Uno studio sul microbioma intestinale collega il morbo di Parkinson alle sostanze chimiche ambientali / Gut Microbiome Study Links Parkinson’s Disease to Environmental Chemicals

 Uno studio sul microbioma intestinale collega il morbo di Parkinson alle sostanze chimiche ambientali / Gut Microbiome Study Links Parkinson’s Disease to Environmental Chemicals

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Il microbioma dei pazienti affetti dal morbo di Parkinson è ricco di geni coinvolti nella scomposizione di sostanze chimiche, come pesticidi, solventi ed inquinanti.

I ricercatori che hanno analizzato su scala senza precedenti il ​​microbioma intestinale dei pazienti affetti dal morbo di Parkinson hanno scoperto alterazioni nella sua composizione e capacità funzionale associate alla malattia.

Gli scienziati del Quadram Institute e dell'European Molecular Biology Laboratory (EMBL) hanno combinato quasi 4.500 campioni provenienti da 22 diversi studi condotti in tutto il mondo e hanno poi utilizzato tecniche di apprendimento automatico per analizzare questo vasto set di dati.

Oltre ad identificare i tipi di batteri più associati al morbo di Parkinson, questa meta-analisi ha anche evidenziato le funzioni metaboliche più comunemente osservate nei microbiomi intestinali dei pazienti con morbo di Parkinson, che potrebbero contribuire ad una cattiva salute intestinale. È interessante notare che i percorsi microbici potenzialmente coinvolti nella trasformazione biochimica di solventi e pesticidi sono più numerosi nel morbo di Parkinson, il che conferma altri studi che hanno collegato l'esposizione a tali sostanze chimiche alla malattia.

Il morbo di Parkinson è una malattia neurodegenerativa sempre più comune, caratterizzata da tremori involontari, rigidità e lentezza nei movimenti. Causa anche molti altri sintomi non correlati al movimento, tra cui problemi intestinali come stitichezza, infiammazione e permeabilità della mucosa intestinale. In alcuni casi, i disturbi intestinali si manifestano decenni prima dei sintomi motori. Ciò ha suscitato interesse per il ruolo del microbioma intestinale nella comprensione, nella diagnosi e persino potenzialmente nel trattamento della malattia.

Diversi studi che analizzano il microbioma delle persone con Parkinson hanno mostrato differenze rispetto ad un microbioma sano, ma esiste una notevole variabilità tra questi studi. Questo non è insolito negli studi sul microbioma, dove spesso si riscontra una variabilità nella metodologia utilizzata, ma anche variazioni intrinseche nelle popolazioni di tutto il mondo.

Una precedente meta-analisi dei ricercatori del Quadram Institute, pubblicata quattro anni fa, che combinava dati provenienti da diversi studi, aveva individuato alcune caratteristiche comuni del microbioma del Parkinson nei diversi continenti, ma a oggi manca un consenso sui microbi che caratterizzano il microbioma del Parkinson.

Identificare i microbi e le funzioni metaboliche associati al morbo di Parkinson è essenziale per svelare i meccanismi che potrebbero potenzialmente collegare il microbioma alla malattia ed aprire le porte a future ricerche su strategie basate sul microbioma per la diagnosi ed il trattamento.

Data l'enorme quantità di dati associata all'analisi dei trilioni di microbi che compongono il microbioma intestinale, i ricercatori si sono rivolti a tecniche di apprendimento automatico per cercare modelli in grado di distinguere il Parkinson.

L'apprendimento automatico è correlato all'intelligenza artificiale in quanto utilizza principi statistici per identificare ed apprendere modelli in grandi set di dati e per fare previsioni su punti dati futuri.

Alcuni studi individuali si sono rivelati promettenti, riportando un'accuratezza del 90% nei loro modelli, ma la vera prova si verifica quando i modelli di previsione vengono utilizzati su campioni provenienti da una popolazione diversa ed indipendente.

I ricercatori del Quadram Institute, insieme ai colleghi dell'European Molecular Biology Laboratory di Heidelberg, in Germania, hanno condotto una meta-analisi su larga scala per costruire e valutare tali modelli di apprendimento automatico in modo unificato su un ampio set di dati aggregati di dati sul microbioma disponibili al pubblico, provenienti da 22 studi che coprono quattro continenti.

La loro scoperta, pubblicata sulla rivista  Nature Communications, suggerisce che la maggior parte dei modelli di apprendimento automatico fosse specifica per uno studio specifico e non si generalizzasse bene ad altri studi. Ciò potrebbe essere dovuto al fatto che la maggior parte degli studi era limitata a piccoli campioni di persone con Parkinson, non rappresentativi della più ampia popolazione globale di pazienti, e non comprendeva le variabilità di questa complessa condizione. Tuttavia, addestrando i modelli di apprendimento automatico su dati provenienti da molti studi contemporaneamente, i modelli sono diventati considerevolmente più efficaci nel riconoscere i cambiamenti del microbioma correlati al Parkinson anche in altri studi.

Una scoperta sorprendente emersa dalla nuova analisi del gruppo è stata che i microbiomi del morbo di Parkinson erano arricchiti di geni coinvolti nella scomposizione degli xenobiotici, ovvero sostanze chimiche estranee all'organismo, tra cui pesticidi, solventi ed inquinanti.

Non è chiaro quali xenobiotici abbiano indotto questa firma nel microbioma, e non si può escludere che i farmaci per il Parkinson possano generare l'effetto osservato. Né è chiaro quale effetto abbia una maggiore capacità del microbioma di scomporli.

"È interessante ipotizzare che la composizione del microbioma intestinale possa essere alterata a seguito dell'esposizione a queste sostanze chimiche. Oppure la scomposizione di queste sostanze da parte del microbioma potrebbe modificarne gli effetti noti sui neuroni cerebrali? E questo potrebbe essere un effetto protettivo, o potrebbe aumentare la neurotossicità di queste sostanze?", ha commentato il Dott. Georg Zeller, autore senior dello studio, presso l'EMBL.

“Sono necessarie ulteriori ricerche per comprendere i meccanismi molecolari attraverso i quali i microbi intestinali trasformano queste sostanze chimiche”.

La meta-analisi dei ricercatori ha inoltre individuato i tratti distintivi dei batteri patogeni coinvolti in processi simili alle infezioni, che potrebbero contribuire all'infiammazione ed all'aumento della permeabilità intestinale.

Un intestino permeabile potrebbe facilitare il passaggio di prodotti batterici e di composti potenzialmente tossici dall'intestino al corpo e potenzialmente al cervello ed al sistema nervoso centrale.

Sono necessarie ulteriori ricerche per studiare e verificare questa teoria, ma poiché il microbioma intestinale è diverso per ognuno di noi, se ne deduce che potrebbe aumentare il rischio di sviluppare il morbo di Parkinson od addirittura fornire una protezione contro di esso basata sulla disintossicazione.

"Grazie all'utilizzo di grandi quantità di dati abbiamo fornito la visione più aggiornata sulle caratteristiche tassonomiche e funzionali del microbioma intestinale strettamente associate al morbo di Parkinson", ha commentato il primo autore dello studio, il dott. Stefano Romano, che ha lavorato sia all'EMBL che al Quadram Institute.

Il Professor Arjan Narbad del Quadram Institute ha commentato: "Esistono prove crescenti sul ruolo del microbioma intestinale nell'eziologia del morbo di Parkinson, ma la variabilità dei microbi individuali rende difficile individuare i microbi specifici più probabilmente coinvolti nei processi patologici. Combinare l'uso dell'apprendimento automatico con il sequenziamento metagenomico approfondito su ampie coorti fornisce una base promettente per la diagnosi e il potenziale terapeutico".

ENGLISH

The Parkinson’s disease microbiome is enriched in genes involved in breaking down chemicals, such as pesticides, solvents and pollutants.

Researchers analysing the gut microbiomes of Parkinson’s patients on an unprecedented scale have uncovered alterations in its composition and functional capacity that associate with the disease.

Scientists from the Quadram Institute and the European Molecular Biology Laboratory (EMBL) combined almost 4,500 samples from 22 different studies carried out across the world and then used machine learning techniques to analyse this vast data set.

As well as identifying the types of bacteria most associated with Parkinson’s disease, this meta-analysis also highlighted the metabolic functions most commonly seen in Parkinson’s disease gut microbiomes that could contribute to poor gut health. Intriguingly, microbial pathways potentially involved in biochemical transformation of solvents and pesticides are enriched in Parkinson’s disease, tying in with other studies that linked exposure of such chemicals with the condition.

Parkinson’s disease is an increasingly common neurodegenerative condition, characterised by involuntary shaking, stiffness and slow movement. It also causes many other symptoms not related to movement, including gut problems like constipation, inflammation and leakiness of the gut lining. In some cases, the gut disorders appear decades before the motor symptoms. This has led to interest in the role of the gut microbiome in understanding, diagnosing and even potentially treating the disease.

Several studies analysing the microbiome of people with Parkinson’s have shown differences from a healthy microbiome, but there is a lot of variation between these studies. This isn’t unusual in microbiome studies, where there is often variability in the methodology used, but also inherent variations in populations around the world.

An earlier meta-analysis by Quadram Institute researchers  published four years ago, combining data from different studies, identified some common features of the Parkinson’s microbiome across different continents, but to date a consensus on the microbes that characterise the Parkinson’s microbiome is missing.

Identifying the microbes, and metabolic functions, associated with Parkinson’s disease is essential to unpicking the mechanisms that might potentially link the microbiome to the condition, and would open the door to future research into microbiome-based strategies for diagnosis and treatment.

Because of the vast amount of data associated with analysing the trillions of microbes that make up the gut microbiome, researchers have turned to machine learning techniques to look for patterns that could discern the Parkinson’s.

Machine learning is related to Artificial Intelligence in that it uses statistical principles to identify and learn patterns in large data sets, and to make predictions on future data points.

Some individual studies have shown promise, reporting 90% accuracy in their models, but the real test comes when the prediction models are used on samples from a different, independent population.

Researchers from the Quadram Institute joined colleagues from the European Molecular Biology Laboratory in Heidelberg, Germany and carried out a large-scale meta-analysis to construct and evaluate such machine learning models in a unified manner on a large pooled dataset of publicly available microbiome data from 22 studies spanning four continents.

Their finding, published in the journal Nature Communications, suggested that most of the machine learning models were study specific and did not generalise well to other studies. This may have been because most of the studies were limited to small samples of people with Parkinson’s that weren’t representative of the larger global patient population, and didn’t encompass variabilities in this complex condition. However, by training machine learning models on data from many studies at the same time, models became considerably better in recognising Parkinson’s-related microbiome changes in other studies as well.

A striking finding from the team’s new analysis was that Parkinson’s disease microbiomes were enriched in genes involved in breaking down xenobiotics, which are chemicals that are foreign to the body, and include pesticides, solvents and pollutants.

It’s not clear which xenobiotics have induced this signature in the microbiome, and it can’t be ruled out that Parkinson’s medication could generate the effect seen. Nor is it clear what effect an enriched ability by the microbiome to break them down has.

“It is intriguing to speculate that the composition of the gut microbiome might be altered as a consequence of exposure to these chemicals. Or could the breakdown of these chemicals by the microbiome change their known effects on the neurons in the brain? And could this be a protective effect, or could the process increase the neurotoxicity of these chemicals?” commented Dr Georg Zeller, senior author of the study, based at EMBL.

“More research is needed to understand the molecular mechanisms of how gut microbes transform these chemicals.”

The researchers’ meta-analysis also found hallmarks of pathogenic bacteria involved in infection-like processes that may contribute to inflammation and increased gut permeability.

A leaky gut could facilitate the translocation of bacterial products and potentially toxic compounds from the gut into the body and potentially into the brain and central nervous system.

More research is warranted to study and verify this, but as our gut microbiome is individual to each of us, the implication is our microbiomes could increase our risk of developing Parkinson’s Disease or even provide some detoxification-based protection against it.

“By leveraging large amounts of data we’ve provided the most up to date view on the taxonomic and functional features of the gut microbiome robustly associated with Parkinson’s disease,” commented first author Dr Stefano Romano, first author on the study who worked at both the EMBL and the Quadram Institute.

Professor Arjan Narbad from the Quadram Institute commented “There is increasing evidence on the role of gut microbiome in aetiology of Parkinson’s disease but variation in individual microbiomes makes it difficult to pinpoint the specific microbes most likely to be involved in disease processes. Combining the use of machine learning with in-depth metagenomic sequencing using large cohorts provides a promising basis for diagnosis and therapeutic potential.”

Da:

https://www.technologynetworks.com/immunology/news/gut-microbiome-study-links-parkinsons-disease-to-environmental-chemicals-401067