Ruole delle fibre alimentari nelle malattie gastrointestinali

Edith Lahner Seminario 7 marzo 2017

Scuola di Specializzazione Malattie Apparato Digerente

Università Sapienza

L’abbondante o la scarsa assunzione di fibre alimentari viene messa in relazione rispettivamente con benefici o svantaggi per la salute dell’individuo.

Il consumo di fibre, sia aggiunte alla dieta sotto forma di integratori oppure come parte integrale della struttura degli alimenti vegetali, sembra possedere la capacità di influenzare positivamente la salute dell’individuo.

Le fibre alimentari sembrano ridurre il rischio di malattie cardiovascolari, obesità e diabete oltre ad avere un ruolo in diverse condizioni gastrointestinali.

Fibre alimentari: Perché parlarne?

Hamaker BR, Tuncil YE. J Mol Biol 2014

Secondo l’US Academy of Nutrition and Dietetics, il consumo giornaliero adeguato di fibre alimentari è di 14 g/ 1000 kcal, equivalente a 28 g per le donne 36 g per i maschi in età adulta

Secondo le linee guida per una sana alimentazione italiana: 30 g/die

Nei paesi industrializzati, il consumo giornaliero di fibre alimentari varia da regione a regione ed è incostante nel tempo.

Il consumo medio giornaliero di fibre alimentari negli USA è 17 g e <5% delle popolazione generale consuma la quantità adeguata.

Dahl WJ, Stewart, M.L. J Acad Nutr Diet 2015. Linee guida per una sana alimentazione italiana. Ministero Politiche Agricole e Forestale, INRAN,2003. Food and Drug Association: http://www.fda.gov/nutritioneducation

Consumo di fibre alimentari

Consumo di fibre alimentari a confronto

Perrot-Adam A. Resistant Starch and Starch-Derived Oligosaccharides as Prebiotics. Prebiotics and Probiotics Science and Technology, Volume 1, Chapter 9, Ed. Springer, 2009 De la Fuente-Arrillaga C. BMC Public Health 2016.

Uno studio spagnolo (2016) ha osservato un incremento significato del consumo di fibre alimentari (da frutta e ortaggi) durante un follow-up di 10 anni da 24.3±9 g/ die a 26±11 g/die.

Per il consumo effettivo molto inferiore rispetto a quello raccomandato, negli USA le fibre alimentari

vengono considerate un

«Nutrient of Public Health Concern»

perché il basso consumo è associato a potenziali rischi di salute.

Food and Drug Association: http://www.fda.gov/nutritioneducation

Fibre alimentari: «Nutrient of Public Health Concern»

Niente di nuovo …

Il medico greco Galeno di Pergamo (129–201 a.C. circa) scrisse nel documento «De alimentorum facultatibus» di «cibi in grado di stimolare l’intestino ad evacuare ed altri a prevenire l’evacuazione».

Osservò che «il pane bianco era più appiccicoso e lento a passare e il pane scuro faceva bene all’intestino».

Sacchetti G. Galeno: Della natura et vertu di cibi. Editore In Venetia, 1562. Duckworth J, Godden WJ. Biochem J 1941.

Il termine «Fibra alimentare» viene usato per la prima volta nel 1941.

Il termine “”Fibra alimentare” raggruppa uno spettro molto ampio di composti differenti con strutture molecolari e proprietà fisicochimiche molto differenti tra di loro.

Rappresenta uno dei gruppi più eterogenei di molecole associate che si trovano in natura.

Le definizioni più accreditate sono quelle di:

Associazione Americana dei Chimici dei Cereali (AACC) del 2001

Codex Alimentarius Commission del 2009

Definizione di fibre alimentari

Hamaker BR, Tuncil YE. J Mol Biol 2014 AACC. Ceral Foods World 2001 CODEX Alimentarius Commission. FAO; 2010.

Pertanto sono inclusi:

• Polisaccaridi non amidacei: cellulosa, pectine, gomme

• Amido resistente e destrine

• Oligosaccaridi resistenti: frutto-oligosaccaridi, galatto-oligosaccharidi

Rientrano anche:

• la lignina, un polimero non carboidrato legato principalmente alla cellulosa nella parete cellulare delle piante

• la chitina, l’ialuronano e il condroitin-solfato, carboidrati di origine animale

Definizione di fibre alimentari dell’American Association of Cereal Chemists

AACC (American Association of Cereal Chemists). The definition of dietary fiber. Ceral Foods World 2001; 45: 112.

Le parti commestibili di piante o carboidrati analoghi resistenti alla digestione e al assorbimento nell’intestino tenue che

vengono completamente o parzialmente fermentati del colon.

Includendo la nota 2, rientrano:

gli oligosaccaridi resistenti, l’amido resistente e le maltodestrine resistenti

Definizione di fibre alimentari della CODEX Alimentarius Commission 2009

Joint FAO/WHO Food Standards Prorammae. Secretariat of the CODEX Alimentarius Commission. FAO; 2010.

Polimeri di carboidrati composta da 10 o più unità monomeriche1) che non vengono idrolizzati da enzimi endogeni dell’intestino tenue umano e appartengono ad una delle seguenti categorie:

1. Polimeri di carboidrati commestibili naturalmente presenti negli alimenti nella forma nella quale vengono consumati

2. Polimeri di carboidrati commestibili ottenuti da materie prime alimentari mediante procedimenti fisici, enzimatici o chimici2)

3. Polimeri di carboidrati sintetici2)

1) Le autorità nazionali possono decidere se includere o meno polimeri di carboidrati con unità monomeriche da 3 a 9 (direttiva UE 2008/100)

2) Le fibre isolate o sintetiche della categoria 2 e 3 devono possedere un effetto fisiologico benefico dimostrato da dati scientifici generalmente accettati.

Unione Europea (regolamento 1924/2006)

• > 3 g di fibra per 100 g di prodotto = fonte di fibre

• > 6 g di fibra per 100 g di prodotto = ricco in fibre

USA

• > 2.5 g di fibre per porzione = buona fonte di fibre

• > 5 g di fibre per porzione = fonte eccellente di fibre

Etichettatura di alimenti con fibre alimentari

Hamaker BR, Mol Biol 2014; Ötles S, Acta Sci Pol Technol Aliment 2014

Oligosaccaridi resistenti

Polisaccaridi non amidacei

Amido resistente

Tipi di fibre alimentari

Tutti i polisaccaridi vegetali diversi dall’amido.

Sono polisaccaridi complessi contenenti >100.000 unità di monosaccaridi uniti tramite legami beta-glicosidici.

Non possono essere idrolizzati dagli enzimi endogeni dell’uomo.

Non forniscono energia.

Sono componenti chiave della parete cellulare di diversi cereali e coprono una grande varietà di funzioni biologiche e strutture chimiche.

Polisaccaridi non amidacei Non-starch polysaccharides (NSP)

Kumas V. Crit Rev Food Sci Nutr 2012.

Polisaccaridi non amidacei Non-starch polysaccharides (NSP)

Kumas V. Crit Rev Food Sci Nutr 2012.

Funzione strutturale Riserva di polisaccharidi

Cellulosa

Emicellulosa (mannani)

Pectine

Beta-glucani

Fruttani

Glucomannani

Galattomannani

Xiloglucani

Mucillagini

Alginati

Gomme

Altre funzioni

Nelle piante è generalmente contenuta una miscela di ambedue i tipi.

solubili in acqua formano gel viscosi fermentate dalla microflora del colon

Polisaccaridi non amidacei: reazione con acqua

Fibre solubili

Kumas V. Crit Rev Food Sci Nutr 2012. Hamaker BR, Yunus ET. J Mol Biol 2014.

insolubili in acqua non formano gel (per l’insolubilità) poco fermentate nel colon

Fibre insolubili

Beta-glucani Arabinoxilani (plantago, psyllium), Glucurono-arabinoxilani Xiloglucani Galattomannani, glucomannani Pectine Gomme

Cellulosa Lignine Alcune emicellulose (mannani lineari)

Fonte

Beta-glucani Orzo, avena, segale (grano, riso, mais)

Arabinoxilani Plantago, psyllium

Glucoronoarabinoxilani Crusca di grano, orzo e riso

Xiloglucani Legumi

Galattomannani Legumi, molti alberi, gomma di guar

Glucomannani tubero di Amorphophallus konjac

Pectine Mele, prugne, agrumi (albedo), mele cotogne, uva spina, carote

Mannani lineari Aloe vera

Cellulosa Crusca , cereali, radicchio, lattuga, carote, finocchio

Polisaccaridi non amidacei: dove li troviamo?

Kumas V. Crit Rev Food Sci Nutr 2012.

Fabbisogno di polisaccaridi non amidacei

Kumas V. Crit Rev Food Sci Nutr 2012.

Polisaccaridi non amidacei in cereali e ortaggi

Kumas V. Crit Rev Food Sci Nutr 2012.

Polisaccaridi non amidacei nella frutta

Hamaker BR, Mol Biol 2014; Ötles S, Acta Sci Pol Technol Aliment 2014

Oligosaccaridi resistenti

Polisaccaridi non amidacei

Amido resistente

Tipi di fibre alimentari

Amido digeribile: importante fonte di energia

L’amido rappresenta uno delle fonti di carboidrati più importanti dell’alimentazione (l’altra sono gli zuccheri semplici).

Alimenti ricchi in amido sono patate e derivati dai cereali (pane). L’amido è un polisaccaride composto da molecole di glucosio unite con legami alfa-

glicosidici 1-4 o 1-6.

Le due principali strutture di amido sono: Amilosio: una moleca lineare con legami 1-4 ( 15-20% dell’amido) Amilopectina: una molecola ramificata con legami 1-4 e 1-6 (80-85% dell’amido) L’amido digeribile viene idrolizzato mediante le amilasi nell’intestino tenue e il glucosio libero viene assorbito.

Nugent AP. Br Nutr Bull 2005.

Goldring JM. Resistant starch: safe intakes and legal status. Journal of the Association of Official Analytical Chemists International 2004.

Amido resistente – Resistant starch (RS)

Definizione EURESTA (Gruppo di studio EU) L’amido resistente è la quantità totale di amido e i prodotti della degradazione dell’amido che resistono alla digestione nell’intestino tenue di soggetti sani

Nugent AP. Br Nutr Bull 2005. Asp NG. Eur J Clin Nutri 1992.

Amido resistente – Resistant starch (RS)

Nugent AP. Br Nutr Bull 2005.

Amido resistente in alimenti e prodotti industriali

Hamaker BR, Mol Biol 2014; Ötles S, Acta Sci Pol Technol Aliment 2014

Oligosaccaridi resistenti

Polisaccaridi non amidacei

Amido resistente

Tipi di fibre alimentari

Oligosaccaridi sono carboidrati a catena corta (3-9 unità di monomeri)

Oligosaccaridi resistenti sono gli oligosaccaridi che non vengono idrolizzati da enzimi endogeni dell’intestino tenue umano

Sono solubili in acqua

Frutto-oligosaccaridi: inulina, oligofruttosio, sc-FOS

Galatto-oligosaccaridi: latte materno, prodotto da lattosio con trattamento enzimatico

Xilo-oligosaccaridi

Oligosaccaridi resistenti

Joint FAO/WHO Food Standards Prorammae. Secretariat of the CODEX Alimentarius Commission. FAO; 2010. Belorkar SA, Gupta AK. AMP Expr 2016

Radici di cicoria e topinambur: ricchi di inulina

Oligosaccaridi resistenti negli alimenti

Belorkar SA, Gupta AK. AMP Expr 2016

Aglio

Miele

Segale

Banana

Orzo

Inulina = radici di cicoria

Oligosaccaridi resistenti

Polisaccaridi non amidacei

Amido resistente

Fibre alimentari

Frutto-oligosaccharidi (inulina) Galatto-oligosaccharidi Xilo-oligosaccharidi

AR1: amido inaccessibile AR2: amido granulare AR3: amido retrogradato AR4: amido modificato Beta-glucani

Arabinoxilani Xiloglucani Galattomannani Glucomannani Pectine,Gomme

Cellulosa Lignine Mannani lineari

Fibre solubili Fibre insolubili

Fermentabilità

Capacità di trattenere acqua

Viscosità

Proprietà delle fibre alimentari

Ritarda svuotamento gastrico Riduce tempo transito intestinale Riduce assorbimenti nutrienti (colesterolo, glucosio) Aumenta assorbimento acqua Stimolazione crescita microbica nel colon Aumento il tempo di contatto per la degradazione batterica dei carboidrati complessi (produzione di acidi grassi a catena corta, SCFA)

Ötles S. Acta Sci Pl Technol Aliment 2014; Kumar V. Crit Rev Food Sci Nutr 2012; Scott KP. Pharmacological Research 2013.

La capacità di trattenere l’acqua è indirettamente proporzionale alla fermentabilità Diminuisce lungo il transito quando le fibre vengono fermentate Fibre insolubili per la scarsa fermentabilità aumentano la massa fecale e accelerano il transito intestinale

Il microbiota del colon fermenta le fibre alimentari con formazione di: SFCA (ac. acetico, butirrico e propionico) Gas (metano, idrogeno, CO2) Aumento della massa batterica La fermentazione è completa nelle fibre solubili La fermentazione è incompleta nelle fibre insolubili

Scott KP. Pharmacological Research 2013.

Destino della fibra alimentare non digerita ….

CHO carboidrati RS amido resistente NSP polisaccaridi non amidacei OS oligosaccaridi SCFA acidi grassi a catena corta BCFA acidi grassi ramificati

Effetti prebiotici delle fibre alimentari

Binns N, ILSI Europe, 2015.

SolubileInsolubile

Relazione tra fibre alimentari e prebiotici Criteri per la classificazione di una sostanza quale prebiotico:

1. deve resistere all’acidità gastrica, all’idrolisi da parte degli enzimi umani e all’assorbimento gastrointestinale;

2. deve essere prontamente fermentata dal microbiota intestinale;

3. deve selettivamente stimolare la crescita e l’attività di batteri intestinali associati ad effetti salutari.

• Qualsiasi componente dell’alimentazione che raggiunga in modo intatto il colon è un potenziale prebiotico.

• Il terzo criterio quello più critico da adempiere.

• I prebiotici che possiedono questi criteri comprendono in larga parte le fibre alimentari solubili: FOS, GOS, inulina, amido resistente, pectine e gomme.

Gibson GR. Dietary prebiotics: Current status and new classification. IFIS Funct Foods Bull 2011 Holmes E. Therapeutic modulation of microbiota-host metabolic interactions. Sci Trans Med 2012.

Impatto della dieta ricca in polisaccaridi non amidacei (NSP, crusca di grano) o ricca in amido resistente (RS) sul microbiota fecale umano (espresso in valori medi totali dei geni batterici 16S-rRNA misurati con PCR quantitativa)

Flint H. Nutrition Reviews, 2012

Dieta e microbiota del colon

* p<0.001

Il colon umano contiene una densa popolazione di batteri che supera numericamente di ben 10 volte le stesse cellule umane: Bacteroidetes, Firmicutes e Actinobacteria sono i tre phyla maggiori

Possiedono una immensa quantità di enzimi in grado di degradare substrati alimentari complessi, quali le fibre alimentari

Il tipo di alimentazione può influenzare in maniera significativa la composizione del microbiota.

NSP = polisaccaridi non amidacei, RS = amido resistente

Fibre alimentari, SCFA e ospite: interazione complessa

Belcheva A. Bioessay 2015

Fibre alimentari e malattie gastrointestinali

Fibre alimentari

Malattia celiaca

Cancro del colon

Malattia diverticolare

Sindrome metabolica

Disturbi funzionali gastrointestinali Stipsi

La malattia diverticolare è considerata una “malattia da deficit di fibre”

Confermato da uno studio recente che trovato un rischio più basso di malattia diverticolare con l’aumento del consumo di fibre alimentari, in particolare con fibre dalla frutta e dai cereali

Messo in dubbio da un altro studio in cui una dieta ricca di fibre è stata associata con una più alta prevalenza di diverticoli nel colon

La stipsi non sembra essere un fattore di rischio per la diverticolosi:

Soggetti con alvo regolare (7 evacuazioni/settimana) avevano un rischio del 34% più alto di diverticolosi rispetto ai soggetti con meno evacuazioni (<7 evacuazioni/settimana).

Una dieta ricca fibre sembra proteggere contro la malattia diverticolare

Soggetti vegetariani avevano un rischio più basso di ammissione ospedaliera o morte per malattia diverticolare.

Un altro studio ha riportato che la componente insolubile delle fibre era inversamente correlata al rischio di malattia diverticolare.

Fibre alimentari e malattia diverticolare

Peery AF, Gastroenterology 2012; Crowe FL BMJ 2011; Crowe LF, Gut 2014

Un’alimentazione ad alto contenuto di fibre viene ampiamente consigliata ai soggetti affetti da malattia diverticolare sintomatica non complicata.

A tutt’oggi, gli esatti meccanismi che sottostanno al beneficio terapeutico ottenuto con la fibra alimentare non sono pienamente chiariti, benché sia stata ipotizzata una relazione con il volume fecale e il tempo di transito del materiale fecale.

Fibre alimentari e malattia diverticolare

Carabotti M. Nutrients 2017.

Una revisione sistematica su pazienti con malattia diverticolare sintomatica non complicata ha individuato • 9 studi con terapia a base di fibre alimentari e • 10 studi a base di supplementi di fibra.

Carabotti M. Nutrients 2017.

Carabotti M. Nutrients 2017.

• In pazienti con malattia diverticolare sintomatica non complicata, singoli studi di bassa qualità suggeriscono un beneficio terapeutico delle fibre alimentari e di supplementi di fibra.

• I limiti metodologici, l’eterogeneità dei trattamento e la mancanza di studi designati ad hoc non permettono una stima complessiva dell’efficacia.

Fibre alimentari e stipsi: evidenza?

Ford AC, Am J Gastroenterology 2014

Rao SCC, Aliment Pharmacol Ther 2015

Fibre alimentari nell’anziano

Nei pazienti anziani, il microbiota intestinale ha una biodiversità più bassa di diverse specie microbiche, una più bassa abbondanza di bifidobatteri, un aumento di aerobi facoltativi opportunisti (Staphylococcus, Streptococcus e Enterobacteriaceae) ed un aumento in anaerobi (gruppi di Clostridium e Bacteriodes spp).

L’aumentato uso di antibiotici nelle persone anziane risulta in alterazioni del microbiota intestinale.

Siccome la prevalenza di malattia diverticolare e stipsi aumenta con l’età, l’uso delle fibre alimentari prebiotiche può giocare un ruolo di particolare importanza nei pazienti anziani.

Nicholson JK, Science 2012. Tilhonen K. Ageing Research Reviews 2010.

Fibre alimentari e sindrome dell’intestino irritabile

Öhmman L. Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology 2015

Diversi fattori possono avere un ruolo nella sindrome dell’intestino irritabile (SII): alterata composizione del microbiota, aumentata permeabilità intestinale, squilibrio del sistema enteroendocrino, sistema immunitaria sregolato)

Nella SII viene descritta una disbiosi del microbiota del colon, frequentemente caratterizzata da una riduzione di bifidobatteri.

Fibre alimentari e sindrome dell’intestino irritabile

Moayyedi P. The Effect of Fiber Supplementation on IBS. Am J Gastroenterol 2014

Nella SII, la supplementazione di fibre alimentari solubili sembra migliorare lo score sintomatologico globale

Ford AC, Am J Gastroenterology 2014

Fibre alimentari e sindrome dell’intestino irritabile

Nella sindrome dell’intestino irritabile (SII) è descritta una disbiosi del microbiota del colon, frequentemente una riduzione di bifidobatteri

Nella SII alcuni trial hanno mostrato l’efficacia dell’aumento di bifidobatteri.

Le fibre solubili (inulina, FOS, GOS) stimolano selettivamente la crescita dei bifidobatteri.

Gli oligosaccaridi fanno parte delle FODMAPs!

Staudacher H, Proc Nutr Soc 2016

Sindrome dell’intestino irritabile: Il paradosso di fibre alimentari e FODMAPs

La restrizione di alimenti ad alto contenuto di FODMAPs è un trattamento proposto nella SII.

Una dieta con FODMAPs ridotti riduce la concentrazione dei bifidobatteri nel colon.

Da questo nasce un paradosso interessante: l’aumento dei bifidobatteri nel colon con probiotici si associa ad una riduzione di sintomi da IBS, mentre la dieta a basso contenuto di FODMAPs ha un’efficacia clinica riducendo i bifidobatteri.

Molto probabilmente ambedue i trattamenti possono essere utili in sottogruppi diversi di pazienti con SII oppure combinati tra di loro.

Staudacher H, Proc Nutr Soc 2016

Sindrome dell’intestino irritabile: Il paradosso di fibre alimentari e FODMAPs

Hamaker BR, Tunis YE. J Mol Biol 2014.Macfarlane GT, J Appl Microbiol 2007.

L’utilizzo delle fibre alimentari da parte del microbiota intestinale è influenzata da molti fattori

Le fibre alimentari possiedono la capacità di modificare almeno in parte la composizione del microbiota intestinale

Le fibre alimentari rappresentano la principale fonte di energia per il microbiota del colon.

Molti fattori nutrizionali, microbiologi e dell’ospite influenzano le reazioni fermentative del colon, in particolare tempo di transito intestinale, età, sistema neuroendocrino, forma e quantità del substrato, specie batteriche presenti, stress

Le fibre alimentari possono potenzialmente essere utili per manipolare il microbiota intestinale

Si sa ancora poco su come questo possa avvenire in modo predittibile !!!

Le fibre alimentari costituiscono una componente importante dell’alimentazione umana.

Nei paesi occidentali il consumo è inferiore ai livelli raccomandati.

L’alimentazione sana e equilibrata che include tutti i tipi di fibra, alimenti ricchi di fibra ed eventualmente alimenti addizionati con fibra alimentare, può portare a multipli benefici per la salute.

Le fibre alimentari possono portare a effetti benefici nella stipsi, nella sindrome dell’intestino irritabile e nella malattia diverticolare.

L’evidenza clinica sulla possibile modulazione intenzionale del microbiota intestinale con l’uso di fibre alimentari è scarsa.

Considerazioni conclusive

Grazie per l’attenzione

Studi epidemiologi e sperimentali hanno osservato effetti anticancerogeni di amido resistente inulina, e altri oligo-fruttani (FOS, XOS).

Gli effetti anticancerogeni dei prebiotici potrebbero essere attribuiti a:

effetti bifidogenici e la produzione fermentative di acidi grassi a catena corta (SFCA), in particolare il butirrato sembra avere effetti protettivi sull’epitelio del colon

manipolazione del microbiota intestinale e inibizione della proliferazione di patogeni

down-regolazione dell’espressione di COX-2, NF-kB, iNOS e glutatione perossidasi, nonché l’induzione di protein-chinasi C-delta, heat shock protein 25

immunomodulazione

effetti pro-apoptotico

Fibre alimentari e cancro del colon

Ambalam P. Best Pract Res Clin Gastroenterol 2016

Prebiotici e simbiotici potrebbero rappresentare dei potenziali anticancerogeni

Fibre alimentari e cancro del colon

Nugent AP. Nutr Bull 2005; Hamaker BR, J Mol Biol 2014.

RCT doppio cieco di 12 settimane

37 pazienti con cancro del colon e 43 pazienti polipectomizzati

Trattamento con simbiotici: bifidobacterium lactis, lactobacillus rhamnosus GG e inulina

Nei pazienti trattati con simbiotici:

Riduzione significativa di di Bifidobacterium

Riduzione del danno DNA a livello della mucosa del colon, della proliferazione cellulare e di altri biomarker tumorali

Fibre alimentari e cancro del colon

Rafter J. Dietary synbiotcs reduce cancer risk factors in polypectomized and colon cancer patients. Am J Nutri 2007.

Disbiosi e malattia celiaca

Il microbiota intestinale potrebbe contribuire alla eziopatogenesi della malattia celiaca tramite tre meccanismi proposti: (2) Attività proteolitica con produzione di peptici tossici e immunogenici dal glutine e interazioni tra ospite-microbiota che possono influenzare (1) La barriera intestinale e (3) funzione immunitaria (mediante la regolazione dell’equilibrio tra citochine pro- e anti-infiammatorie)

Olivares M, Sanz Y. Intestinal Microbiota and Celiac Disease. OmniaScience; 2015. p. 193-221. Verdu EF. Nature Rev Gastro Hep 2015