ospite”. Tecniche alternative di analisi del microbioma offrono un workaround. Raccogliere e analizzare l’RNA piuttosto che il DNA, per esempio, permette ai ricercatori di catturare i cambiamenti nell’espressione genica che possono rivelare disfunzioni in specie intestinali apparentemente normali. “Un microbioma perfettamente bello potrebbe fare cose che non sono sane”, dice Ley. Altri ricercatori si stanno rivolgendo a tecniche di metabolomica – analisi chimica completa delle varie biomolecole prodotte in un campione di microbioma. Questo sta permettendo ai ricercatori di origliare come i microbi stanno comunicando tra loro e con le cellule del loro ospite. “Queste molecole sono i prodotti finali”, dice Lynch. “Ecco dove si trova la carne nel cercare di definire i biomarcatori di un microbioma sano”. Il suo laboratorio ha fatto passi importanti con tali approcci, tra cui homing in su un lipide microbico noto come 12,13-diHOME, che sembra essere un driver di infiammazione nei bambini ad alto rischio di asma10.
Tali dati potrebbero offrire la migliore lettura ancora di quanto bene il nostro ecosistema interno è fiorente – essenzialmente, ispezionando il terreno, acqua e foglie della foresta, piuttosto che semplicemente contare gli alberi. “Non ci sarà ‘il’ microbioma sano, proprio come non c’è un genoma perfetto”, dice Segal. “Ci potrebbero essere più configurazioni sane”. Questi profili di attività microbica potrebbero rivelarsi la via più veloce per convalidare le ipotesi sulla funzione e la disfunzione del microbioma, e accelerare la traduzione delle scoperte in studi clinici. “Il tempo dell’osservazione non è finito, ma penso che sia davvero il momento di passare agli interventi”, dice Raes. “Puoi capire un sistema solo se gli dai un bel calcio e vedi cosa succede”.