Uno sforzo collaborativo di un team di ricercatori di tre istituzioni tra cui il Marine Biological Laboratory (MBL) a Woods Hole, il Forsyth Institute di Cambridge e la Washington University di St. Louis hanno fornito un primo assaggio di come le comunità microbiche nell'intestino - conosciute collettivamente come microbioma intestinale - sono organizzate spazialmente, scoprendo un sorprendente grado di miscelazione tra diversi membri batterici.

Lo studio, che apparirà nel numero del 13 ottobre di Gli Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze (PNAS) , è il primo ad esaminare la struttura tridimensionale di una vasta gamma di microbi intestinali e scopre alcune forti differenze tra il paesaggio microbico dell'intestino e quelli di altri siti corporei, come la bocca.

"Nessuno ha mai osservato una complessa comunità microbica nell'intestino in questo modo prima d'ora, ", ha affermato l'autore senior Gary Borisy, un ricercatore senior presso il Forsyth Institute. "Se vogliamo veramente capire il ruolo del microbioma, non è sufficiente sapere solo quali microbi sono presenti. Dobbiamo anche imparare cosa stanno facendo, con chi stanno parlando e perché. Parte della risposta a questo problema è capire chi è vicino a chi e chi è vicino a cosa".

Questo è esattamente ciò che Borisy e i suoi colleghi, tra cui la prima autrice Jessica Mark Welch del Marine Biological Laboratory e i colleghi del laboratorio Gordon alla Washington University di St. Louis, deciso di fare. Il team di ricerca ha introdotto 15 diverse specie batteriche in topi privi di germi, creazione di un modello umanizzato del microbioma intestinale. Sebbene sia solo una rappresentazione parziale dell'intera serie di microbi che si trovano tipicamente nell'intestino umano, questa comunità microbica semplificata ha fornito un'opportunità chiave per esplorare come i microbi si assemblano in quartieri distinti.

"Abbiamo usato sonde che illuminavano ciascuna delle specie batteriche con un colore diverso, in modo da poter vedere esattamente come erano disposti i batteri l'uno rispetto all'altro e rispetto a punti di riferimento come cibo e tessuto ospite, " ha detto Jessica Mark Welch, scienziato associato con il Marine Biological Laboratory.

Sulla base di studi precedenti sul microbioma intestinale e delle proprie ricerche sul microbioma orale (in particolare la placca che si forma sui denti), il team di ricerca si aspettava di vedere una quantità significativa di struttura.

"Nei siti che abbiamo esaminato finora in bocca, vediamo comunità microbiche altamente ordinate - tanto che potresti immaginarle come organi multicellulari, come un fegato o una ghiandola del timo, " ha spiegato Borisy. "Sono fatti di cellule batteriche, Certo, ma ci sono molti diversi tipi di cellule organizzati in modo altamente strutturato come un organo corporeo".

Ma non è quello che hanno trovato. Nell'intestino, i ricercatori hanno osservato un alto grado di miscelazione tra i microbi - non una miscela completamente omogenea, ma ancora altamente interconnessi. "Lo paragoniamo a un bioreattore, dove le cose sono mescolate e ben mescolate, " ha aggiunto Boris.

Anche se questo modello di microbioma intestinale mancava di una struttura altamente organizzata, i ricercatori hanno identificato alcuni "micro"-habitat, dove le cellule batteriche tendono a radunarsi. Questi siti includono il tessuto che riveste la superficie interna dell'intestino (l'"epitelio"), che è tipicamente ricoperto da uno strato di muco. Comprendono anche lo spazio centrale (il "lumen"), dove vengono raccolti cibo e muco. Mentre le popolazioni microbiche in questi luoghi variavano in qualche modo nella loro composizione generale, cioè, le proporzioni relative dei diversi batteri possono variare - i ricercatori non hanno osservato differenze evidenti, come una specie batterica che si trova esclusivamente in un sito e non in un altro.

"Pensiamo che l'ospite stia omogeneizzando la comunità microbica, usando le contrazioni muscolari per mescolare il contenuto dell'intestino e spingerlo contro la parete intestinale, e lo sfaldamento del muco e delle cellule epiteliali dalla parete nel lume, " ha aggiunto Mark Welch. "Può darsi che questa miscelazione sia ciò che consente una relazione stabile tra l'ospite e i microbi".

La capacità dei ricercatori di risolvere questo intricato quadro microbico deriva da una strategia sperimentale in cui Borisy ei suoi colleghi combinano tecnologie e metodi sofisticati. Questi includono tecniche chimiche che consentono di etichettare 15 diversi microbi; metodi di imaging avanzati in grado di rilevare e risolvere queste etichette; microscopia all'avanguardia in grado di tagliare i tessuti otticamente (piuttosto che fisicamente) per visualizzare complessi, provini tridimensionali; e software che facilita l'analisi e la ricostruzione di centinaia di immagini biologiche. Questo approccio innovativo è stato applicato per la prima volta agli studi sul microbioma della placca, pubblicato da Borisy e dai suoi colleghi nel 2016, e più recentemente al microbioma intestinale, come descritto nel loro nuovo studio PNAS.

Sebbene il microbioma intestinale possa sembrare scollegato da quelli che si trovano in altre parti del corpo, ci sono lezioni cruciali che possono emergere studiandole in modo olistico. La maggior parte del lavoro del Forsyth Institute riguarda il microbioma orale con l'obiettivo fondamentale di comprendere meglio le comunità microbiche. Oltre a comprendere meglio quali sono le regole per governare un particolare microbioma studiando una varietà di siti nel corpo, è anche possibile che le comunità microbiche, sebbene fisicamente separate, possano interagire in modi che influenzano la salute.

Borisy ha sottolineato che questo tipo di ricerca sul microbioma è agli inizi. Tuttavia, è essenziale per sviluppare una profonda comprensione della funzione microbica. "Immagina di venire a Boston e qualcuno ti consegna un elenco telefonico di tutti coloro che vivono lì. È fantastico, ora hai un elenco di chi è lì. Ma dimmi, quanto hai imparato su Boston come città?"