Laboratorio di Metagenomica Computazionale al CIBIO. Foto di Alessio Coser, archivio UniTrento. 

Ricerca

Dieta, metabolismo e microbioma intestinale

L’indagine sul microbioma intestinale fa luce sul legame tra cibo e salute. I risultati di una ricerca internazionale coordinata dal CIBIO

19 maggio 2021
Versione stampabile
di Gianmarco Piccinno, Nicola Segata e Francesco Asnicar
G. Piccinno è dottorando in Scienze Biomolecolari, N. Segata è professore ordinario, F. Asnicar assegnista di ricerca. Afferiscono al Dipartimento di Biologia Cellulare, Computazionale e Integrata - CIBIO UniTrento.

L’incidenza di obesità e malattie cardiovascolari è uno dei grandi problemi del nostro tempo, ed è in continuo aumento in particolare tra le popolazioni con uno stile di vita cosiddetto “occidentalizzato”.

Nel mondo occidentalizzato, infatti, si ha accesso con più facilità e si tende a consumare maggiormente cibi raffinati e ricchi di grassi e inoltre si conduce uno stile di vita in genere più sedentario. Elevati valori di glicemia, colesterolo e trigliceridi sono gli indicatori connessi ad una scarsa attività fisica e a cattive abitudini alimentari più associati a problemi metabolici e cardiovascolari. 

A parità di dieta e stile di vita, però, si è notato come ognuno di noi ha risposte metaboliche al cibo molto divergenti: due gemelli identici che assumono lo stesso pasto hanno valori metabolici postprandiali (ossia successivi all’assunzione del cibo) spesso sensibilmente diversi. Tale variabilità potrebbe essere legata alla composizione del nostro microbioma intestinale, la comunità di batteri, virus, funghi e micro eucarioti che colonizzano stabilmente l’intestino umano. 

Negli ultimi anni, infatti, la ricerca ha dimostrato che il microbioma umano è associato a diverse condizioni di salute, è plasmato dall'alimentazione e dallo stile di vita, e contribuisce a diverse patologie. Questi fattori, in aggiunta e probabilmente più della predisposizione genetica, contribuiscono a determinare la variabilità di risposte metaboliche al cibo che mangiamo. Comprendere a pieno la risposta fisiologica individuale al cibo e come queste variazioni siano associate con il microbioma intestinale è di fondamentale importanza per definire le relazioni tra dieta, metabolismo e microbioma e potrebbero condurre alla definizione di piani nutrizionali personalizzati.

Lo studio PREDICT 1 (Personalised REsponses to DIetary Composition Trial study) è parte di un insieme di studi che hanno come obiettivo la definizione delle risposte metaboliche individuali al cibo. La ricerca ha permesso di identificare quali associazioni esistano tra il microbioma intestinale e, sia i cibi consumati regolarmente, sia gli indici metabolici e cardiovascolari. 

L'indagine si basa su una coorte di 1098 persone volontarie sane da Regno Unito e Stati Uniti che hanno consumato dei pasti standardizzati e sono state monitorate nel tempo, per registrare le variazioni di glucosio, trigliceridi, insulina e altri metaboliti. Oltre alle risposte ai cibi, sono stati raccolti anche un campione fecale per lo studio del microbioma e le misure antropometriche come peso, altezza e quantità di grasso addominale. Chi ha partecipato ha infine compilato un questionario per determinare la propria dieta abituale e lo stile di vita.
La ricerca ha definito quanto la composizione della comunità microbica sia associata a dieta e indici metabolici utilizzando un approccio di machine learning e ha poi identificato i singoli membri del microbioma associati ai diversi regimi alimentari e risposte metaboliche utilizzando un approccio statistico basato sulle correlazioni. 

Si è visto come la composizione del microbioma sia legata ad alcuni cibi, ad un nuovo marcatore che misura i livelli di infiammazione e alle variazioni di trigliceridi e di insulina sia a digiuno che dopo i pasti. Inoltre sono state identificate singole specie associate con una dieta più sana e indici basali e risposte metaboliche positive, ma anche specie associate con diete più ricche di grassi di derivazione animale e indici metabolici meno positivi. 

Combinando questi risultati, sono stati individuati 19 marcatori tra quelli con un legame più stretto con la composizione del microbioma e che rappresentano la salute sia dal punto di vista della dieta che da quello cardiovascolare. Grazie a questi 19 marcatori è stato possibile definire un pannello di 30 batteri intestinali, 15 di questi associati ad una dieta sana e a marcatori positivi di salute cardiometabolica. In aggiunta a questo pannello di 30 specie microbiche, altri due microorganismi sono stati identificati associati a dieta e marcatori cardiometabolici favorevoli: il batterio Prevotella copri e il parassita eucariota unicellulare Blastocystis. Entrambi sono di norma maggiormente prevalenti in popolazioni non occidentalizzate. Questo studio ha evidenziato che la presenza di Prevotella copri o Blastocystis è indicativa di uno stato cardiometabolico favorevole e di livelli ridotti di grasso addominale.

Questo lavoro avvalora l’ipotesi che la dieta abbia un ruolo fondamentale nella definizione e composizione del microbioma intestinale, e che esista un'associazione tra i batteri e le risposte metaboliche individuali. Diventa quindi un punto di partenza per definire nuovi approcci di intervento personalizzati sia tramite piani nutrizionali, sia con interventi diretti sul microbioma intestinale. Tutte queste applicazioni richiedono necessariamente ulteriori studi e conferme, ma rientrano in quella che sarà la nutrizione di precisione. Un giorno, dunque, sia per la prevenzione che per la cura potremo avere accesso a dei piani nutrizionali e di attività fisica che tengano conto di tutta la nostra complessità e unicità.

La ricerca, condotta dal Dipartimento di Biologia Cellulare, Computazionale e Integrata - CIBIO dell’Università di Trento assieme al  King’s College London e all’iniziativa commerciale inglese Zoe con altre istituzioni internazionali, è stata pubblicata a gennaio 2021 su Nature Medicine con il titolo “Microbiome connections with host metabolism and habitual diet from 1,098 deeply phenotyped individuals” (a questo link è disponibile l’abstract con l’elenco completo degli autori e delle autrici dell’articolo: https://doi.org/10.1038/s41591-020-01183-8). 
Il team UniTrento è stato coordinato dal professor Nicola Segata, responsabile del Laboratorio di Metagenomica Computazionale del CIBIO.
Francesco Asnicar è primo autore dell’articolo, Nicola Segata è l'autore coordinatore e responsabile dello studio, Gianmarco Piccinno è coautore assieme a Mireia Valles-Colomer, Adrian Tett, Francesco Beghini, Léonard Dubois, Davide Bazzani, Andrew Maltez Thomas afferenti al CIBIO.
Le foto a corredo del presente articolo sono state scattate prima dell'emergenza sanitaria da coronavirus.


Diet, metabolism and gut microbiome
A study on gut microbiome sheds light on the connection between health and nutrition. The findings of an international research project coordinated by CIBIO

by Gianmarco Piccinno, Nicola Segata, Francesco Asnicar

G. Piccinno is a PhD candidate in Biomolecular sciences, N. Segata is a full professor, F. Asnicar is a research fellow. They are all affiliated with the Department of Cellular, Computational and Integrative Biology - CIBIO of UniTrento.

Obesity and cardiovascular disorders are among the most serious health issues of our time, and are on the increase especially in individuals who have adopted a "westernized" lifestyle.

In western countries, in fact, processed foods with high fat content are easily accessible and their consumption is high, while people tend to have a more sedentary lifestyle. High blood sugar and high levels of cholesterol and triglycerides are signs of poor physical activity and unhealthy eating habits, and are often associated with metabolic and cardiovascular diseases. 

People with the same diet and lifestyle, however, have different metabolic responses to food: two identical twins having the same meal have significantly different postprandial (occurring after a meal) metabolic responses. The diversity of the responses may be caused by the composition of our intestinal microbiome, the community of bacteria, viruses, fungi and micro-eukaryotes that live in human guts. 

In recent years, research has demonstrated that human microbiome is linked to various health conditions, is shaped by what we eat and what we do, and plays a role in different diseases. These factors, in addition to genetic predisposition and probably even to a greater extent, contribute to determine a variety of metabolic responses to the food we eat. Understanding this individual physiological response to food and how these different responses are linked to the gut microbiome is fundamental to define the relationship between diet, metabolism and microbiome, and could lead to the definition of personalized nutrition plans.

PREDICT 1-Personalised REsponses to DIetary Composition Trial is part of a series of studies that aim to define an individual's metabolic response to food. The study managed to identify the relations between gut microbiome, habitual food and metabolic and cardiovascular indices. 

The study involved 1098 healthy individuals from the United Kingdom and the United States who were given standardized meals and were monitored over time, to monitor blood sugar, triglycerides, insulin and other metabolites. In addition to dietary responses, researchers also collected stool samples and the participants' personal characteristics for weight, height, visceral fat. The participants also filled out a questionnaire on their dietary habits and lifestyle
The study demonstrated, through a machine learning approach, that the composition of the gut microbiome is linked to diet and metabolic indices. Researchers also identified the individual members of the microbiome associated to the different dietary patterns and metabolic responses using a statistical approach based on correlations. 

They have found how the overall microbiome composition is associated with specific foods, a new marker measuring inflammation, and changes in triglycerides and insulin both when fasting and after a meal. The study also identified individual species associated with a healthier diet and positive basal markers and metabolic responses, but also species associated with diets rich in fat from animal-based foods and less favorable metabolic responses. 

By combining these results, the researchers identified 19 markers among those most closely associated with microbiome composition which represent health using dietary and cardiovascular indices. Through these 19 markers, they were able to identify 30 microbial species, 15 of which are associated to a healthy diet and markers of cardiometabolic health. In addition to this panel of 30 microbial species, researchers also identified two other microorganisms associated with a healthy diet and favorable cardiometabolic responses: the Prevotella copri bacterium and the single-celled eukaryotic parasite Blastocystis. Both are usually more prevalent in non-westernized populations. This study found that the presence of Prevotella copri or Blastocystis is indicative of a good cardiometabolic health and low visceral fat levels.

This work supports the hypothesis that diet plays a fundamental role in the definition and composition of the gut microbiome, and that there is an association between bacteria and individual metabolic responses. That is why it is a starting point to define new personalized therapeutic approaches through nutrition plans and direct interventions on the intestinal microbiome. All these applications require further studies to be confirmed, but they are part of what will be precision nutrition. Therefore, one day, for prevention and treatment purposes, we will be able to design nutrition and physical activity plans based on our complexity and uniqueness.

The research work, conducted by the Cellular, Computational and Integrative Biology Department - CIBIO of the University of Trento with King’s College London and English business partner Zoe, with other international organizations, was published in January 2021 in Nature Medicine: "Microbiome connections with host metabolism and habitual diet from 1,098 deeply phenotyped individuals" (you can find the abstract and full list of authors here: https://doi.org/10.1038/s41591-020-01183-8). 
The team at UniTrento was coordinated by professor Nicola Segata, head of the Computational Metagenomics Lab at CIBIO.
Francesco Asnicar is first author of the study, Nicola Segata is the coordinating author and the coordinator of the study, Gianmarco Piccinno is co-author with Mireia Valles-Colomer, Adrian Tett, Francesco Beghini, Léonard Dubois, Davide Bazzani, Andrew Maltez Thomas of CIBIO.
These photos were taken before the Covid-19 pandemic.

[Traduzione Paola Bonadiman]