UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI URBINO
Carlo Bo
DIPARTIMENTO DI
SCIENZE BIOMOLECORARI
Corso di Laurea in
SCIENZE MOTORIE
PER LA PREVENZIONE E LA SALUTE
(Classe LM-67)
Sarcopenia e microbiota intestinale
Relatore Chiar.mo Prof.
Tesi di Laurea di
MICHELE GUERSCINI
ANDREA MARTILOTTI
Co-relatore:
SABRINA DONATI ZEPPA
Anno Accademico 2021-2022
2
INDICE
1 Introduzione
2 Sarcopenia e meccanismi che inducono la condizione sarcopenica
o 2.1 regolazione della via dell’ubiquitina-proteasoma (UPP)
o 2.2 Modulazione dello stress ossidativo
o 2.3 Riduzione dell’autofagia
3 Contributo dell’alimentazione nei confronti della Sarcopenia
o 3.1 Uso clinico del supporto nutrizionale proteico
o 3.2 Supporto nutrizionale proteico per la Sarcopenia:
Risultati negativi
4 Nuove potenziali strategie per contrastare la Sarcopenia
o 4.1 Alterare l’espressione di miRNA muscolo-specifici
o 4.2 Modulazione del microbiota intestinale
o 4.2.1 Composizione del microbiota intestinale
o 4.2.2 Dieta proteica e microbiota intestinale
o 4.2.3 Risorse proteiche, aminoacidi e specie della
microflora intestinale
5 Microbiota intestinale e sarcopenia
o 5.1 Microbiota intestinale ed effetti sistemici che
coinvolgono la funzione muscolare
o 5.2 Effetto dei mediatori del microbiota intestinale sul
muscolo scheletrico
6 Interazioni del microbioma con terapie farmacologiche e non per la
gestione delle malattie
o 6.1 Interazioni tra il microbioma e le terapie per i disturbi
muscoloscheletrici
o 6.1.1 Terapie per il dolore e/o l’infiammazione
o 6.1.2 Farmaci antinfiammatori non steroidei (FANS)
3
7 Cambiamenti nello stile di vita
o 7.1 Intake proteico
o 7.2 Attività fisica
o 7.3 Perdita di peso
o 7.4 Fumo
o 7.5 Alcool
8 Prebiotici e probiotici per la modulazione del microbioma intestinale e
della salute muscoloscheletrica nell'uomo
o 8.1 esiti correlati alla Sarcopenia
9 Consumo di prebiotici e probiotici: un approccio dietetico olistico
10 Conclusioni
Bibliografia
4
1 Introduzione
In questa tesi è trattata l’interazione tra sarcopenia e microbiota intestinale, analizzando
tutti i meccanismi che portano alla malattia e come modulare la flora batterica
intestinale , al fine di attenuare la patologia.
Verranno trattati i meccanismi biomolecolari indotti dal supporto nutrizionale proteico
nell'antagonizzare la sarcopenia, comprese le vie classiche, come la regolazione del
sistema Ubiquitina-Proteasoma (UPS), la modulazione della risposta ossidativa e
l'inibizione dell'autofagia cellulare, nonché potenziali nuove strategie, tra cui
l'abbondanza microbica e la regolazione muscolare del miRNA correlata all'atrofia.
In particolare, si andrà a riscoprire la stretta interazione tra microbiota e Sarcopenia, e
come la nutrizione può andare a modulare la prima, inibendo la seconda. Più nello
specifico verrà approfondito l’effetto del microbiota intestinale sul comparto muscolo
scheletrico e, quindi, su come riesce ad alterare la funzione muscolare.
Verrà rivolta una particolare attenzione agli esiti terapeutici clinici del supporto
nutrizionale proteico, nei pazienti con malattie del deperimento e negli anziani.
Verranno analizzate le risposte del microbiota in risposta ad approcci farmacologici, in
particolare relativamente all’utilizzo di farmaci antinfiammatori non steroidei (FANS) e
farmaci antidolorifici, che vengono utilizzati maggiormente tra adulti e anziani.
In un capitolo dedicato sarà chiarito come cambiamenti dello stile di vita possano
fortemente influenzare negativamente o positivamente il microbiota intestinale, facendo
appello ai più comuni, come l’attività fisica, il fumo, l’alcool, la perdita di peso e
l’intake proteico.
Verrà chiarito come prebiotici e probiotici possono avere un influenza sul microbiota
intestinale e sulla salute muscolo scheletrica, ovviamente approfondendo l’interazione
di questo argomento con la sarcopenia.
5
2 Sarcopenia e meccanismi che inducono la condizione sarcopenica
Il muscolo scheletrico, svolge un ruolo importante nella locomozione e costituisce circa
il 40% del peso corporeo. La sarcopenia è definita come una diminuzione della massa
muscolare ed è solitamente causata da un metabolismo proteico anomalo. La
degradazione delle proteine eccede la sintesi proteica determinando un bilancio azotato
negativo e innesca la sarcopenia. Pertanto, la sarcopenia è una patologia comune negli
anziani e in molti pazienti con cancro, sepsi, ustioni gravi, sindrome da
immunodeficienza acquisita (AIDS), malattie croniche, ecc. [ 1 ] e può essere suddivisa
in : neurogena [ 2 ], miogenica [ 3 ], da disuso [ 4 ], o altre cause. Un'eccessiva perdita
muscolare porta a disturbi del movimento, declino della funzione respiratoria e
insufficienza cardiaca, che successivamente determinano un aumento dell'incidenza di
infezioni polmonari ed ulcere da pressione [ 5 ]. Pertanto, la sarcopenia è considerata
una grave compromissione nella salute degli anziani e dei pazienti con malattie da
deperimento e per tale motivo le strategie preventive e curative per la sarcopenia stanno
ricevendo una crescente attenzione.
Le principali terapie riguardano: l'esercizio riabilitativo, il trattamento farmacologico, il
trattamento ormonale e il supporto nutrizionale.
L'esercizio di riabilitazione a bassa intensità è utile per mantenere o ripristinare la massa
muscolare. Gli studi hanno indicato che l'esercizio fisico ha efficacemente invertito sia
l'atrofia del muscolo trasverso [ 6 ] dell'addome indotta dal riposo a letto, sia la
sarcopenia indotta da lesione traumatica del midollo spinale [ 7 ]. Molti farmaci
vengono somministrati anche per la prevenzione e il trattamento della sarcopenia.
L'α-chetoglutarato, un 'importante intermedio metabolico del ciclo dell'acido
tricarbossilico, svolge un ruolo preventivo nella degradazione delle proteine indotta dal
corticosterone e nella sarcopenia [ 8 ].
L'urocortina è un agonista selettivo del recettore del fattore di rilascio della
corticotropina 2 (CRF2R), che esercita l'effetto sulla riduzione sarcopenica correlata
all'età tramite l'attivazione di CRF2R [ 9 ].
La terapia sostitutiva con ormone della crescita viene utilizzata anche per attenuare la
sarcopenia indotta dall'età. È utile aumentare la sintesi proteica mediata dal fattore di
crescita insulino-simile 1 (IGF-1) e ridurre il danno ossidativo [ 10 ].
Oltre all'esercizio fisico e alla farmacoterapia, il supporto nutrizionale è un trattamento
6
emergente della sarcopenia e ha attirato una crescente attenzione.
Gli amminoacidi, i peptidi e le proteine sono elementi nutrizionali tradizionali che
contrastano la sarcopenia. Gli amminoacidi sono l'importante materia prima per la
sintesi proteica. Le proteine di alta qualità sono ricche di amminoacidi essenziali,
compresi gli amminoacidi a catena ramificata, come leucina, isoleucina e valina
[ 11 ].
L'integrazione di amminoacidi essenziali è responsabile della sintesi proteica muscolare
[ 12 ], ed in particolare è stato dimostrato che la supplementazione di amminoacidi
essenziali arricchiti di leucina migliorano le condizioni muscolari dei pazienti con
malattie da deperimento [ 13 ]; l'integrazione di leucina è stata utile per la sintesi
proteica sia in vitro che in vivo, durante l'invecchiamento [ 14 ].
Una dieta ricca di leucina al 3% potrebbe anche migliorare la perdita di massa
muscolare nei ratti portatori di tumore tramite l'attivazione della via mTOR/p70S6K
[ 15 ]. L'integrazione di aminoacidi a catena ramificata e L-glutammina ha ridotto
drasticamente l'espressione delle proteine MuRF-1 (muscle RING Finger 1), una
ubiquitina ligasi E3, e Atrogin-1, una proteina che regola i meccanismi di autofagia
cellulare attraverso il proteasoma e ha invertito la perdita di muscolo gastrocnemio nei
ratti gastrectomizzati totali [ 16 ].
I peptidi derivati dalle proteine della soia hanno attenuato significativamente l'atrofia
del muscolo scheletrico indotta da ustioni dei ratti sopprimendo l'autofagia cellulare e
l'espressione proteica del sistema ubiquitina-proteasoma (UPS) [ 17 ].
La somministrazione di proteine vegetali e/o animali ha ridotto al minimo la perdita di
massa muscolare.
Le proteine della soia e le proteine del siero di latte sono considerate proteine di alta
qualità con una composizione equilibrata di aminoacidi [ 12 ].
L'integrazione di proteine del siero di latte o proteine del complesso di soia/siero di latte
è stata efficace per ridurre la perdita muscolare in ratti anziani [ 18 ]. Uno studio clinico
che ha arruolato pazienti allettati ha indicato che una dieta a base di proteine di soia ha
notevolmente migliorato la forza muscolare e l'integrazione con proteine della caseina
ha notevolmente aumentato il volume del muscolo scheletrico [ 19 ].
Negli ultimi anni, il supporto nutrizionale proteico per contrastare la sarcopenia è stato
ampiamente esplorato dalla ricerca di base e dagli studi clinici. Gli ultimi studi hanno
7
dimostrato che la degradazione delle proteine, la risposta ossidativa, l'autofagia cellulare,
la regolazione del microbiota e l'alterazione dei miRNA potrebbero essere coinvolti
nello sviluppo della sarcopenia [ 10 ].
Questa tesi descrive i meccanismi del supporto nutrizionale proteico nell'antagonizzare
la sarcopenia, comprese le vie classiche, come la regolazione dell'UPS, la modulazione
della risposta ossidativa e l'inibizione dell'autofagia cellulare, nonché nuove potenziali
strategie, tra cui il ruolo del microbiota intestinale e la regolazione muscolare dei
miRNA correlata all'atrofia.
8
2.1 Regolazione della via del'ubiquitina-proteasoma (UPP).
L'UPP è la via principale per la degradazione delle proteine cellulari, che è composta da
ubiquitina, l’enzima attivante l'ubiquitina (E1), l’enzima coniugante l'ubiquitina (E2), la
proteina ligasi dell’ubiquitina (E3), il proteasoma 26S ed enzimi deubiquitinanti (DUBs)
[ 20 ].
Alcuni studi hanno dimostrato che l'attivazione dell'UPS porta ad un aumento della
degradazione proteica tale da rendere il soggetto sarcopenico[ 21 ].
Le proteine correlate all'atrofia muscolare MuRF-1 e Atrogin-1 sono entrambe ligasi E3
dell'UPS e vengono attivate durante il processo di atrofia muscolare [ 22 , 23].
Il supporto nutrizionale è stato approvato come fondamentale per inattivare l'UPP.
In studi recenti si è notato come la proteina grezza, (20 o 40 μg/mL) derivata dalle alghe
marine Pyropia yezoensis, abbia inibito notevolmente il trasporto nucleare delle proteine
FoxO1 e FoxO3a, che successivamente ridotto l'espressione delle proteine MuRF-1 e
Atrogin-1, migliorando l'atrofia del miotubo C2C12 indotta da desametasone [ 24 ].
L'integrazione di aminoacidi riduce l'espressione di MuRF-1 e previene l'atrofia
muscolare in uomini fisicamente attivi [ 25 ].
Uno studio sui ratti ha anche dimostrato che una dieta a base di peptidi di soia ha
significativamente mitigato l'espressione delle proteine MuRF-1 e Atrogin-1 e
compensato la perdita di massa muscolare scheletrica [ 20 ].
La combinazione dell'esercizio con l'integrazione di proteine idrolizzate del siero di latte
(in polvere) ha diminuito drasticamente i livelli di proteine FoxO1 e FoxO3a e quindi ha
ridotto l'espressione delle proteine MuRF-1 e Atrogin-1 nell’uomo [ 26 ].
Un modello animale ha anche indicato che, nei ratti allenati, l'integrazione con proteine
del siero di latte ha contribuito all'aumento di massa corporea e muscolare [ 27 ].
Le calpaine sono una famiglia di cisteina-proteasi calcio-dipendente e sono coinvolte
nella modulazione della degradazione proteica [ 28 ]; La calpaina attivata potrebbe
migliorare la funzione di UPP.
L'integrazione di proteine isolate dalla soia [dieta alimentata a base di AIN-93G con 20%
di isolato di proteine di soia (SPI)] ha efficacemente soppresso l'attivazione della
calpaina-1 e attenuato la proteolisi muscolare del muscolo scheletrico a contrazione
rapida nel ratto [ 29 ].
Le calpaine e l'attività UPP hanno esercitato un ruolo critico nella regolazione della
9
sarcopenia e il supporto nutrizionale proteico risulta essere fondamentale al fine di
ridurre l'attivazione della calpaina e la proteolisi mediata da UPP, sopprimendo
l'espressione genica atrofica (figura 1).
Figura 1 Effetto del supporto nutrizionale proteico sull'attenuazione della sarcopenia
mediata da UPP. Gli induttori atrofici negli adulti anziani e nei pazienti con malattie da
deperimento sono responsabili dell'attivazione delle proteine FoxO o della famiglia della
calpaina, che promuovono l'espressione di MuRF-1 e Atrogin-1 portando all'insorgenza
di sarcopenia, mentre il supporto nutrizionale proteico potrebbe efficacemente down
regolare il livello di MuRF-1 e Atrogin-1 e migliorare la sarcopenia mediata da UPP.
10
2.2 Modulazione dello stress ossidativo
La risposta ossidativa è un effetto negativo mediato dalle specie reattive dell'ossigeno
(ROS), che sono strettamente associate all'invecchiamento e ad altre patologie.
I ROS sono costituiti da anioni superossido, radicali idrossili e perossido di idrogeno.
La risposta ossidativa è una delle cause che inducono la sarcopenia. [ 30 ]
La Sirtuina 1 (Sirt1) è un membro della famiglia delle proteine sirtuine e funge da
enzima responsabile della deacetilazione. Sirt1 ha anche un effetto regolatore negativo
sulla risposta ossidativa e induce la produzione di antiossidanti attraverso meccanismi
FoxO-dipendente [ 31 ].
L'espressione di Sirt1 e il trasporto nucleare della sua proteina bersaglio (FoxO3a),
risultano diminuiti nell'endotelio cellulare vecchio, dopo l'induzione dello stress
ossidativo [ 32 ]. Questo significa che una cellula più vecchia è più debole nel
contrastare lo stress ossidativo. Uno studio ha anche indicato che il livello di
espressione di Sirt1 è associato allo stato nutrizionale. L'espressione del gene Sirt1
risulta essere aumentato negli anziani con un adeguato piano nutrizionale [ 33 ].
Ciò significa che il supporto nutrizionale può modulare la risposta ossidativa regolando
il livello di Sirt1, come anche dimostrato da altri studi in cui l'integrazione proteica ha
portato ad una riduzione della risposta ossidativa (figura 2).
11
Figura 2 Effetto del supporto
nutrizionale proteico sull'attenuazione
della sarcopenia mediata dalla risposta
ossidativa.
Gli induttori atrofici negli adulti/anziani e nei pazienti con malattie da deperimento
hanno soppresso l'espressione di Sirt1, il quale è un regolatore negativo della risposta
ossidativa. Sirt1 potrebbe attivare le proteine della famiglia FoxO tramite la regolazione
della deacetilazione. La soppressione dell'espressione di Sirt1 ha inibito il livello di
SOD, ha aumentato la concentrazione di ROS e ha provocato l'insorgenza della
sarcopenia. Il supporto nutrizionale proteico ha contribuito a promuovere l'espressione
di Sirt1, attivando le proteine della famiglia FoxO, migliorando l'espressione di SOD,
riducendo la risposta ossidativa. Tutto ciò ha alleviato l’insorgenza del la sarcopenia.In
uno studio, rispetto a quelli che ricevevano una dieta isocalorica standardizzata,capacità
ossidativa delle fibre muscolari risultava significativamente ridotta negli uomini sani
durante 19 giorni di riposo a letto, dove ricevevano una dieta a base di proteine del siero
di latte più bicarbonato di potassio [ 34 ]. Un altro studio (in vivo) ha ulteriormente
confermato che l'integrazione di proteine del siero di latte ha contribuito ad eliminare i
radicali liberi e a contrastare il danno epatico indotto da CCl4 [ 35 ]. È stato anche
12
dimostrato che una dieta a base di proteine del siero di latte riduce lo stress ossidativo e
mitiga la perdita di massa magra inibendo la proteolisi muscolare in un vecchio ratto
sano [ 36 ]. L'integrazione di proteine miste di soia e siero di latte hanno aumentato
significativamente l'attività dell’enzima superossido dismutasi (SOD) e la produzione di
malondialdeide (MDA) e hanno contribuito ad aumentare la forza di presa [ 37 ]. In
sintesi, il supporto nutrizionale proteico potrebbe svolgere un ruolo importante nella
riduzione dei radicali liberi attraverso l'attivazione di un enzima ROS-scavenging, come
la SOD, e infine l'inibizione della risposta ossidativa e l'attenuazione della sarcopenia.
13
2.3 Riduzione dell'autofagia
L'autofagia è un meccanismo importante per riciclare l'utilizzo di materiale cellulare in
condizioni fisiologiche o patologiche, identificato per la prima volta negli anni '60 [ 38 ].
Studi successivi hanno dimostrato che l'autofagia potrebbe essere classificata in
microautofagia, macroautofagia e autofagia mediata da chaperon. Tutti e tre i tipi di
autofagia dipendono dalla degradazione delle proteine da parte dei lisosomi [ 39 ].
Le proteine correlate all'autofagia, quali la catena leggera 3 della proteina 1 associata ai
microtubuli (LC3) e Beclin-1, sono solitamente coinvolte nei processi autofagici. La
proteina LC3 è costituita da LC3-I citosolico e LC3-II legato ai lipidi; LC3-I viene
convertito in LC3-II tramite coniugazione con fosfoetanolammina (PE) all’estremità
ammino-terminale [ 40 ]. Anche Beclin-1 svolge un ruolo centrale nella promozione
autofagica formando un complesso con l'unità catalitica classica III fosfatidilinositolo
chinasi Vps43 [ 41 ]. Il digiuno nutrizionale con conseguente sintomo di fame, è un
comune induttore autofagico. Studi precedenti indicano che il mancato apporto
amminoacidico innesca l'autofagia in modelli cellulari di ratto [ 42 ] anche se una
eccessiva autofagia può portare alla sarcopenia.
L'urotensina II stimola l'attivazione dell'autofagia, agevolando l'atrofia muscolo
scheletrica in un modello di ratto. [ 43 ]
La cachessia da cancro è uno degli induttori centrali della sarcopenia e ulteriori studi
hanno anche indicato che l'autofagia promuove l'atrofia muscolare nei topi portatori di
cellule di cancro del colon. [ 44 ]
Tuttavia, il supporto nutrizionale è una strategia essenziale per ridurre l'autofagia.
Una dieta a base di leucina potrebbe attivare la via di segnalazione PI3K/Akt/mTOR e
inibire l'espressione della proteina LC3 correlata all'autofagia, migliorando l'atrofia,
come si denota dallo studio di Zeng et al. (anno), eseguito su modelli di ratto [ 45 ].
La dieta a base di proteine del siero di latte ha soppresso la lipidizzazione correlata
all'autofagia dell'espressione della proteina LC3B (LC3B-II) e ha contrastato l'atrofia
muscolare nei topi infettati da Pseudomonas aeruginosa polmonare [ 46 ]. In sintesi, il
supporto nutrizionale proteico si è dimostrato utile per invertire il processo sarcopenico,
che è parzialmente mediato dall'alterazione del processo autofagico (figura 4).
14
3 Contributo dell’alimentazione proteica nei confronti della Sarcopenia.
3.1 Uso clinico del supporto nutrizionale proteico
Gli importanti e promettenti risultati sull'atrofia muscolare, ottenuti dagli studi del
supporto nutrizionale proteico in modelli cellulari ed animali, ha portato a nuovi studi
clinici per esplorare il potenziale effetto terapeutico della nutrizione nei confronti della
Sarcopenia.
Un ruolo determinante nel mantenimento della massa muscolare e quindi autonomia di
movimento viene svolo dall'esercizio contro resistenza.
Per migliorare la massa muscolare in clinica, il supporto nutrizionale proteico
combinato con l'esercizio di resistenza viene solitamente fornito a individui anziani o
pazienti con malattie da deperimento, come il cancro. Uno studio su donne sane (di età
compresa tra 65 e 75 anni) ha mostrato che l'integrazione proteica ha aumentato la
sintesi proteica miofibrillare, rispetto al gruppo di controllo. La sintesi proteica
miofibrillare acuta è risultata significativamente aumentata nei soggetti che
consumavano 15 g di proteine del siero di latte contenenti 4,2 g di leucina [ 47 ]
Un altro studio, eseguito su soggetti anziani ospedalizzati nel reparto geriatrico, ha
dimostrato che l'integrazione di proteine del siero di latte migliorava la forza e la
funzione muscolare degli arti inferiori. Ovviamente in questo studio ci si è focalizzati
sugli arti inferiori, ma ciò non esclude che l’effetto possa essere esteso a tutto il tessuto
muscolo-scheletrico volontario del soggetto [ 48 ].
I soggetti clinicamente curati dal cancro spesso soffrono di perdita di massa corporea,
questo è riscontrabile soprattutto nei soggetti con cancro alla prostata, in quanto
ricevono una forte deprivazione degli ormoni androgeni.
La perdita di massa magra, nei soggetti curati che hanno ricevuto esercizio di resistenza
e integrazione proteica (50 g di proteine del siero di latte isolate), si è riscontrato essere
notevolmente ridotta.
Uno studio clinico che ha arruolato pazienti con cirrosi alcolica ha dimostrato che
l'autofagia, la proteolisi e la resistenza anabolica mediata dalla miostatina sono state
aumentate. Rispetto a quelli del gruppo di controllo, la somministrazione di una miscela
di aminoacidi a catena ramificata arricchita con leucina ha ridotto efficacemente
l'espressione di mTOR della proteina correlata all'autofagia e successivamente ha
invertito la proteolisi muscolare indotta dall'autofagia. I risultati hanno indicato che gli
15
integratori nutrizionali orali hanno portato ad un marcato calo della perdita di peso e del
tasso di infezione. Un recente studio ha anche indicato che il miR-203 circolante è stato
coinvolto nella promozione della miopenia nei pazienti con cancro del colon-retto.
È
stata
osservata
anche
un'alterazione
del
miRNA in
una
persona
con
l'immobilizzazione degli arti inferiori dopo l'integrazione di proteine del siero del latte.
L'aumento dell'espressione di miR-23a e la soppressione dell'espressione di miR-208b
sono responsabili della riduzione della sarcopenia indotta dall'immobilizzazione.
Ulteriori studi clinici hanno dimostrato che il contenuto di leucina nelle proteine totali
era un fattore critico nel promuovere la risposta anabolica del muscolo scheletrico.
Risultati comparabili sul mantenimento della sintesi proteica del muscolo scheletrico e
sul miglioramento della perdita muscolare sono stati ottenuti in due gruppi di anziani , il
primo riceveva un’integrazione di 25 g di proteine del siero del latte isolate contenenti 3
g di leucina, mentre il secondo gruppo riceveva 10 g di proteine del siero del latte
isolate contenenti 3 g di leucina. Da questo studio si è compreso che la concentrazione
di leucina più elevata, a parità della stessa quantità di proteine totali, era in grado di
promuovere maggiormente la sintesi proteica miofibrillare [ 49 ]
Ai pazienti sono state fornite anche proteine miste di soia e siero di latte, determinando
un aumento significativo della forza muscolare nel braccio e nella forza di presa.
Informazioni più dettagliate sugli studi clinici sono mostrate nella tabella sottostante. In
generale, il supporto nutrizionale proteico, in particolare una dieta ricca di leucina,
potrebbe effettivamente ridurre la perdita di massa muscolare ed elevare la capacità
funzionale del muscolo in individui e pazienti anziani.
16
Tabella 1 Effetti metabolici dell'integrazione proteica e dell'interazione del microbiota
intestinale in studi selezionati su animali e umani.
↓ indica diminuzione; ↑ indica un aumento; ↔indica nessun cambiamento. SCFA: acidi
grassi a catena corta, LDL: lipoproteine a bassa densità, TNF-: fattore di necrosi
tumorale alfa, IL-6: interleuchina-6, PYY: peptide YY, HbA1c: emoglobina glicata
17
3.2 Supporto nutrizionale proteico per la Sarcopenia: Risultati negativi
Sebbene molti studi abbiano indicato che l'integrazione alimentare di proteine è utile per
contrastare la sarcopenia, prendiamo anche in considerazioni ricerche che hanno
ottenuto risultati negativo.
I risultati di uno studio clinico che ha arruolato uomini anziani sani ha mostrato che
l'integrazione proteica non ha avuto alcun effetto sulla diminuizione della perdita
muscolare durante il disuso muscolare a breve termine [ 50 ]. Dopo l’immobilizzazione
dell'intera gamba, i partecipanti al gruppo sperimentale hanno ricevuto un integratore
proteico alimentare (∼20 g proteine due volte al giorno) per 5 giorni, che non ha
contrastato la sarcopenia da disuso muscolare. I livelli di mRNA di miostatina,
miogenina e MuRF-1 sono risultati aumentati dopo l'immobilizzazione, compreso
l'mRNA di Atrogin-1 [ 50 ]. L'aumento del tempo di intervento potrebbe contribuire ad
ottenere un risultato positivo.
La restrizione calorica nell'obesità ha portato alla perdita di massa, sia grassa che magra,
e lo studio su ratti obesi ha mostrato che l'integrazione di caseina non ha avuto alcun
effetto nel contrastare la perdita di massa magra durante la restrizione calorica [ 51 ].
Questo significa che l’effetto del supporto nutrizionale proteico sull'attenuazione della
sarcopenia è influenzata anche dalla condizione del soggetto in esame.
Altri risultati negativi sono stati ottenuti dagli studi incentrati sull'influenza del timing
delle proteine. Lo studio che ha reclutato atleti di rugby ha mostrato che la massa magra
non ha avuto cambiamenti significativi, indipendentemente dalla somministrazione di
integratori proteici al pasto principale o tra i pasti [ 52 ]. Lo studio clinico che ha
arruolato donne in post-menopausa ha ottenuto un risultato simile; la massa magra non
aveva alcuna differenza tra i gruppi che ricevevano 30 g di proteine del siero di latte
immediatamente dopo l'esercizio e 30 g di maltodestrine nel pomeriggio o 30 g di
maltodestrine subito dopo l'esercizio e 30 g di proteine del siero di latte nel pomeriggio
[ 53 ]. Questo suggerisce che il timing delle proteine potrebbe non avere alcun effetto
sull’aumento di massa magra.
18
4 Nuove potenziali strategie per contrastare la sarcopenia
4.1 Alterare l'espressione di miRNA muscolo-specifici.
I miRNA sono piccoli RNA non codificanti, che, quando maturi, di solito sono
costituiti da 19-24 nucleotidi. Questi piccoli segmenti svolgono ruoli vitali nella
regolazione della stabilità dell'mRNA e della traduzione proteica, oltre ad essere
coinvolti nella modulazione dei processi fisiologici e patologici.
Gli studi hanno dimostrato che molti miRNA sono responsabili nella mediazione della
proliferazione e differenziazione delle cellule muscolari.
MiR-26a e miR-34a potrebbero ridurre la proliferazione delle cellule muscolari lisce
vascolari tramite l'inibizione mirata dell'espressione di MAPK6 e Notch1 [ 54 ].
MiR-22 e miR-29a sono stati coinvolti nella promozione della differenziazione delle
cellule muscolari lisce dalle cellule staminali. I miRNA sono anche strettamente
associati allo sviluppo e alla rigenerazione muscolare. Quest’ultimi correlati alla
miogenesi, come miR-1, miR-133a/b, miR-128, miR-206 e miR-486, potenziano
l'espressione di MyoD e MEF2a inibendo la via di segnalazione MAPK/JNK e
successivamente promuovendo lo sviluppo del tessuto muscolo scheletrico [ 55 ].
Uno studio su topi transgenici ha indicato che miR-431 promuove l'espressione della
proteina Paired box protein (Pax7) correlata alla rigenerazione muscolare e accelera la
rigenerazione
del
muscolo
scheletrico
danneggiato
dalla
cardiotossina.
La
somministrazione di miR-1, miR-133 e miR-206 favorisce la rigenerazione del muscolo
tibiale anteriore dopo una lesione da lacerazione [ 56 ]. Un ulteriore studio ha mostrato
che il trattamento combinato con miR-1, miR-133 e miR-206 ha facilitato l'espressione
di MyoD e Pax7 nelle cellule C2C12, promuovendo conseguentemente la
differenziazione del miotubo [ 57 ].
Ulteriori ricerche hanno anche indicato che i miRNA esercitano un ruolo chiave nella
regolazione della sarcopenia [ 58 ]. MiR-29b ha accelerato l'atrofia dei miotubi indotta
da Dex, TNF-α o H2O2, interferendo con l'atrofia muscolare migliorata da miR-29b nei
topi che hanno subito una denervazione e immobilizzazione [ 59 ].
I miRNA svolgono anche ruoli essenziali nella regolazione della sarcopenia dei pazienti
con malattie da cachessia [ 60 ].
Riassumendo, i miRNA sono regolatori critici della proliferazione e differenziazione
delle cellule muscolari, dello sviluppo muscolare, della rigenerazione e persino
dell'atrofia. Proprio per questo la modulazione di specifici livelli di miRNA potrebbe
19
essere un nuovo approccio per il trattamento di questa patologia.
Il supporto nutrizionale è stato recentemente confermato come indicatore per
influenzare efficacemente i livelli di miRNA. Quest’ultimo è capace di alterare i livelli
di miRNA endogeni. Durante lo sviluppo dell'aterosclerosi, è stato riportato che i
composti dietetici modulano i miRNA correlati al metabolismo del colesterolo (miR19b, miR-378, miR-10b, miR-33a e miR-33b) e i miRNA associati alla reazione
infiammatoria (miR-155 e miR- 146a) [ 61 ]. Il profilo dei miRNA muscolari è risultato
alterato dopo l’esercizio contro resistenza negli uomini anziani, mentre l'integrazione di
proteine del siero del latte ha ridotto significativamente miR-1, miR-15a, miR-99a,
miR-148b, miR-149, miR-499a e miR- 451 [ 62 ]. Un recente studio sull'uomo ha anche
riportato
che
l'integrazione
di
proteine
alimentari
riduce
gli
effetti
dell’immobilizzazione, tramite l'espressione di miR-1, miR-23a/b, miR-26a, miR-148b,
miR-486 e let-7b/g attenuando la sarcopenia, grazie all’abbassando del livello della
proteina MuRF [ 63 ]. MiR-23a e miR-499 sono risultati elevati nelle cellule C2C12, in
condizione di starvation, nel muscolo di topo, e sono stati considerati marcatori sierici
per l'atrofia muscolare [ 63 ]. L'esercizio fisico ha portato alla prevenzione della perdita
di massa muscolare [ 64 ]. Pertanto, le proteine alimentari, come le proteine del siero del
latte, potrebbero migliorare la sarcopenia regolando l'espressione dei miRNA (figura 3).
Figura 3 Effetto del supporto nutrizionale proteico sulla regolazione
dell'espressione dei miRNA e della sarcopenia. Gli induttori atrofici,
come la fame, hanno aumentato l'espressione di miR-1 e miR-499. Il
supporto nutrizionale proteico ha ridotto significativamente i livelli di
miR-1, miR-499 e altri miRNA correlati, che potrebbero aiutare ad
attenuare la sarcopenia.
20
4.2 Modulazione del Microbiota intestinale
Il microbiota intestinale viene solitamente formato nella prima infanzia ed è composto
da batteri, virus, funghi, protozoi e Archaea [ 65 ]. Molti fattori, come le modalità di
parto dei neonati, il tipo di allattamento, l’utilizzo di antibiotici, l'ambiente e le
condizioni di vita, modulano la composizione del microbiota [ 66 ]. Negli individui sani,
due principali phyla batterici, i Firmicutes e Bacteroidetes, rappresentano circa il 99%
delle specie di microrganismi [ 67 ]. Tuttavia, la composizione del microbiota intestinale
risulta essere alterata durante l'invecchiamento o in uno stato di malattia [ 68 ], come
nella sindrome metabolica. In uno studio condotto sull'uomo, la diminuzione della
proporzione di Bacteroidetes ha contribuito all'insorgenza dell'obesità [ 69 , 70 ].
Alcune evidenze scientifiche hanno dimostrato che il profilo del microbiota intestinale è
correlato con i cambiamenti nella massa muscolare [ 71 ]. La diversità microbica
intestinale e la massa muscolare di ratti maschi di età diverse (8, 18 e 24 mesi) hanno
mostrato che l'alterazione del microbiota intestinale, correlata all'età, ha portato alla
perdita di massa e alla funzione muscolare di topi invecchiati dopo la somministrazione
di Lactobacillus reuteri [ 72 ]
Nei topi è stato evidneziato che il trattamento con L. reuteri porta al ripristino della
perdita di massa muscolare indotta dal cancro, attraverso il fenomeno della cachessia.
Pertanto, l'alterazione del microbiota intestinale potrebbe contribuire a compensare o
contrastare la sarcopenia indotta dall'invecchiamento o dalla cachessia da cancro [ 73 ].
La malnutrizione negli adulti anziani e nei pazienti con malattie croniche è l'innesco
essenziale dell'alterazione del microbiota intestinale e la regolazione della dieta gioca un
ruolo importante nel rimodellamento del microbioma.
Le proteine presenti nella dieta svolgono un ruolo fondamentale nella modulazione del
microbiota [ 74 ]. Uno studio sui ratti ha dimostrato che gli alimentati con proteine
vegetali (soia) o animali (derivanti dal pesce), favorisce la condizione di eubiosi. Allo
stesso tempo una dieta composta da cibi ricchi di grassi influenza dannosamente il
microbiota intestinale, come è stato dimostrato da molti studi [ 75 ].
Il supporto nutrizionale proteico porta ad un aumento dell'abbondanza dei Bifidobatteri
e Lattobacilli, aiutando a mantenere la salute intestinale e prevenire il sovrappeso e
l'obesità.
Il supporto nutrizionale ripristina efficacemente la composizione del microbiota
21
intestinale. [ 76 ]
Nei ratti che seguivano una dieta con restrizione calorica è diminuita l'abbondanza di
Firmicutes mentre sono aumentati i livelli dei phyla Bacteroidetes e Proteobacteria
[ 77 ]
Nel loro insieme, il supporto nutrizionale proteico, come una dieta a base di proteine del
siero di latte, sono benefici per mantenere il microbiota intestinale e la salute intestinale
modulando l'abbondanza di Firmicutis, Bacteroidei e livelli di phylum di Proteobacteri
[ 78 ].
Sebbene si sia a conoscenza che la modulazione del microbiota intestinale è una
potenziale nuova strategia per la regolazione della sarcopenia, sono necessari ulteriori
studi per idnetifcare i meccanismi attraverso il microbiota intestinale può intervenire
nella prevenzione della perdita di massa muscolare.
Figura 4 Effetto del supporto nutrizionale proteico sulla
modulazione del microbiota e sull'attenuazione della
sarcopenia. La restrizione alimentare ha ridotto
l'abbondanza di Firmicutes. L'integrazione proteica ha
contribuito a ripristinare la composizione del
microbiota, aumentando l'abbondanza di L. reuteri nella
sarcopenia alleviata da Firmicutes-phylum.
22
4.2.1 Composizione del microbiota intestinale
L'intestino umano è colonizzato da numerosi microrganismi, che sono considerati
fondamentali per svolgere correttamente molte funzioni fisiologiche, come il
mantenimento dell'integrità della mucosa intestinale, la regolazione dell'immunità
dell'ospite e il mantenimento della salute metabolica. Uno studio recente ha mostrato
che il rapporto tra cellule umane e batteriche è quasi 1:1 [ 79 ]
I principali phyla filogenetici all'interno del tratto digestivo sono costituiti da
Bacteroidetes (Porphytomonas, Prevotella), Firmicutes (Ruminococcus, Clostridium ed
Eubacteria), Proteobacteria con gruppi minori di Actinobacteria (Bifidobacterium),
Acidobacteria, Fusobacteria e Verrumicrobia. Firmicutes (Lactobacillus, Veillonella) e
Proteobacteria (Helicobacter), sono i phyla dominanti nell'intestino prossimale, mentre
Firmicutes (Lachnospiraceae) e Bacteroidetes nel colon [ 80 ] (figura 5).
I diversi tipi di microbiota intestinale sono ampiamente illustrati nella figura sottostante.
A causa degli effetti antimicrobici della secrezione gastrica e degli acidi biliari, nello
stomaco e nell'intestino tenue prossimale è presente un numero relativamente basso di
batteri [ 81 ]. La composizione e le proprietà del microbioma possono dipendere dalla
loro localizzazione, poiché le popolazioni microbiche sulla superficie della mucosa e nel
lume gastrointestinale interagiscono rispettivamente con il sistema immunitario
dell'ospite e con gli effetti metabolici del cibo [ 82 ]. Il microbioma intestinale svolge un
ruolo critico nella formazione e maturazione del sistema immunitario, attraverso la
prevenzione della colonizzazione dei patogeni, la stimolazione della produzione di
immunoglobuline A, la sovra regolazione delle citochine antinfiammatorie e la
regolazione delle cellule linfocitarie di tipo T. Ad esempio, Faecalibacterium prausnitzii
e Bifidobacterium infantis possono provocare la produzione della citochina
antinfiammatoria interleuchina-10 (IL-10) e regolare l'attivazione delle cellule T contro
la via infiammatoria NF-κB stimolata dal patogeno [ 83 ]. Altre specie possono inoltre
indurre ridotti livelli di infiammazione mediante l'espressione dell'interleuchina-17 (IL17), aiutando il sistema immunitario dell'ospite nella protezione dai patogeni dannosi.
Inoltre, il microbioma intestinale è fondamentale nella sintesi “de novo” di vitamine
essenziali, come vitamina B12, acido folico, vitamina K, acido nicotinico, piridossina e
altre, nonché acidi biliari. L'alterazione del co-metabolismo degli acidi biliari e delle
vitamine è associata allo sviluppo di malattie metaboliche, come l'obesità e il diabete di
23
tipo 2 [ 84 ]. Un elenco di tutte le capacità funzionale del microbioma intestinale umano
ha identificato 9.879.896 geni in cui sono state trovate tracce microbiche specifiche del
paese, suggerendo che la composizione del microbiota intestinale è
influenzata da molteplici fattori, come la genetica dell'ospite, la dieta, lo stato di salute,
l'invecchiamento e la somministrazione di antibiotici [ 85 ].
24
Figura 5. Classificazione batterica del microbiota. Firmicutes e Bacteroidetes nella casella evidenziata
rappresentano circa il 90% del microbiota intestinale totale [ 99 ]
25
4.2.2 Dieta proteica e microbiota intestinale
Le proteine sono il macronutriente dominante nelle strategie di perdita di peso nei
soggetti obesi e sarcopenici, grazie agli effetti di soppressione dell'appetito e agli effetti
anabolici nel mantenimento dell'MPS al di sopra dell'MPB [ 86 ]. I recettori accoppiati a
proteine G (GPCR) situati nelle cellule L e G del colon e dell'intestino tenue,
rispettivamente, modulano la secrezione del peptide-1 simile al glucagone (GLP-1) e del
peptide YY (PYY) impedendo la stimolazione dell’appetito che si verifica nell'asse
intestino-cervello [ 87 , 88 ]. Inoltre, la sazietà è ulteriormente aumentata dal rilascio di
colecistochinina (CCK), che è stimolata dal consumo di proteine. Vari studi hanno
confermato questi effetti, rispetto al consumo di carboidrati e grassi nella dieta, i quali si
ritiene possano essere attribuiti alla regolazione della secrezione di leptina e grelina,
considerando che le risposte indotte dall'appetito, guidate da segnali tra il microbiota
intestinale e le proteine alimentari, possono essere determinate dalla composizione degli
amminoacidi e, in particolare, dagli amminoacidi essenziali, come la leucina [ 89 ]
Negli anziani diete a basso contenuto proteico portano ad una riduzione degli effetti
sazianti e anabolici delle proteine alimentari [ 90 ]. L'attuale RDA per le proteine di 0,8
g/kg/giorno può essere insufficiente per gli anziani a causa della loro ridotta capacità di
assorbire e utilizzare le proteine
rispetto agli individui più giovani [ 91 ]. Le
raccomandazioni per il consumo di leucina (circa 3-4 g per pasto), che equivalgono a
25-30 g di proteine di alta qualità e 1,0-1,6 g/kg/giorno distribuiti in 3-4 pasti giornalieri,
mirano a promuovere una maggiore stimolazione di MPS negli anziani [ 92 ]. Le
proteine alimentari sono la principale fonte di amminoacidi per il microbiota intestinale,
che possono essere utilizzate per la sintesi proteica e il metabolismo energetico.
Attualmente, c'è una controversia sulla relazione fra microbiota intestinale e diete
iperproteico e mantenimento della salute metabolica durante l'invecchiamento [ 93 ].
Si ritiene che i cambiamenti del microbioma siano coinvolti direttamente o
indirettamente in diversi meccanismi di resistenza anabolica legata all'età, il che
potrebbe spiegare la necessità di una maggiore assunzione di proteine nella popolazione
più anziana. La resistenza anabolizzante è associata ad una ridotta espressione genica
nelle proteine coinvolte nella MPS, che causa: alterato assorbimento e digestione delle
proteine, perdita di cellule staminali del muscolo scheletrico e diminuzione del trasporto
di aminoacidi nel muscolo scheletrico [ 94 ]. Inoltre, la malnutrizione e uno stile di vita
26
sedentario promuovono la resistenza anabolica, che aumenta gradualmente con
l'invecchiamento [ 95 ].
La maggior parte delle proteine viene digerita e assorbita nell'intestino tenue dagli
enzimi pancreatici e dalle peptidasi prodotte dagli enterociti, sebbene circa il 10% delle
proteine che passano attraverso l'intestino tenue potrebbe non essere completamente
digerito [ 96 ]. Nell'intestino crasso le proteine subiscono ulteriori processi di proteolisi
da parte del microbiota del colon ma gli amminoacidi non vengono assorbiti
efficacemente dai colonociti andando a produrre metaboliti di scarto [ 97 ]. Il tempo di
transito e la concentrazione del microbiota sono maggiori nell'intestino crasso rispetto a
quello tenue, con proteasi e peptidasi batteriche che scompongono le proteine endogene
e dietetiche in peptidi e amminoacidi [ 98 ].
Le proteine e i peptidi non digeriti che raggiungono il colon influenzano negativamente
la produzione e la composizione del microbiota intestinale [ 99 ]. A questo proposito,
all'aumentare del consumo di proteine, la quantità di proteine che raggiungono il colon
aumenta di conseguenza, portando alla produzione di numerosi e diversi metaboliti
batterici (ad es. idrogeno solforato, acidi grassi a catena ramificata (BCFA), SCFA,
poliammine, ammoniaca, metano, composti aromatici, ossido nitrico, tiramina,
triptamina, fenetilammina, serotonina, istamina e altri) nel tratto gastrointestinale [ 100 ].
Alcuni di questi prodotti metabolici sono dannosi per la salute metabolica e sono
associati ad infiammazioni croniche e a diverse malattie (ad esempio, malattie
infiammatorie intestinali, cancro del colon-retto) [ 101 ].
Gli amminoacidi non digeriti dall'epitelio del colon potrebbero essere utilizzati
dall'ospite attraverso l'attività BCFA e SCFA per regolare l'omeostasi proteica e la
produzione di energia da parte delle cellule muscolari [ 102 ]. La deaminazione dei
BCAA che porta alla produzione di BCFA è un chiaro marker della fermentazione del
colon, sviluppata dal consumo di proteine. La conversione di BCAA valina, leucina e
isoleucina in isobutirrato, isovalerato e 2-metilbutirrato, rispettivamente [ 103 ], può
contribuire a circa il 5% della produzione totale di SCFA [ 104 ]. Questa evidenza indica
che la composizione e la concentrazione degli amminoacidi potrebbero svolgere un
ruolo fondamentale nella fermentazione proteolitica da parte del microbiota intestinale
nell'intestino tenue, che influenza l'omeostasi degli amminoacidi [ 105 ]. Pertanto, si
raccomanda che le diete ad alto contenuto proteico siano attentamente progettate,
27
considerando i livelli di fermentazione proteica da parte del microbiota intestinale e la
quantità di proteine che entrano nell'intestino crasso.
28
4.2.3 Fonti proteiche, aminoacidi e specie della microflora intestinale
Le fonti proteiche alimentari e il relativo contenuto amminoacidico influenzano la
diversità microbica intestinale, più nello specifico sappiamo che il consumo di proteine
vegetali sono associate ad un maggiore contenuto di Bifidobacterium, Roseburia,
Ruminococcus bromii, Lactobacillus e Roseburia [ 106 ], mentre al consumo di proteine
animali è associato un aumento dell’abbondanza di Bacteroides, Alistipes, Bilophila e
Clostridium perfrigens [ 107 ]. Una maggiore abbondanza di Bacteroidetes,
Bifidobacterium e livelli sierici ridotti di LPS è stata associata ad una maggiore
assunzione di proteine della soia rispetto alle proteine di origine animale. Inoltre, alcuni
studi hanno riportate che un consumo delle proteine della soia supporta l'aumento dei
bifidobatteri e dei lattobacilli [ 108 ], che sono collegati alla diminuzione dell'obesità.
Allo stesso modo, sono stati segnalati un aumento della trasformazione degli acidi
biliari, la secrezione di GLP-1, livelli elevati di Lactobacillus e Bifidobacterium e una
riduzione di Firmicutes a seguito di pasti ricchi di proteine di soia, fagioli mung e grano
saraceno [ 109 ]. Inoltre, il siero del latte fermentato da Bifidobatteri e le proteine del
formaggio hanno portato ad una diminuzione delle popolazioni di Bacteroides fragilis e
Clostridium perfingens, con un aumento della produzione di acetato e una maggiore
diversità di Lactobacillus e Bifidobacterium [ 110 ]. Inoltre, alcune specie di
Lactobacillus e Bifidobacteria sono state associate ad un aumento della forza muscolare,
alla perdita di peso e ad ambienti obeso-genici ridotti, sia nell'uomo che nei roditori
[ 111 ]. Ciò può essere attribuito all'abbondanza di proteine del siero del latte in
Lactobacillus e Bifidobacteria, come riportato negli studi sui roditori [ 1012 ] A questo
proposito, è stata dimostrata una maggiore abbondanza di Lactobacillus in seguito al
consumo di proteine della carne bianca, mentre l'integrazione di Lactobacillus
plantarum ha determinato un aumento della massa muscolare nei topi [ 112 ].
Un maggiore contenuto di SCFA e una riduzione dei Proteobatteri (Helicobacter) sono
stati osservati nei topi nutriti con proteine del pesce [ 113 ]. Inoltre, una maggiore
produzione di Bifidobacterium, Lactobacillus e SCFA è stata osservata in seguito ad una
elevata assunzione di proteine dei piselli, che sopprime la secrezione di citochine
infiammatorie, IL-6 e TNF-α, migliorando l'espressione dell'interleuchina-10 (IL-10) e
l'omeostasi del glucosio [ 114 ]. Al contrario, le ammine eterocicliche e il glicano
derivanti dalla carne rossa possono promuovere l'infiammazione ed una maggiore
29
concentrazione di Bacteroides e Fusobacterium e dei più bassi livelli di Lactobacillus e
Roseburia, che sono collegati a risposte antinfiammatorie inferiori e ad una maggiore
incidenza di diabete di tipo 2 [ 114 ]. Di conseguenza, la L-carnitina presente nella carne
rossa può essere metabolizzata in ossido di trimetilammina (TMAO), che è associato ad
un'aumentata incidenza di aterosclerosi [ 115 ] ed obesità [ 116 ]. Ciò potrebbe non
essere compatibile, tuttavia, con studi che evidenziano una maggiore produzione di
TMAO circolante a seguito del consumo di frutti di mare e prodotti ittici, noti per essere
cardioprotettivi, rispetto alle uova e alle proteine della carne rossa [ 117 , 118 ]. Inoltre,
un integratore di proteine del siero del latte misto a carne di manzo (25gr) per 70 giorni
somministrato ad atleti di resistenza, ha ridotto Roseburia, Bifidobacterium longum e
Blautia e ha aumentato le specie Bacteroidetes rispetto al gruppo di controllo che
riceveva maltodestrina [ 119 ]. Tuttavia, in un altro studio, l'integrazione di manzo ad
alto contenuto proteico in topi germ-free (GF), rispetto a topi con microbioma inalterato
ha mostrato un miglioramento della forza di presa in entrambi i gruppi [ 120 ], mettendo
in dubbio gli effetti della somministrazione di manzo ad alto contenuto proteico in topi
con composizione microbica diversa.
I trapianti di microbiota da topi privi di patogeni hanno anche mostrato una riduzione
dell'atrofia del tessuto muscolo scheletrico e dei marcatori di disfunzione dei mitocondri,
rispetto ai topi GF; in particolare un aumento dei livelli sierici di colina e proteine della
giunzione neuromuscolare, Rapsyn e Lrp4 [ 121 ]. Nel complesso, le proteine della
carne bianca (pollo, pesce) mostrano risultati positivi per l'ospite rispetto alle proteine
della carne rossa (manzo, maiale) a causa della maggiore abbondanza di Lactobacillus
[ 122 ].
È interessante notare che una composizione microbica maggiormente favorevole è stata
associata ad un maggior consumo di proteine vegetali, rispetto alle proteine animali
(carne bianca e rossa), in parte a causa di una maggiore percentuale di batteri che
producono SCFA.
Tuttavia, i risultati dovrebbero essere trattati con cautela considerando la mancanza di
studi sperimentali sull'uomo. Inoltre, sappiamo che la varietà di amminoacidi, di diversi
tipi di proteine disponibili per i batteri intestinali, può regolare il metabolismo degli
amminoacidi di tutto il corpo e l'utilizzo delle proteine [ 123 ].
Lisina, glutammato, glicina
30
, ornitina, aspartame e treonina possono contribuire al metabolismo dell'acetato, mentre
lisina, glutammato e treonina alla sintesi del butirrato. Ciò indica che gli amminoacidi
sono cruciali per la sintesi degli SCFA, mostrando una grande versatilità per quanto
riguarda la loro sintesi [ 124 ].
Sebbene siano stati identificati effetti benefici e deleteri dal consumo di proteine, gli
effetti degli amminoacidi sul fenotipo metabolico umano hanno interferito con il
microbiota intestinale, che dipende dalla digeribilità e dall'assorbimento delle proteine.
Quest’ultimi sono aspetti che devono essere maggiormente compresi e analizzati.
31
5 Microbiota intestinale e Sarcopenia
5.1 Microbiota intestinale ed effetti sistemici che coinvolgono la
funzione muscolare
Il microbiota intestinale è stato recentemente definito come un "trasduttore" di segnali
nutritivi per l'ospite [ 125 ], non a caso è fortemente influenzato dalla dieta, ed è in
grado di produrre mediatori che influenzano l'equilibrio metabolico, la sensibilità
insulinica e l'infiammazione. Questi concetti vengono affermati dallo studio di Backhed
et al. dove i topi, privi di microbiota, mostravano persistentemente un fenotipo magro
anche quando venivano alimentati con diete ipercaloriche e ricche di grassi [ 126 ].
Infatti, il microbiota intestinale è in grado di dare segnali pro-anabolizzanti all'ospite
producendo mediatori importanti derivati dalla dieta. Nei topi ai quali veniva trapiantato
il microbiota, si analizzava un maggior quadro anabolico nell'osso, con un aumento di
densità minerale [ 127 ]. I metaboliti microbici, coinvolti in questo processo appena
espresso, sono gli acidi grassi a catena corta (SCFA), che promuovono il rilascio
sistemico di IGF-1 [ 127 ].
L'IGF-1 è un noto ormone anabolico con importanti azioni anche per quanto riguarda la
modulazione della risposta infiammatoria [ 128 ], che può rappresentare un elemento
chiave negli effetti del microbiota intestinale. Inoltre, il trapianto del microbiota fecale,
da bambini africani malnutriti, a topi, ha comportato complicanze nella crescita dei topi
stessi, mentre il trapianto del microbiota fecale da bambini ben nutriti, sempre verso
topi, non ne ha alterato la crescita [ 128 ]. I risultati di questi esperimenti confermano
che un microbiota intestinale sano promuove l'anabolismo, mentre un microbiota
disbiotico è associato alla resistenza anabolica o addirittura al catabolismo [ 129 ].
Questi risultati non sono sorprendenti se si considera quanti nutrienti sono resi
biodisponibili per l'ospite dal metabolismo del microbiota o sono prodotti in modo
significativo dal microbiota stesso [ 129 ].
È interessante notare che gli studi che collegano i modelli dietetici (dieta mediterranea)
con la composizione del microbiota intestinale sull’uomo hanno dimostrato che, molti
mediatori microbici, derivanti dai nutrienti, possono essere trovati nelle urine, nel
sangue e nelle feci. Questa circostanza conferma il ruolo attivo del microbiota
intestinale come modulatore metabolico per l'ospite.
32
Tabella 2 Panoramica dei principali metaboliti microbici che agiscono come nutrienti o
modulatori metabolici/fisiologici per l'ospite, che sono anche eventualmente coinvolti
nella funzione del muscolo scheletrico.
IGF-1: fattore di crescita insulinico
33
5.2 Effetto dei mediatori del microbiota intestinale sul muscolo
scheletrico
Diverse sostanze prodotte o modificate dal microbiota intestinale, possono entrare nella
circolazione sistemica al fine di andare ad influenzare le cellule muscolo-scheletriche.
Ad esempio, un microbiota intestinale sano è in grado di produrre quantità significative
di folati e vitamina B12 [ 130 ], che possono migliorare l'anabolismo muscolare e
prevenire lo stress ossidativo indotto dall' iperomocisteinemia e dal danno endoteliale
[ 130 ]. Inoltre, il microbiota intestinale è in grado di sintetizzare alcuni amminoacidi,
come il triptofano, che rappresentano i substrati fondamentali per l'anabolismo proteico
muscolare [ 130 ].
Il triptofano può anche stimolare la via IGF-1/p70s6k/mTor nelle cellule muscolari,
promuovendo l'espressione di geni coinvolti nella sintesi mio-fibrillare [ 130 ]. La
betaina, un metabolita microbico derivato dalla glicina, favorisce il rilascio di calcio e la
sintesi di IGF-1 in osteoblasti umani, lasciando ipotizzare un effetto anche sulle cellule
muscolari scheletriche [ 131 ]. Più in generale, l'effetto di diversi nutraceutici con una
documentata promozione dell'anabolismo, nelle cellule muscolari scheletriche, sono
mediati dal metabolismo del microbiota intestinale [ 132 ].
I mediatori più studiati riguardanti l’effetto del microbiota intestinale sulla funzione del
muscolo scheletrico sono gli SCFA [ 132 ], approfondendo che i principali bersagli di
questi ultimi sono i mitocondri del muscolo scheletrico.
Gli SCFA prodotti da batteri intestinali come Faecalibacterium, Succinivibrio e
Butyricimonas possono entrare nella circolazione sistemica ed essere assorbiti dalle
cellule del muscolo scheletrico, dove agiscono come ligandi per i recettori degli acidi
grassi liberi 2 e 3 (FFAR-2 e FFAR3). Questi recettori hanno un ruolo chiave nella
modulazione dell'assorbimento e del metabolismo del glucosio, oltre che nel
promuovere la sensibilità insulinica [ 133 ]. Inoltre, gli SCFA sovra regolano il recettore
della deacetilasi sirtuina-1 NAD-dipendente (SIRT1), che è un modulatore della
biogenesi mitocondriale [ 134 ].
È interessante notare che l'espressione delle proteine mitocondriali è positivamente
correlate ai SCFA, fornendo una prova di una stretta connessione tra microbiota e
funzione mitocondriale [ 135 ]. Le proteine mitocondriali coinvolte determinano una
maggiore
efficacia nella produzione energetica, nell’equilibrio redox e nella
34
modulazione dell’infiammazione. Bassi livelli di SCFA nel microbiota intestinale sono
stati associati ad un aumento dell'infiammazione cronica subclinica [ 136 ]. Tra gli
SCFA, il mediatore più interessante dal punto di vista del muscolo scheletrico è il
butirrato, quest’ultimo, oltre alle sue note proprietà antinfiammatorie [ 137 ], può essere
responsabile dell'attivazione di diverse vie regolatorie (ad esempio, UCP2-AMPK-ACC
e PGC1-α), con conseguente aumento della produzione di ATP, e, infine, con
miglioramento dell'efficienza metabolica delle miofibre [ 137 ]. Il butirrato agisce anche
attraverso l'inibizione dell'istone deacetilasi, che porta alla prevenzione dell'apoptosi
cellulare e alla protezione contro il catabolismo proteico muscolare [ 138 ]. Walsh et al.
hanno infatti dimostrato che la somministrazione di butirrato a topi anziani è associata
alla prevenzione della fisiologica perdita di massa muscolare legata all'età (Sarcopenia)
[ 138 ]. Al contrario, altri dati, vertono contro l'attività metabolica benefica dell'acetato,
che è un altro SCFA derivato dal metabolismo del microbiota intestinale. Le sue
concentrazioni sistemiche sono state correlate con l'aumento della resistenza insulinica
oltre che dell'obesità [ 138 ]. La presenza dell’acetato riduce l'anabolismo muscolare e
garantisce conseguenze negative sulla sarcopenia. La biogenesi mitocondriale delle
cellule muscolo scheletriche può essere regolata anche dagli acidi biliari secondari, che
sono sintetizzati dal microbiota intestinale a partire dagli acidi biliari primari [ 139 ].
Tuttavia, attualmente non esiste una prova diretta della modulazione anabolica degli
acidi biliari sulle cellule del muscolo scheletrico. Un esempio paradigmatico di come i
nutrienti possano essere modificati dal microbiota intestinale, al fine di produrre
sostanze che possano avere un'influenza importante sulla funzione muscolare, è
rappresentato dagli ellagitannini.
Gli ellagitannini sono una classe di polifenoli particolarmente presenti in frutta e noci,
come melograni, lamponi neri, lamponi, fragole e noci. Sono scarsamente assorbiti a
livello dell'intestino tenue e, dopo l'ingestione, raggiungono l'intestino crasso, dove
vengono ampiamente metabolizzati dal microbiota intestinale per formare strutture
fenoliche più piccole, note come urolitine [ 140 ]. Uno dei più rilevanti tra questi
metaboliti è l'urolitina A (Uro-A), in grado di prevenire l'accumulo di mitocondri
disfunzionali legati all'età (C. elegans) [ 141 ]. Negli stessi studi, i ricercatori hanno
dimostrato una migliore capacità di esercizio in due diversi modelli murini che si
trovavano in una condizione sarcopenica. Gli autori hanno anche completato con
35
successo uno studio clinico di fase 1 dove hanno dimostrato che la capacità dell'Uro-A,
assunto per via orale, riesce a modulare i biomarcatori muscolari e mitocondriali [ 142 ].
Questo caso rappresenta uno straordinario esempio di un metabolita generato
dall'interazione di sostanze fitochimiche alimentari con il microbiota intestinale umano,
che ha dimostrato attività sia nei confronti dei geni, a livello nucleare, che in
meccanismi legati alla funzione muscolare nell'uomo (figura 6).
36
Figura 6 Panoramica dei presunti meccanismi fisiopatologici che pongono la
composizione del microbiota intestinale all'incrocio tra nutrizione e funzione muscolare.
La dieta influenza la composizione del microbiota; a sua volta, il microbiota
metabolizza alcuni nutrienti, tra cui fibre e proteine, in mediatori, come gli acidi grassi
a catena corta, che entrano nella circolazione sistemica. Questi mediatori hanno
un'influenza nota sui miociti, e in particolare sui loro mitocondri, attraverso molteplici
vie di segnalazione che derivano dalla modulazione dell'infiammazione e dalla
promozione della sensibilità all'insulina. La parte inferiore della figura mostra anche
che l'esercizio fisico stesso può modulare la composizione del microbiota intestinale e
rappresentare un fattore rilevante in questi fenomeni.
37
6 Interazioni del microbioma con terapie farmacologiche e non per la
gestione delle malattie
In questo capitolo si andrà a trattare le complesse interazioni del microbioma con
approcci farmacologici e non, per la gestione delle comuni malattie muscoloscheletriche
legate all'invecchiamento (l'osteoporosi, sarcopenia e osteoartrite). Si analizzeranno gli
effetti degli interventi, sulla composizione del microbiota e sui metaboliti associati,
sull'integrità intestinale e sulla funzione immunitaria. Si continuerà successivamente
con gli effetti del microbioma sul metabolismo di farmaci/nutrienti, in quanto capaci di
influenzare la loro efficacia, amplificare/ridurre gli effetti collaterali. Verrà descritto
ulteriormente se questi ultimi effetti vengono mediati da meccanismi diretti (ad es.
utilizzo o biotrasformazione di farmaci/nutrienti, o dei loro metaboliti in prodotti con
proprietà alterate) o indiretti (ad es. modulazione nella funzione del sistema immunitario)
(figura 8). Si proseguirà comprendendo gli approcci emergenti per l’alterazione del
microbioma, al fine di migliorare i parametri clinici relativi alla salute (figura 7).
38
6.1 Interazioni tra il microbioma e i trattamenti per i disturbi
muscoloscheletrici
6.1.1 Terapie per il dolore e/o l'infiammazione
Tra queste terapie farmacologiche, prendiamo in considerazione sicuramente:

Paracetamolo: Il metabolismo del paracetamolo, a livello epatico, dà origine
principalmente a due composti inattivi, non tossici, (paracetamolo solfato e
paracetamolo glucuronide) e a quantità minori di N‑acetyl-p‑benzochinone
imine, (considerata epatotossica) [ 143 ]. In uno studio di Clayton et al [ 144 ], è
stato dimostrato che gli individui con livelli di p-cresolo più elevati (un
metabolita microbico derivante dalla fermentazione degli amminoacidi),
determina una ridotta espulsione del paracetamolo, favorendo la via che porta
alla produzione di N‑acetil-p-benzochinone imine. Quindi le variazioni intra e
interindividuali nella dieta (cioè la disponibilità di substrato) e la capacità
microbica intestinale di formare p-cresol, contribuisce a creare delle discrepanze
tra gli individui, per quanto concerne il metabolismo del paracetamolo e ambito
di epatotossicità [ 144 ].

Oppioidi: Gli oppioidi sono potenti analgesici, il loro uso è tuttavia limitato da
effetti collaterali importanti, tra cui: dipendenza, problematiche gastrointestinali
e forte sedazione [ 144 ]. Nello specifico, il trattamento con oppioidi è stato
associato a ridotta motilità intestinale, inibizione dei meccanismi protettivi
dell'epitelio intestinale (es. muco, rilascio di bicarbonato), alterazione della
composizione della microflora intestinale (es. crescita di patogeni Gram-positivi
e riduzione dei batteri che metabolizzano gli acidi biliari) e la perdita funzionale
della barriera intestinale, consentendo la traslocazione batterica [ 144 ]. Tale
disbiosi microbica che si verrebbe a creare potrebbe influenzare il metabolismo
dei farmaci.
39
Figura 7 Sintesi dei meccanismi correlati al microbiota attraverso i quali le terapie
(farmaci, nutraceutici e cambiamenti nello stile di vita) possono influenzare
positivamente gli esiti relativi alla salute e alle malattie di ossa, muscoli e articolazioni.
Questi meccanismi includono modifiche della composizione del microbiota verso il
ripristino dell'eubiosi e cambiamenti nella produzione di metaboliti microbici (cioè
aumenti dei metaboliti con potenziali benefici per la salute come gli acidi grassi a
catena corta e riduzione dei metaboliti microbici associati alla malattia). Si considera
inoltre il ripristino dell'integrità intestinale (inibizione del trasferimento di frammenti
microbici nella mucosa intestinale) e regolazione del sistema immunitario (ridotta
attivazione delle cellule immunitarie e produzione di citochine). Le frecce tratteggiate
indicano che i cambiamenti in uno di questi meccanismi possono avere effetti indiretti
anche sugli altri.
40
6.1.2 Farmaci antinfiammatori non steroidei (FANS)
Nonostante la loro efficacia nell’attenuare il dolore e l'infiammazione nell'osteoartrite e
nell'artrite, l'uso cronico di farmaci antinfiammatori non steroidei (FANS) è
preoccupante, a causa degli effetti collaterali associati al tratto gastrointestinale.
Il microbioma intestinale è stato recentemente implicato nello sviluppo dell'enteropatia
indotta da FANS [ 145 ]. Studi sugli animali indicano che quelli privi di microbiota sono
protetti contro l'enteropatia da FANS, mentre la reintroduzione del microbiota porta a
danno intestinale [ 145 ]. L’effetto collaterale in questione è motivato dall’inibizione,
operata dai FANS, delle ciclossigenasi, al fine di inibire le Prostaglandine (molecole
pro-infiammatorie). Inibendo le ciclossigenasi avremo una maggiore probabilità di
lesione della mucosa intestinale, con conseguente compromissione anche della capacità
di riparazione [ 146 ].
I FANS contribuiscono all’alterazione del microbiota, compromettendo l'integrità della
mucosa e quindi consentendo la penetrazione di agenti patogeni, ma anche interferendo
con il metabolismo di questi farmaci [ 146 ].
In particolare, le β-glucuronidasi microbiche che si legano ai metaboliti dei FANS
andando a rilasciare agliconi, possono indurre tossicità intestinale [ 147 ].
È stato dimostrato che la somministrazione di inibitori della β‑glucuronidasi in animali
trattati con FANS
va a ridurre il danno alla mucosa intestinale con riduzione di
enteropatia, rispetto agli animali che non hanno ricevuto gli inibitori [ 148 ].
Per quanto questi studi hanno avuto un esito positivo, questa strategia, per ridurre
l'enteropatia da FANS, rimane da esplorare nell'uomo.
Per ridurre gli effetti collaterali del tratto gastrointestinale superiore, dati da FANS,
spesso si prescrive gli inibitori della pompa protonica (PPI), i quali, tuttavia, potrebbero
potenziare l'enteropatia, gravando la condizione di disbiosi [ 149 ]. Negli esperimenti
sugli animali, i PPI hanno peggiorato il danno intestinale causato dai FANS [ 149 ].
Questi risultati sono stati attribuiti a pronunciate alterazioni nella composizione del
microbiota intestinale (cioè riduzioni Actinobacteria e Bifidobacteria), mentre la
fornitura giornaliera di bifidobatteri ha invertito la disbiosi e prevenuto i danni
intestinali indotti da FANS [ 149 ]. Nello stesso studio, topi colonizzati con batteri di
animali sani hanno subito lievi lesioni intestinali dopo il trattamento con FANS, mentre
nell’altro gruppo, colonizzato con batteri di topi trattati con PPI si sono riscontrati gravi
41
danni intestinali. Nell'uomo, i soggetti utilizzatori di PPI mostrano una diminuzione
nella diversità alfa (cioè un numero ridotto di specie microbiche) e cambiamenti nel 20%
dei taxa batterici rispetto ai non utilizzatori [ 150 ], mentre si evidenzia un abbondante
aumento di Bacteroides e Erysipelotrichaceae spp.
42
Figura 8 Una sintesi dei potenziali meccanismi con cui il microbiota influenza la
biodisponibilità, l'efficacia e la tossicità delle terapie per le malattie
muscoloscheletriche legate all'invecchiamento [osteoporosi (OS), sarcopenia (SARC),
osteoartrite (OA)], oltre alla suscettibilità degli individui alle malattie. I meccanismi
diretti (a–c) includono la formazione di metaboliti tossici, il rilascio/metabolismo di
nutraceutici/nutrienti altrimenti scarsamente assorbiti (e quindi un maggiore
assorbimento) e l'utilizzo dei composti terapeutici da parte del microbiota con
successive riduzioni della loro quantità disponibile per l'assorbimento. I meccanismi
indiretti (d–g) includono la regolazione delle risposte immunitarie, la partecipazione
microbica al riciclaggio enteroepatico, la produzione di metaboliti microbici e la
produzione alterata di metaboliti dell'ospite o l'espressione genica dell'ospite.
43
7 Cambiamenti nello stile di vita
7.1 Assunzione di proteine
Un consumo adeguato di proteine alimentari è importante per mantenere l'integrità del
tessuto muscoloscheletrico [ 151 ]. Il microbioma intestinale è implicato nel
metabolismo e nell'utilizzo delle proteine. I batteri intestinali hanno la capacità di
scomporre le proteine non digerite in amminoacidi, ma anche di sintetizzare “de novo”
amminoacidi essenziali da fonti di azoto [ 152 ], che successivamente verranno assorbiti
a livello dell’intestino tenue.
È interessante notare che il microbiota intestinale può migliorare l'equilibrio degli
aminoacidi in individui con un basso apporto proteico [ 153 ] e aumentare la
biodisponibilità degli aminoacidi importanti per la salute muscoloscheletrica (ad
esempio la leucina). Nell'intestino crasso, gli amminoacidi vengono principalmente
utilizzati dai batteri luminali, o ulteriormente catabolizzati dal microbiota, al fine di
produrre una serie di metaboliti, quali: SCFA, acidi grassi a catena ramificata (BCFA),
ammoniaca, idrogeno solforato, composti indolici, ammine e poliammine, che
esercitano effetti positivi o negativi sulla composizione microbica, sull'omeostasi
intestinale e su altre funzioni dell'ospite [ 153 ]. Pertanto, un microbiota intestinale sano,
contribuisce indirettamente al metabolismo delle proteine nell'ospite, controllando le
risposte immunitarie e l'infiammazione, prevenendo la resistenza insulinica, modulando
l'espressione genica nell'ospite e mantenendo la barriera intestinale e la funzione
mitocondriale [ 154 ]. Al contrario la condizione di disbiosi, dovuta all’invecchiamento
o da patologie particolari, può influenzare negativamente questi parametri.
D'altra parte, le proteine alimentari influenzano il microbiota intestinale e la salute
dell'ospite, modulando sia la composizione microbica, sia le attività metaboliche, sia
l'espressione genica [ 155 ]. Questi effetti sono complessi e dipendono da molti aspetti,
tra cui:

La quantità di proteine presenti nella dieta

Le fonti proteiche

I diversi fattori dietetici

Le caratteristiche dell'ospite [ 155 ]
In effetti, l’aumento dell’intake proteico è stato associato, in numerosi studi, a modeste
44
alterazioni nella composizione del microbiota intestinale.
Nelle diete ad alto contenuto di proteine notiamo che un importante quantità di
quest’ultime non viene adeguatamente digerita, raggiungendo l'intestino crasso e
causando la fermentazione proteica e la produzione di metaboliti; tuttavia, la quantità e
la qualità di questi metaboliti possono variare notevolmente in base a vari fattori.
Ad esempio, le proteine vegetali e animali influenzano in modo diverso i metabolomi e
l'espressione genica della mucosa rettale[ 155 ].. Questa differenziazione sembrerebbe
essere correlata alla diversa digeribilità e alla diversa composizione amminoacidica. Le
diete ad alto contenuto proteico e a basso contenuto di carboidrati sono state associate
ad un aumento della produzione di metaboliti dannosi (acido fenilacetico, composti Nnitrosi) e ridotta produzione di metaboliti benefici (butirrato e acidi fenolici), mentre
l'integrazione di carboidrati complessi, durante le diete iperproteiche, riduce il p-cresolo
(metabolita microbico associato a varie patologie) [ 156 ]. Inoltre, poiché ogni specie
batterica ha una capacità diversa di catabolizzare gli amminoacidi [ 156 ], lo stesso
intervento proteico può avere effetti variabili negli individui, in rapporto alla diversità
microbica.
45
7.2 Attività fisica
Avere un elevato livello di fitness cardiorespiratorio, uno stile di vita attivo [ 157 ], lo
svolgere attività sportiva [ 157 ] oppure lo svolgere esercizio contro resistenza [ 158 ] ,
sono aspetti associati a modulazioni ampiamente positive del microbioma intestinale. In
questi soggetti è stata riscontrata una maggiore diversità microbica, con maggiore
proliferazione di batteri benefici e SCFA fecali elevati. Alcuni di questi effetti sembrano
verificarsi indipendentemente dalla dieta e svaniscono dal momento in cui il soggetto
torna ad uno stile di vita sedentario. Prove indirette supportano effetti positivi o negativi
dell'esercizio fisico rispetto a vari fattori, tra cui: il timing di transito intestinale, la
funzione immunitaria e l'integrità della barriera intestinale, a seconda della modalità di
esercizio, in rapporto all’intensità e alla durata [ 159 ]. In particolare, la maggior parte di
queste prove deriva da studi preclinici su atleti/individui sani fisicamente attivi o
sedentari [ 160 ]. Purtroppo, l'impatto dell'esercizio fisico in soggetti che presentano
condizioni disbiotiche (ad es. obesità, diabete, invecchiamento), che quindi
predispongono fortemente a disturbi muscoloscheletrici , è ancora poco studiato. [ 160 ]
A tal fine, gli studi sugli animali suggeriscono che l'esercizio fisico può parzialmente
ripristinare l’eubiosi intestinale e le alterazioni morfologiche dei villi intestinali, indotte
da un'alimentazione ricca di grassi [ 160 ]. Lambert et al. hanno dimostrato delle
interessanti interazioni tra esercizio fisico e condizione diabetica, in rapporto al
microbiota intestinale, in un modello murino di diabete di tipo 2 [ 161 ].
In uno studio sono stati prescritti interventi di esercizio aerobico su soggetti anziani, con
risultati relativi a cambiamenti nella composizione del microbiota intestinale e aumenti
della capacità cardiorespiratoria. Il microbioma ha effetti marcati sulla capacità di
esercizio, oltre che sui parametri metabolici, ed è stato recentemente proposto come
fattore contribuente la variabilità interindividuale nelle risposte all'allenamento [ 161 ].
In studi su animali, è stato notato che i topi trattati con antibiotici, mostrano una ridotta
capacità all’esercizio contro resistenza, [ 162 ] a causa di atrofia muscolo scheletrica,
[ 162 ] oltre che dimostrare compromissione nella funzione contrattile del muscolo
scheletrico ex vivo; [ 162 ] mentre il ripristino del microbiota intestinale attraverso la
risemina naturale, [ 162 ] l'integrazione di SCFA [ 163 ] o l'infusione di acetato [ 162 ]
(un altro SCFA con potenziali benefici per l'ospite) garantisce esiti positivi in rapporto
all’esercizio fisico.
46
Questi effetti del microbioma intestinale, sulle risposte all'esercizio fisico, sono
probabilmente mediate:

Dall'alterazione della disponibilità di SCFA

Dall'utilizzo e dalla conservazione del substrato

Dallo stress ossidativo

Dalle funzioni neurali e immunitarie

Dall'interazione
con
i
mitocondri
nella
produzione
di
energia
e
nell'infiammazione
Negli esseri umani, attualmente, si ha una comprensione limitata su come i distinti
microbiomi intestinali influenzino le risposte all'esercizio. Uno studio ha dimostrato che
i microbioti di individui sedentari, magri o obesi avevano diverse composizioni
microbiche e rispondevano in modo diverso ad un intervento di esercizio contro
resistenza di 6 settimane [ 162 ]. L'esercizio ha aumentato i taxa che producono SCFA e
le concentrazioni di SCFA fecali in individui magri, ma non in quelli obesi (effetti
riscontrati a parità di dieta) [ 163 ]. Questi risultati suggeriscono che alcuni individui
possono essere più reattivi ad un determinato intervento di esercizio rispetto ad altri e
queste discrepanze possono essere correlate alle differenze del microbioma intestinale.
47
7.3 Perdita di peso
La perdita di peso sembra avere effetti differenziati su diversi aspetti della salute
muscoloscheletrica. Il dimagrimento migliora notevolmente la funzione motoria
soprattutto in individui fragili obesi; [ 164 ] tuttavia, è stato associato anche a perdita
del tessuto osseo e muscolare. Considerando che una struttura ossea compromessa viene
associata ad elevato rischio di fratture, specialmente tra gli anziani. In uno studio si è
notato che la composizione del microbiota può variare in risposta alle diete dimagranti,
[ 165 ] e, analogamente, agli interventi di perdita di peso che comportano restrizioni
dietetiche, [ 165 ] chirurgia bariatrica [ 164 ] o modificazioni dirette del microbiota
[ 165 ]. Tuttavia, le interazioni che interfacciano la perdita di peso con il microbioma,
sono state raramente considerate in rapporto al tessuto muscolo-scheletrico. Una
metanalisi di 11 studi ha dimostrato che le diete restrittive, per la perdita di peso, sono
associate ad una minore abbondanza batterica totale oltre che una riduzione complessiva
dei batteri deputati alla produziuone di butirrato (Firmicutes, Lactobacillus spp. e
Bifidobacterium spp.) [ 166 ].
Nella stessa metanalisi, sono stati osservati risultati incoerenti per la diversità alfa e i
cambiamenti di composizione a livello di phylum. Oltre alle alterazioni nella
composizione del microbioma, le concentrazioni di SCFA rimangono significativamente
diminuite, in risposta a diete dimagranti, specialmente nelle diete con basso apporto di
carboidrati/fibre [ 167 ]. Sono state inoltre documentate, a seguito di interventi dietetici
per la perdita di peso, riduzioni di trimetilammina N-ossido (TMAO) (un altro
metabolita microbico intestinale), e dei suoi precursori (colina e L-carnitina) [ 168 ]; tali
cambiamenti possono giovare alla salute cardio-metabolica, ma, sorprendentemente,
sono stati associati a danni alla salute delle ossa tra gli individui in condizione di
sovrappeso o di obesità.
48
7.4 Fumo
Il fumo è considerato un importante fattore di rischio ambientale nella patogenesi delle
malattie muscoloscheletriche, mentre il suo divieto è fortemente raccomandato nei
pazienti con osteoporosi. [ 169 ] Diversi studi sull'uomo suggeriscono che il fumo altera
le comunità microbiche in diversi siti del corpo (es. naso, polmoni, GI superiore e
inferiore) a volte verso un profilo disbiotico. [ 169 ] Una recente revisione che ha
riassunto i risultati di studi osservazionali e interventistici sulle relazioni tra microbiota
intestinale e fumo, ha suggerito che, nel complesso, il microbiota intestinale dei
fumatori è caratterizzato da una ridotta diversità microbica. [ 169 ] Gli effetti del fumo
sul microbioma sono dovuti al contatto diretto con il fumo di tabacco, all’esposizione a
microrganismi patogeni e soprattutto a sostanze chimiche, presenti nelle sigarette di
tabacco, e/o metaboliti del tabacco. I quali, a loro volta, influenzano le popolazioni
microbiche attraverso alterazioni del microambiente gastrointestinale (es. ossigeno, pH
e acido). [ 169 ] Tali interazioni potrebbero contribuire allo sviluppo di patologie
intestinali e sistemiche; [ 170 ] tuttavia, le associazioni tra fumo, disbiosi e malattie
muscoloscheletrico sono inesplorate. Negli individui che hanno smesso di fumare è
stata associata una migliore diversità microbica ed una composizione batterica
favorevole [ 170 ], sollevando l’interrogatorio secondo il quale i benefici scheletrici
osservati dopo la cessazione del fumo, nei pazienti osteoporotici, siano parzialmente
attribuibili all'aumento della disbiosi.
49
7.5 Alcool
È stato dimostrato che l'abuso di alcool aumenta la probabilità di insorgenza di diverse
malattie, (tra cui l'osteoporosi e la sarcopenia) attraverso diversi meccanismi, [ 171 ] e
la promozione della disbiosi è stata proposta come uno di questi. [ 171 ] Il consumo
eccessivo di questa sostanza è stato associato ad alterazioni nella composizione del
microbiota intestinale (es. crescita di Proteobacteria e deplezione di Bacteroidetes), oltre
che di alcuni metaboliti (riduzione dei livelli di butirrato) e all’infiammazione
intestinale (aumento dei livelli di citochine proinfiammatorie). [ 171 ] Studi
epidemiologici suggeriscono un ridotto rischio di osteoporosi in chi ne fa uso in modo
moderato. [ 171 ] Oltre alla quantità di etanolo, è probabile che le associazioni osservate,
siano influenzate da altri fattori specifici, presenti nel tipo di bevande alcolica, che si
differenziano da bevanda a bevanda. Rispetto alle bevande alcoliche distillate (ad es.
superalcolici e liquori: ~40% di alcool), le bevande alcoliche fermentate come vino e
birra hanno un contenuto alcolico inferiore (birra: 2-8%; vino: tipicamente ⩽14% di
alcol) e contengono nutrienti (cioè polifenoli e fibre) con potenziali effetti benefici sul
microbioma. [ 172 ] Ad esempio, in uno studio cross-over randomizzato, il consumo
esclusivo di alcool (gin) per 20 giorni ha determinato un arricchimento di Bacteroides e
Clostridium e una scarsità di Prevotellaceae rispetto al microbiota basale. Inoltre, il
consumo di vino rosso e vino rosso de-alcolizzato hanno portato alla crescita di batteri
benefici, alla riduzione di batteri potenzialmente dannosi e ad una modulazione positiva
nei marcatori della salute metabolica. [ 171 ] In un altro studio, il consumo moderato di
vino rosso in un mese ha aumentato la diversità alfa e i livelli di alcuni batteri minori, in
grado di metabolizzare i polifenoli. [ 172 ] In contrasto con questi risultati, la birra
analcolica ha prodotto cambiamenti più pronunciati nella diversità e composizione del
microbiota intestinale, rispetto alla birra alcolica, nonché miglioramenti nella tolleranza
verso il glucosio, che non sono stati osservati dopo il consumo di birra alcolica. Questi
risultati suggeriscono che la presenza di etanolo nella birra alcolica può offuscare i
potenziali effetti favorevoli, di altri nutrienti, sulla salute. [ 172 ] Sono necessari studi
futuri per esplorare l'impatto dell'etanolo con/senza altri nutrienti, nei confronti del
microbioma e sugli esiti muscoloscheletrici.
50
8 Prebiotici e probiotici per la modulazione del microbioma intestinale
e della salute muscoloscheletrica nell'uomo
La composizione e l'attività metabolica del microbiota intestinale potrebbe essere
modulata attraverso:

Dieta

Antibiotici

Probiotici: microrganismi vivi che, se somministrati in quantità adeguate,
conferiscono un beneficio alla salute dell'ospite

Prebiotici: composti fermentabili non digeribili che promuovono la crescita o
l'attività di batteri benefici

Post biotici: metaboliti microbici benefici come gli SCFA

Trapianto di microbiota fecale.
Poiché non sono disponibili studi clinici su antibiotici, post biotici e trapianto di
microbiota fecale, per quanto riguarda l'osteoporosi, la sarcopenia o l'osteoartrite, in
questa tesi ci concentriamo sugli interventi con prebiotici e probiotici integrati. I quali
possono essere somministrati per via orale (es. masticabili, capsule, compresse, spray e
frullati) in pazienti aventi o a rischio di queste malattie muscoloscheletriche.
La maggior parte degli studi disponibili, hanno esplorato l’efficacia di questi interventi
nella prevenzione/protezione contro le malattie muscoloscheletriche, allo stesso tempo
gli studi sugli effetti dei prebiotici/probiotici come strategie di trattamento (da sole o
complementari ai trattamenti esistenti) rimangono molto limitati.
51
8.1 Effetti dei prebiotici su alcuni aspetti correlati alla sarcopenia
È stato dimostrato che l'integrazione di prebiotici, negli individui fragili, aumenta
l'abbondanza di alcuni taxa batterici con effetti meno pronunciati sulla diversità alfa e
beta. [ 173 ] Le prove sugli effetti dei prebiotici sulle problematiche correlate alla
sarcopenia/fragilità sono, tuttavia, limitate. Uno studio ha analizzato gli effetti di una
miscela di inulina e FOS in anziani, ambulatoriali, residenti in case di cura. Dallo studio
si nota come il gruppo di intervento ha riscontrato miglioramenti significativi nella
forza di presa dopo 13 settimane di integrazione, mentre il tasso complessivo di fragilità
è rimasto invariato. [ 173 ] Utilizzando un intervento simile (inulina + FOS rispetto al
placebo per un periodo di 13 settimane), (Theou et al.) [ 173 ] hanno dimostrato una
modesta riduzione di un indice di fragilità di 62 elementi, negli individui più anziani,
che ricevevano la miscela prebiotica. Miglioramenti nella autonomia motoria, grado di
fragilità, stato nutrizionale e qualità della vita sono stati dimostrati dopo un intervento di
12 settimane con un'integrazione nutrizionale orale (FOS e inulina, proteine, Ca,
vitamina D) più somministrazione di esercizio fisico, negli anziani fragili; tuttavia, non
è stato possibile districare i contributi dei singoli componenti di questo intervento
multimodale, ai cambiamenti favorevoli osservati. [ 173 ] Nel loro insieme, gli studi
disponibili suggeriscono che i prebiotici, come terapia autonoma o come complemento
ad altri trattamenti, possono influenzare positivamente alcuni aspetti delle prestazioni
fisiche, in soggetti fragili.
52
9 Consumo di prebiotici e probiotici: un approccio dietetico olistico
Oltre agli studi interventistici, che esplorano l'impatto della somministrazione di
prebiotici e probiotici in quantità sostanziale, sulla salute delle ossa, dei muscoli e delle
articolazioni, è interessante immaginare se gli alimenti, naturalmente ricchi di questi
ingredienti, possano prevenire o migliorare le condizioni muscoloscheletriche.
Vale sicuramente la pena considerare un approccio alimentare, per manipolare il
microbioma, per una serie di motivi. Vi è crescente interesse per le matrici alimentari, le
quali considerano che interi alimenti/gruppi di alimenti sono più della semplice somma
dei loro componenti. [ 174 ] È interessante notare che i pazienti con patologie
muscoloscheletriche, spesso si sentono ambivalenti nei confronti dei farmaci e degli
integratori, prodotti farmaceuticamente e possono essere più ricettivi nei confronti di
cambiamenti nutrizionali complementari ai loro regimi terapeutici. A tal fine, diversi
studi
epidemiologici
hanno
indagato
le
associazioni
tra
dieta
e
risultati
muscoloscheletrici o l'associazione tra programmi dietetici e caratteristiche del
microbioma intestinale, ma l'interazione a tre vie è stata raramente esplorata. Ulteriori
studi hanno dimostrato che il consumo di prodotti lattiero-caseari fermentati (principale
fonte alimentare di probiotici, ma anche di proteine, calcio e altri micronutrienti) era
associato ad una maggiore densità minerale ossea, [ 175 ] ad una microstruttura ossea
favorevole, [ 174 ] ad una minore perdita ossea [ 174 ] ed a minori probabilità di frattura;
[ 175 ] tuttavia, i potenziali collegamenti ai cambiamenti nel microbiota intestinale non
sono stati studiati. Nel complesso, la dieta mediterranea e le altre diete a base vegetale
(caratterizzate da un elevato apporto di cereali integrali, noci, legumi, frutta e verdura
che sono buone fonti di fibre, ma anche altri nutrienti con effetti simil-prebiotici o
immunomodulatori come polifenoli, antiossidanti, acidi grassi monoinsaturi) vengono
associate
a
benefici
per
la
prevenzione
e/o
la
gestione
delle
malattie
muscoloscheletriche, [ 174 ] ad eccezione delle diete vegane che escludono proteine
animali e latticini e che quindi vengono associate ad effetti dannosi sulla salute
scheletrica. [ 175 ] In indagini separate, tali modelli dietetici sono stati anche collegati
alla proliferazione di
batteri benefici,
all'aumento della sintesi
di
SCFA,
all'infiammazione dell'intestino inferiore e alla limitata traslocazione batterica. [ 175 ]
Un recente studio prospettico ha valutato contemporaneamente l'associazione tra dieta,
modelli del microbiota e risultati correlati alla fragilità. [ 75 ] Hanno suggerito che le
53
persone anziane che aderiscono alla dieta mediterranea hanno avuto cambiamenti
favorevoli nel microbioma intestinale, che sono stati ulteriormente associati ad inferiori
livelli di marker infiammatori, maggiore velocità di camminata, maggiore forza di presa
ed una migliore funzione cognitiva, indipendentemente dai principali fattori di
confondimento (ad es. età, sesso, indice di massa corporea). [ 175 ] Futuri studi
prospettici e sperimentazioni cliniche sono necessari per verificare questi risultati e
fornire ulteriori approfondimenti sulle complesse interazioni dieta/microbioma/salute
muscoloscheletrica.
54
10 Conclusioni
In sintesi, la sarcopenia è un fenomeno comune negli anziani e nei pazienti con malattie
da deperimento e colpisce gravemente la forza muscolare e la capacità di movimento. Il
supporto nutrizionale potrebbe essere un nuovo approccio per migliorare la sarcopenia
regolando l'UPS, la reazione ossidativa e l'autofagia cellulare, oltre che l'alterazione del
profilo del miRNA e la modulazione del microbiota intestinale.
Il supporto nutrizionale si è dimostrato un modo utile per aumentare la massa muscolare
e la forza, suggerendo che potrebbe essere un’ottima terapia per il miglioramento della
sarcopenia clinica.
Proteine di alta qualità, come il siero di latte o le proteine della soia, sono state
ampiamente utilizzate nella prevenzione e nella terapia della sarcopenia.
La maggior parte degli studi si è concentrata su adulti sani e in particolare su individui
anziani, anche se ulteriori studi sono necessari al fine di comprendere meglio la
funzione del supporto nutrizionale proteico nell'alleviare la sarcopenia.
In particolare, dovrebbe essere approfondito il ruolo del supporto nutrizionale proteico
nell'alterare l'espressione dei miRNA e del microbiota gastrointestinale, considerando
anche che la nutrizione è uno dei principali determinanti della composizione del
microbiota intestinale, oltre che essere coinvolta nella patogenesi della sarcopenia; il
microbiota intestinale potrebbe avere un ruolo centrale in quanto si trova all'incrocio
fisiopatologico tra questi due elementi.
L'attuale letteratura supporta l'ipotesi per cui il microbiota intestinale possa essere
coinvolto nell'insorgenza e nel decorso clinico della sarcopenia [ 60 , 100 ].
Poiché alcuni taxa microbici possono avere un ruolo rilevante nel determinare la
struttura e la funzione muscolare, producendo mediatori metabolici che influenzano la
fisiologia dell'ospite, dopo l'assorbimento a livello della mucosa intestinale. Glicina
betaina, triptofano, acidi biliari e SCFA, vale a dire butirrato, sono i più promettenti di
questi presunti mediatori. In quanto tali, queste molecole e i batteri che le producono, a
livello del microbiota fecale, potrebbero teoricamente rappresentare promettenti
biomarcatori della sarcopenia.
Tuttavia, mancano studi che valutino specificamente la composizione del microbiota
intestinale nella fragilità fisica e nella sarcopenia.
Per quanto riguarda l’aspetto dei prebiotici o probiotici, gli studi che testano gli effetti
55
sul muscolo scheletrico, si sono concentrati principalmente su modelli animali, e non
sono chiari gli analoghi benefici sull’uomo. Inoltre, i preparati probiotici commerciali,
attualmente disponibili, in molti casi non sono mirati alle alterazioni del microbiota
intestinale che possono essere rilevate dalla metagenomica, sebbene lo sviluppo di
nuovi probiotici "di prossima generazione" sembri molto promettente in questo campo
[ 170 ]. In questo scenario, dovrebbero essere sviluppati studi futuri per testare la
presenza, la funzionalità e la rilevanza clinica del presunto asse intestino-muscolo,
correlando la composizione del microbiota intestinale con la nutrizione, le prestazioni
muscolari e la struttura, che oggi possono essere facilmente valutate utilizzando metodi
strumentali a basso costo [ 171 , 172 ]. Gli effetti delle manipolazioni dietetiche,
compresi i benefici di una dieta in stile mediterraneo e la somministrazione di prebiotici
e probiotici, dovrebbero essere valutati anche negli individui più anziani, considerando
la funzionalità del muscolo scheletrico e le variabili clinico patologiche. In altri termini,
il collegamento tra microbiota intestinale con la fisiologia muscolare dovrebbe essere
una delle priorità della ricerca sull'alimentazione, la fragilità e la sarcopenia.
Proprio per questo sono necessari studi futuri per indagare l'uso terapeutico della
supplementazione di prebiotici e probiotici come monoterapia o come aggiunta ai
trattamenti convenzionali per le malattie muscoloscheletriche.
Per quanto riguarda l’aspetto del microbiota intestinale associato alle terapie
farmacologiche, la maggior parte degli studi si focalizza su aspetti bidirezionali, che
coinvolge il farmaco, associato agli effetti sulla salute muscolo scheletrica, oppure il
farmaco associato agli effetti sul microbiota; tuttavia, le interazioni a tre vie sono state
valutate solo raramente.
Le differenze tra animali allevati in modo convenzionale, trattati con antibiotici e GF
hanno fornito dati preliminari sul fatto che il microbioma è coinvolto nel metabolismo
dei farmaci nelle malattie muscoloscheletriche, tuttavia, sono necessari ulteriori studi
clinici per esplorare come, le differenze nella composizione del microbiota, influenzino
i risultati in risposta alla terapia della malattia. Un'ulteriore comprensione di questi
aspetti potrebbe aiutare lo sviluppo di strumenti che considerino il microbioma
intestinale dei pazienti e prevedano le risposte al trattamento, promuovendo progressi
nelle terapie basate o mirate al microbioma intestinale.
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