Microbioma – Beauty Horizons 4/2022

LETIZIA FRACCHIA
Università del Piemonte Orientale | Italia

INTRODUZIONE

Non siamo 100% umani. Si stima che ogni essere umano contenga cento trilioni di microrganismi, la maggior parte dei quali vive nel nostro intestino.

Come ci spiega Ed Yong, giornalista scientifico inglese, nel suo libro “Contengo moltitudini – I microbi dentro di noi e una visione più grande della vita (titolo che riprende un verso del poeta statunitense Walt Whitman) “Procediamo lungo le nostre vite sempre in loro presenza. Quando mangiamo, mangiano anche loro. Quando viaggiamo, viaggiano con noi. Quando moriamo, si nutrono di noi. Siamo un vero e proprio zoo: una colonia racchiusa all’interno di un singolo corpo. Un collettivo multi-specie. Un mondo intero” (1).

Questa moltitudine di microrganismi è nota come microbiota o microbioma.

I termini microbioma e microbiota sono spesso usati in modo analogo anche se la loro definizione scientifica è dissimile. Il termine microbiota descrive la raccolta totale degli organismi di uno specifico sito o di un periodo di tempo. Il termine microbioma è usato per riferirsi alla raccolta dei genomi dei microrganismi in un particolare ecosistema, come definito dal premio Nobel Joshua Lederberg (1925-2008). Pertanto, il termine microbiota sarebbe corretto nel caso di studi sull’rRNA 16S e il termine microbioma negli studi sul genoma.

La maggior parte degli studi volti a disvelare la composizione e il ruolo del microbiota umano sono stati condotti nell’intestino.  Ma cosa si sa del microbiota cutaneo?

Nelle scienze mediche, tendiamo a vedere la pelle come un organo e ci concentriamo sulle risposte cellulari dell’ospite alla malattia. Sebbene questo punto di vista sia accurato, è incompleto. La pelle è anche un complesso ecosistema microbico, con interazioni tra i costituenti microbici e tra i microbi e l’ospite. In questa visione più ampia, la malattia può derivare da cambiamenti ecologici negli abitanti microbici o nella struttura della comunità (2).

La pelle fornisce nutrienti per selezionati microbi colonizzatori sotto forma di lipidi e proteine (cheratina). Questo ambiente secco e leggermente acido può limitare i tipi di microrganismi che possono sopravvivere sulla pelle normale. Per colonizzare, un microrganismo deve competere con altri microrganismi della flora normale per conquistare le molecole organiche e lo spazio (2).

Negli ecosistemi stabili, i microrganismi tendono a mantenere uno stato di equilibrio, resistendo a bruschi cambiamenti nella struttura della comunità. Questo processo può proteggere l’ospite dai patogeni microbici escludendoli dall’ecosistema cutaneo (2).

Le prime ricerche che hanno caratterizzato il microbiota cutaneo hanno avuto un respiro internazionale, i primi luminari sono stati Mary J. Marples della Nuova Zelanda, Albert Kligman e James J. Leyden dell’Università della Pennsylvania, David Taplin dell’Università di Miami e William C. Noble dell’Università di Londra (3).

Mary J. Marples ha portato la teoria ecologica allo studio della microflora cutanea. Secondo questa studiosa, l’ecosistema del suolo è una buona analogia per l’ecosistema della pelle. Nel suo celebre articolo pubblicato su Scientific American nel 1969 “Life on the human skin”, Mary J. Marples osservava: “Sia il suolo che la pelle mancano di organismi produttori e ottengono il loro materiale organico dall’esterno: il suolo dall’alto (sotto forma di materiale vegetale morto) e la pelle dal basso. Sia nel suolo che nella pelle c’è un’ampia matrice non vivente che è permeata da soluzioni e, in entrambi, gli organismi viventi sono raggruppati attorno a strutture che penetrano nella superficie fino agli strati più profondi. Nel suolo le popolazioni più dense di microrganismi si trovano nella rizosfera, la regione che circonda le radici delle piante. La regione comparabile della pelle è il follicolo pilifero” (4).

INFLUENZA DEI COMPONENTI E DELLE PROPRIETÀ DELLA PELLE SULLA VITA MICROBICA

Una caratteristica importante della pelle e delle mucose è la capacità di (ri)generare continuamente nuove cellule e di creare reazioni di risposta che forniscono protezione contro l’infezione microbica (5). Questo sistema immunitario innato deve essere considerato come un ulteriore e importante fattore che influenza l’equilibrio microbico sulla pelle umana. Le cellule di Langerhans nell’epidermide così come le cellule dendritiche, i macrofagi, i mastociti, i linfociti T e B, le plasmacellule e le cellule natural killer nel derma partecipano alle risposte immunitarie all’interno della pelle. Molti tipi cellulari che risiedono permanentemente nella pelle producono peptidi antimicrobici, inclusi cheratinociti, sebociti, ghiandole eccrine e mastociti. Questi peptidi antimicrobici rappresentano un elemento, tra gli altri, del sistema immunitario innato della pelle. Il loro ruolo non è limitato solo all’inattivazione diretta dei microrganismi cutanei, ma include anche la stimolazione di ulteriori reazioni cellulari. Altre proprietà costitutive della pelle che prevengono la colonizzazione e l’infezione sono la bassa temperatura e il pH acido.

DOVE TROVIAMO I MICROOGANISMI DELLA PELLE? QUALI SONO I MICRORGANISMI CHE COMPONGONO IL MICROBIOTA CUTANEO?

Secondo la Marples, all’interno dell’ecosistema della pelle si trovano nicchie con caratteristiche notevolmente differenti: “[…] l’ascella, ad esempio, può essere diversa dal tronco come una foresta pluviale tropicale è da un deserto”.

Grazie alla loro fisiologia molto versatile, i microrganismi sono in grado di colonizzare molte queste diverse nicchie (microecosistemi) presenti sulla pelle umana. I principali microecosistemi della pelle umana sono quindi: l’ambiente sebaceo (cuoio capelluto, fronte, collo e parte superiore della schiena) che alberga batteri lipofili come propionibatteri; ambienti umidi e caldi: ascella, zona genitale e piedi; ambienti asciutti: avambracci o gambe e parte inferiore della schiena (5).

Quanti microrganismi contiene il microbiota della pelle di adulti sani? Si stima che in totale vi siano 10⁸-10¹⁰ microrganismi sulla nostra pelle. Il numero di cellule varia da circa 10² cm^-2 (punta delle dita, schiena) a 10⁶ cm^-2 (fronte, ascella). La pelle è tipicamente colonizzata da microrganismi mesofili, xerofili, acidofili, osmotolleranti e aerobi facoltativi situati principalmente sull’epidermide e nelle appendici, ma possono trovarsi anche nel derma e nel tessuto adiposo sottostante (5).

Il microbiota cutaneo dell’uomo è altamente individuale e cambia in modo significativo nel tempo. Esso comprende batteri, funghi (per lo più lieviti), virus e anche Archea, cioè tutti e tre i domini della vita (5). I batteri rappresentano di gran lunga il gruppo di microrganismi viventi più abbondante e meglio studiato sulla pelle umana sana. Tre phyla principali sono ben rappresentati sulla pelle Attinobatteri (Corynebacterium, Propionibacterium, Micrococcus, Brevibacterium), Firmicutes (stafilococcchi e streptococcchi), Proteobatteri (Acinetobacter, Methylobacterium).

Per quanto riguarda funghi, Archaea e virus si sa relativamente poco di loro. Il microbiota fungino cutaneo umano – il micobioma cutaneo – è dominato dai lieviti, in particolare dalle specie affiliate al genere Malassezia. Uno studio del 2013, condotto tramite Next Generation Sequencing ha rivelato, oltre alla Malassezia che dominava la parte centrale del corpo e il braccio, la presenza di Aspergillus, Cryptococcus, Rhodotorula, Epicoccum e altri funghi in diversi siti del piede (6).

Il ruolo di Archaea nel microbiota umano è ancora molto poco chiaro e in discussione. Fino a poco tempo fa questi microrganismi non potevano essere rilevati in campioni di pelle umana, né mediante metodi colturali né tramite metodi basati sulla PCR e, di conseguenza, la loro presenza era molto discussa. Probst e collaboratori nel 2013 (7) hanno rilevato mediante PCR e FISH filotipi affiliati con Thaumarchaeota e, in misura minore, anche con Euryarchaeota.

Infine, si sa molto poco anche relativamente al microbiota virale potenzialmente commensale o residente della pelle umana, ovvero il viroma cutaneo. Foulongne e collaboratori (8) utilizzando un approccio metagenomico per studiare il microbiota cutaneo di pazienti sani e di un paziente con cancro della pelle hanno dimostrato che proporzioni significative delle sequenze di DNA ottenute rappresentavano virus a DNA, per lo più affiliati con poliomavirus, papillomavirus e circovirus, anche su cute apparentemente sana. Resta ancora da chiarire il ruolo fisiologico di questi virus, che in parte rappresentano nuove specie, nella salute umana e nelle malattie.

Altrettanto poco conosciuto è il microbiota del derma. L’attuale comprensione del microbiota cutaneo si basa sul campionamento degli strati più esterni dell’epidermide, mentre il microbiota negli strati cutanei rimanenti non è stato ancora completamente caratterizzato. Secondo recente studio, microbiota dermico è sorprendentemente simile tra gli individui e contiene un sottoinsieme specifico del microbiota epidermico. La variabilità nella composizione della comunità batterica diminuisce significativamente dal compartimento epidermico a quello dermico. La composizione del microbiota dermico è influenzata in misura minore da fattori ambientali rispetto a quella della comunità epidermica (9).

CONCLUSIONI

I microrganismi sono presenti in ogni nicchia ambientale e vivono in stretta associazione con gli esseri umani e tra di loro. Negli esseri umani e negli animali, essi forniscono protezione contro gli invasori, educano e stimolano la risposta immunitaria, producono antimicrobici, aiutano la digestione e producono vitamine, tra una miriade di altre funzioni (10).

La pelle è la nostra prima linea di difesa contro i microrganismi invasori ed è anche sede di una variegata popolazione microbica. Spazialmente, il microbiota cutaneo può estendersi ai compartimenti subepidermici e le caratteristiche fisiologiche di vari siti cutanei sono associate a diversi livelli di diversità batterica.

La maggior parte di questi microrganismi sono commensali (ossia residenti permanenti non patogeni) o transitori (residenti temporanei) del microbiota cutaneo. Questo microbiota cutaneo è di grande importanza per la salute e il benessere dell’uomo. Se da un lato può essere implicato in diverse gravi malattie della pelle, dall’altro contribuisce alle funzioni protettive della pelle umana.

Come afferma il Prof. Richard L. Gallo, insigne dermatologo dell’Università della California, non siamo umani al 100%, siamo composti da circa il 50% di nostre cellule, che sono di origine umana e geneticamente ereditate dai nostri genitori, e da un 50% di cellule batteriche e fungine, oltre ai virus, che comprendono il microbioma. Ciò significa che siamo davvero un ecosistema, non un individuo, e la comprensione dei meccanismi alla base dell’interazione tra una ventina di tipi diversi di cellule della pelle e oltre mille specie e ceppi batterici e fungini che la occupano guiderà gli sforzi di ricerca futuri.

Riferimenti bibliografici

1. Yong E. (2019) Contengo moltitudini. I microbi dentro di noi e una visione più grande della vita. Editore: La nave di Teseo +, 469 p.
2. Fredricks D.N. (2001). Microbial Ecology of Human Skin in Health and Disease. Journal of Investigative Dermatology Symposium Proceedings. 6(3), 167-169
3. Kong H. H., Segre J. A. (2012). Skin Microbiome: Looking Back to Move Forward, Journal of Investigative Dermatology. 132(3), 933-939.
4. Marples M. J. (1969) Life on the human skin. Scientific American. 220(1), 108-115.
5. Schwiertz A. (2016) Microbiota of the Human Body: Implications in Health and Disease. (2016) Advances in Experimental Medicine and Biology Science. Volume 902. Editore: Springer Nature.
6. Findley K., Oh J., Yang, J. et al. (2013). Topographic diversity of fungal and bacterial communities in human skin. Nature 498, 367–370.
7. Probst A. J., Auerbach A. K., Moissl-Eichinger C. (2013) Archaea on Human Skin. PLoS ONE. 8(6), e65388.
8. Foulongne V., Sauvage V., Hebert C., Dereure O., Cheval J., Gouilh M. A., Pariente K., Segondy M., Burguière A., Manuguerra J.C., Caro V., Eloit M. (2012) Human skin microbiota: high diversity of DNA viruses identified on the human skin by high throughput sequencing. PLoS One. 7(6), e38499.
9. Bay L., Barnes C. J., Fritz B.G., Thorsen J., Restrup M.E.M., Rasmussen L., Sørensen J. K., Hesselvig A. B., Odgaard A., Hansen A. J., Bjarnsholt T. (2020). Universal dermal microbiome in human skin. mBio 11:e02945-19.
10. Findley K., Grice E. A. (2014). The skin microbiome: a focus on pathogens and their association with skin disease. PLoS pathogens, 10(10), e1004436.

Biografia

Letizia Fracchia
Professore Associato di Microbiologia presso il Dipartimento di Scienze del Farmaco dell’Università del Piemonte Orientale, insegna Microbiologia Generale, Microbiologia Applicata e Microbiologia Applicata alla Biofarmaceutica per i corsi di Farmacia, CTF e Biotecnologie Farmaceutiche. Dal 2019 è docente dell’European Master on Translational Cosmetic and Dermatological Sciences – EMOTION dove è titolare del corso integrato “Pathological mechanisms of skin disorders”.

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