Disfunzione interocettiva intestinale-immagine credit public domain.
L’invecchiamento è accompagnato da un declino della funzione mnemonica, con manifestazioni estremamente eterogenee nella popolazione umana. I fattori estrinseci al cervello che influenzano il declino cognitivo, come i segnali gastrointestinali, sono emersi come bersagli interessanti per interventi periferici, ma i meccanismi sottostanti rimangono in gran parte sconosciuti.
“In questo studio, tracciando una mappa ad alta risoluzione dell’invecchiamento del microbioma e delle sue conseguenze funzionali durante l’intero arco di vita dei topi, identifichiamo un meccanismo attraverso il quale l’inibizione della segnalazione intestino-cervello durante l’invecchiamento determina un’alterata attivazione neuronale nell’ippocampo e la perdita della codifica della memoria”.
Nello specifico, l’accumulo di batteri intestinali che producono acidi grassi a catena media, come Parabacteroides goldsteinii , può innescare l’infiammazione delle cellule mieloidi periferiche attraverso la segnalazione GPR84. Di conseguenza, la funzione dei neuroni afferenti vagali risulta compromessa, il segnale interocettivo ricevuto dal cervello si indebolisce e la funzione ippocampale declina. Sfruttiamo questo meccanismo per definire interventi che migliorano la memoria nei topi anziani, come il target dei fagi contro Parabacteroides , l’inibizione di GPR84 e il ripristino dell’attività vagale. Questi risultati indicano un ruolo chiave della disfunzione interocettiva nell’invecchiamento cerebrale e suggeriscono che gli interocettomimetici che stimolano la comunicazione intestino-cervello potrebbero contrastare il declino cognitivo associato all’età.
Spiegano gli autori:
“Per studiare le conseguenze delle alterazioni del microbioma associate all’età sull’invecchiamento cognitivo, abbiamo disaccoppiato sperimentalmente l’età del microbioma dall’età dell’ospite trasferendo la comunità microbica intestinale da topi anziani a topi giovani. Abbiamo ottenuto un invecchiamento accelerato del microbioma nei topi giovani coabitando topi di 2 mesi con topi di 18 mesi, il che ha portato a un equilibrio delle comunità microbiche tra topi giovani e anziani che assomigliava a uno stato simile all’invecchiamento. La salute fisica, valutata tramite un punteggio di fragilità, non è stata alterata dall’equilibrio del microbioma.
In particolare, un mese di convivenza con topi anziani ha compromesso la memoria a breve termine dei topi giovani nel test di riconoscimento di oggetti nuovi (NOR), un effetto che si è mantenuto anche durante la convivenza prolungata. Questo fenotipo è stato osservato sia nei topi femmina che nei maschi dei Dati Supplementari; il comportamento esplorativo, tuttavia, non è stato influenzato dalla convivenza. L’impatto del microbioma degli anziani sull’apprendimento e sulla memoria è stato osservato anche nel test del labirinto di Barnes, un test di apprendimento e memoria spaziale a lungo termine.
Abbiamo quindi cercato di distinguere l’impatto della convivenza sulla composizione della comunità microbica intestinale dai suoi effetti sociali. A tal fine, abbiamo perseguito quattro strategie sperimentali ortogonali. In primo luogo, abbiamo convissuto topi giovani con altri topi giovani, senza che ciò influenzasse il loro comportamento cognitivo. In secondo luogo, abbiamo colonizzato topi giovani privi di germi con campioni di microbioma fecale ottenuti da donatori giovani o anziani. Il trapianto di microbioma ha riprodotto la composizione del microbioma del donatore nei riceventi, stabilendo così alterazioni del microbioma associate all’età nei topi giovani senza convivenza. Come nel caso della convivenza, l’accelerazione dell’invecchiamento del microbioma nei topi giovani ha abolito le prestazioni di apprendimento e memoria nei test NOR e nel labirinto di Barnes, senza alterare il comportamento esplorativo.
La nostra terza strategia sperimentale per esplorare la causalità del microbioma nel determinare il declino cognitivo associato all’età è stata quella di eseguire esperimenti di coabitazione in condizioni germ-free. Abbiamo fatto invecchiare topi germ-free fino a oltre 18 mesi e li abbiamo alloggiati insieme a giovani topi germ-free in isolatori sterili. In particolare, i giovani topi germ-free hanno mantenuto la loro piena capacità cognitiva nonostante la coabitazione, indicando che l’effetto sociale della coabitazione con animali anziani non era sufficiente a indurre il deficit cognitivo.
Quando abbiamo fatto invecchiare i topi germ-free per questi esperimenti, abbiamo anche notato che il loro tasso di declino cognitivo era ritardato rispetto ai topi convenzionali, mostrando ancora normale apprendimento e memoria a 18 mesi. In quarto luogo, abbiamo utilizzato diverse strategie antibiotiche per eliminare la colonizzazione microbica prima, durante o dopo la coabitazione di topi giovani e anziani. È importante sottolineare che la convivenza di topi giovani con topi anziani il cui microbioma era stato eliminato con antibiotici ad ampio spettro prima della convivenza non ha comportato un’alterazione del NOR. Inoltre, gli antibiotici somministrati contemporaneamente alla convivenza hanno anche protetto i topi giovani dall’impatto dannoso della convivenza, replicando così i risultati ottenuti dalla convivenza in condizioni germ-free.
Abbiamo anche cercato di determinare se l’impatto negativo dell’invecchiamento del microbioma fosse reversibile. A tal fine, abbiamo trattato i topi giovani con antibiotici ad ampio spettro dopo che avevano sviluppato il deficit cognitivo indotto dalla convivenza. Non solo due settimane di trattamento antibiotico hanno ripristinato le prestazioni della memoria nei topi giovani conviventi, ma anche i topi anziani hanno mostrato un miglioramento delle capacità cognitive dopo il trattamento antibiotico. Nel complesso, questi risultati suggeriscono che, in età avanzata, gli elementi del microbioma contribuiscono al declino cognitivo, una caratteristica trasmissibile ai topi giovani e prevenibile con il trattamento antibiotico.
Fattori microbici alla base del declino cognitivo
Abbiamo quindi cercato di utilizzare queste perturbazioni sperimentali del microbioma per identificare gli elementi del microbiota batterico coinvolti nella regolazione del declino cognitivo. Abbiamo identificato i taxa candidati utilizzando due criteri: (1) la loro abbondanza relativa aumenta con l’età e (2) vengono trasmessi ai giovani animali tramite coabitazione e trapianto di microbioma. Per caratterizzare i cambiamenti del microbioma durante l’intero arco di vita, abbiamo seguito una coorte di 15 topi maschi C57BL/6, valutato longitudinalmente la salute ed eseguito il sequenziamento metagenomico e la proteomica sul contenuto fecale ogni 2-4 mesi dallo svezzamento alla morte. La coorte ha mostrato un esordio di fragilità e mortalità all’età di due anni, una durata media della vita di 955 giorni e una durata massima della vita di 1.210 giorni. Abbiamo assegnato le identità tassonomiche alle letture metagenomiche utilizzando Kraken 2. L’età è risultata un fattore determinante nella variabilità della composizione tassonomica del microbiota e 1.133 specie hanno mostrato alterazioni significative nell’abbondanza relativa nel corso della vita. L’acquisizione di cambiamenti nella comunità batterica associati all’età è stata correlata ad alterazioni nella capacità di codifica metagenomica del microbioma, come determinato dalla variazione nell’abbondanza relativa degli ortologhi KEGG nel tempo.
Abbiamo quindi classificato gli elementi tassonomici secondo i nostri criteri per identificare i possibili fattori scatenanti del declino cognitivo. Il principale candidato è risultato essere Parabacteroides goldsteinii , la cui abbondanza aumentava con l’età ed era trasmissibile tramite coabitazione e trapianto di microbiota. La proteomica fecale ha confermato un aumento associato all’età dei peptidi di Parabacteroides. In particolare, la colonizzazione di topi germ-free o trattati con antibiotici con P. goldsteinii ha indotto un deterioramento cognitivo. Inoltre, i topi giovani provenienti da una struttura con livelli naturalmente elevati di P. goldsteinii hanno mostrato una ridotta funzione mnemonica. Altri batteri, come Alistipes e Lachnospiraceae, la cui abbondanza variava anch’essa con l’età ed era trasmissibile tramite coabitazione o Lactobacillus che non ha mostrato alcuna variazione con l’età, non hanno avuto alcun impatto sulla funzione cognitiva. Nel complesso, questi risultati suggeriscono che alcune alterazioni del microbioma nel corso della vita, inclusa la proliferazione di P. goldsteinii, influenzano il tasso di declino cognitivo nei topi.
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Risposte del cervello all’invecchiamento del microbioma
L’apprendimento e la memoria dipendono fortemente dall’ippocampo. Abbiamo quindi esplorato se l’invecchiamento del microbioma e la proliferazione di P. goldsteinii avessero un impatto sulla funzione ippocampale. La neurogenesi ippocampale adulta diminuisce con l’età ed è stata collegata alla capacità di apprendimento e memoria. Abbiamo notato una forte riduzione della neurogenesi ippocampale nei topi anziani, ma i topi giovani alloggiati insieme non sono stati influenzati. Allo stesso modo, un’infiammazione aumentata nell’ippocampo, come indicato dall’astrogliosi, è stata osservata nei topi anziani ma non trasmissibile ai topi giovani tramite l’alloggio insieme. Non abbiamo inoltre notato alcuna differenza nella plasticità strutturale delle spine dendritiche. Questi risultati indicano che la neurogenesi ippocampale, l’infiammazione o la morfologia delle spine dendritiche difficilmente possono spiegare l’impatto del microbioma sull’apprendimento e sulla memoria.
Abbiamo quindi utilizzato un approccio imparziale basato sul sequenziamento dell’RNA per valutare i cambiamenti molecolari dell’ippocampo in topi di diversa età dell’ospite e del microbioma. Abbiamo classificato i geni espressi in modo differenziale in quattro categorie in base alla loro correlazione con l’età o le prestazioni cognitive dell’ospite. In particolare, l’attivazione dei geni precoci immediati in risposta all’esposizione a oggetti nuovi è stata osservata in modo robusto nei topi giovani, ma attenuata sia nei gruppi di età avanzata che nei topi giovani coabitanti con topi anziani. Poiché l’espressione dei geni precoci immediati è un indicatore dell’attivazione neuronale, abbiamo successivamente esplorato se aree specifiche dell’ippocampo contribuissero a questa riduzione delle risposte neuronali. La colorazione per FOS ha rivelato che CA3, CA1 e il giro dentato dei topi giovani coabitanti mostravano un’attivazione compromessa in risposta all’esposizione alla novità . Inoltre, i riceventi germ-free di campioni di microbiota provenienti da topi giovani hanno mostrato un forte aumento dell’attività del giro dentato in risposta a un oggetto nuovo, mentre le risposte FOS erano attenuate nei riceventi di microbiota provenienti da donatori anziani. Il recupero delle capacità cognitive in topi anziani trattati con antibiotici o germ-free è stato associato al ripristino delle risposte FOS ippocampali a un oggetto nuovo. Al contrario, la colonizzazione di topi giovani con la specie batterica associata all’età P. goldsteinii ha inibito le risposte ippocampali all’esposizione a un oggetto nuovo. Questi esperimenti suggeriscono che i cambiamenti del microbioma associati all’età influenzano la funzione mnemonica alterando le risposte neuronali nell’ippocampo”.
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Fonte: Nature