Nell’ultimo decennio, i ricercatori hanno iniziato ad apprezzare l’importanza di una comunicazione bidirezionale che si verifica tra i microbi intestinali e il cervello o asse intestino-cervello.
Queste “conversazioni” possono modificare il funzionamento di organi e coinvolgere una complessa rete di segnali chimici derivati da microbi e cervello che sono difficili da disaccoppiare per gli scienziati, per ottenere una comprensione.
“Attualmente, è difficile determinare quali specie microbiche guidano specifiche alterazioni cerebrali in un organismo vivente”, ha affermato il primo autore dello studio, il Dott. Thomas D. Horvath, istruttore di patologia e immunologia presso il Baylor College of Medicine e il Texas Children’s Hospital.
“In questo studio presentiamo uno strumento prezioso che consente di indagare sulle connessioni tra i microbi intestinali e il cervello. Il nostro protocollo di laboratorio consente l‘identificazione e la valutazione completa dei metaboliti – i composti prodotti dai microbi – a livello cellulare e dell’intero animale“.
Il tratto gastrointestinale ospita una comunità ricca e diversificata di microrganismi benefici noti collettivamente come microbiota intestinale. Oltre al loro ruolo nel mantenimento dell’ambiente intestinale, i microbi intestinali vengono sempre più riconosciuti per la loro influenza su altri organi distanti, compreso il cervello.
“I microbi intestinali possono comunicare con il cervello attraverso diverse vie, ad esempio producendo metaboliti, come acidi grassi a catena corta e peptidoglicani, neurotrasmettitori, come acido gamma-aminobutirrico e istamina e composti che modulano il sistema immunitario così come altri ”, ha affermato la co-prima autrice Dr. Melinda A. Engevik, assistente Professore di medicina rigenerativa e cellulare presso la Medical University of South Carolina.
Il ruolo che i microbi svolgono nella salute del sistema nervoso centrale è evidenziato dai legami tra il microbioma intestinale e ansia, obesità, autismo, schizofrenia, morbo di Parkinson e morbo di Alzheimer.
“I modelli animali sono stati fondamentali nel collegare i microbi a questi processi neurali”, ha affermato la coautrice Dr. Jennifer K. Spinler, assistente Professore di patologia e immunologia al Baylor e al Texas Children’s Hospital Microbiome Center. “Il protocollo nell’attuale studio consente ai ricercatori di svelare il coinvolgimento specifico dell’asse intestino-cervello in queste condizioni, nonché il suo ruolo nella salute”.
Una road map per comprendere il complesso sistema di traffico nell’asse intestino-cervello
Una strategia utilizzata dai ricercatori per ottenere informazioni su come un singolo tipo di microbo può influenzare l’intestino e il cervello consisteva nel coltivare prima i microbi in laboratorio, raccogliere i metaboliti che producevano e analizzarli utilizzando la spettrometria di massa e la metabolomica.
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La spettrometria di massa è una tecnica di laboratorio che può essere utilizzata per identificare composti sconosciuti determinandone il peso molecolare e per quantificare composti noti. La metabolomica è una tecnica per lo studio su larga scala dei metaboliti.
Immagine Credito: Baylor College of Medicine
“L’effetto dei metaboliti è stato quindi studiato nel mini-intestino, un modello di laboratorio di cellule intestinali umane che conserva le proprietà dell’intestino tenue ed è fisiologicamente attivo”, ha affermato Engevik. “Inoltre, i metaboliti del microbo possono essere studiati negli animali vivi”.
“Possiamo espandere il nostro studio a una comunità di microbi”, ha detto Spinler. “In questo modo indaghiamo su come le comunità microbiche lavorano insieme, sinergizzano e influenzano l’ospite. Questo protocollo offre ai ricercatori una road map per comprendere il complesso sistema di traffico tra l’intestino e il cervello e i suoi effetti”.
Spiegano gli autori:
“L’interesse per la comunicazione tra il tratto gastrointestinale e il sistema nervoso centrale, noto come asse intestino-cervello, ha spinto allo sviluppo di piattaforme analitiche quantitative per analizzare i segnali derivati da microbi e ospiti. Questo protocollo consente indagini sulle connessioni tra colonizzazione microbica e neurotrasmettitori intestinali e cerebrali e contiene strategie per la valutazione completa dei metaboliti in vitro (organoidi) e nei sistemi modello di topo in vivo. Qui presentiamo un flusso di lavoro ottimizzato che include procedure per la preparazione di questi sistemi modello dell’asse intestino-cervello: (fase 1) crescita di microbi in supporti definiti; (fase 2) microiniezione di organoidi intestinali; e (fase 3) generazione di modelli animali, inclusi quelli privi di germi (senza microbi), Bifidobacterium dentium e Bacteroides ovatus topi mono-associati (topi privi di germi colonizzati da un singolo microbo intestinale). Descriviamo i metodi di metabolomica basati sulla cromatografia liquida mirata e sulla spettrometria di massa tandem per l’analisi di acidi grassi a catena corta di derivazione microbica e neurotrasmettitori da questi campioni. A differenza di altri protocolli che esaminano comunemente solo campioni di feci, questo protocollo include colture batteriche, colture di organoidi e campioni in vivo, oltre al monitoraggio del contenuto di metaboliti dei campioni di feci. L’incorporazione di tre modelli sperimentali (microbi, organoidi e animali) migliora l’impatto di questo protocollo. Il protocollo richiede 3 settimane di colonizzazione murina con microbi e ~ 1-2 settimane per l’analisi strumentale e quantitativa basata sulla spettrometria di massa in tandem con cromatografia liquida post-elaborazione e normalizzazione del campione“.
“Siamo stati in grado di creare questo protocollo grazie a grandi collaborazioni interdisciplinari che hanno coinvolto clinici, scienziati comportamentali, microbiologi, scienziati di biologia molecolare ed esperti di metabolomica”, ha affermato Horvath. “Speriamo che il nostro approccio aiuti a creare comunità di designer di microbi benefici che possano contribuire al mantenimento di un corpo sano. Il nostro protocollo offre anche un modo per identificare potenziali soluzioni quando la cattiva comunicazione tra l’intestino e il cervello porta alla malattia”.
Fonte: Nature
