I batteri intestinali svolgono un ruolo importante nella salute umana e influenzano tutto, dalla digestione al sistema immunitario fino all’umore. Tuttavia, la complessità del microbioma è sbalorditiva. L’enorme numero di specie batteriche e le loro interazioni con la chimica umana hanno reso difficile agli scienziati comprenderne appieno gli effetti. Con una mossa rivoluzionaria, i ricercatori dell’Università di Tokyo hanno applicato un tipo di intelligenza artificiale noto come rete neurale bayesiana per studiare i batteri intestinali. Il loro obiettivo era quello di scoprire correlazioni che spesso vengono trascurate dai metodi di analisi dei dati convenzionali.
La rete neurale esamina un enorme set di dati sui microbi intestinali per fornire indicazioni sulla salute
Mentre il corpo umano contiene circa 30-40 trilioni di cellule umane, il solo intestino ospita circa 100 trilioni di cellule batteriche. In altre parole, abbiamo più cellule batteriche che cellule umane. I microbi intestinali sono microrganismi come batteri, funghi, virus e archeobatteri che vivono nel tratto digestivo umano e insieme formano il cosiddetto microbioma intestinale. La maggior parte di essi si trova nell’intestino crasso. Nonostante le loro dimensioni minuscole, svolgono un ruolo cruciale per la nostra salute. Aiutano la digestione decomponendo i componenti alimentari che il nostro corpo non è in grado di utilizzare, in particolare le fibre. Questo processo produce importanti prodotti metabolici come gli acidi grassi a catena corta, che rafforzano la parete intestinale e forniscono energia al corpo. Molti batteri intestinali producono anche sostanze vitali, come la vitamina K o alcune vitamine del gruppo B. I microbi producono e modificano anche migliaia di composti chiamati metaboliti.
Queste piccole molecole fungono da messaggeri chimici, circolano nel corpo e influenzano il metabolismo, il sistema immunitario e persino le funzioni cerebrali. Oltre alla loro funzione nella digestione, i microbi intestinali proteggono anche dagli agenti patogeni, contendendo lo spazio vitale ai germi nocivi e rafforzando la barriera intestinale. Gran parte del sistema immunitario si trova nell’intestino e i microbi contribuiscono ad allenarlo e a mantenerlo in equilibrio. In questo modo aiutano a regolare le infiammazioni e a prevenire reazioni errate come le allergie. Inoltre, i microbi intestinali sono in stretta comunicazione con il sistema nervoso. Attraverso il cosiddetto asse intestino-cervello, influenzano il nostro umore, il nostro comportamento in caso di stress e forse anche i processi cognitivi. Sono importanti anche per il metabolismo: determinano quante calorie assumiamo dal cibo, come funziona il metabolismo degli zuccheri e quanto è probabile che si sviluppi il sovrappeso. Comprendere come determinati batteri producono determinati metaboliti potrebbe aprire nuove strade per promuovere la salute generale.
“Il problema è che stiamo appena iniziando a capire quali batteri producono quali metaboliti umani e come queste relazioni cambiano nelle diverse malattie”, ha spiegato il ricercatore del progetto Tung Dang del laboratorio Tsunoda del dipartimento di scienze biologiche. “Mappando accuratamente queste relazioni tra batteri e sostanze chimiche, potremmo potenzialmente sviluppare trattamenti personalizzati. Immaginate di poter coltivare un particolare batterio per produrre metaboliti umani utili o di poter sviluppare terapie mirate che modificano questi metaboliti per curare le malattie”. La sfida più grande è rappresentata dall’enorme quantità di dati. Poiché innumerevoli batteri e metaboliti interagiscono tra loro in modo complesso, è estremamente difficile identificare modelli significativi. Per affrontare questo problema, Dang e il suo team hanno adottato metodi avanzati di intelligenza artificiale (IA).
Il loro sistema, chiamato VBayesMM, utilizza un approccio bayesiano per identificare quali gruppi di batteri influenzano in modo significativo determinati metaboliti. Misura anche l’incertezza delle sue previsioni, contribuendo così a evitare conclusioni esagerate ma errate. “Nei test con dati reali provenienti da studi su disturbi del sonno, obesità e cancro, il nostro approccio ha costantemente superato i metodi esistenti e ha identificato famiglie specifiche di batteri che corrispondono a processi biologici noti”, afferma Dang. “Questo ci dà la certezza che sta scoprendo vere relazioni biologiche e non solo modelli statistici privi di significato”.
Comprendere i punti di forza e i limiti del sistema
Poiché VBayesMM è in grado di riconoscere e comunicare le incertezze, fornisce ai ricercatori risultati più affidabili rispetto agli strumenti precedenti. Sebbene sia ottimizzato per grandi quantità di dati, l’analisi di ampi set di dati sul microbioma rimane computazionalmente impegnativa. Tuttavia, con il tempo, questi costi dovrebbero diminuire grazie al miglioramento della potenza di calcolo. Il sistema funziona al meglio quando sono disponibili dati batterici estesi rispetto ai dati metabolici; in caso contrario, la precisione può diminuire. Un’altra limitazione è che VBayesMM tratta i batteri come attori indipendenti, anche se spesso interagiscono in reti complesse e interdipendenti.
I ricercatori intendono lavorare con set di dati chimici più completi che coprano l’intera gamma dei prodotti batterici, anche se ciò comporta nuove sfide nel determinare se le sostanze chimiche provengano dai batteri, dal corpo umano o da fonti esterne come l’alimentazione. Gli esperti vogliono anche rendere VBayesMM più robusto quando si tratta di analizzare diversi gruppi di pazienti, includendo le relazioni “genealogiche” dei batteri per fare previsioni migliori e ridurre ulteriormente il tempo di calcolo necessario per l’analisi. Per le applicazioni cliniche, l’obiettivo finale è identificare specifici bersagli batterici per trattamenti o interventi nutrizionali che potrebbero effettivamente aiutare i pazienti, passando così dalla ricerca di base alle applicazioni mediche pratiche. Utilizzando l’IA per esplorare il vasto e complesso mondo dei microbi intestinali, i ricercatori si stanno avvicinando sempre più allo sfruttamento del potenziale del microbioma per trasformare la medicina personalizzata.
I microbi intestinali potrebbero anche essere la chiave per nuove opportunità di prevenzione e trattamento delle malattie cardiache
Le malattie cardiovascolari causano quasi 20 milioni di vittime ogni anno, rendendole la principale causa di morte in tutto il mondo. Mentre i fattori genetici e lo stile di vita influenzano chiaramente la salute del cuore di una persona, gli scienziati stanno ora scoprendo che anche i microrganismi che vivono nell’intestino possono avere un’influenza significativa. Questi microbi sembrano essere coinvolti in modo significativo nello sviluppo della malattia coronarica (CHD), anche se il loro ruolo esatto è rimasto a lungo poco chiaro.
Recenti ricerche suggeriscono che il microbioma intestinale può promuovere la CHD attraverso diversi percorsi biologici e influenzare l’infiammazione e i processi metabolici in modi che hanno un impatto sulle arterie. Tuttavia, non è ancora chiaro quali batteri specifici siano responsabili di questo fenomeno e in che modo contribuiscano alla progressione della malattia.
Mappatura dei microbi nella malattia coronarica
I ricercatori di Seul stanno iniziando a svelare questo mistero. In un articolo pubblicato su mSystems, un team guidato dalla dottoressa Han-Na Kim del Samsung Advanced Institute for Health Sciences and Technology della Sungkyunkwan University ha studiato come i microbi intestinali interagiscono con il sistema cardiovascolare. “Siamo andati oltre l’identificazione dei ‘batteri che vivono lì’ e abbiamo scoperto cosa fanno effettivamente nel collegamento tra cuore e intestino”, ha spiegato Kim.
La malattia coronarica (CHD) è una malattia dei vasi coronarici, ovvero dei vasi sanguigni che forniscono ossigeno e sostanze nutritive al muscolo cardiaco. In questa malattia, i vasi si restringono a causa di depositi di grasso, colesterolo e calcio, le cosiddette placche. Questo processo graduale è chiamato arteriosclerosi o calcificazione dei vasi. A causa del restringimento, al muscolo cardiaco arriva meno sangue, soprattutto quando il cuore deve lavorare di più, ad esempio durante uno sforzo fisico o in caso di stress. Ciò provoca spesso una sensazione di pressione, oppressione o dolore al petto, denominata angina pectoris. Se un vaso coronarico si occlude completamente, una parte del muscolo cardiaco non riceve più ossigeno, causando un infarto.
La CHD non insorge improvvisamente, ma si sviluppa nel corso di molti anni. Tra i fattori di rischio più importanti figurano il fumo, l’ipertensione, il diabete, livelli elevati di colesterolo LDL, la mancanza di esercizio fisico, un’alimentazione scorretta, il sovrappeso, la predisposizione genetica e lo stress cronico. Oltre al dolore toracico, i sintomi tipici sono anche difficoltà respiratorie, affaticamento rapido sotto sforzo e dolori che possono irradiarsi al braccio, alla spalla, alla mascella o alla schiena. La malattia coronarica è pericolosa perché spesso rimane inosservata per lungo tempo e aumenta significativamente il rischio di infarto, insufficienza cardiaca e morte cardiaca improvvisa.
Il team ha analizzato campioni di feci di 14 persone affette da CHD e li ha confrontati con campioni di 28 partecipanti sani utilizzando il sequenziamento del metagenoma, una potente tecnica che consente di identificare l’intero DNA in un campione. Questo approccio ha permesso loro di ricostruire la composizione genetica dei singoli microbi. Da questa analisi, i ricercatori hanno identificato 15 specie di batteri associate alla CHD e hanno mappato i percorsi che collegano questi microbi alla gravità della malattia.
Infiammazione, squilibrio e spostamenti microbici
Secondo Kim, “la nostra mappa metagenomica ad alta risoluzione mostra un drastico spostamento funzionale verso l’infiammazione e gli squilibri metabolici, una perdita di produttori protettivi di acidi grassi a catena corta come il Faecalibacterium prausnitzii e un’iperattivazione di vie metaboliche come il ciclo dell’urea, che sono associate alla gravità della malattia”. I risultati suggeriscono che l’ecosistema intestinale delle persone affette da CAD subisce cambiamenti significativi che favoriscono l’infiammazione e interferiscono con i normali processi metabolici. Questi cambiamenti potrebbero spiegare perché il microbioma intestinale svolge un ruolo così importante nelle malattie cardiovascolari.
Sorprendentemente, lo studio ha anche dimostrato che i batteri normalmente considerati utili possono talvolta diventare dannosi. Microbi come l’Akkermansia muciniphila e l’F. prausnitzii, spesso considerati specie “amichevoli”, sembrano agire in modo diverso a seconda che provengano da un intestino sano o malato. Questa doppia natura, secondo Kim, evidenzia come il contesto possa trasformare anche i microbi protettivi in agenti patogeni.
I risultati hanno anche dimostrato quanto sia complesso collegare determinati batteri al decorso delle malattie. Ricerche precedenti avevano riportato che alcune specie della famiglia delle Lachnospiraceae diminuiscono nelle persone affette da CHD. Tuttavia, il team di Kim ha scoperto che altre specie di Lachnospiraceae stanno effettivamente aumentando in frequenza. “I Lachnospiraceae sono forse una sorta di Dr. Jekyll e Mr. Hyde dell’intestino”, ha detto Kim. Alcune specie sembrano essere utili, mentre altre possono aggravare le malattie. La grande domanda senza risposta ora è quali ceppi siano benefici e quali causino problemi.
Verso una medicina microbica di precisione
I ricercatori intendono combinare i dati microbici con le informazioni genetiche e metaboliche per comprendere meglio come i microbi intestinali influenzano le malattie cardiache a livello meccanicistico. Il loro obiettivo a lungo termine è quello di sviluppare trattamenti di precisione che utilizzino le conoscenze microbiche per prevenire le malattie cardiovascolari prima che si manifestino.
Kim ha sottolineato che la prevenzione è l’approccio più promettente per ridurre l’impatto globale delle malattie cardiache. Le strategie possibili potrebbero includere terapie microbiche, come screening diagnostici basati sulle feci, o interventi nutrizionali volti a ripristinare i batteri benefici o inibire i processi dannosi. Identificando i tipi specifici di batteri e i meccanismi biologici, gli scienziati si avvicinano all’utilizzo del microbioma intestinale come strumento efficace per mantenere la salute del cuore.