GUARDARE LONTANO: EPIGENETICA,

MICROBIOMA E DINTORNI

Centro di Formazione Brazelton

Firenze, Italy

dott. Gherardo Rapisardi

direttore S.C. Pediatria e Neonatologia

Osp.S.M. Annunziata, Bagno a Ripoli

e Centro Brazelton di Firenze

Dichiarazione di assenza di conflitto d’interessi

Dichiaro di non avere rapporti economici di nessun tipo e di

non ricevere compensi e/o rimborsi spese per la

partecipazioni ad eventi, neanche in qualità di relatrice e/o

editrice di articoli o documenti, con soggetti portatori di

interessi commerciali nel settore sanitario, nel settore

dell’alimentazione infantile e nel settore degli ausili per la

nutrizione e l’allattamento

EPIGENETICA

METABOLOMICA

MICROBIOMICA

EPIGENETICA

METABOLOMICA

MICROBIOMICA

DEFINIZIONI

EPIGENETICA

(epì = "sopra" e gennetikòs = "relativo all'eredità familiare")

Si riferisce ai cambiamenti che influenzano il fenotipo senza alterare il

genotipo. Studia le modificazioni ereditabili che variano l’espressione

genica pur non alterando la sequenza del DNA. (es: quadro elettrico ….)

MICROBIOMICA

(microbi = “batteri" e oma = “tutto”)

Studio delle popolazioni batteriche del nostro organismo (microbiota) e

delle loro interazioni e funzioni

METABOLOMICA

(metaboli = “metabolismo" e oma = “tutto”)

Studio globale dei metaboliti, molecole di piccole dimensioni presenti nelle

cellule, tessuti, organi, liquidi biologici (metaboloma) e del loro significato.

“Impronta digitale metabolica” (metabolic fingerprint) specifica di ogni

individuo

SCIENZE “OMICHE” • Approccio olistico alla conoscenza delle varie

componenti molecolari (geni, transcritti, proteine,

metaboliti) di una cellula, tessuto, organismo

comprensione del sistema biologico globale (systems

biology, systems medicine)

Anche:

• medicina personalizzata (individualized medicine)

• medicina delle reti (network medicine)

• medicina della complessità

EPIGENETICA

MECCANISMI BIOLOGICI

SVILUPPO E VARIABILITA’

ESEMPI

La genetica propone, l’epigenetica dispone

EPIGENETICA

MECCANISMI BIOLOGICI

SVILUPPO E VARIABILITA’

ESEMPI

La genetica propone, l’epigenetica dispone

EPIGENETICA

MECCANISMI BIOLOGICI

SVILUPPO E VARIABILITA’

ESEMPI

La genetica propone, l’epigenetica dispone

EPIGENETICA

SVILUPPO E VARIABILITA’

MODIFICAZIONI

Ereditabili: epi-mutazioni trasmissione transgenerazionale

Variabili nel tempo

Es. dei gemelli ‘identici’ che sono

epigeneticamente diversi, anche per

suscettibilità malattia, con le

differenze che aumentano nel tempo

PNAS July 26, 2005 vol. 102 no. 3010604-10609

Da 0 a 2 anni

variazioni epigenetiche significative in siti specifici del

maschio e della femmina, importanti per l’immunità e

l’infiammazione

esperienze pre-peri- postnatali (tanto prima e tanto

maggiori effetti; es. perinatal programming)

nutrizione

riduzione inquinamento

riduzione / personalizzazione dei farmaci

stili di vita

stato psicofisico

Non possiamo modificare il nostro passato (i geni ereditati dai

nostri genitori) ma possiamo cercare di influenzare o

cambiare il nostro futuro…

Meccanismi complessi che interagiscono a vari livelli

(vedi PNEI), possibili fino a tarda età

Fattori epigenetici modificabili da

Nel determinismo della longevità i geni (geni di Matusalemme) contano

solo il 25% (il resto dovuto a fattori epigenetici)

Zannas AS e West AE. Epigenetics and the regulation of stress vulnerability and resilience.

Neuroscience. 2014 April 4; 0: 157–170.

Regolazione epigenetica dell’asse ipotalamo-ipofisi-surrene (HPA) -

Vulnerabilità vs resilienza

HOW YOUR GRANDPARENTS' LIVES AFFECT YOUR RESILIENCE TO STRESS

A BODY OF RESEARCH SHOWS THAT YOUR DNA MAY CONTAIN A BIOLOGICAL MEMORY

OF THE STRESS YOUR GRANDPARENTS ENDURED.

BY VIVIAN GIANG

Can trauma, stress, and even nightmares be passed down from generation to generation?

Grandma's Experiences Leave a Mark on Your Genes

Your ancestors' lousy childhoods or excellent adventures might

change your personality, bequeathing anxiety or resilience by

altering the epigenetic expressions of genes in the brain.

By Dan Hurley|Thursday, June 25, 2015

passaggio intergenerazionale di alterazioni epigenetiche,

fino alla terza generazione (nonni). Esperienze positive /

negative dei nonni possono condizionare le nostre

predisposizioni a rispondere allo stress o a resistere e

adattarsi e alle nostre capacità di resilienza

ciò che noi viviamo e facciamo per modificare le nostre

esperienze affettive ha effetti potenziali anche sulla II e

III generazione

TRASMISSIONE TRANSGENERAZIONALE

Epigenetic inheritance

EPIGENETICA

MECCANISMI BIOLOGICI

SVILUPPO E VARIABILITA’

ESEMPI

La genetica propone, l’epigenetica dispone

Perinatal programming (Barker) – DOHaD

(Developmental Origin of Health and Disease)

Finestre di vulnerabilità

CONDIZIONI PRENATALI

Il feto/neonato è il ‘padre’ della persona adulta

“il grembo materno è più importante della casa” (Barker)

Da: Fanos V. Metabolomica e Microbiomica. Hygeia Press, Cagliari, 2015

Perinatal programming (Barker – DOHaD) - Finestre di vulnerabilità

1. > resistenza a cambiamenti negativi futuri (“fenotipo

risparmiatore”)

2. cambiamenti finalizzati a raggiungere l’adolescenza e

riprodursi, ma “sindrome metabolica” (diabete,

iperinsulinismo, mal. cardiovascolari, obesità,

ipercolesterolemia…)

3. trasmissione alle 2-3 generazioni successive (cicli

epigenetici di circa 100 anni)

4. Attenzione alla nutrizione: rischio di anticipare la

sindrome metabolica (usare latte materno e evitare

periodi di eccessiva crescita)

Conseguenze della IUGR

2009 TRAVAGLIO E PARTO

Quanto durano nel tempo?

Danimarca, nati tra 1977 e 2012 su 1.9 milioni di nati a termine

TC associato ad aumento di:

Asma, patologie sistemiche del tessuto connettivo, artrite

giovanile, mal. infiammatoria cronica dell’intestino,

immunodeficienze, leucemia

Non associato ad aumento di:

Diabete tipo 1, psoriasi, mal. celiaca

Possibili effetti di uso di ATB (profilassi in TC) e < allattamento materno ?

Montirosso R e Provenzi L.,Implications of epigenetic and stress regulation on research and developmental care in preterm

infants. JOGNN 2015; 00:1-9

NEONATO

Developmental Care / Patient and Family Integrated Care

(maternità che neonatologie I-II-III livello)

J. Padbury e B. Lester La placenta modula l’ambiente fetale (terzo cervello)

Aumento della metilazione del DNA in varie regioni

→ peggiore qualità del movimento e dell’attenzione (per alterazione

dell’asse HPA o altri effetti dovuti ad aumento del cortisolo) (Marsit et

al, 2012)

→ correlazione con serotonina, in disordini materni dell’umore in

gravidanza, depressivi e ansiosi neonati più ipotonici, meno

capacità di autoregolazione

Cambiamenti dei microRNA (miRNA), che nell’adulto sono correlati a

patologie affettive e comportamenti suicidiari - Maggiore suscettibilità a

patologie mentali

Epigenetica e comportamento neonatale

Implicazioni per la “medicina personalizzata”

GENITORIALITA’ – ESPERIENZE RELAZIONALI,

AFFETTIVE, SOCIO AMBIENTALI

da: Luby JL et al. Maternal support in early childhood predicts larger hippocampal

volumes at school age. Proc Natl Acad Sci USA

2012;109(8):2854-9 (modificato)

Modifiche delle dimensioni dell’ippocampo in relazione al grado di

depressione dei bambini e all’intensità del supporto fornito dalle madri

SVILUPPO E VARIABILITA’

ESEMPI

MICROBIOMA

SVILUPPO E VARIABILITA’

ESEMPI

MICROBIOMA

La comunità ecologica di microrganismi commensali, simbiotici e

patogeni che condividono il nostro spazio Lederberg J & McCray AT (2001) ‘Ome Sweet ‘Omics – a genealogical treasury of words. Scientist 15, 8.

Microbiota:10 volte il nr delle ns cellule, 1.000 specie batteriche, 100 milioni di neuroni (…gut emotions), ci alberga il 70% delle cellule immunitarie dell’organismo, superficie assorbente di 300m2, pesa 1,5 Kg – Vari “villaggi” in cui prevalgono alcune “tribù”. 3 enterotipi (futura identificazione dell’enterotipo individuale e monitorizzare il microbiota)

Funzioni: protettive, metaboliche, trofiche, immunologiche, neuromodulanti

Variazioni: per fattori medici, culturali e ambientali: genetici, esperienze precoci (ma anche tardive), dieta, ambiente familiare, malattie, terapie….

Implicazioni terapeutiche: modificazione microbiota (dieta ± prebiotici, probiotici, simbiotici…) miglioramenti su aspetti dell’umore, cognitvi, socializzazione, ascolto, linguaggio, performance cliniche. Nell’autismo: c’è > sviluppo di Clostridia spp a scapito dei bifidobacteria.

Trapianto di microbiota (FMT, Fecal Microbiota Transplantation; uso nelle infezioni ATB resistenti di Clostridium diff)

MICROBIOMA

Non si vive di ciò che si mangia ma di ciò che si digerisce

Interazione tra il microbioma materno e feto, attraverso i suoi metaboliti

Variazione del microbioma materno (vaginale e intestinale) dal I al III trimestre

(variazioni ormonali?) che aiutano l’evoluzione fisiologica della gravidanza

Passaggio di batteri dalla cavità orale della madre, attraverso cell. dendritiche, che

arrivano all’utero e placenta che le ricevono e passano al feto.

Alla nascita: colonizzazione batterica intestinale con batteri simili a intestino e

vagina materni

Nel TC è diverso: batteri ospedalieri e dalla cute della mamma, ci vuole un anno

perché torni simile a quello dei nati per via vaginale

La composizione del microbioma iniziale condiziona la risposta, infiammatoria o

tollerante, della cellula

Importanza dei Bifido Batteri e del latte materno che contiene degli oligosaccaridi

che li nutrono (e aiutano anche l’eliminazione dei patogeni)

COLONIZZAZIONE BATTERICA FETO-NEONATALE

Prenatale: placenta, liquido amniotico e cordone

Travaglio e parto: contatto con il microbiota vaginale ed

intestinale (dipende dal tipo di parto)

Post partum: contatto pelle a pelle, colostro

Modulabile da fattori materni (salute, dieta, uso di ATB,

corioamnionite, e.g., tipo di parto, allattamento materno,

malattie neonatali, fratelli…)

Ruolo del microbiota materno nel determinismo del parto

pretermine e del parto in generale. Influenza delle

paradontiti (preeclampsia, prematurità, basso peso

neonatale, IVU)

Interazione microbioma-trofoblasto

sviluppo tolleranza immunitaria

complicanze come il parto

pretermine causato da infezione

virale / polimicrobica in sede di

impianto (studi su ratti)

SVILUPPO E VARIABILITA’

ESEMPI

MICROBIOMA

Tipo di parto: nel TC > batteri ospedalieri e cute materna, ci vuole un

anno perché torni simile a quello dei nati per via vaginale

o TC d’urgenza

MICROBIOMICA PRE- e PERINATALE

Uso ATB:

nel II-III trimestre:

rischio obesità a 7aa (Mueller et al, 2015)

rischio asma (solo trend per weezhing) (Lapin et al, 2015)

nati a termine con IAP: < Lattobacilli a 7d ma no diff. a 30d. (Corvaglia et al, 2015)

nato pretermine:

- diverso microbiota intestinale a 1 e 3m anche per una dose ATB alla madre

(Arboleya et al JPed 2015)

- normale microbiota 1-3 anni dopo dimissione da TIN (Moles et al, 2015…)

raccomandaz di usare > Latte Materno e < ATB x migliorare il microbiota (Hartz et al, 2015)

MICROBIOMA del LATTE MATERNO

MICROBIOTA del LATTE MATERNO

- 50 generi e 200 specie

- milk-oriented microbioma (MOM), simile a quello dell’intestino materno

- compare nel III trimestre, picco nel peripartum, calo nel divezzamento,

scomparsa a fine allattamento

- “core-microbiome” (= in tutte le donne) vs “variable microbiome”:

nel tempo (tra colostro e latte maturo)

interindividuale (dieta, sist. Immunitario ospite, stili di vita)

tra TC elettivo vs non elettivo o vaginale e in base al peso materno

aree rurali (+ lattobacilli)

Funzioni:

• promuove la funzione immunitaria neonatale

• migliora il metabolismo dei nutrienti

• migliora la funzione barriera dell’intestino

• promuove lo sviluppo dell’asse intestino - SNC

(scoperto nel 2004)

MICROBIOMA del LATTE MATERNO

Le mamme che ricevono antibiotici nell’ultimo trimestre di gravidanza e nel

peripartum hanno un rischio di sviluppare una mastite 25 volte superiore

rispetto alle donne che non prendono ATB (mastite causata da una disbiosi)

MICROBIOMA del LATTE MATERNO

Arroyo R et al. Treatment of infectious mastitis during lactation: antibiotics versus oral administration of Lactobacilli

isolatedfrom breast milk. Clin Infect Dis 2010; 50: 1551-8

METABOLOMICA

Studio globale dei metaboliti, molecole di piccole dimensioni presenti nelle cellule, tessuti, organi, liquidi biologici

“Impronta digitale metabolica” (metabolic fingerprint) specifica di

ogni individuo

E’ la base per una medicina personalizzata

Tecnologia

1. analisi: RMN, gascromatografia, spettrometria di massa, cromatografia liquida/spettrometria di massa

2. elaborazione statistica multivariata

Genomica: to be able to

Transcrittomica: to start

Proteomica to do

Metabolomica: to be

METABOLOMICA

Tra le principali applicazioni:

– fotografia dello stato fisiologico

– diagnosi di malattia / ‘pre-malattia’

– scoperta di biomarcatori

– misura della risposta a farmaci (farmacometabolomica) e degli effetti della nutrizione (nutrimetabolomica)

– Identificazione di vie metaboliche alterate da malattie o terapie

es.: studio con potenziale identificazione di 3 metaboliti collegabili al ‘pre-diabete’ con altissima specificità

dai “malati di rischio” alla “certezza del rischio o sua assenza”

METABOLOMICA in ETA’ PERINATALE

Metaboloma con biomarkes altamente specifici per vaginosi batterica

(associata a parto pretermine, trasmissione HIV e altre malattie

sessualmente trasmesse, malodore) (Mc Millan et al, 2015)

In gravide a rischio di pre-eclampsia e ipertensione gravidica: ippurato

nelle urine ha una discreta sensibilità nel predirle nel corso del I

trimestre (Austdal M et ai, 2015)

Differenze nel I e II trimestre in patologie cromosomiche (e Trisomia 21)

nel metaboloma, specie per la composizione lipidica del plasma (Pinto

J et al, 2015)

Studio del metaboloma in mezzi di cultura usati per la fecondazione in

vitro, per facilitare lo sviluppo (Virgiliou C et al, 2015)

Previsione del diabete gestazionale: alcune cartteristiche pre-diagnosi e

post-diagnosi (Pinto J et al., 2015)

Nel topo: dieta ad alto contenuto di fibre altera il microbiota e i livelli di acetato (ac. grasso a catena corta) e riduce drasticamente la malattia allergica delle vie aeree (un modello per l’asma nell’uomo). Nella gravida possibile ruolo nel prevenire l’asma (Thornburn AN et al, 2015)

Metaboloma cervicovaginale delle donne che partoriscono pretermine è diverso nel II trimestre, settimane prima di alcun sintomo clinico nuovi biomarkers per identificare le donne a rischio (Gharey J et al., 2015)

Biomarker di corioamnionite (lactosilceramidi e ac. Triossicolenoico e ac. Sulfocolico per il danno perinatale associate). Metabolic fingerprint of AF permette di predire patologie correlate alla gravidanza e o sviluppo di nuove strategie diagnostiche (Dudzik D et al, 2015)

Resistenza all’asfissia: rianimazione su maialini: alcuni muoiono, altri sopravvivono tornando alle condizioni basali dopo tempi molto diversi. Predicibili al 100% con metaboloma urinario prima della rianimazione

METABOLOMICA in ETA’ PERINATALE

Su una predisposizione genetica molti fattori modificano il microbiota (con

effetti sullo sviluppo e sulla funzione immunitaria) e il metaboloma (con

effetti sullo sviluppo e funzione degli organi).

Condizioni avverse e stress ‘tossico’: risposte adattive diverse rapporto

resilienza / vulnerabilità

Microbiota sano: va conosciuto, protetto e rispettato. Ridurre trattamenti

ATB incogrui (vedi asma e obesità) - Disbiosi presente in molte malattie

Metabolomica: metodica olistica, sensibile e predittiva

Ogni intervento di promozione/protezione di salute in gravidanza avrà

effetti più duraturi e costerà meno rispetto a quelli ad età successive.

Estrema variabilità intra e interindividuale - Personalizzazione delle cure

Sempre maggiore comprensione degli effetti sulla salute pubblica degli

interventi di promozione di salute e dei processi fisiologici, specie dal

concepimento ai primi mesi di vita

CONCLUSIONI

GRAZIE PER L’ATTENZIONE !