Recentemente è stato scoperto che il microbiota intestinale, influenzando il metabolismo dell’ospite, le sue funzioni immunitarie e la secrezione di ormoni, impatta sul metabolismo osseo.

Un gruppo di ricercatori cinesi ha condotto un’ampia analisi della letteratura per valutare gli effetti del microbiota intestinale sul metabolismo osseo, al fine di trarne nuove idee e target per il trattamento clinico dell’osteoporosi.

Oltre a calcio e vitamina D, il cui assorbimento è particolarmente importante per il mantenimento di ossa sane, sono stati scoperti altri nutrienti utili per la salute delle ossa.

Ad esempio, i probiotici possono ridurre il pH intestinale e migliorare l’assorbimento del calcio. Assunti durante la crescita, fruttoligosaccaridi, galattosio, fibra di mais solubile (SCF) e altri probiotici possono aumentare l’assorbimento del calcio nell’uomo.

Rispetto a topi ovariectomizzati cui non sono stati somministrati probiotici, nel modello murino carente di estrogeni ma con alimentazione integrata con Lactobacillus reuteri è stato osservato un significativo aumento di massa ossea corticale.

I probiotici possono inibire l’attività degli osteoclasti e ridurre l’infiammazione. Inoltre, possono favorire l’assorbimento del calcio e aumentare significativamente l’espressione dei marker osteogenici.

I prebiotici possono promuovere l’assorbimento dei minerali e aumentare la mineralizzazione ossea.

Effetti del microbiota intestinale sul metabolismo e sull’omeostasi ossea

Una dieta ricca di fibre e fruttoligosaccaridi può aumentare il numero di bifidobatteri presenti nel microbiota intestinale. Gli studi suggeriscono che i probiotici possono influenzare il metabolismo dell’ospite, proteggendo le cellule epiteliali intestinali e mantenendo l’integrità dello strato mucoso.

Confrontando topi privi di germi (GF) con topi nutriti convenzionalmente, uno studio ha dimostrato che il micobiota intestinale, influendo sul metabolismo dell’ospite, influenza la densità ossea. I topi GF hanno ottenuto un aumento del 50% del volume osseo trabecolare e corticale del femore.

Lipopolisaccaridimmuni

Disordini nel microbiota intestinale possono influire sulla permeabilità delle cellule dell’intestino aumentandone il pH, riducendo l’assorbimento di calcio e accrescendo l’immissione in circolo di lipopolisaccaridi (Lps). Questi ultimi – che sono stati associati a infiammazioni croniche low-level – possono condurre a disturbi metabolici e infiammazioni e giocano un ruolo chiave nel metabolismo osseo. Diversi esperimenti sui ratti hanno dimostrato che elevate dose di Lps provocano una riduzione del volume e la perdita di tessuto osseo suggerendo che gli Lps possano ridurre la densità minerale. In particolare, sono state rilevate la perdita di tessuto osseo femorale, la riduzione del volume trabecolare delle metafisi tibiali prossimali, la diminuzione della densità minerale nelle vertebre lombari e una upregulation dei mediatori infiammatori (interleuchina (IL) -1, cicloossigenasi (COX) -2, e TNF) nella regione metafisaria.

Acidi biliari

Il microbioma gioca un ruolo significativo anche nel metabolismo degli acidi biliari, soprattutto per la sua influenza sulla sintesi degli acidi secondari come l’acido deossicolico, dovuta a batteri anaerobici presenti nell’intestino. Gli acidi biliari secondari, a loro volta, possono avere effetto sul metabolismo osseo. In particolare, l’acido litocolico monoidrossilato (LCA) è una sorta di ligando di VDR, il recettore della vitamina D che ne regola gli effetti biologici, tra i quali la gestione della codifica dei geni della osteoporina, della osteocalcina e di RANKL, che controlla direttamente il ricambio osseo. Negli studii, LCA ha ridotto la capacità della vitamina D di attivare i geni dell’osteocalcina e del RANKL rispettivamente del 79% e del 56%. A causa dell’effetto su VDR e della tossicità sugli osteoblasti, l’LCA potrebbe giocare un ruolo anche nella patogenesi dell’osteoporosi. Su modello murino, inoltre, LCA ha causato danni ai mitocondri degli osteoblasti anche in concentrazioni di 100|M e ha ridotto del 72% l’espressione dell’enzima 1a, 25-diidrossitamina D3 24-idrossilasi (CYP24A1) coinvolto nel metabolismo della stessa vitamina D.

Acidi grassi a catena corta (SCFA)

Gli acidi grassi a catena corta – prodotti nell’intestino per fermentazione di carboidrati indigeribili e di proteine – potrebbero avere un effetto sul metabolismo osseo a causa della loro influenza sulla sintesi del fattore di crescita insulinosimile IGF-1, un ormone noto per avere effetto sulla crescita ossea. Negli studi su topi, infatti, questo ormone aumenta la sua concentrazione in seguito a somministrazione di SCFA, e lo stesso effetto si ottiene trapiantando microbiota normale in topo GF (germ free) o somministrando antibiotici che colpiscono i batteri responsabili della fermentazione che genera SCFA. Gli effetti dell’IGF-1 sul metabolismo osseo, comunque, non sono chiari dato che i ricercatori hanno ottenuto risultati spesso discordanti. Le differenze riscontrate potrebbero essere legate alla durata della colonizzazione, all’età o al ceppo dei topi utilizzati nei test.

Effetto del microbiota sul sistema immunitario e sull’omeostasi ossea

Il microbiota intestinale è essenziale per la funzione e la maturazione del sistema immunitario, il quale, a sua volta, potrebbe essere significativo per l’equilibrio dello scheletro validando l’evoluzione dal campo dell’immunologia ossea alla “osteomicrobiologia“, termine coniato nel 2015 da Ohlsson e il suo team.

Il microbiota intestinale modula il metabolismo dell’ospite e lo sviluppo dello stato immunitario. Grazie a questa relazione potrebbe intervenire anche nella regolazione della massa ossea.

Studi condotti su topi in condizioni sterili hanno infatti evidenziato una maggior quantità di osso trabecolare e un minor numero di cellule CD4+T e TNF (cellule progenitrici degli osteoclasti nel midollo osseo) rispetto al gruppo di controllo cresciuto in condizioni normali. Altri studi riportano la possibilità che i probiotici aumentino la densità ossea e riducano l’infiammazione intestinale (più negli uomini che nelle donne) e hanno analizzato la stretta relazione tra perdita ossea e condizioni infiammatorie.

Cellule Th17

Producendo interleuchina-17 (IL-17) e molte altre citochine, come IL-22, le cellule Th17 sono importanti per l’attivazione delle risposte immunitarie innate. Inoltre, svolgono un ruolo significativo nella resistenza delle mucose contro batteri e funghi. Alcuni studi sui topi testimoniano l’influenza dell’ambiente intestinale sulle cellule Th17 grazie all’effetto dei batteri filamentosi segmentati. Il trapianto di questi batteri in topi GF ha infatti indotto un aumento nel numero di cellule Th17. Le cellule Th17 sono un sottoinsieme di cellule CD4+T che può condizionare il metabolismo osseo, ad esempio può produrre un effetto pro-osteoclastogenesi e svolge un ruolo chiave nella perdita di osso in carenza di estrogeni. Nelle donne, l’aumento del siero IL-17 è strettamente correlato all’osteoporosi e la sua eliminazione (o impiego dell’anticorpo anti-IL17) può prevenire la perdita ossea.

Cellule Treg

Le cellule CD4+FOXP3+Treg sono stabilmente presenti nella mucosa intestinale e hanno effetto sul sistema immunitario intestinale e sistemico. La carenza (o l’inattivazione) di cellule Treg è associata ad alcune malattie infiammatorie croniche. L’espansione delle Treg può essere indotta dalla presenza di batteri della classe Clostridia, un gruppo normalmente presente nel tratto intestinale e nella vagina umani. I Treg influiscono sul metabolismo osseo regolando la formazione degli osteoclasti mediante secrezione di IL-4, IL-10 e TGF-β e bloccando il riassorbimento osseo.

Recettori NOD1 e NOD2

Nell’intestino il sistema immunitario è in grado di riconoscere una varietà di agenti patogeni attraverso specifici recettori di riconoscimento PRR, di cui fa parte la famiglia di recettori di tipo NOD (NLR). Nel citoplasma, la rilevazione batterica viene effettuata da NLR, NOD1 e NOD2.
In topi GF la massa ossea corticale aumenta in modo significativo rispetto ai topi alimentati in modo convenzionale ma non negli individui GF che hanno specificamente disattivato NOD1 o NOD2. Il recettore NOD2, in particolare, sembra legato al processo di riassorbimento. Nei topi con deficit di NOD2, infatti, il riassorbimento osseo risulta significativamente ridotto, così come l’attività degli osteoclasti. Per contro, la stimolazione del NOD2 da parte del suo agonista, il dipeptide muramile, non risulta influente sull’osteoclastogenesi ma favorisce la capacità di riassorbimento osseo. Secondo altri studi, il recettore NOD2 potrebbe indurre l’osteoclastogenesi quando negli osteoblasti aumenta l’espressione del gene RANKL.

Wnt

La via di segnale Wnt svolge un ruolo vitale nello sviluppo precoce degli embrioni animali, nella formazione degli organi, nella rigenerazione dei tessuti e in altri processi fisiologici. Il pathway Wnt/β-catenina può essere attivato da alcuni batteri come il Fusobacterium nucleatum e Bacteroides fragilis. Anche la funzione osteoblastica risulta regolata, dall’infanzia alla maturità, dalla segnalazione Wnt/β-catenina. Per esplorare la funzione di questo percorso sugli osteoblasti, la β-catenina rappresenta un obiettivo chiave, dato il suo ruolo nel pathway della Wnt/β-catenina, che regola la trascrizione del gene target Wnt. Nei topi è stato dimostrato che nel passaggio dalla fase immatura a quella di maturità, l’impoverimento della β-catenina può inibire la differenziazione degli osteoblasti e aumentare la differenziazione degli osteoclasti, con conseguente diminuzione della massa ossea.

Effetti del microbiota sull’omeostasi ormonale e ossea

Il microbiota intestinale svolge un ruolo significativo sul metabolismo osseo attraverso molti ormoni, tra cui il più noto è il GLP-1, che svolge un ruolo importante nel ricambio osseo. Ma non è l’unico.

Ormoni sessuali

Gli studi sull’associazione tra microbiota intestinale e ormoni sessuali in persone sane hanno condotto a molti risultati contrastanti, data anche la diversa composizione del microbioma nei due generi in termini di specie e funzioni. Nei maschi, ad esempio, sono risultati maggiormente abbondanti Ruminococco, Bacteroides, Eubacterium e Blautia mentre nelle femmine era più presente Treponema. Tuttavia, queste differenze potrebbero anche essere dovute allo stile di vita specifico e a fattori culturali legati al genere, piuttosto che agli ormoni sessuali. È stato anche riportato che i microbioti intestinali possono influenzare l’equilibrio degli steroidi e, in alcune specie, hanno la capacità di metabolizzare gli ormoni sessuali e di influenzarne l’attività.
Gli ormoni sessuali, a loro volta, hanno effetto sul metabolismo osseo. Numerosi studi hanno confermato in particolare il ruolo degli estrogeni, per i quali sono presenti recettori su osteociti, osteoblasti, osteoclasti e cellule stromali del midollo osseo. Gli estrogeni sono risultati in grado di indurre l’apoptosi degli osteoclasti e di inibire quella degli osteoblasti ed è emerso che, in carenza di estrogeni, il ciclo di ricambio osseo viene attivato più frequentemente. Oltre ad avere un’influenza diretta sulle cellule ossee, gli estrogeni hanno effetto sul ciclo di ricambio osseo anche in modo indiretto, regolando lo stress ossidativo e il sistema immunitario. L’eliminazione degli estrogeni ha ridotto la capacità degli osteoblasti maturi, stimolando la produzione di citochine proinfiammatorie come TNF, IL-7 e IL-1. Il TNF, in particolare, gioca un ruolo importante nella perdita ossea nei topi ovariectomizzati attraverso l’attivazione dei recettori di NF-kB (RANK) e l’induzione delle cellule Th17 (vedi paragrafo “Cellule Th17”).
Le ricerche hanno dimostrato anche un ruolo degli androgeni (AR). Gli AR inibiscono il riassorbimento osseo e risultano essenziali per la maturazione dell’osso trabecolare durante la crescita. Assumono inoltre un ruolo significativo nella protezione dello spessore corticale e nella resistenza all’invecchiamento. I meccanismi con cui gli ormoni sessuali influenzano il metabolismo osseo sono molto complessi e saranno necessari ulteriori studi per confermare se i microbioti intestinali possono influenzare direttamente il metabolismo osseo agendo su di essi.

Serotonina (5-idrossitriptamina, 5-HT)

Se prodotta in circolazione, la serotonina inibisce la formazione delle ossa mentre se prodotta come neurotrasmettitore nel cervello ha un effetto positivo sulla massa ossea aumentandone la formazione e inibendone l’assorbimento. Più del 90% delle 5-HT sono sintetizzate nell’intestino umano dove vengono attivati 14 diversi sottotipi di recettori 5-HT localizzati su enterociti, neuroni enterici, e cellule immunitarie. La 5-HT di derivazione intestinale regola diverse funzioni, tra cui il motore enterico, i riflessi secretori, le risposte immunitarie e lo sviluppo osseo. Negli osteoblasti ci sono tre recettori della serotonina, Htr1b, Htr2a e Htr2b. Nei topi femmina, l’inibizione dell’attività di Htr2b può ridurre la formazione ossea e portare a una riduzione della densità ossea. La combinazione di serotonina con Htr1b sulla superficie degli osteoblasti è risultata inibire la produzione di cAMP che tra le altre cose si traduce in una ridotta espressione dei geni della ciclina e in una minor proliferazione degli osteoblasti. Altri studi confermano che gli osteoblasti sono i bersagli diretti della serotonina e suggeriscono che la proliferazione sia regolata dai segnali Htr1b/PKA/CREB/cicline.

Leptina

La leptina è un ormone che regola processi fisiologici come la massa ossea, il dispendio energetico e l’appetito. Alcune evidenze collegano i microbioti a questo ormone. L’impiego di vancomicina nei ratti, ad esempio, può causare una forte diminuzione dei livelli di leptina e l’ormone risulta positivamente correlato alla presenza di un gran numero di specie di batteri (come Lactococcus, Mucispirillum, Lactobacillus e Bifidobacterium) e negativamente correlata ad altri (come Clostridium, Prevotella, Bacteroides e Allobaculum). La leptina può avere un effetto sul metabolismo osseo agendo su recettori (ObRb) situati sul medesimo nucleo del tronco encefalico che secerne serotonina, la quale ha effetto positivo sulla massa ossea). Quando la leptina si lega a ObRb inibisce l’espressione del gene Tph2 e riduce il rilascio di serotonina. L’eliminazione di questi recettori serotoninergici produce fenotipi murini con elevata massa ossea rispetto all’eliminazione dei recettori per la leptina situati sul nucleo arcuato (ARC) o nell’ipotalamo ventrale (VMH). Sul VMH, inoltre, sono presenti recettori della serotonina (Htr2c) la cui eliminazione provoca una grave perdita ossea. Il fenomeno è causato dalla downregulation della formazione ossea e upregulation del riassorbimento osseo legato all’aumento dell’attività del nervo simpatico.

Il microbiota intestinale può regolare il metabolismo osseo

In conclusione, i componenti dei microbioti intestinali possono regolare il metabolismo osseo influenzando il metabolismo dell’ospite, il sistema immunitario e l’ambiente endocrino, il che può suggerire nuove idee e obiettivi per il trattamento clinico dell’osteoporosi.

Tuttavia, la maggior parte dei risultati devono essere ulteriormente convalidati con studi sull’uomo, dato che i risultati finora sono stati ricavati principalmente da studi su animali.

La ricerca

Lishan Li, Shitao Rao, Yanzhen Cheng, Xiaoyun Zhuo, Caihong Deng, Ningning Xu, Hua Zhang, Li Yang Microbial osteoporosis: The interplay between the gut microbiota and bones via host metabolism and immunity Microbiologyopen. 2019 Aug; 8(8): e00810. Published online 2019 Apr 18. doi: 10.1002/mbo3.810