Modulazione del microbioma intestinale con nisina

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7899 (2023) Citare questo articolo

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La nisina è una batteriocina ad ampio spettro ampiamente utilizzata come conservante alimentare e identificata nel Lactococcus lactis quasi un secolo fa. Abbiamo dimostrato che la nisina ingerita per via orale sopravvive intatta al transito attraverso il tratto gastrointestinale suino (come evidenziato dall’attività e dalla determinazione del peso molecolare) dove influisce sia sulla composizione che sul funzionamento del microbiota. Nello specifico, il trattamento con nisina ha causato una diminuzione reversibile dei batteri Gram positivi, con conseguente rimodellamento dei Firmicutes e un corrispondente aumento relativo dei Proteobatteri Gram negativi. Questi cambiamenti sono stati rispecchiati dalla modifica nell’abbondanza relativa dei percorsi coinvolti nella sintesi di acetato, butirrato (diminuita) e propionato (aumentata), correlata con le riduzioni complessive dei livelli di acidi grassi a catena corta nelle feci. Questi cambiamenti reversibili che si verificano a seguito dell’ingestione di nisina dimostrano il potenziale delle batteriocine come la nisina nel modellare i microbiomi dei mammiferi e avere un impatto sulla funzionalità della comunità.

Le batteriocine sono peptidi antimicrobici prodotti da molte specie batteriche1. La nisina è una batteriocina prodotta dal Lactococcus lactis che possiede un ampio spettro di attività contro i batteri Gram-positivi2,3. La nisina A è stata approvata per l'uso come conservante alimentare dalla Food and Drug Administration (FDA) statunitense (US Food and Drug Administration, 1988) e dall'Autorità europea per la sicurezza alimentare (EFSA; numero E E234) ed è quindi consumata dagli esseri umani4. La nisina (sotto forma di Nisaplin disponibile in commercio) è stata somministrata ai ratti senza effetti avversi, a dosi fino a 239 mg per kg di peso corporeo5. La nisina ha efficacia in vitro contro i patogeni intestinali Gram positivi come Clostridioides difficile6 e, in combinazione con cinnamaldeide e acido etilendiamminotetraacetico (EDTA), ha dimostrato di controllare la crescita di Escherichia coli enterotossigenico Gram negativi (ETEC)7. È stato inoltre dimostrato che la nisina ha un'efficacia in vivo sui microbiomi murini8,9 e di pollo10, nonché un'efficacia ex-vivo sul microbioma umano11. Tuttavia, finora nessuno studio ha dimostrato la sua efficacia in vivo sui grandi mammiferi. A causa della sua natura proteica, si è ipotizzato che la nisina venga degradata nell'intestino superiore a causa dell'esposizione agli enzimi proteolitici, come abbiamo dimostrato in precedenza per altre batteriocine, vale a dire la latticina 314712 e la turicina CD13. Se la nisina non raggiunge intatto il tratto gastrointestinale inferiore14,15 non dovrebbe influenzare il microbiota intestinale se ingerita per via orale. In questo studio, abbiamo somministrato nisina ad alta concentrazione a suinetti post-svezzamento per determinarne l'impatto sul microbiota intestinale utilizzando sequenziamento 16S, metagenomica (shotgun), GC-MS e Maldi-Tof MS. Abbiamo incluso anche una preparazione a base di etilcellulosa per proteggere (incapsulare) la nisina dalla possibile degradazione nel GIT16 superiore e confrontarla con la nisina non incapsulata, qualcosa che non era stato testato in studi precedenti.

Qui, dimostriamo che la nisina intatta non incapsulata viene erogata al tratto gastrointestinale inferiore dei suini e provoca cambiamenti significativi ma reversibili nella composizione microbica, nei livelli di acidi grassi a catena corta (SCFA) e in specifiche vie metaboliche durante tutto il periodo di trattamento.

Lo scopo di questo studio era valutare se la nisina ingerita per via orale potesse raggiungere l'intestino intatto e modulare il microbioma intestinale dei suini (Fig. 1a). A causa della natura proteica della nisina abbiamo utilizzato sia la nisina non incapsulata (Nis-pdr) che quella incapsulata (Nis-en), che sono state aggiunte direttamente al mangime per suini. Questo studio conteneva anche un gruppo di controllo senza trattamento (Ctl) e un gruppo a cui era stato somministrato il materiale utilizzato per incapsulare la nisina (Encap). Infine, abbiamo monitorato la composizione e la funzionalità del microbiota intestinale dopo l’interruzione del trattamento, per determinare per quanto tempo persistessero eventuali cambiamenti.