Comunicato stampa
Martedì 13 giugno 2012
Il sequenziamento del genoma crea i primi dati di riferimento per i microbi che vivono con adulti sani.
I microbi abitano praticamente ogni parte del corpo umano, vivono sulla pelle, nell’intestino e nel naso. A volte causano malattie, ma il più delle volte i microrganismi vivono in armonia con i loro ospiti umani, fornendo funzioni vitali essenziali per la sopravvivenza umana. Per la prima volta, un consorzio di ricercatori organizzato dal National Institutes of Health ha mappato la normale composizione microbica degli esseri umani sani, producendo numerose intuizioni e anche qualche sorpresa.
I ricercatori hanno scoperto, per esempio, che quasi tutti portano abitualmente patogeni, microrganismi noti per causare malattie. Negli individui sani, tuttavia, gli agenti patogeni non causano malattie; semplicemente coesistono con il loro ospite e il resto del microbioma umano, l’insieme di tutti i microrganismi che vivono nel corpo umano. I ricercatori devono ora capire perché alcuni patogeni diventano mortali e in quali condizioni, probabilmente rivedendo i concetti attuali di come i microrganismi causano la malattia.
In una serie di rapporti scientifici coordinati pubblicati il 14 giugno 2012, in Nature e in diverse riviste della Public Library of Science (PLoS), circa 200 membri del Human Microbiome Project (HMP) Consortium da quasi 80 università e istituzioni scientifiche riferiscono su cinque anni di ricerca. HMP ha ricevuto 153 milioni di dollari dal suo lancio nell’anno fiscale 2007 dal fondo comune NIH, che investe in ricerca ad alto impatto, innovativa e trans-NIH. I singoli istituti e centri dell’NIH hanno fornito altri 20 milioni di dollari di co-finanziamento per la ricerca del consorzio HMP.
“Come gli esploratori del XV secolo che descrivono i contorni di un nuovo continente, i ricercatori dell’HMP hanno impiegato una nuova strategia tecnologica per definire, per la prima volta, la normale composizione microbica del corpo umano”, ha detto il direttore dell’NIH Francis S. Collins, M.D., Ph.D. “HMP ha creato un notevole database di riferimento utilizzando tecniche di sequenziamento del genoma per individuare i microbi in volontari sani. Questo pone le basi per accelerare la ricerca sulle malattie infettive precedentemente impossibile senza questa risorsa comunitaria.”
Metodi e risultati
Il corpo umano contiene trilioni di microrganismi – più numerosi delle cellule umane di 10 a 1. A causa delle loro piccole dimensioni, tuttavia, i microrganismi costituiscono solo circa 1 a 3 per cento della massa del corpo (in un adulto di 200 libbre, che è 2 a 6 libbre di batteri), ma giocano un ruolo vitale nella salute umana.
Per definire il normale microbioma umano, i ricercatori HMP campionato 242 volontari sani degli Stati Uniti (129 maschi, 113 donne), raccogliendo tessuti da 15 siti del corpo negli uomini e 18 siti del corpo nelle donne. I ricercatori hanno raccolto fino a tre campioni da ogni volontario in siti come la bocca, il naso, la pelle (due dietro ogni orecchio e ogni gomito interno), e l’intestino inferiore (feci), e tre siti vaginali nelle donne; ogni sito del corpo può essere abitato da organismi diversi come quelli della foresta amazzonica e del deserto del Sahara. Questo processo minuzioso identifica tipicamente solo alcune specie microbiche, poiché sono difficili da coltivare in laboratorio. In HMP, i ricercatori hanno purificato tutto il DNA umano e microbico in ciascuno di più di 5.000 campioni e li hanno analizzati con macchine di sequenziamento del DNA. Usando i computer, i ricercatori hanno ordinato attraverso i 3,5 terabasi di dati di sequenza del genoma per identificare specifici segnali genetici che si trovano solo nei batteri – i geni variabili dell’RNA ribosomiale batterico chiamato 16S rRNA. L’RNA ribosomiale batterico aiuta a formare le strutture cellulari che producono proteine e può identificare la presenza di diverse specie microbiche.
Focalizzarsi su questa firma microbica ha permesso ai ricercatori di HMP di ignorare le sequenze del genoma umano e analizzare solo il DNA batterico. Inoltre, il sequenziamento metagenomico, o il sequenziamento di tutto il DNA di una comunità microbica, ha permesso ai ricercatori di studiare le capacità metaboliche codificate nei geni di queste comunità microbiche.
“I metodi di sequenziamento del genoma recentemente sviluppati forniscono ora una potente lente per guardare il microbioma umano”, ha detto Eric D. Green, M.D., Ph.D., direttore del National Human Genome Research Institute, che ha gestito HMP per NIH. “Il sorprendente calo del costo del sequenziamento del DNA ha reso possibile il tipo di indagine di grandi dimensioni eseguita dal Progetto Microbioma Umano.”
Là dove i medici avevano precedentemente isolato solo poche centinaia di specie batteriche dal corpo, i ricercatori dell’HMP ora calcolano che più di 10.000 specie microbiche occupano l’ecosistema umano. Inoltre, i ricercatori calcolano di aver identificato tra l’81 e il 99% di tutti i generi microbici negli adulti sani.
“Abbiamo definito i confini della normale variazione microbica negli esseri umani”, ha detto James M. Anderson, M.D., Ph.D., direttore della divisione NIH di coordinamento dei programmi, pianificazione e iniziative strategiche, che comprende il fondo comune NIH. “Ora abbiamo un’idea molto buona di ciò che è normale per una popolazione occidentale sana e stiamo iniziando a imparare come i cambiamenti nel microbioma sono correlati alla fisiologia e alla malattia.”
I ricercatori dell’HMP hanno anche riferito che questa pletora di microbi contribuisce più geni responsabili della sopravvivenza umana che gli umani contribuiscono. Dove il genoma umano porta circa 22.000 geni che codificano le proteine, i ricercatori stimano che il microbioma umano contribuisce con circa 8 milioni di geni unici che codificano le proteine o 360 volte più geni batterici che geni umani.
Questo contributo genomico batterico è fondamentale per la sopravvivenza umana. I geni portati dai batteri nel tratto gastrointestinale, per esempio, permettono agli esseri umani di digerire gli alimenti e assorbire i nutrienti che altrimenti non sarebbero disponibili.
“Gli esseri umani non hanno tutti gli enzimi di cui abbiamo bisogno per digerire la nostra dieta”, ha detto Lita Proctor, Ph.D., responsabile del programma HMP dell’NHGRI. “I microbi nell’intestino scompongono molte delle proteine, lipidi e carboidrati della nostra dieta in nutrienti che possiamo poi assorbire. Inoltre, i microbi producono composti benefici, come vitamine e antinfiammatori che il nostro genoma non può produrre”. Gli antinfiammatori sono composti che regolano alcune delle risposte del sistema immunitario alle malattie, come il gonfiore.
I ricercatori sono stati sorpresi di scoprire che la distribuzione delle attività metaboliche microbiche conta più della specie di microbi che le forniscono. Nell’intestino sano, per esempio, ci sarà sempre una popolazione di batteri necessari per aiutare a digerire i grassi, ma potrebbe non essere sempre la stessa specie batterica a svolgere questo lavoro.
“Sembra che i batteri possano sostituirsi a vicenda”, ha detto Curtis Huttenhower, Ph.D., della Harvard School of Public Health e coautore principale di uno dei documenti HMP in Nature. “Importa se la funzione metabolica è presente, non quale specie microbica la fornisce.”
Inoltre, i componenti del microbioma umano cambiano chiaramente nel tempo. Quando un paziente è malato o prende antibiotici, le specie che compongono il microbioma possono cambiare sostanzialmente come una specie batterica o un’altra è colpita. Alla fine, tuttavia, il microbioma ritorna ad uno stato di equilibrio, anche se la precedente composizione dei tipi di batteri non lo fa.
Applicazioni cliniche
Come parte dell’HMP, NIH ha finanziato una serie di studi per cercare associazioni del microbioma con le malattie e diversi articoli PLoS includono risultati medici. Per esempio, i ricercatori del Baylor College of Medicine di Houston hanno confrontato i cambiamenti nel microbioma vaginale di 24 donne incinte con 60 donne che non erano incinte e hanno scoperto che il microbioma vaginale subisce un drammatico cambiamento nelle specie batteriche in preparazione per la nascita, caratterizzato principalmente dalla diminuzione della diversità delle specie. Un neonato è una spugna batterica mentre popola il proprio microbioma dopo aver lasciato l’utero sterile; il passaggio attraverso il canale del parto dà al bambino la sua prima dose di microbi, quindi potrebbe non essere sorprendente che il microbioma vaginale si sia evoluto per renderlo un passaggio sano.
I ricercatori della Washington University School of Medicine di St. Louis hanno esaminato il microbioma nasale di bambini con febbri inspiegabili, un problema comune nei bambini sotto i 3 anni di età. I campioni nasali dei bambini febbricitanti contenevano fino a cinque volte più DNA virale dei bambini senza febbre, e il DNA virale proveniva da una gamma più ampia di specie. Studi precedenti dimostrano che i virus hanno intervalli di temperatura ideali in cui riprodursi. Le febbri sono parte della difesa del corpo contro i virus patogeni, quindi test rapidi per la carica virale possono aiutare i bambini a evitare il trattamento inappropriato con antibiotici che non uccidono i virus ma possono danneggiare il microbioma sano del bambino.
Questi sono tra i primi studi clinici utilizzando i dati del microbioma per studiare il suo ruolo in malattie specifiche. L’NIH ha finanziato molti altri studi medici utilizzando dati e tecniche HMP, tra cui il ruolo del microbioma intestinale nel morbo di Crohn, nella colite ulcerosa e nel cancro esofageo; il microbioma della pelle nella psoriasi, nella dermatite atopica e nell’immunodeficienza; il microbioma urogenitale nella storia riproduttiva e sessuale e nella circoncisione; e una serie di disturbi infantili, tra cui dolori addominali pediatrici, infiammazione intestinale e una grave condizione nei neonati prematuri in cui l’intestino effettivamente muore.
“Permettere studi specifici sulle malattie è l’intero scopo del Progetto Microbioma Umano”, ha detto Barbara Methé, Ph.D, del J. Craig Venter Institute, Rockville, MD, e co-autore principale del documento Nature sul quadro di riferimento per la ricerca attuale e futura sul microbioma umano. “Ora che capiamo come appare il normale microbioma umano, dovremmo essere in grado di capire come i cambiamenti nel microbioma sono associati a, o addirittura causare, le malattie.”
Il fondo comune NIH ha anche investito in una serie di studi per valutare le implicazioni etiche, legali e sociali della ricerca sul microbioma. Mentre i risultati di questi studi devono ancora essere pubblicati, un certo numero di questioni importanti sono già state identificate, che vanno da come i prodotti progettati per manipolare il microbioma – come gli intrugli probiotici che includono microrganismi vivi ritenuti benefici per il corpo – potrebbero essere regolati, a se gli individui dovrebbero iniziare a considerare la conservazione del loro microbioma mentre sono in salute.
Dopo che l’NIH ha lanciato HMP nel dicembre 2007, l’International Human Microbiome Consortium si è formato nel 2008 per rappresentare organizzazioni di finanziamento, compreso NIH, e scienziati di tutto il mondo interessati a studiare il microbioma umano. Il consorzio ha coordinato la ricerca per evitare la duplicazione degli sforzi e ha assicurato il rilascio rapido di set di dati molecolari e clinici. Ha anche sviluppato standard comuni di qualità dei dati e strumenti per condividere i risultati della ricerca.
Come per altri sforzi collaborativi su larga scala, l’NIH ha assicurato che la comunità di ricerca potesse accedere liberamente ai dati dell’HMP attraverso database pubblici, come il National Center for Biotechnology Information, parte della National Library of Medicine, e presso l’HMP Data Analysis and Coordinating Center.
Il Progetto Microbioma Umano è gestito dal National Human Genome Research Institute, in collaborazione con il NIH Office of the Director, il National Institute of Allergy and Infectious Diseases, il National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases, il National Cancer Institute, il National Institute of Dental and Craniofacial Research e il National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases, tutti parte del NIH.
Più informazioni su HMP possono essere trovate su http://commonfund.nih.gov/hmp/index.aspx. Un’illustrazione che mostra i siti del corpo che sono stati campionati come parte dello studio di coorte sano Human Microbiome Project è disponibile all’indirizzo: www.genome.gov/pressDisplay.cfm?photoID=20163.
Un’immagine ad alta risoluzione del batterio, Enterococcus faecalis, uno dei molti microbi commensali che vivono nell’intestino umano, è disponibile a colori su www.genome.gov/pressDisplay.cfm?photoID=20023, o in bianco e nero su www.genome.gov/pressDisplay.cfm?photoID=20024.
Per ulteriori informazioni, contattare
Trish Reynolds, NIAMS
301-496-8190
Ufficio stampa NCI
301-496-6641
Bob Kuska, NIDCR
301-594-7560
Leslie Curtis, NIDDK
301-496-3583
NIAID News Office
301-402-1663
NIH Office of Strategic Coordination/DPCPSI
301-435-5840
NIH Office of Communications
301-496-5787
NHGRI è uno dei 27 istituti e centri del NIH, un’agenzia del Department of Health and Human Services. La Divisione di Ricerca Extramurale dell’NHGRI sostiene sovvenzioni per la ricerca e la formazione e lo sviluppo della carriera nei siti di tutta la nazione. Ulteriori informazioni su NHGRI possono essere trovate sul suo sito web, www.genome.gov.
Il fondo comune NIH supporta una serie di programmi di ricerca di impatto eccezionalmente alto che sono ampiamente rilevanti per la salute e la malattia. I programmi Common Fund sono progettati per superare le principali barriere di ricerca e perseguire le opportunità emergenti a beneficio della comunità di ricerca biomedica in generale. I prodotti di ricerca dei programmi del Common Fund dovrebbero catalizzare la ricerca su malattie specifiche sostenuta dagli Istituti e dai Centri NIH. Ulteriori informazioni sul Fondo Comune NIH possono essere trovate all’indirizzo http://commonfund.nih.gov.
Sul National Institutes of Health (NIH):NIH, l’agenzia di ricerca medica della nazione, comprende 27 Istituti e Centri ed è una componente del Dipartimento della Salute e dei Servizi Umani degli Stati Uniti. NIH è la principale agenzia federale che conduce e sostiene la ricerca medica di base, clinica e traslazionale, e studia le cause, i trattamenti e le cure per le malattie comuni e rare. Per maggiori informazioni su NIH e i suoi programmi, visita www.nih.gov.
NIH…Turning Discovery Into Health®
####