L'implementazione del microbiota con TRIBIF® aumenta la plasticità delle sinapsi glutammatergiche ippocampali e migliora le performance cognitive nel ratto

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1.2 Dieta e micro b io ta in testin ale.
La dieta, in particolare, può esercitare un profondo effetto sul profilo fisiologico del
microbiota intestinale e numerosi studi sull' uomo e sull' animale hanno illustrato
cambiamenti distinti nella composizione microbica dei soggetti che consumano diete
diverse. Inoltre, attraverso il sequenziamento di campioni fecali di 98 individui, W u et al. ha
scoperto un' associazione tra enterotipi di B acteroides e diete ad alto contenuto di grassi o
proteine, mentre l' enterotipo di P revotella risulta associato a una dieta ricca di carboidrati
(W u et al., 2011). Carboidrati specifici, come i polisaccaridi, i fruttani e l’inulina, possono
singolarmente esercitare effetti diversi sulla composizione e sulle attività metaboliche del
microbiota intestinale (Chassard and Lacroix, 2013).
Il consumo di una dieta ad alto contenuto di grassi (HF D) è associato ad alterata
diversità microbica e ridotta plasticità sinaptica (Liu et al., 2015; Daniel et al.,2014), con
maggiore vulnerabilità al comportamento ansioso nei topi (S harma et al., 2013), mentre
l’alterata diversità microbica dovuta al consumo di una dieta ricca di saccarosio porta ad
una compromissione dei fenomeni di memoria a lungo termine, la memoria a breve
termine e reversal training (Magnusson et al., 2015). A l contrario, i ratti adolescenti
alimentati con una dieta a basso contenuto calorico mostrano un aumento della
neurogenesi e dei livelli di B DNF ( brain-derived neurotrophic factor ), e una migliore
funzione cognitiva nell' età adulta (K aptan et al., 2015); una dieta che aumenta la diversità
del microbiota è associata a una migliore capacità cognitiva (Li et al., 2009). Nonostante i
dati sull’uomo abbiano mostrato che una ridotta diversità microbica negli individui sia
correlata a un’aumentata adiposità, insulino-resistenza, dislipidemia e fenotipo
infiammatorio più pronunciato (Le Chatelier et al., 2013; Cotillard et al., 2013), prove
evidenti di un effetto diretto del microbioma provengono da studi mediante l’utilizzo di topi
sottoposti a deplezione del microbioma e/o a un paradigma di trapianto dello stesso,
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mediante donatori o topi alimentati con una dieta ad alto contenuto di grassi (HF D) o una
dieta di controllo. In seguito alla ricolonizzazione, i topi esposti al microbiota del gruppo
HF D hanno mostrato interruzioni significative e selettive nel comportamento esplorativo,
cognitivo e stereotipato (B ruce-K eller et al., 2015). S ebbene non sia possibile escludere
l' effetto diretto del metabolismo dell' ospite sulla funzione cerebrale, tali risultati
suggeriscono che i cambiamenti indotti dalla dieta nel microbioma intestinale influenzano
sostanzialmente la funzione cerebrale. La dieta e l' esposizione agli antibiotici sono solo
due fattori che potenzialmente influenzano la funzione cerebrale attraverso la
modellazione del microbioma intestinale. Una serie di variabili comuni può essere
ugualmente importante. A d esempio, è stato dimostrato che il consumo di alcol (E ngen et
al., 2015; B ull-Otterson et al., 2013), il fumo (B iedermann et al., 2013) e l' interruzione del
ritmo sonno/veglia (T haiss et al., 2014), influenzano sostanzialmente la composizione del
microbiota.
1.3 Asse micro b io ta-in testin o -cervello : stress e n eu ro g en esi.
Oggi è noto che la reciproca comunicazione tra intestino e cervello coinvolge vie
biochimiche di segnalazione a livello neurologico, metabolico, ormonale e immunologico, e
alterazioni di questi sistemi possono risultare in alterazioni comportamentali e sfociare in
disturbi patologici. Gli studi a sostegno di queste evidenze sono stati principalmente
condotti su animali di controllo e animali germ-free (GF ), cresciuti senza essere mai stati
esposti a microrganismi, i quali si sono rivelati uno strumento eccellente per esaminare il
ruolo del microbiota nell’organismo.
Nel 2004, S udo et al. (2004) hanno dimostrato che il microbiota intestinale è
coinvolto nello sviluppo dell' asse ipotalamo-ipofisi-surrene (HP A ). In seguito a esposizione
a stress indotto dall’immobilizzazione forzata ( restraint stress ), i topi germ-free
presentavano livelli plasmatici di corticosterone e ormone adrenocorticotropo
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significativamente più alti, rispetto ai topi di controllo aventi una normale composizione
microbica intestinale. La risposta alterata dell' asse HP A poteva essere tuttavia
completamente corretta con la colonizzazione intestinale da parte del B ifidobacterium
infantis e parzialmente corretta dalla colonizzazione mediata dalle feci del gruppo di
controllo. T uttavia, questo è ottenibile solo quando l' intervento è applicato in una fase
iniziale, suggerendo che per l' esposizione iniziale ai microbi sia essenziale la regolazione
neurale inibitoria dell' asse HP A . L' asse HP A è importante nell' apprendimento e nella
memoria e una sua disfunzione può portare alla compromissione della memoria
dipendente dall' ippocampo (De K loet and Derijk, 2004). Lo studio ha inoltre dimostrato che
i topi germ-free presentavano ridotti livelli di B DNF nella corteccia cerebrale e
nell' ippocampo, insieme a una ridotta espressione della subunità NR2B del recettore per il
N-metil-D-aspartato (NMDA ), un sottotipo di recettore ionotropico del glutammato. Il B DNF
è un fattore di crescita noto per il suo coinvolgimento nella plasticità sinaptica e nella
regolazione della crescita, della sopravvivenza e della funzionale neuronale (Huang and
Reichardt, 2001). Come tale, esso è coinvolto nel controllo di numerosi aspetti del
comportamento emotivo e cognitivo, in particolare nell’apprendimento (T yler et al., 2002).
A llo stesso modo, i recettori NMDA sono coinvolti nella formazione della memoria
attraverso il controllo della plasticità sinaptica (Li and T sien, 2009). Dal momento che il
sistema limbico è coinvolto nella risposta dell’asse HP A allo stress, è possibile che
l' elaborazione cognitiva alterata in queste aree abbia un ruolo nella risposta dell’asse HP A
anormale nei topi germ-free . Inoltre, Gareau et al. hanno dimostrato che i topi germ-free
mostrano deficit nella memoria non spaziale e di lavoro, accompagnati da una riduzione di
B DNF e c-fos, un prodotto genico precoce che ha come bersaglio la proteina legante
l' elemento di risposta del cA MP (CRE B ), una proteina coinvolta nella formazione della
memoria a lungo termine dipendente dall' ippocampo (Mizuno and Giese, 2005).
In un altro studio sono state valutate la citogenesi e la neurogenesi dell' ippocampo
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adulto in topi GF e topi di controllo (colonizzati convenzionalmente [CC]) ed è stato
esaminato se tali alterazioni in età adulta potessero impedire la colonizzazione microbica
dei topi GF durante i primi anni di vita (Ogbonnaya et al., 2015). A llo svezzamento, un
gruppo di topi GF è stato colonizzato con microbiota (topi GF -C) ottenuto inserendo i topi
GF , dopo 3 settimane di vita, nelle gabbie con lettiera e materia fecale dei topi di controllo.
P er misurare la proliferazione e la sopravvivenza delle cellule appena nate nella zona
subgranulare (S GZ ) del giro dentato, è stata applicata l' immunoistochimica con bromo-
deossiuridina (B rdU) che ha permesso di rivelare un’aumentata sopravvivenza sia delle
nuove cellule che dei nuovi neuroni; questo effetto non è stato impedito dalla
colonizzazione microbica post-svezzamento. Queste prove suggeriscono che l' ippocampo
dorsale giochi un ruolo preferenziale nell' apprendimento spaziale e nella memoria, mentre
l’ippocampo ventrale sia implicato preferenzialmente nell' ansia e nella risposta allo stress
(O’Leary and Cryan, 2014). S tudi più recenti condotti da O’Leary hanno permesso di
dimostrare che i topi GF mostrano un aumento della neurogenesi nell’ippocampo adulto,
prevalentemente nell’ippocampo dorsale, e la colonizzazione microbica post-svezzamento
dei topi GF non ha impedito i cambiamenti nell' ippocampo adulto, suggerendo che
esisterebbe una finestra temporale critica durante la quale la colonizzazione microbica
influenza questo fenomeno. S ebbene i meccanismi sottostanti questi effetti non siano
ancora stati chiariti, questi dati supportano ulteriormente l’ipotesi emergente secondo cui il
microbiota influenzerebbe la plasticità e la funzionalità del cervello.
A ltri studi hanno rilevato che il microbiota ha un' influenza importante sullo sviluppo
dei processi cognitivi in topi giovani (Gareau, 2014). La deplezione di un normale
microbiota intestinale nella prima infanzia, specialmente durante il periodo post-
svezzamento, può influenzare il pattern dei comportamenti cognitivi e sociali attraverso
una probabile alterazione della funzione di alcuni neuropeptidi come la vasopressina e
l' ossitocina (Desbonnet et al., 2015; S ampson and Mazmanian, 2015). Inoltre, c' è un
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potenziale ruolo della flora intestinale nella complessa fisiopatologia del disturbo dello
spettro autistico (A S D), una condizione del neurosviluppo caratterizzata da significative
menomazioni sociali e comportamentali (De T heije et al., 2014; Mayer et al., 2014). È
interessante notare come il trattamento di un modello di topo autistico con probiotici ha
dimostrato un miglioramento dei tratti correlati all' A S D (Hsiao et al, 2013).
Negli ultimi anni, è diventato chiaro che il microbiota gioca un ruolo sia nella
programmazione dell' asse HP A nei primi anni di vita sia nella reattività allo stress nel
corso della vita adulta. Il sistema di risposta allo stress è funzionalmente immaturo alla
nascita e continua a svilupparsi durante tutto il periodo postnatale, un periodo di sviluppo
coincidente con la colonizzazione da parte dei batteri intestinali. S tudi che utilizzano la
separazione materna nei ratti mostrano che lo stress neonatale porta a cambiamenti a
lungo termine per quanto riguarda la diversità e la composizione del microbiota intestinale
(Garcia-Rodenas et al., 2006; O’Mahony et al., 2009), che può contribuire a alterazioni a
lungo termine della reattività allo stress e a comportamenti correlati allo stress osservati in
questi ratti. A sostegno di questo, il trattamento concomitante con i probiotici ( Lactobacillus
sp .) durante il primo periodo di stress ha dimostrato di normalizzare i livelli basali di
corticosterone, i quali sono elevati dopo la separazione materna (Gareau et al., 2007). È
stato recentemente dimostrato, in un modello animale di social-disruption indotto dallo
stress, un ruolo indiretto del microbiota nella risposta allo stress: il microbiota è necessario
per alcuni dei cambiamenti indotti dallo stress nell' infiammazione (A llen et al., 2012). Lo
stress è noto aumentare la permeabilità dell' intestino, offrendo così ai batteri
un' opportunità per traslocare attraverso la mucosa intestinale e accedere direttamente alle
cellule immunitarie e neuronali del sistema nervoso enterico (S NE ) (Gareau et al., 2008;
T eitelbaum et al., 2008). Questo è quindi un potenziale percorso mediante cui il microbiota
può influenzare il sistema nervoso centrale attraverso il sistema immunitario e il sistema
nervoso enterico in presenza di stress. Un recente studio ha dimostrato che pretrattare i
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ratti con probiotici Lactobacillus farciminis riduce la permeabilità intestinale che in genere è
associata a stress da restraint e previene anche l’iper-reattività HP A associata (A it-
B elgnaoui et al., 2012).
Oltre alla modulazione della funzione dell' asse HP A , il microbiota può influenzare la
funzione del S NC direttamente attraverso l' attivazione neuronale dei circuiti dello stress.
Gli studi che utilizzano la somministrazione orale di patogeni di origine alimentare, quali
Citrobacter rodentium e Campylobacter jejuni , forniscono la prova che i batteri residenti
nel tratto GI possono attivare circuiti di stress attraverso l' attivazione di percorsi vagali
(Goehler et al., 2008; Lyte et al., 2006). Durante la fase acuta dell' infezione da C. jejuni ,
l' induzione del marker di attivazione neuronale cF OS era evidente nei neuroni sensoriali
vagali in assenza di una risposta immunitaria sistemica (Lyte et al., 2006). Le regioni
centrali del cervello hanno anche mostrato l' attivazione di cF OS dopo somministrazione
orale di C. rodentium (Goehler et al., 2008). L' attivazione di cF OS nei neuroni nel nucleo
paraventricolare dell' ipotalamo (P V N) è stata dimostrata nei topi GF in seguito a
somministrazione orale con il probiotico B ifidobacterium infantis , con l’enteropatogeno
E scherichia coli o con un ceppo mutato non infettivo di E . coli (DT ir) (S udo et al., 2004). La
risposta cF OS a E . coli era più forte e accompagnata da una robusta risposta delle
citochine periferiche, suggerendo che sia le vie neurali che quelle immunitarie
contribuiscano all' attivazione dell' HP A in risposta all' infezione. A l contrario, l' attivazione
dell' asse HP A in risposta al probiotico B . infantis e all' E . Coli mutato, non solo era di
durata più breve, ma mostrava anche l' attivazione del circuito centrale in assenza di una
risposta immunitaria sistemica (S udo et al., 2004). Questi risultati forniscono una chiara
evidenza di signalling bottom-up tra i batteri, sia patogeni che commensali nel tratto GI, e i
neuroni nei circuiti centrali di stress. Quando si considerano i percorsi neurali diretti
mediante cui il microbiota può influenzare il S NC, è necessario includere anche il sistema
nervoso enterico. I neuroni sensoriali del plesso mienterico del S NE sono il primo punto di