Studi clinici

Malattia renale e microbioma

Il metabolismo del microbioma spiega il coinvolgimento dell’asse intestino-rene sulla patologia renale.

Yuan-Yuan Chen,Dan-Qian Chen,Lin Chen ,Jing-Ru Liu,Nosratola D. Vaziri,Yan Guo, Ying-Yong Zhao

Journal of Translational Medicine volume 17 , Articolo numero:  5 ( 2019 ) 

  https://doi.org/10.1186/s12967-018-1756-4

Abstract

La disbiosi caratterizza i cambiamenti nella composizione e nella struttura delle comunità batteriche del microbiota intestinale, una condizione che può determinare il fenotipo fisiologico (la salute o la malattia dell’ospite). I recenti progressi tecnologici e gli sforzi nelle analisi metagenomiche e metabolomiche hanno portato ad una formidabile crescita della nostra comprensione del ruolo del microbioma, ma i meccanismi alla base delle interazioni tra microbioma intestinale e ospite nella condizione di sanità o malattia rimangono ancora difficili da decodificare nei dettagli; per ora si è compreso che tutto viene determinato  nell’infanzia. 

La modificazione  del microbiota intestinale normale può portare alla disbiosi intestinale, ad una disfunzione della barriera intestinale e quindi alla traslocazione batterica. Con la perdita progressiva della sua funzione il rene perde la capacità di eliminare sia le sostanze provenienti dal metabolismo umano, sia quelle del suo simbionte, il microbiota intestinale. Alcune di queste sostanze sono annoverate nella categoria delle tossine uremiche: tra quelle di derivazione intestinale le principali e più studiate sono p-cresil solfato (PCS) e indossil solfato (IS) e trimetilammina-N-ossido. Queste tossine uremiche eccessive sono prodotte a seguito dell’alterazione del microbiota intestinale, e sono tutte implicate nei vari processi di sviluppo delle malattie renali. Questo studio, condotto in Cina e pubblicato sul Journal of Translational Medicine, si è concentrato sull’associazione tra microbiota intestinale e malattie renali (l’asse intestino-rene), che può degenerare in nefropatia da IgA, nefrolitiasi, ipertensione, danno renale acuto, emodialisi e dialisi peritoneale. In questo studio sono stati osservati interventi mirati, tra i quali alcune misure probiotiche, prebiotiche e simbiotiche e sono state studiate le loro potenzialità nel riuscire a ristabilire una corretta eubiosi, quindi sono suggerite le strategie più efficaci nel trattamento delle persone con malattie renali. Le nuove intuizioni sulla disbiosi del microbiota intestinale nelle malattie renali sono utili per sviluppare nuove strategie terapeutiche come anche per prevenire o attenuare le malattie e le complicanze renali.

 Il microbiota nell’intestino umano sano è una comunità complessa di oltre 100 trilioni di cellule microbiche tra cui più di 1000 specie diverse [ 1 ]. Nella condizione sana, questi microbi vivono in una relazione commensale con il loro ospite, modulando il sistema immunitario, proteggendo dagli agenti patogeni e regolando il metabolismo endogeno di carboidrati e lipidi, contribuendo così all’equilibrio nutrizionale [ 2 ]. Le alterazioni del microbiota sono sempre più legate allo sviluppo di diverse malattie come obesità, cancro, diabete, malattie infiammatorie intestinali, malattie cardiovascolari e malattie renali [ 3 ]. La figura  1rappresenta la disbiosi del microbioma intestinale e la sua influenza nell’innesco di diverse malattie. La disbiosi, nel microbiota intestinale, è stata implicata nella progressione di diverse malattie renali [ 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 ]. Infatti, negli stati uremici caratteristici della ritenzione di tossine uremiche, viene spesso rilevata la disbiosi, e la maggior parte di quelle tossine uremiche derivano dalla fermentazione squilibrata dei metaboliti dell’azoto. Queste tossine uremiche contribuiscono alla progressione e alle complicanze della patologia renale cronica11 , 12 , 13 , 14 , 15 ].

 

 

 

Fig. 1. Il coinvolgimento della disbiosi del microbiota intestinale nell’innesco di varie malattie. Le alterazioni del microbiota intestinale e la permeabilità intestinale aumentata sono associate a malattie renali croniche, malattie cardiache, obesità, malattie degli acidi grassi non alcoliche, artrite reumatoide e depressione.

Fig.1 Immagine a dimensione intera

 

Questo studio clinico si concentra sull’associazione patogena tra microbiota intestinale e malattie renali (l’asse intestino-rene), Malattia Renale Cronica (acronimo in inglese CKD), emodialisi, dialisi peritoneale, nefropatia da immunoglobulina A (IgAN), nefrolitiasi, ipertensione e lesioni renali acute (AKI). Lo studio, analizzando tutti gli studi relativi precedenti e riassumendone i risultati, è arrivato alla conclusione che prebiotici e probiotici e la loro combinazione sono importanti terapie adiuvanti per il trattamento della patologia renale cronica. Il microbiota intestinale disbiotico costituisce quindi un potenziale bersaglio terapeutico per prevenire o sfruttare le complicanze.

  

Applicazione degli approcci del microbioma intestinale al metaboloma.

La creazione di tecnologie avanzate di sequenziamento di prossima generazione, tra cui la metagenomica e l’analisi sequenziale dell’RNA ribosomiale 16S (rRNA), ha facilitato l’analisi di un numero molto maggiore di microrganismi intestinali. Entrambi gli approcci hanno i loro vantaggi. Il sequenziamento metagenomico ha lo scopo di determinare “cosa possono fare” sequenziando in modo casuale tutto il DNA estratto nel campione [ 16 ], mentre l’analisi dell’rRNA 16S è stata più utile nel trovare “chi c’è?” sequenziando il gene conservato dell’rRNA 16S presente in tutti i batteri [ 17 ]. L’analisi funzionale della metagenomica dipende fortemente dalle nostre conoscenze di base su come funziona il codice delle sequenze geniche nelle funzioni enzimatiche o di altro tipo, e i database metabolici come KEGG e MetaCyc sono state grandi risorse di analisi.

La figura 2 riassume alcune metodologie utilizzate nello studio del microbioma. Nonostante alcuni progressi nei flussi di lavoro di sequenziamento del microbioma, la ricerca sul microbioma intestinale ha ancora davanti molte sfide da affrontare. La comprensione limitata della funzione microbica nella causalità della malattia impedisce pesantemente la generazione di ipotesi relative a complessi collegamenti meccanicistici tra microbioma intestinale e malattie. La metabolomica (lo studio sistematico tutte le sostanze che sono in grado di partecipare ai processi di un organismo e delle loro impronte chimiche lasciate negli specifici processi cellulari) potrebbe invece fornire alcune informazioni importanti nella comprensione del coinvolgimento del microbioma intestinale.

 

Fig.2 Flussi di lavoro per approcci basati sulla 16S e metagenomica. I campioni di comunità microbiche contengono varie specie di batteri e altri microrganismi, qui indicati da diversi colori e forme. Dopo l’estrazione totale del DNA, la composizione della comunità è stata rilevata amplificando e sequenziando il gene dell’rRNA 16S. Sequenze molto simili sono raggruppate in OTU, che sono state etichettate in confronto a database di organismi riconosciuti. Le OTU hanno fornito la presenza/assenza, l’abbondanza o la diversità filogenetica. Il DNA metagenomico totale può essere sequenziato e confrontato con database orientati alla funzione per analizzare le funzioni biomolecolari e metaboliche presenti nella comunità. Inoltre, il DNA di comunità sequenziato può essere confrontato con i genomi di riferimento.

Fig. 2 Immagine a dimensione intera

La metabolomica è stata perciò definita come “la misurazione quantitativa della risposta metabolica multiparametrica dinamica degli organismi viventi alla stimolazione fisiopatologica o alle modificazioni genetiche” [ 18 , 19 , 20 , 21 ]. 

Come strumento importante per comprendere la funzione del microbiota intestinale, la metabolomica è emersa come un approccio sistematico ai metaboliti endogeni a basso peso molecolare e può esaminare i loro cambiamenti a seguito della malattia, dell’esposizione tossica o della variazione genetica [ 22 , 23 , 24 ]. La spettroscopia di risonanza magnetica nucleare e l’approccio basato sulla spettrometria di massa sono i principali strumenti analitici per la ricerca metabolomica [ 24 , 25]. Come potente piattaforma analitica, recentemente la metabolomica è stata ampiamente applicata per facilitare la diagnosi e la prognosi di varie malattie, la scoperta di biomarcatori, lo sviluppo farmaceutico e la valutazione dell’efficacia/tossicità dei farmaci [ 26 , 27 , 28 , 29 , 30 , 31 ]. La metabolomica è stata ampiamente utilizzata negli studi su varie malattie renali [ 18 , 19 , 20 ]. Tuttavia, l’applicazione della metabolomica sui campioni influenzati dal microbioma intestinale nelle malattie renali è rara. Questo tipo di studio è essenziale per comprendere i legami tra microbiota intestinale e malattie renali.

Nel complesso, per conoscere il microbioma intestinale iniziale dell’individuo e i dati del suo metaboloma sarebbe necessario approfondire i meccanismi di comprensione e conoscenza dei diversi fenotipi nei diversi collegamenti tra microbiota intestinale e malattie renali, attraverso la ricerca di tutte quelle scienze che vengono definite multi-omiche (scienze omiche: genomica, trascrittomica, proteomica, metabolomica.)

 

La diafonia sottostante all’asse intestino-rene

Il microbioma intestinale come potenziale fonte di tossine uremiche

Le tossine uremiche sono classificate tradizionalmente in base alle caratteristiche fisico-chimiche che influenzano la loro clearance durante la dialisi. Queste contengono molecole solubili in acqua basse (peso molecolare <500 Da), molecole medie più grandi (peso molecolare> 500 Da) e molecole legate alle proteine. Le tossine urremiche possono anche essere classificate in base al loro sito di origine: endogeno (metabolismo dei mammiferi), esogeno (dieta) o microbico. Attualmente, le tossine uremiche derivate dall’intestino comprendono indoxil solfato, p- cresil solfato, acido acetico indolo-3, TMAO e fenilacetilglutamina; si è riscontrato che questi si associano a malattie cardiovascolari, mortalità nella malattia renale cronica e altre tossicità per gli organi terminali.

L’indossilsolfato e l’acido acetico indolo-3 sono prodotti dal metabolismo alimentare del triptofano [ 32 , 33 ]. Il triptofano viene metabolizzato in indolo dalla triptofanasi di batteri intestinali come l’ Escherichia coli ; dopo l’assorbimento intestinale, l’indolo viene solfatato in indossil solfato nel fegato. L’indossilsolfato viene normalmente escreto nelle urine; non può essere efficacemente pulito con l’emodialisi convenzionale a causa della sua elevata affinità di legame con l’albumina [ 34 ].

Il p- colresolo / p -cresilsolfato è prodotto dal catabolismo della fenilalanina e tirosina da parte dei batteri intestinali anaerobici. p- colresolo è coniugato da microbi intestinali a p -cresil solfato e p- cresil glucuronide. Il p -Cresil solfato è una tossina dovuta alla sua alta concentrazione circolante e all’impatto biochimico nel corpo [ 35 ]. Il p- colresolo è coniugato anche nel fegato e può competere con gli xenobiotici che hanno struttura o porzione simili nella loro struttura scheletrica, che a loro volta possono influenzare i loro corrispondenti profili farmacocinetici/farmacodinamici (compresi tossicità / effetti avversi) [ 25 ] .

Il TMAO è un metabolita tossico derivato dall’intestino dal metabolismo batterico delle ammine quaternarie che includono betaina, L -carnitina o fosfatidilcolina che rilasciano trimetilammina [ 36 ]. La trimetilammina viene assorbita e convertita in TMAO dagli enzimi della flavina monoossigenasi nel fegato. A differenza dei metaboliti tossici legati alle proteine ​​come l’indossilsolfato e il  p -cresilsolfato, il TMAO può essere efficacemente rimosso mediante dialisi.

La fenilacetilglutamina è un altro prodotto microbico del colon, prodotto dalla fermentazione della fenilalanina. I microbi metabolizzano la fenilalanina in acido fenilacetico, che subisce la coniugazione della glutammina per formare la fenilacetilglutamina. Come TMAO, è dializzabile. È stato dimostrato che lo stato uremico induce cambiamenti nel microbiota intestinale. Nonostante nessuna differenza significativa nella quantità totale di microrganismi, è stata descritta un’erosione dei batteri aerobici da parte dei batteri anaerobici (in particolare Lactobacillus e Bifidobacterium ) [ 37 , 38 ]. L’aumento dei batteri anaerobici ha favorito la degradazione dei composti azotati nello stato uremico deteriorante [ 39 ].

Disbiosi del microbiota intestinale e disfunzione della barriera dell’epitelio intestinale.

L’epitelio intestinale è un singolo strato di cellule epiteliali che separa il lume intestinale dalla lamina propria sottostante [ 40 ]. Svolge un ruolo importante nell’assorbimento dei nutrienti ed è una barriera naturale che impedisce o inibisce la traslocazione sistemica di agenti patogeni e antigeni [ 40 ]. Queste cellule sono legate insieme da giunzioni strette (giunzioni serrate), formando un complesso multifunzionale che funge da  sigillo tra cellule epiteliali adiacenti [ 40 ]. I batteri probiotici migliorano la funzione di barriera epiteliale intestinale sia negli animali che nell’uomo [ 41 ]. Il trattamento delle cellule epiteliali umane con metaboliti del bifidobatterio infantis ha comportato un aumento delle proteine ​​di giunzione stretta ZO-1 e occludina e tuttavia una riduzione della claudina-2, e quindi è stata indicata la selettività della giunzione stretta [ 42 ]. Inoltre, i batteri commensali aiutano a mantenere la barriera epiteliale intestinale sopprimendo l’infiammazione intestinale [ 43 ].

Il meccanismo è questo: l’urea viene idrolizzata dall’ureasi per produrre ammoniaca e carbammato che si decompone spontaneamente per produrre una seconda molecola di ammoniaca e bicarbonato. L’ammoniaca subisce quindi una reazione acido-base con acqua per produrre idrossido di ammonio. L’urea nel sangue si diffonde nel lume intestinale e viene metabolizzata dall’ureasi derivata da batteri, producendo NH 3 che viene idrolizzato in NH 4 OH, che va ad erodere la barriera epiteliale [ 38 , 44 ]. Questo ulteriore stimolo, all’afflusso di leucociti, evoca il secondo meccanismo in base al quale l’infiammazione locale e la produzione di citochine inducono retrazione ed endocitosi delle proteine ​​transcellulari a giunzione stretta (claudine e occludina) [ 45]. Come accennato in precedenza, gli SCFA dai batteri intestinali costituisce un’importante fonte di nutrienti per gli enterociti e teoricamente è proprio una modificazione della popolazione batterica che ha messo a rischio la salute della barriera epiteliale.

 

Microbioma intestinale nei pazienti con malattie renali

Le malattie renali sono state associate a congestione della parete intestinale, edema della parete intestinale, transito lento del colon, acidosi metabolica, uso frequente di antibiotici, riduzione del consumo di fibre alimentari e assunzione orale di ferro, che influiscono sulle giunzioni intestinali strette, portando ad una maggiore permeabilità intestinale e rendendo possibile il passaggio di prodotti metabolici batterici attraverso la barriera intestinale [ 46 , 47 , 48 , 49 ]. Di conseguenza, viene scatenata una risposta immunitaria [ 46 ]. La risposta immunitaria spiega l’infiammazione sistemica che contribuisce al deterioramento nella malattia renale [ 3 , 50]. Inoltre, l’aumento della secrezione di urea gastrointestinale provoca la disbiosi del microbiota intestinale e un aumento della formazione di ammoniaca tossica. Inoltre, l’integrazione di urea nell’acqua contribuisce all’alterazione del microbiota intestinale batterico [ 51 ]. La Figura  3  presenta il contributo dell’asse intestino-rene sulla fibrosi renale attraverso la disbiosi del microbiota intestinale e la disregolazione dei metaboliti endogeni.

Fig. 3

 

 

Fig.3 L’asse intestino-rene contribuisce al danno renale attraverso la disbiosi del microbiota intestinale e la disregolazione dei metaboliti endogeni. Il diagramma schematico ha presentato diversi importanti metaboliti coinvolti nella comunicazione tra microbiota ospite-intestino, originati dalla sintesi dalla conversione microbica dei nutrienti e dal successivo trasporto e interazione con i reni.

 Fig.3 Immagine a dimensione intera

Il microbiota intestinale nella patologia renale cronica

Prove crescenti suggeriscono che il microbioma intestinale si è modificato nei pazienti con insufficienza renale cronica. Approssimativamente, 190 unità tassonomiche operative microbiche (OTU) sono significativamente diverse (in abbondanza) quando il microbioma intestinale dei pazienti con malattia renale si trova nello stadio terminale (malattia renale allo stadio terminale) e questo dato viene fuori dai controlli con individui sani [ 52 ]. 

Sono stati osservati negli individui con patologie renali croniche [ 52 ]  un numero più basso di famiglie di Lactobacillaceae e Prevotellaceae (entrambi questi batteri sono invece considerati microbiota sano nei colon normali) e invece le  specie di Enterobatteri e di Enterococchi risultano 100 volte più elevati (specie che sono normalmente presenti in proporzione inferiore negli intestini sani). La quantità di batteri aerobici, incluse le specie di Enterococchi e degli Enterobatteri, era più alta nei pazienti con malattia renale allo stadio terminale piuttosto che nei controlli sani [ 53 ]. La disbiosi del microbiota intestinale nei pazienti con insufficienza renale cronica ha contribuito all’elevata concentrazione di tossina uremica che a sua volta ha favorito la progressione della insufficienza renale cronica [ 54 , 55 ]. Lo squilibrio del microbiota intestinale nella malattia renale cronica si è verificato sia quantitativamente che qualitativamente, ed è frequentemente accompagnato da un aumento di LachnospiraceaeEnterobacteriaceae e alcune Ruminococcaceae e una diminuzione di alcune PrevotellaceaeBacteroidaceae e particolari specie di Lactobacillus e Bifidobacterium [ 56]. La quantità assoluta di batteri totali è risultata significativamente ridotta nei pazienti con malattia renale allo stadio terminale. La Prevotella era prevalente nei controlli sani mentre il numero di  Bacteroides era eccessivo nei pazienti con malattia renale allo stadio terminale. I batteri produttori di butirrato, tra cui Roseburia , FaecalibacteriumClostridiumCoprococcus e Prevotella, sono risultati ridotti nei pazienti con malattia renale allo stadio terminale [ 57 ].

Questo studio ha inoltre rilevato che le disregolazioni dello stress ossidativo e dell’infiammazione sono associate alle perturbazioni del metabolismo sierico degli aminoacidi, dei lipidi, delle purine nella patologia renale cronica [ 58 , 59 ], condizioni che pure che sono associate al metabolismo del microbiota intestinale. Inoltre, recenti studi clinici hanno dimostrato che i trigliceridi nel sangue e il livello di colesterolo HDL e la risposta metabolica alla dieta e ai farmaci sono stati associati alla composizione del microbiota intestinale [ 60 ]. La funzionalità renale compromessa e la disbiosi del microbiota intestinale hanno contribuito all’aumento della TMAO nei pazienti con insufficienza renale cronica [ 61]. Campioni fecali di pazienti con insufficienza renale cronica e controlli sani sono stati somministrati a topi C57BL / 6 trattati con antibiotici e i topi che hanno ricevuto microbiota intestinale da pazienti con insufficienza renale cronica avevano un TMAO plasmatico significativamente più elevato e una diversa composizione di microbiota intestinale rispetto ai topi comparativi [ 61 ]. Inoltre, l’ammoniaca è stata metabolizzata dall’urea dall’ureasi microbica. Proprio l’ammoniaca potrebbe causare una massiccia interruzione della struttura e della funzione della barriera epiteliale intestinale, portando alla traslocazione di tossine, antigeni, endotossine e microrganismi/prodotti microbici intestinali derivati ​​dall’intestino [ 44 , 62 , 63 ]. L’indossilsolfato e il p-cresil solfato sono stati associati ad un aumento dei biomarcatori infiammatori nei pazienti con insufficienza renale cronica in stadio 3-4, come glutatione perossidasi e interleuchina-6 [ 64 ]. Un altro studio ha rivelato che 19 famiglie microbiche che erano dominanti nei pazienti con malattia renale allo stadio terminale, 12 presentavano marcatori di ureasi ( AlteromonadaceaeClostridiaceaeCellulomonadaceaeDermabacteraceaeHalomonadaceaeEnterobacteriaceaeMethylococcaceaeMoraxellaceaeMicrococcaceaePolyangiaceaexanthomonadaceae , e Pseudomonadaceae ), 5 presentavano uricase (Cellulomonadaceae , Micrococcaceae , Dermabacteraceaea , Xanthomonadaceae e Polyangiaceae ) e 3 presentavano enzimi formanti indolo e p -cresil (vale a dire famiglie triptofanasi: Clostridiaceae , Verrucomicrobiaceae e Enterobacteriaceae)[ 65 ].invece  Prevotellaceae e Lactobacillaceae , le due famiglie che possiedono SCFA (butirrato) formando enzimi, erano tra le quattro famiglie microbiche che erano esaurite  nei pazienti con malattia renale [ 65 ].

Sulla base della metabolomica, gli studi precedenti hanno dimostrato che le perturbazioni del metabolismo degli aminoacidi, dei lipidi, delle purine [ 66 , 67 , 68 , 69 , 70 ], nonché i metabolismi dell’acido biliare e dei fosfolipidi nelle feci sono correlate nei ratti con patologie renali  [ 71 , 72]. La permeabilità della barriera intestinale nella malattia renale cronica ha portato alla traslocazione delle tossine uremiche di origine batterica nella circolazione sistemica, inducendo così l’infiammazione e la stimolazione dei leucociti. Usando i metodi metabolomici, gli studi precedenti hanno dimostrato che le disregolazioni dello stress ossidativo e dell’infiammazione erano associate alle perturbazioni del metabolismo sierico degli aminoacidi, della metilammina, delle purine e dei lipidi nei pazienti con insufficienza renale cronica [ 31 , 73 , 74 , 75 ].

 

Microbiota intestinale in pazienti in emodialisi e dialisi peritoneale

Sostituendo la funzione escretoria renale, la dialisi ha lo scopo di eliminare il complesso di sintomi noto come sindrome uremica. L’emodialisi ha reso possibile la sopravvivenza di oltre un milione di persone in tutto il mondo con malattia renale allo stadio terminale con funzionalità renale limitata o assente [ 76 , 77 ]. Attraverso metodi metabolomici, gli studi precedenti hanno indicato che le tossine uremiche e i prodotti di scarto nell’emodialisi hanno rimosso un gran numero di metaboliti identificati e non ancora identificati [ 78 ]. L’analisi dei microarrays filogenetici ha osservato che il microbioma intestinale dei pazienti con malattia renale allo stadio terminale con emodialisi e li ha confrontati con individui sani, mostrando un aumento dei Proteobatteri (principalmente Gammaproteobacteria ), degli Actinobacteria e Firmicutes (specialmente subphylum Clostridia ) [ 52 ]. 

Tuttavia, i pazienti in emodialisi hanno mostrato biomarcatori infiammatori e tossine uremiche più elevati rispetto ai pazienti non in dialisi [ 79 ]. Interleuchina-6 e MCP-1, due biomarcatori infiammatori, erano positivamente correlati con indoxil solfato e p- cresil solfato [ 79 ]. I livelli ridotti di tossine uremiche hanno portato alla diminuzione dell’espressione di biomarcatori infiammatori [ 80 ]. Il microbioma intestinale nei pazienti pediatrici sottoposti a emodialisi è stato confrontato con quelli di individui sani [ 81 ].  I Bacteroidetes erano significativamente aumentati mentre i proteobatteri erano significativamente diminuiti nei pazienti in emodialisi rispetto agli individui sani [ 81 ]. Inoltre, l’analisi fecale ha dimostrato che i pazienti in dialisi hanno un numero ridotto di batteri in grado di produrre il butirrato di SCFA [ 65 ].

Uno studio ha descritto una diminuzione dell’intestino Firmicutes e Actinobacteria , in particolare Bifidobacterium catenulatumBifidobacterium bifidumBifidobacterium longumLactobacillus plantarum e Lactobacillus paracasei nei pazienti in dialisi peritoneale [ 82 ]. In generale, i pazienti con insufficienza renale cronica presentano una colonizzazione intestinale inferiore delle specie Bifidobacterium e Lactobacillus [ 56 ]. Pertanto, una popolazione batterica ridotta e le diversità di Lactobacillus e Bifidobacterium nei pazienti in dialisi peritoneale nei pazienti sono stati associati a numerosi effetti avversi. I pazienti pediatrici in dialisi peritoneale hanno mostrato un’abbondanza relativamente inferiore di batteri intestinali nei Firmicutes e Actinobacteria , mentre i Proteobacteria erano significativamente aumentati [ 81 ]. L’aumento dei proteobatteri (batteri ossidanti del ferro) è stato associato con l’integrazione orale di ferro nei pazienti in dialisi peritoneale. Inoltre, i pazienti in dialisi peritoneale hanno migliorato l’assorbimento intestinale di glucosio nel dializzato per dialisi peritoneale che ha promosso le Enterobatteriaceae specie batteriche fermentabili al glucosio [ 81]. Considerando la traslocazione del microbiota intestinale nella cavità peritoneale, si presumeva che l’aumento delle Enterobacteriaceae fosse responsabile dello sviluppo della peritonite nei pazienti in dialisi peritoneale, poiché la famiglia delle Enterobacteriaceae rappresentava fino al 12% di tutti gli episodi di peritonite in questi pazienti [ 83 ].

 

Microbiota intestinale nelle nefropatie da IgA

Poiché l’immunoglobulina A (IgA) è ampiamente presente nel sistema immunitario della mucosa intestinale, la disbiosi del microbiota intestinale svolge un ruolo nella patogenesi delle nefropatie da IgA [ 55 ]. Le infezioni batteriche croniche e la disbiosi del microbiota intestinale hanno migliorato le cellule epiteliali per secernere il fattore di attivazione delle cellule B e il ligando che induce la proliferazione che ha accelerato la sovrapproduzione di IgA. Inoltre, la disbiosi del microbiota intestinale è stata trovata nelle nefropatie da IgA [ 55 ]. Differenze esclusive nel microbiota intestinale e nella composizione del metaboloma sono state studiate in pazienti con nefropatie da IgA rispetto ai controlli sani [ 84 , 85] e il microbiota intestinale e i metaboliti urinari (compresi gli aminoacidi liberi e i metaboliti volatili organici) sono stati invece ritrovati significativamente alterati tra i pazienti con glomerulonefriti progressista e non progressivo [ 86 ]. È stato ipotizzato che gli aminoacidi elevati sierici liberi abbiano contribuito alla patologia delle glomerulonefriti, dove probabilmente è stato associato l’assorbimento ridotto delle proteine ​​gastrointestinali, che presumibilmente ha migliorato la proteolisi microbica, ha cambiato il microbiota e ha contribuito ad aumentare la p fecale-cresolo livello. Esisteva il potenziale legame tra lipopolisaccaridi batterici e ipogalattosilazione delle IgA. Il lipopolisaccaride batterico potrebbe stimolare una risposta infiammatoria sistemica e lipopolisaccaridi è stato coinvolto nell’iperproduzione e nell’ipogalattosilazione di IgA1, l’importante patogenesi coinvolta nelle nefropatie da IgA [ 87 ].

 

Microbiota intestinale nella nefrolitiasi

La nefrolitiasi è una malattia complessa che potrebbe essere causata da fattori genetici e diversi fattori ambientali. I calcoli renali sono piccoli depositi che si accumulano nei reni, costituiti da calcio, fosfato e altri componenti degli alimenti. L’iperossaluria è un importante fattore di rischio per la comparsa di nefrolitiasi, poiché il 75% dei calcoli renali contiene ossalato di calcio [ 88 ]. Poiché il corpo umano si basa principalmente sul microbiota intestinale per l’omeostasi dell’ossalato,  il batterio intestinale Oxalobacter formigenes,ha attirato l’attenzione in medicina [ 89 ]. Gli Oxalobacter formigenes, sono batteri degradanti  gli ossalati nel tratto intestinale, hanno mostrato benefici per la salute attraverso l’omeostasi dell’acido ossalico [ 90]. È stata dimostrata una relazione inversa tra i calcoli renali ricorrenti e la colonizzazione intestinale Oxalobacter formigenes, che ha ridotto la concentrazione di ossalati che era disponibile per l’assorbimento a velocità costante nell’intestino. Gli Oxalobacter formigenes potrebbero ridurre l’escrezione di ossalati nelle urine e proteggere dalla formazione di calcoli renali di ossalato di calcio [ 91 , 92 ]. Il microbioma intestinale ha partecipato alla fisiopatologia della formazione di calcoli renali [ 92 ]. I pazienti con nefrolitiasi possedevano un microbiota intestinale unico rispetto ai controlli sani [ 93 ]. Bacteroides spp. era più abbondante nei formatori di calcoli renali mentre Prevotella spp. era più abbondante nei controlli sani [ 93 ].

Inoltre, l’acido cianurico è stato prodotto dalla melamina nell’intestino mediante trasformazione microbica ed è servito come componente integrale dei calcoli renali responsabili della tossicità renale indotta dalla melamina nei ratti [ 94 ]. La Klebsiella è stata successivamente identificata nelle feci e potrebbe convertire direttamente la melamina in acido cianurico. I ratti colonizzati da Klebsiella terrigena hanno mostrato nefrotossicità esacerbata indotta dalla melamina [ 94 ]. I dati attualmente disponibili hanno sostenuto che la manipolazione dei batteri intestinali potrebbe fornire in futuro una nuova terapia nei pazienti con calcoli renali.

 

Microbiota intestinale nell’ipertensione

I pazienti con elevata pressione arteriosa sistolica e insufficienza renale cronica hanno rivelato alterata composizione batterica e ridotta ricchezza batterica [ 95 ]. L’abbondanza di microbi intestinali, Firmicutes e Bacteroidetes , è associata ad un aumento della pressione sanguigna in diversi modelli di ipertensione [ 96 ]. È stato riferito che il componente principale della via olfattiva nei reni, Olfr78, era un recettore olfattivo espresso nell’apparato juxtaglomerulare renale, dove mediava la secrezione di renina in risposta agli SCFA. Gli SCFA erano prodotti finali di fermentazione del microbiota intestinale e venivano assorbiti nella circolazione [ 97]. Un altro possibile legame tra il microbiota intestinale e l’ipertensione era il metabolismo del microbiota intestinale della colina e della fosfatidilcolina, che metabolizzava la trimetilammina in TMAO. La trimetilammina è abbondante nella carne rossa e può essere metabolizzata dal microbiota intestinale della L -carnitina nella dieta , e ulteriormente può essere metabolizzata in TMAO e accelerare l’aterosclerosi nei topi [ 98 ].

 

Microbiota intestinale nel danno renale acuto

Recentemente, diversi studi hanno indicato che il microbiota intestinale può regolare il danno renale acuto. Un possibile meccanismo era l’azione renoprotettiva degli SCFA contro i danni da ischemia-riperfusione nei modelli. Gli SCFA con proprietà antinfiammatorie sono stati prodotti dal microbiota intestinale [ 99 ]. Il trattamento con tre principali SCFA (acetato, propionato e butirrato) ha migliorato la disfunzione renale e ridotto l’infiammazione. Inoltre, il microbiota intestinale ha mostrato un’influenza e un ruolo più ampi nelle malattie renali autoimmuni attraverso i suoi effetti immunomodulatori, noti per il suo effetto sulla polarizzazione dei sottogruppi di cellule T e delle cellule natural killer [ 32 ].

Interventi probiotici, prebiotici e simbiotici per attenuare i disturbi del microbioma intestinale nelle malattie renali

L’uso di probiotici e prebiotici è una terapia di uso comune. I probiotici sono organismi viventi ingeriti attraverso alimenti o integratori che potrebbero promuovere la salute dell’ospite. I probiotici sono composti da batteri viventi, come lattobacilli , streptococchi e specie di bifidobatteri , che potrebbero alterare il microbiota intestinale e influenzare lo stato infiammatorio per produrre una microflora meno patogena e quindi ridurre la generazione di tossine uremiche. Uno studio pilota multinazionale in pazienti con malattia renale cronica allo stadio 3 e 4 ha mostrato una riduzione significativa dell’urea ematica e un miglioramento della qualità della vita dopo il trattamento con la formulazione di Renadyl di Lactobacillus acidophilus, Streptococcus thermophilus e Bifidobacterium longum per 6 mesi [100 ]. Tuttavia, il follow-up randomizzato controllato controllato in 22 pazienti non è riuscito a ridurre le tossine uremiche plasmatiche e non ha migliorato la qualità della vita [ 101 ]. I pochi benefici con i probiotici potrebbero essere spiegati da alterazioni persistenti indotte dall’uremia nell’ambiente biochimico intestinale e regimi dietetici e medicinali che hanno portato a un ambiente sfavorevole per il microbiota simbiotico [ 102 ]. Per ovviare a questo deficit, uno studio ha studiato la combinazione di terapie probiotiche e prebiotiche nel corso di 6 settimane in pazienti con CKD pre-dialisi e ha mostrato alterazioni sieriche di p -cresilsolfato sierico e microbioma intestinale [ 103]. Pertanto, la scelta del microbo probiotico è importante. L’inclusione di batteri che hanno espresso l’ureasi con l’intenzione di metabolizzare l’urea intestinale ha causato l’aumento dei prodotti a valle NH 3 e NH 4 OH e ha promosso l’infiammazione della parete intestinale [ 102 , 104 ].

I prebiotici sono carboidrati non digeribili che stimolano selettivamente la crescita e l’attività dei batteri intestinali benefici nel colon, come i bifidobatteri [ 105 ]. I prebiotici promuovono la crescita di bifidobatteri e specie di lattobacilli a spese di altri gruppi di batteri nell’intestino [ 105 ]. La p-inulina prebiotica arricchita con oligofruttosio regola anche la perdita di peso, inibisce l’infiammazione e migliora la funzione metabolica [ 105 ]. Il p -cresolo sierico e l’indossilsolfato sono ridotti dall’assunzione orale di p-inulina nei pazienti in emodialisi [ 106]. Tuttavia, l’alimentazione di ratti uremici trattati con amido di amilosio resistente al mais potrebbe migliorare la clearance della creatinina e ridurre l’infiammazione e la fibrosi renale [ 107 ]. La dieta semipurificata a basso contenuto di fibre o una dieta ricca di fibre ha migliorato significativamente i metabolomi nel siero, nelle urine e nel liquido intestinale accompagnati da una riduzione della disbiosi del microbiota intestinale [ 108 ]. Gli amidi resistenti sono transitati nel colon non digeriti e sono stati metabolizzati dai batteri in SCFA che erano importanti nutrienti per gli enterociti. L’integrazione di oligofruttosio-inulina o amido resistente ha ridotto significativamente l’indossilsolfato circolante e il p -cresilsolfato nei pazienti in emodialisi [ 106 , 109 ].

L’utilizzo di simbiontici offre la combinazione di trattamenti prebiotici e probiotici. Il trattamento con Probinul neutro, trattamento simbiontico, ha mostrato una riduzione del p -cresolo plasmatico totale senza miglioramento dei sintomi gastrointestinali in pazienti con insufficienza renale cronica in stadio 3-4 della CKD per 4 settimane [ 110 ]. Lo studio SINERGY ha mostrato una diminuzione del p- cresilsolfato sierico ma non dell’indossilsolfato e un cambiamento favorevole nel microbioma delle feci in 37 pazienti con CKD in stadio 4–5 [ 103 ]. Il trattamento con la combinazione del ceppo di Lactobacillus casei Shirota e del ceppo Bifidobacterium breve Yakult più i galatto-oligosaccaridi ha mostrato una riduzione significativa del siero p-cresolo e miglioramento della quantità e della qualità delle feci in nove pazienti in emodialisi per 2 settimane [ 39 ]. Più recentemente, uno studio multicentrico su 42 pazienti in emodialisi ha mostrato un miglioramento dei sintomi gastrointestinali e una riduzione della proteina C reattiva dopo 2 mesi di trattamento [ 111 ].

 

Osservazioni conclusive

Prove crescenti hanno dimostrato l’esistenza di una relazione bidirezionale tra il microbioma dell’ospite e il microbiota intestinale nei pazienti con diverse malattie renali. È urgente che si approfondisca (con ulteriori studi) la caratterizzazione del microbioma intestinale nelle malattie renali ed esplorare la relazione tra diverse malattie renali e il microbioma intestinale. L’infiammazione intestinale e la rottura della barriera epiteliale intestinale accelerano la traslocazione sistemica delle tossine uremiche di origine batterica, tra cui l’indossilsolfato, p-cresilsolfato e TMAO, e causano lesioni da stress ossidativo ai sistemi renali, cardiovascolari ed endocrini. Recentemente, lo studio dell’asse intestino-rene ha aperto nuove strade terapeutiche per la gestione dell’infiammazione, delle lesioni renali e dell’uremia per prevenire esiti avversi nei pazienti con insufficienza renale cronica. Sono stati attuati molteplici interventi promettenti per invertire lo squilibrio del microbiota intestinale e rallentare la progressione delle malattie renali. I probiotici o i loro sottoprodotti sono stati impiegati per sviluppare innovativi interventi mirati alla segnalazione che superano i farmaci tradizionali che hanno invece evidenti effetti collaterali. La selezione di specie probiotiche specifiche con funzioni metaboliche ben note potrebbe alleviare vari stati patologici. Ad esempio, Streptococcus thermophiles  può essere usato per ridurre l’urea nell’uremia. Sono necessarie attenzione e esami ulteriori di questi interventi per approfondire la conoscenza del microbiota in modo da apportare benefici concreti ai pazienti con insufficienza renale cronica. Tuttavia, gli interventi debbono essere ulteriormente esaminati in ampi studi prima di poter diventare una terapia primaria per i pazienti con malattie renali.

La metagenomica e la metabolomica sono state utilizzate per studiare la funzione dei principali metaboliti endogeni a basso peso molecolare derivati ​​dal microbioma intestinale nelle malattie renali. Comprendere le capacità metaboliche del microbiota intestinale è molto importante per chiarire le loro funzioni su salute e malattia. Sebbene l’analisi del sequenziamento dell’rRNA 16S sia stata impiegata per esaminare convenientemente la composizione e la struttura del microbioma intestinale, le informazioni sui loro effetti sui metaboliti erano limitate dalla conoscenza incompleta nei database genomici batterici. Il sequenziamento metagenomico estrae una maggiore conoscenza dei geni esistenti, ma le funzioni della maggior parte di questi geni rimangono sconosciute. KEGG e MetaCyc sono le basi di dati più complete per collegare gruppi di geni ortologici a reazioni e metaboliti. Per ottenere una combinazione più efficace di microbioma e metaboloma per la comprensione dei metabolismi microbici intestinali nel contesto della malattia renale, è necessario sviluppare metodi avanzati di integrazione multi-omica (scienze omiche: genomica, trascrittomica, proteomica, metabolomica). Per approfondire la nostra conoscenza del potenziale funzionale del microbiota intestinale associato all’ospite, possiamo colmare le lacune dei suddetti database attraverso sequenziamento del genoma, biochimica non mirata e studi funzionali. Pertanto, anche con queste enormi sfide, studi crescenti hanno trovato i microbi chiave e i loro enzimi/metaboliti come potenziali bersagli di interventi medici nel contesto delle malattie renali. Con una migliore comprensione dell’interazione metabolica tra il microbioma e l’ospite, è possibile esplorare nuovi prebiotici e probiotici e il trattamento personalizzato della patologia renale cronica che utilizza la conoscenza del microbioma intestinale e le loro interazioni con l’ospite diventerà fattibile.