Study of the metabolites involved in the symbiotic relationship between probiotic and host

Abstract

I probiotici sono definiti come "microrganismi vivi che, se somministrati in quantità adeguate, conferiscono un beneficio alla salute dell'ospite". Al giorno d'oggi, ricercatori e produttori sono alla ricerca di nuovi ceppi probiotici con provata efficacia per specifiche applicazioni al fine di scegliere il ceppo più adatto all'uso richiesto. Coree s.r.l. è un'azienda che si occupa dello screening di nuovi ceppi probiotici per lo sviluppi di alimenti ed integratori alimentari specificamente pensati per la prima fase della vita, dalla nascita allo svezzamento. La matrice alimentare è strettamente correlata all'efficacia probiotica e può essere utilizzata come sistema di somministrazione al fine di colonizzare l'intestino umano. Ad oggi, la somministrazione di probiotici attraverso nuovi alimenti funzionali rappresenta un'opportunità molto interessante per i produttori ed i consumatori. Lo scopo di questo progetto di dottorato è stato quello di studiare se nuovi ceppi probiotici di Lactobacillus spp. e Bifidobacterium spp. fossero in grado di trarre vantaggio dall'interazione con il loro substrato ed esprimere questo sinergismo per migliorarne le caratteristiche benefiche nei confronti dell'ospite in una importante fase della vita, quella dello svezzamento. Alla luce di queste evidenze, la prima parte del dottorato ha indagato se i batteri probiotici, coltivati in matrici alimentari per lo svezzamento, cambiassero le loro proprietà, come l'adesione alla parete intestinale oppure la regolazione di espressione di vari geni da parte delle cellule intestinali umane. Sono stati utilizzati alcuni alimenti convenzionali della fase dello svezzamento, come carota, purea di mela, crema di riso e bevanda a base di avena, per valutare le possibili variazioni in termini di adesività post-fermentazione. I risultati hanno mostrato che i ceppi di Lactobacillus spp. e Bifidobacterium spp., se coltivati nelle matrici sopracitate, erano in grado di migliorare la loro adesività alla mucosa intestinale dimostrando un effetto sinergico tra matrice alimentare e microrganismo probiotico. È stato inoltre dimostrato che la capacità di fermentare determinati alimenti per lo svezzamento e di aderire alle linee cellulari intestinali umane era ceppo-specifica e non correlata al genere dei microrganismi. I dati hanno evidenziato che i ceppi batterici isolati dalle piante possedevano una buona capacità di aderire all'intestino e, quindi, le proprietà di adesione non sono influenzate dall’origine del ceppo. I risultati ottenuti sono stati pubblicati in un articolo scientifico sulla rivista "Advances in Nutrition and Food"(Gennaio 2020). In parallelo, l'approccio Next-Generation Sequencing (NGS) è stato impiegato per studiare i genomi dei nuovi ceppi batterici di proprietà di COREE s.r.l. e valutare l’eventuale presenza di plasmidi, geni di antibiotico-resistenza ed analizzare il profilo metabolico. Durante la fermentazione, i ceppi batterici producono una vasta gamma di metaboliti, alcuni dei quali sono composti biodisponibili e bioattivi con effetti positivi. Pertanto, un approccio metabolomico è stato applicato per fornire ulteriori informazioni sulle proprietà funzionali e nutrizionali della bevanda a base di avena fermentata da ceppi di Lactobacillus spp. e Bifidobacterium spp. L'avena è ampiamente apprezzata per i suoi effetti salutistici nell’adulto e nel bambino, ed attualmente sono disponibili sempre più prodotti alimentari per la fase infantile. Tramite gli strumenti UHPLC-Q-TOF e HPAEC-PAD, è stato determinato l’impatto della fermentazione e della digestione sul profilo dei metaboliti della bevanda vegetale. I risultati hanno mostrato che, nel latte di avena tal quale, le classi di composti più abbondanti erano flavonoidi, acidi fenolici, aminoacidi e steroidi. Dopo la digestione in vitro, i profili metabolici hanno indicato che aminoacidi, peptidi ed acidi fenolici erano le molecole più rilasciate a livello intestinale della bevanda di avena. Successivamente, è stato valutato l'impatto della co-fermentazione di ceppi di Lactobacillus spp. e Bifidobacterium spp. Il processo di fermentazione ha diminuito i livelli di antinutrienti, come lignani ed acido fitico, una classe di composti correlata al malassorbimento di importanti micronutrienti. Il profilo digerito della bevanda di avena fermentata ha presentato un maggiore rilascio di aminoacidi, vitamine, polifenoli e sostanze fitochimiche rispetto alla condizione non fermentata. Secondo quanto riportato dalla letteratura scientifica, la fibra rappresenta la parte più bioattiva dell’avena, formata prevalentemente da β-glucani. La tecnica analitica di cromatografia ionica (HPAEC-PAD) ha permesso di analizzare l'impatto della digestione e della fermentazione sulla sua componente oligosaccaridica. I risultati hanno indicato che i ceppi batterici non hanno modificato il profilo degli oligosaccaridi e che quindi la sua capacità prebiotica è stata preservata. Questi dati sono stati pubblicati sulla rivista "Food Research International" (Febbraio 2021). Successivamente, un modello di assorbimento in vitro con le cellule enterocyte-type Caco-2 ha permesso di esaminare le differenze tra i metaboliti assorbiti della bevanda di avena fermentata e non fermentata. In particolare, la bevanda di avena è stata fermentata da due diversi blend di ceppi probiotici, appartenenti alla stessa specie. Il profilo assorbito della bevanda non fermentata è risultato ricco di aminoacidi e di myo-inositolo. L'acido linoleico, uno degli acidi grassi più abbondanti in Avena S., è stato trovato totalmente non assorbito rivelandosi un potenziale substrato per il microbiota intestinale. Dopo il processo di fermentazione, i risultati hanno mostrato che il profilo dei metaboliti assorbiti non è stato alterato drasticamente ma si è riscontrato un aumento di assorbimento di composti specifici e diversi tra i due blend utilizzati, indicando un effetto della ceppo-specificità. Questo lavoro ha suggerito l’importanza dello starter di coltura nello sviluppo di alimenti fermentati. La fermentazione da specifici ceppi batterici selezionati, anche appartenenti alla stessa specie, ha prodotto due matrici alimentari con simili profili chimici, ma con un effetto diverso sul metabolismo cellulare delle Caco-2. Questi risultati saranno presto sottomessi sulla rivista "Food Research International".