Una ricerca recente e approfondita sull’influenza del microbiota intestinale, della dieta e dell’esercizio fisico sulla permeabilità intestinale. Tetiana R. Dmytriv et al. 2024. DOI 10.3389/fphys.2024.1380713.
In Evidenza
1. La parete intestinale [1] è composta da tre strati: mucosa, epiteliale e lamina propria. Lo strato mucoso è abitato da microrganismi, molti dei quali coesistono reciprocamente beneficamente all’interno del corpo umano. Questi microrganismi modulano molti se non la maggior parte dei processi viventi: dallo sviluppo del sistema immunitario e nervoso nelle prime fasi della vita all’induzione dell’infiammazione cronica che causa neurodegenerazione nell’invecchiamento. Nonostante il fatto che questi microrganismi abbiano coesistito con gli esseri umani per molti anni, in determinate condizioni il sistema immunitario enterale della lamina propria può percepirli come estranei e innescare una risposta pro-infiammatoria.
2. Normalmente, la mucosa intestinale è semipermeabile. Consente l’assorbimento selettivo dei nutrienti nel flusso sanguigno, ma impedisce l’ingresso di microrganismi potenzialmente dannosi e dei loro prodotti di scarto dal contatto con il sistema immunitario enterale. Uno squilibrio del microbiota intestinale, chiamato disbiosi, può causare un disturbo dell’integrità intestinale e aumentare la permeabilità intestinale.
3. L’eccessiva permeabilità della parete intestinale provoca lo sviluppo di un’infiammazione cronica di basso grado.
4. La nutrizione sembra essere il più semplice agente non farmacologico di integrità e permeabilità della parete intestinale. Può avere sia un effetto negativo, come l’HFD che induce l’endotossemia metabolica, sia un effetto positivo, come una dieta ricca di polifenoli vegetali o prodotti lattiero-caseari fermentati, aumentando l’espressione delle proteine TJ [2] e promuovendo lo sviluppo di batteri benefici.
5. L’esercizio fisico può anche influenzare la permeabilità intestinale. I suoi effetti dipendono dalla durata e dall’intensità dell’esercizio. Lo sforzo fisico acuto esteso spesso aumenta la permeabilità intestinale che può essere correlata all’induzione dello stress da calore, che gli organismi non possono far fronte in quel momento a causa delle risorse insufficienti. D’altra parte, gli esercizi regolari di bassa e moderata intensità, che sono di natura adattiva, hanno per lo più un effetto positivo sull’integrità dell’intestino e ne riducono la permeabilità.
La ricerca
“La parete intestinale è una barriera selettivamente permeabile tra il contenuto del lume intestinale e l’ambiente interno del corpo. I disturbi della permeabilità della parete intestinale possono potenzialmente portare a un’attivazione indesiderata del sistema immunitario enterico a causa di un contatto eccessivo con il microbiota intestinale e i suoi componenti e lo sviluppo di endotossemia, quando il livello di lipopolisaccaridi batterici aumenta nel sangue, causando infiammazione cronica a bassa intensità. In questa revisione, vengono trattati i seguenti aspetti: la struttura della barriera della parete intestinale; l’influenza del microbiota intestinale sulla permeabilità della parete intestinale attraverso la regolazione del funzionamento delle proteine a giunzione stretta, la sintesi/degradazione del muco e degli effetti antiossidanti; i meccanismi molecolari di attivazione della risposta proinfiammatoria causata dall’invasione batterica attraverso le cascate di segnalazione TIRAP/MyD88 e TRAM/TRIF indotte da TLR4; l’influenza della nutrizione sulla permeabilità intestinale e l’influenza dell’esercizio fisico con un’enfasi sullo stress da calore indotti dall’esercizio e sull’ipossia. Nel complesso, questa revisione fornisce alcune informazioni su come prevenire l’eccessiva permeabilità della barriera intestinale e i processi infiammatori associati coinvolti in molte, se non nella maggior parte delle patologie. Alcune diete e l’esercizio fisico dovrebbero essere approcci non farmacologici per mantenere l’integrità della funzione di barriera intestinale e fornire il suo funzionamento efficiente. Tuttavia, in tenera età, l’aumento della permeabilità intestinale ha un effetto ormetico e contribuisce allo sviluppo del sistema immunitario.
Introduzione
La parete intestinale è un sistema complesso composto da quattro strati: mucosa, sottomucosa, muscolo e serosa. Il termine “barriere intestinale” enfatizza la componente protettiva della parete intestinale, mentre la permeabilità intestinale è una caratteristica misurabile dello stato funzionale della barriera intestinale (Bischoff et al., 2014). La parete fornisce un assorbimento selettivo di nutrienti e altri componenti del lume intestinale. Allo stesso tempo, la barriera intestinale protegge il corpo dall’ingresso di sostanze estranee indesiderate, particelle di cibo, microrganismi e loro componenti. Negli organismi normalmente funzionanti, la permeabilità della parete intestinale è strettamente controllata, ma il suo disturbo, se non adeguatamente fissato, può portare a molte, se non la maggior parte, patologie acquisite (Gieryńska et al., 2022).
Il tratto gastrointestinale (GIT) è abitato da diversi microbi chiamati microbiota intestinale che formano una comunità molto dinamica.
Figura 1 La struttura schematica della barriera intestinale. Per i dettagli vedi il testo.
L'”Ipotesi dei vecchi amici” suggerisce che le persone si sono evolute con molti microbi che, oltre a molte funzioni fisiologiche, stimolano anche lo sviluppo del sistema immunitario e ne regolano il funzionamento (Rook, 2023). Gli antigeni microbici sono sotto costante sorveglianza da parte del sistema immunitario enterico. Le cellule T immunitarie regolatorie sono responsabili del mantenimento della tolleranza immunitaria del microbiota intestinale omeostatico (Wu e Wu, 2012). Tuttavia, l’aumento della permeabilità intestinale può promuovere la traslocazione dei batteri luminali e dei modelli molecolari associati ai microbi, in particolare i lipopolisaccaridi (LPS) dall’intestino al flusso sanguigno, innescando lo sviluppo di endotossemia e infiammazione cronica a bassa intensità (Vanuytsel et al., 2021). L’endotossemia indotta dalla dieta è definita come endotossemia metabolica. Ad esempio, Cani et al. (2007) hanno stabilito che una dieta ricca di grassi ha aumentato cronicamente le concentrazioni plasmatiche di LPS da due a tre volte.
I lipopolisaccaridi endogeni LPS vengono costantemente rilasciati a causa della morte di batteri Gram-negativi nell’intestino. Con un aumento della permeabilità della barriera intestinale, gli LPS vengono assorbiti nel flusso sanguigno portale, da dove vengono trasportati dalle lipoproteine direttamente nel fegato, formando l’asse intestino-fegato. Inoltre, sono metabolizzati dagli enzimi epatici ed escreti con la bile. Tuttavia, se la loro degradazione o l’escrezione biliare sono compromesse, l’LPS può raggiungere la circolazione sistemica, dove si lega al recettore Toll-like 4 (TLR4) su leucociti, cellule endoteliali e piastrine, causando infiammazione arteriosa. In definitiva, questo porta all’attivazione della coagulazione del sangue e alla formazione di trombi, che dimostra che l’infiammazione indotta da LPS associata all’aumento della permeabilità della parete intestinale può essere coinvolta nello sviluppo dell’aterosclerosi e delle malattie trombotiche (Violi et al., 2023). In generale, la rottura della funzione di barriera intestinale è coinvolta in molte malattie correlate e non correlate al GIT, tra cui la malattia infiammatoria intestinale, la malattia epatica associata alla disfunzione metabolica, il malassorbimento degli acidi biliari, la celia, il diabete di tipo I, l’obesità, la schizofrenia e altre (Vanuytsel et al., 2021). Potenzialmente, questo potrebbe essere superato da un intervento non farmacologico basato su dieta ed esercizi (Pražnikar et al., 2020; Ordille e Phadtare, 2023) che promuovono un ecosistema intestinale sano e alleviano i sintomi di molte patologie.
In questa recensione, descriviamo la struttura della parete intestinale e i meccanismi molecolari della risposta pro-infiammatoria causata dall’invasione batterica a causa del disturbo della permeabilità della parete intestinale, nonché le influenze del microbiota intestinale, della dieta e degli esercizi sulla permeabilità della parete intestinale. Diete specifiche ed esercizi regolari a bassa e moderata intensità sono proposti come approcci non farmacologici efficaci per mantenere l’integrità della parete intestinale e il suo funzionamento efficiente. Tuttavia, in tenera età, la perdita controllata dell’intestino può essere necessaria per innescare lo sviluppo del sistema immunitario attraverso meccanismi ormetici.
2 La struttura della barriera intestinale
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3 Permeabilità intestinale
La semipermeabilità o permeabilità selettiva è una caratteristica cruciale della parete intestinale. Limita la penetrazione degli agenti patogeni ma consente la permeabilità di nutrienti, acqua e ioni. I fattori endogeni (ad esempio, infiammazione) ed esogeni (ad esempio, componenti dietetici, sostanze tossiche o farmaci) possono aumentare la permeabilità intestinale e causare la formazione di un cosiddetto “intestino permeabile”. Quest’ultimo è caratterizzato dalla penetrazione di antigeni alimentari, commensali o batteri patogeni nel sangue, causando lo sviluppo di infiammazione (Vanuytsel et al., 2021). Alcune malattie possono anche agire come fattore dirompente della barriera intestinale. Ad esempio, diversi studi dimostrano che l’iperglicemia, una caratteristica chiave del diabete, induce la disfunzione della barriera intestinale (Thaiss et al., 2018; Dubois et al., 2023). L’esposizione prolungata al glucosio ad alti livelli aumenta la capacità di migrazione della linea cellulare del colon umano Caco-2, con il risultato che gli strati appaiono meno organizzati rispetto alle condizioni fisiologiche. In particolare, questo è associato a una diminuzione dell’espressione delle proteine della giunzione stretta (TJ), che contribuisce all’interruzione della rete strutturale ad esse associata e a un aumento della permeabilità della barriera intestinale (Dubois et al., 2023). A sua volta, questo contribuisce alla penetrazione dei batteri luminali e allo sviluppo della disbatteriosi con conseguente infiammazione. Ad esempio, Harbison et al. (2019) hanno dimostrato che i bambini con diabete di tipo I hanno disbiosi del microbiota intestinale associata ad un aumento della permeabilità intestinale. In particolare, sono stati osservati una minore diversità microbica, un numero inferiore di specie batteriche antinfiammatorie e batteri produttori di SCFA, e questi cambiamenti non sono stati spiegati dalle differenze nella dieta. Pertanto, alcune malattie, tra cui il diabete, possono anche svolgere il ruolo di disgregatori della barriera intestinale.
Mucus and epithelium are the most important components of the intestinal barrier that limit the development of inflammation. The mucous layer consists of two sublayers (Figure 1). The outerlayer is thick and loose. It is inhabited by a large number of commensal microorganisms that form colonies, and under healthy conditions pathogenic bacteria cannot outgrow them or penetrate further. In other words, homeostatic microorganisms efficiently compete with potentially pathogenic ones and prevent their excessive proliferation. The inner sublayer, on the contrary, is solid and contains only a few microbes (Usuda et al., 2021). The gut microbiota plays a major role in changing the composition of mucus, regulating its synthesis and degradation.
Epithelial cells are connected by TJ proteins (Lee et al., 2018) which regulate the absorption of water, ions, and dissolved substances. They include two functional categories of proteins: integral transmembrane proteins, located at the border of adjacent cell membranes, and adaptive peripheral membrane proteins that connect integral proteins with the actin cytoskeleton. The former includes occludin, claudins, junctional adhesion molecules, and tricellulin whereas the latter include zonula occludens-1 (ZO-1), ZO-2, and ZO-3 (Lee et al., 2018). The gut microbiota can influence the expression and localization of all of these TJ proteins.
3.1 Influence of the gut microbiota on tight junction proteins
TJ proteins regulate the rate of paracellular transport including the transport of consumed nutrients via the path between neighboring epithelial cells. In electron micrographs TJ proteins look like points of fusion of the membranes of neighboring cells where there is no intercellular space in these places (Gonzalez- Mariscal et al., 2003). They play the role of sensors of environmental conditions that dynamically regulate the paracellular transport of solutes (Ulluwishewa et al., 2011). Dysregulation of TJ proteins can lead to excessive permeability of the intestinal barrier.
Bacteria can change the expression and distribution of TJ proteins and thus affect intestinal permeability. For example, some pathogenic strains of Escherichia coli, including E. coli O157:H7 strain which causes bloody diarrhea, produce toxins such as Shiga toxins (STx). The latter suppress protein biosynthesis and contribute to the development of hemolytic uremic syndrome, which is a life-threatening complication. Pradhan et al. (2020) found that STx2a decreases the expression of TJ proteins such as ZO-2, occludin, and claudin-1 (Pradhan et al., 2020). However, this strain requires the presence of non-pathogenic E. coli, which enhances the expression of Stx2a. In this way, non- pathogenic E. coli decreases the expression of TJ proteins, increasing the production of the STx2a toxin by E. coli O157:H7 strain (Xiaoli et al., 2018). This indicates that, under certain conditions, even non- pathogenic microbiota can have a negative impact on intestinal wall permeability. Contrarily, the use of probiotics (living microorganisms that are beneficial to the host organism when administered in adequate amounts) may contribute to the integrity of the intestinal barrier (Ulluwishewa et al., 2011; Gou et al., 2022). In particular, Lactobacillus and Bifidobacterium species are the most commonly used probiotics. For example, Lactobacillus reuteri increases the expression of TJ proteins and thus supports the integrity of the intestinal wall (Gou et al., 2022). Oral administration of L. reuteri I5007 significantly increased the levels of claudin-1, occludin, and ZO-1 in newborn piglets. An in vitro study showed that pretreatment of intestinal porcine epithelial cell line J2 with this bacterial strain suppressed a LPS-induced decrease in TJ protein expression (Yang et al., 2015). Administration of L. plantarum into the duodenum of healthy people increased the level of ZO-1 and occludin. However, L. plantarum did not significantly affect expression of occludin in vitro human epithelial model but induced translocation of ZO-1 into the TJ region which forms a paracellular seal between epithelial cells (Karczewski et al., 2010; Caminero et al., 2023). Bifidobacterium infantis and L. acidophilus prevented dysregulation of occludin and claudin-1 levels in colon carcinoma cell line (Caco-2) stimulated by IL-1β treatment. These strains normalized their expression and contributed to the integrity of the intestinal barrier (Guo et al., 2017). For convenience, we have summarized some available information regarding the influence of different probiotic bacterial strains on TJ proteins in Table 1. In general, probiotic bacteria can both increase and decrease TJ proteins. However, in most cases, this does not cause excessive intestinal permeability, but on the contrary, normalizes it and contributes to its integrity.
Antibiotics used to treat bacterial infections may adversely affect the gut microbiota. They cause an imbalance between specific groups of bacteria and trigger the development of dysbacteriosis (Tulstrup et al., 2015). Dysbacteriosis, in turn, contributes to intestinal permeability. An increase in the population of pathogenic bacteria at dysbacteriosis which probably produce higher levels of LPS, can damage epithelial cells of the intestinal barrier and contribute to increased intestinal permeability. For example, it was shown that changes in the microbial composition correlated with an increase in intestinal permeability in alcohol- dependent subjects (Leclercq et al., 2014).
In addition, the gut microbiota is a significant source of digestive proteases used to break down host proteins for their own needs. However, excessive activity of microbial proteases can disrupt the epithelial components of the intestinal barrier due to cleavage of TJ proteins. In turn, changes in TJ proteins lead to an increase in the paracellular permeability of the epithelial barrier (Caminero et al., 2023).
3.2 The role of gut microbiota in biosynthesis and degradation of mucous layer components
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3.3 Antioxidant effects of intestinal microorganisms
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4 Molecular mechanisms of the activation of pro-inflammatory response caused by bacterial invasion
Dysbacteriosis of the gut microbiota can lead to disruption of intestinal barrier function and immune homeostasis. Increased intestinal permeability facilitates the translocation of microbes, their components, and microbial products into the blood stream and their recognition by the host immune cells (Longo et al., 2020). The gut microbiota is the main reservoir of pro-inflammatory endotoxins inside the body. In particular, LPS, the main component of the outer membrane of Gram-negative bacteria, can cause so-called endotoxemia. The latter develops when the level of LPS in the blood increases and this leads to the activation of a pro-inflammatory immune response triggering systemic low-grade inflammation (André et al., 2019). A diet-induced increase in LPS concentration in the blood is called metabolic endotoxemia. The level of LPS in the blood serum of mice that consumed high-fat diet (HFD) for 4 weeks is similar to its level in metabolic endotoxemia (Mohammad and Thiemermann, 2021). This clearly shows how nutrition can affect intestinal permeability and immune response.
The dynamic interaction between the gut microbiota and the intestinal immune system plays a key role in maintaining intestinal homeostasis. Host cells contain pattern recognition receptors (PRRs) which recognize bacterial pathogen-associated molecular patterns (PAMPs). The latter are highly conserved bacterial motifs, possessed in LPS, oligodeoxynucleotides, peptidoglycans, and others that can trigger host immune response (Asiamah et al., 2019).
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4.1 Early/late activation of inflammation by TIRAP/MyD88 and TRAM/TRIF signaling cascades
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Some dairy products, such as kefir, have long been studied as regulators of intestinal integrity. For example, consumption of kefir for 21 days by healthy people with two washout periods in-between decreased the serum level of zonulin (Novak et al., 2020) Kefir diet also normalized zonulin level in overweight people (Pražnikar et al., 2020). Zonulin is a protein that increases the permeability of the intestinal barrier and is often involved in the development of autoimmune diseases, including type I diabetes. Zonulin causes TJ disassembly and thus violates the intestinal barrier (Fasano, 2011). Therefore, zonulin is considered a serum marker of the integrity of the intestinal wall.
Polyphenolic compounds (secondary plant metabolites with a long list of beneficial properties for humans) are other food components that improve intestinal integrity. Flavonoids are among most abundant representatives of this group. They are found mostly in fruits, vegetables, grains, tea, and wine (Kasprzak-Drozd et al., 2021). For example, the flavonoid quercetin increased intestinal integrity, as studied in Caco-2 cells (Suzuki and Hara, 2009). This effect was associated with the assembly of ZO-2, occludin and claudin-1, as well as increased expression of claudin-4 and transepithelial electrical resistance. The electrical resistance of epithelial cells is a reliable indicator of the integrity and permeability of the cell monolayer and TJ (Srinivasan et al., 2015). The consumption of quercetin in food increased the mRNA levels of occludin and ZO-1 in pigs that was accompanied by a decrease in serum endotoxin (Zou et al., 2016), a marker of metabolic endotoxemia frequently associated with increased intestinal permeability. The flavonoid kaempferol may have similar effects. In a study on Caco-2 cells during the first 6 hours after kaempferol administration, transepithelial electrical resistance increased significantly and this correlated with the assembly of occludin and claudin-3 (Suzuki et al., 2011).
A meta-analysis performed to study the effects of oral administration of phenolic compounds on the integrity of the intestinal barrier in animals confirmed their beneficial effects. In particular, the improvement of intestinal wall integrity occurs due to the three main mechanisms: i) increased expression of TJ proteins, ii) decreased levels of pro-inflammatory molecules, and iii) increased intracellular antioxidant potential (Sandoval-Ramírez et al., 2021).
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Thus, nutrition can affect the integrity of the intestine and this is often associated with various pathological conditions. The effect mainly occurs at the level of modulation of gut microbiota composition and regulation of TJ protein operation. In this regard, healthy nutrition can be considered as a promising way to attenuate various pathologies.