Il panorama metabolico dell’intestino del topo maschio identifica diverse nicchie determinate dalle attività microbiche

Metabolismo della natura (2023) Citare questo articolo

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Nicchie distinte dell’intestino dei mammiferi sono popolate da microbioti diversi, ma il contributo della variazione spaziale al metabolismo intestinale rimane poco chiaro. Qui presentiamo una mappa del metaboloma longitudinale lungo l'intestino di topi maschi sani colonizzati e privi di germi. Con questa mappa, riveliamo uno spostamento generale dagli aminoacidi nell’intestino tenue agli acidi organici, alle vitamine e ai nucleotidi nell’intestino crasso. Confrontiamo i paesaggi metabolici nei topi colonizzati rispetto a quelli privi di germi per districare l'origine di molti metaboliti in diverse nicchie, il che in alcuni casi ci consente di dedurre i processi sottostanti o identificare le specie produttrici. Al di là del noto impatto della dieta sulla nicchia metabolica dell’intestino tenue, modelli spaziali distinti suggeriscono un’influenza microbica specifica sul metaboloma nell’intestino tenue. Pertanto, presentiamo una mappa del metabolismo intestinale e identifichiamo le associazioni metabolita-microbo, che forniscono una base per collegare la presenza spaziale di composti bioattivi al metabolismo dell’ospite o del microrganismo.

L'intestino dei mammiferi è popolato da un'ampia varietà di microrganismi, collettivamente indicati come microbiota intestinale1,2. Il microbiota contribuisce alla digestione e alle funzioni immunitarie e il suo danneggiamento è collegato a molteplici malattie3,4. Oltre a svolgere le funzioni digestive e a prevenire (o causare) infezioni, i microrganismi intestinali sono anche una fonte di composti bioattivi che influenzano l’ospite e altri microrganismi3. L'intestino tenue e quello crasso sono fisiologicamente più distinti e sono colonizzati da composizioni conservate di taxa4,5. Il duodeno riceve i nutrienti alimentari, le secrezioni pancreatobiliari e gastriche. Differenze regionali nella permeabilità dei tessuti, nelle proteine ​​di trasporto assorbenti, nel pH, nella segnalazione regolatoria e nelle risposte immunitarie distinguono ulteriormente le sottoregioni digiunale e ileale all'interno dell'intestino tenue5. La profilazione della comunità in modelli animali ha dimostrato composizioni microbiotiche distinte nelle diverse regioni intestinali4,6,7. Al di là di queste differenze longitudinali, esiste una notevole variazione rispetto alla fisiologia e alla composizione del microbiota tra il contenuto del lume e il muco intestinale8. Quest'ultima è una matrice densa, in particolare nel colon, costituita da glicoproteine ​​muciniche reticolate che separano le cellule epiteliali del rivestimento intestinale dal lume e dal suo microbiota9. Lo spesso strato esterno di muco del colon rappresenta anche un habitat e una fonte di nutrienti per i microrganismi specializzati nella scomposizione della mucina8,10. La crescente comprensione del panorama funzionale del tratto digestivo è esemplificata dai Clostridi che popolano e degradano il muco intestinale, da alcuni Firmicutes che producono caratteristici acidi grassi a catena corta o derivati ​​di aminoacidi nell'intestino crasso, o da specifici batteri produttori di vitamine in vari siti intestinali3 ,11,12,13,14,15.

Le differenze biogeografiche nella composizione tassonomica e nell'attività metabolica non possono essere valutate utilizzando campioni fecali perché probabilmente limitano il potere esplicativo, entro certi limiti, al colon distale4,16. Ciò è particolarmente vero per l’intestino tenue, dove l’apporto alimentare, i rapidi tempi di transizione e la secrezione di enzimi digestivi e antimicrobici dominano i processi intestinali e modellano il microbioma6,17,18. Per procedere verso la causalità, informazioni dettagliate sulle popolazioni batteriche e sui loro processi metabolici nelle diverse sottoregioni intestinali possono aiutare a identificare l’origine dei metaboliti. La maggior parte dei componenti della dieta vengono metabolizzati e assorbiti nell'intestino tenue, lasciando fibre e xenobiotici, nonché una piccola frazione di proteine ​​e lipidi ingeriti, disponibili per il microbiota del colon prossimale17. Pertanto, gran parte dell’attività microbica non è evidente nei campioni fecali, compresi molti dei composti bioattivi di origine microbica presenti anche nell’intestino tenue19. L'analisi dell'attività microbica nell'intestino tenue dell'uomo richiede un intervento chirurgico, un'intubazione orale molto estesa o uno spurgo prima dell'endoscopia. Di conseguenza, vengono utilizzati modelli animali per studiare l'intestino nella sua interezza20,21. Un esempio recente ha riportato concentrazioni di metaboliti lungo la lunghezza dell’intestino nei topi colonizzati, scoprendo nuovi coniugati di acidi biliari derivati ​​dal microbiota che influenzano la chimica di tutti gli organi, stabilendo un nesso causale tra i microrganismi e il loro effetto sull’ospite7. Dato il gran numero di microrganismi diversi nelle varie nicchie intestinali e le loro diverse attività metaboliche, questi acidi biliari appena scoperti sono solo un esempio che illustra l’enorme spazio delle interazioni ospite-microbo e microbio-microbo basate sui metaboliti che attendono di essere svelate.