Molte patologie pediatriche si associano a modificazioni dell’assetto funzionale del microbiota intestinale. Il suo genoma si associa all’ecologia complessa di 100.000.000.000.000 batteri, un contenuto di DNA 100 volte maggiore rispetto al genoma umano. Le componenti di questo ecosistema svolgono un ruolo omeostatico – agendo come barriera dinamica contro i patogeni -, esercitano funzioni metaboliche fondamentali, promuovono lo sviluppo del sistema immunitario (SI) in età infantile ed hanno un’azione modulante sul genoma. Quando l’omeostasi viene perturbata, si innesca uno stato disbiotico, che è un evento costante in numerose patologie pediatriche, tra cui ad esempio le malattie e le sindromi infiammatorie dell’intestino (ad es. IBD, IBS), le malattie metaboliche ed endocrine, l’obesità, la steatosi e la fibrosi epatica ma anche patologie sistemiche come la fibrosi cistica (FC), le malattie autoinfiammatorie/autoimmunitarie (ad es. artrite idiopatica giovanile), le sindromi genetiche come la sindrome di Williams e la sindrome di Down.
Del tutto attuale, inoltre, è il controllo delle infezioni da germi multi-drug-resistant (MDR), attraverso la valutazione del livello di colonizzazione del microbiota intestinale per il controllo/prevenzione degli eventi di traslocazioni microbiche, pre-settiche, e come nuova strategia nella gestione antimicrobica dei pazienti immunodepressi. Nel caso della malattia acuta da rigetto (Graft Versus Host Disease, GVHD), che spesso complica il trapianto di cellule staminali emopoietiche allogeniche, la biodiversità del microbiota intestinale può dare luogo a forme meno severe, giustificandone il suo monitoraggio pre- e post-trapianto. La comprensione del profilo del microbiota intestinale “sano”, inoltre, dalla nascita all’intera infanzia, riveste un ruolo cruciale sia nella gestione delle malattie pediatriche associate al microbiota che nella prevenzione delle malattie croniche. Queste ultime possono svilupparsi durante la vita e richiedono la necessità di definire l’eubiosi intestinale, attraverso la creazione di modelli di base, indispensabili per valutare successivamente gli eventi disbiotici. Essenziale, in questo contesto, appare anche l’interazione pre- e peri-natale mamma-bambino, in grado di chiarire il ruolo del microbiota alla nascita, quale fattore “condizionante“ la salute/malattia e lo sviluppo fisico-cognitivo del bambino.
Lo sviluppo di tecnologie “meta-omiche” (metagenomica, metabolomica, proteomica e metaproteomica), di algoritmi analitici e di processi correlati (data management system e decision support system, DSS) per il mappaggio del microbiota presso l’Ospedale Pediatrico Bambino Gesù (OPBG) si sono rivelati idonei a fornire risultati traslazionali originali nella caratterizzazione del microbiota pediatrico, consentendo di chiarire alcuni nuovi aspetti della sua modulazione e interazione con gli stimoli esterni (ad es. agenti patogeni, “infettoma”) e con la dieta (ad es. profili nutrizionali, “foodoma”), nel contesto della variabilità genetica dell’ospite. Queste tecnologie assistono un team multidisciplinare clinico-laboratoristico nella generazione di profili individualizzati del microbiota, fornendo carte “omiche”, genomiche e biochimiche cosiddette “integrate”, basate sulla metatassonomia, sulle attività metaboliche e sul reservoir proteico del microbiota analizzato. Tali mappe integrate sono a disposizione dei team clinici, per comprendere le alterazioni funzionali del microbiota, correlarle ai parametri anamnestico-clinici del paziente (metadati), e per valutare strategie correttive o di clearance, mediante interventi nutrizionali, di somministrazione di probiotici, prebiotici personalizzati fino al trapianto di microbiota fecale (Fecal Microbiota Transplantation, FMT), già disponibile al Bambino Gesù come Protocollo Ospedaliero dal 2017.
Questo progetto propone la disseminazione e l’implementazione delle esperienze della Rete nell’ambito della caratterizzazione meta-omica del microbiota, con l’obiettivo di ottenere una immediata ricaduta traslazionale e diagnostico-clinica su scala nazionale. L’esperienza del Bambino Gesù, coordinatore del progetto, sarà estesa all’interno della Rete Pediatrica, utilizzando competenze condivise, tecnologie omiche e set di dati preesistenti nelle realtà dei singoli IRCCS. Il vantaggio di avere un reservoir di pazienti pediatrici permetterà di fornire un database esteso per la caratterizzazione del microbiota pediatrico intestinale e di altro sito (es. respiratorio, urinario, etc), e per la stratificazione delle principali patologie correlate al microbiota, in special modo relative all’asse fegato-intestino, cervello-intestino, sistemico.
Attività previste
1) Estensione della Biobanca di riferimento del microbiota pediatrico per la generazione di profili malattia (la Banca OPBG al momento dispone di circa 10.000 campioni di microbiota pediatrico);
2) Rendere disponibile ai clinici un sistema Open or Limited Access Source di profili di microbiota;
3) Fornire profili diagnostici di microbiota associati a stati fisiologici e patologici (definizione di enterotipi o “enterogradienti” intestinali);
4) Definire gli aspetti relativi alla diagnosi e alla prognosi delle disbiosi intestinali, relative ad alcune principali patologie pediatriche;
5) Sviluppare terapie alternative o supplementari, basate sull’uso personalizzato di probiotici e prebiotici, in grado di indurre modificazioni paziente-specifiche del microbiota;
6) Migliorare la gestione clinica del paziente, con particolare riguardo alle esigenze nutrizionali, e, di conseguenza, alla qualità di vita;
7) Costituzione di una Biobanca per l’FMT pediatrico;
8) Disegnare, sulla base dei profili “misurati” di disbiosi intestinale, modulazioni interventiste del microbiota basate su FMT.
Obiettivi principali
1. Produzione di profili metagenomici di microbiota mediante next generation sequencing (NGS) targeted per l’analisi ecologica o di shot-gun. Per ogni soggetto, in condizioni fisiologiche e/o patologiche, sarà caratterizzato il microbiota intestinale in termini di composizione microbica (OTU).
2. Produzione di profili di microbiota biochimico-funzionali. Per ogni soggetto, in condizioni fisiologiche e/o patologiche, sarà caratterizzato il microbiota intestinale in termini di proprietà funzionali (profilo metabolomico, metaproteomico e caratterizzazione biochimico-proteomico-metabolica dell’ospite).
3. Attraverso l’integrazione dei dati o dei profili omici di cui all’obiettivo specifico 1 e 2 si costruiranno mappe metaomiche stratificate per tipologia di bambino (sano/malato) e per età. Allo scopo saranno eseguite valutazioni computazionali per rispondere alla percentuale ottimale del valore nullo nelle matrici complesse dei dati NGS e di metabolomica, valutando il decremento della varianza del sistema. Inoltre, mediante cicli iterativi, saranno valutati le anomalie del sistema e le variabili ottimali in grado di descrivere il microbiota. Scelto l’assetto ottimale dei “low fused data” a partire dai dati multidimensionali, si procederà all’integrazione di quelli omici e alla produzione di modelli chemiometrici, come precedentemente riportato per i modelli metabolici. In questo caso, il modello integrato sarà utilizzato come modello predittivo diagnostico e prognostico di malattia. Le mappe metaomiche consentiranno di evidenziare il fenotipo-malattia significativamente associato alle alterazioni del microbiota intestinale. Le caratteristiche differenziali del contenuto microbico e/o della funzionalità del microbioma intestinale saranno selezionate come indici di perturbazione/malattia.
4. Creazione di un database nazionale pediatrico di profili microbiologici e metabolomici di microbiota. I profili ottenuti (obiettivo specifico 1, 2 e 3) saranno organizzati in un database nazionale con accesso alla comunità clinica e scientifica pediatrica, per rendere fruibili le informazioni sui profili del microbiota. Le apparecchiature e i metodi indicati negli obiettivi 1-3 produrranno una grande quantità di dati che dovranno essere efficacemente “tradotti” per fornire una interpretazione integrata dei profili del mcirobiota. L’opera di traduzione è normalmente affidata a database pubblici presenti nel web (NCBI, SWISSPROT, NIST), di enormi dimensioni, che forniscono dati ridondanti. L’obiettivo 4 si propone di costruire dei database personalizzati di metagenomica, metaproteomica e metabolomica. L’interfacciamento tra la strumentazione ed il suo specifico database permetterà di eseguire, con modalità processiva (flusso generazione dati e interpretazione profili), la completa caratterizzazione strutturale e/o funzionale del microbiota intestinale, per produrre banche di dati personalizzate per il paziente pediatrico. Per questo, nella gestione tecnologica è prevista la presenza di un server per la conservazione e la gestione dei dati.
5. Incremento numerico delle analisi diagnostiche del microbiota.
L’Unità di Microbioma Umano dell’OPBG ha processato mediamente 2000 campioni/anno nel triennio 2019-2021 per l’analisi NGS del microbiota a scopo diagnostico. Nel triennio 2022-2024 si prevede un aumento delle analisi fino a 3000 campioni/anno all’interno della Rete pediatrica creata dal progetto.
6. Produzione di profili diagnostici del microbiota per lo screening donatore/ricevente di trapianto di microbiota intestinale (FMT). Attualmente L’Unità di Microbioma Umano dell’OPBG fornisce profili di screening per FMT in ambito pediatrico. Nel triennio 2022-2024 si prevede di eseguire uno “scale-up” dello screening diagnostico per FMT e di costituire una banca FMT condivisa con gli IRCCS della Rete IDEA che partecipano al progetto.
7. Trasferimento del sistema DSS ai clinici, per interventi mirati rivolti al paziente pediatrico con patologie microbiota-correlate, nell’ambito della consensus clinica condivisa dalla Rete.
Risultati attesi
1. Estensione della bio-banca OPBG BBMRI del microbiota umano mediante arruolamento di nuovi pazienti attraverso la raccolta di campioni dai Centri della Rete IDEA.
2. Ottimizzazione dei protocolli di metagenomica, metaproteomica, metabolomica, foodomica per la caratterizzazione del microbiota intestinale e di altro distretto mediante processamento dei campioni raccolti durante il Progetto.
3. Cross-analisi dei dati clinici e omici per ciascun paziente con estensione del database digitale originale OPBG del microbiota umano.
4. Valutazione clinica degli enterotipi microbici associati alla fenomica del paziente ed integrazione dei dati metaomici di microbiota con i dati clinici (fenomica).
5. Esecuzione ed ottimizzazione di analisi diagnostiche di microbiomica con valutazione dello “scale-up” delle analisi di microbiota diagnostico.
6. Interventi clinici nutrizionali e di FMT e creazione di una banca di microbioti intestinali per FMT.
7. Servizio per lo screening e l’FMT.
8. Utilizzo del DSS in microbomica diagnostica e clinica.
Questi risultati scientifici serviranno a ottimizzare le raccomandazioni sull’utilizzo della caratterizzazione del microbiota umano mediante scienze omiche in medicina personalizzata valutandone l’impatto nell’ambito della salute pubblica. Inoltre, le conoscenze acquisite attraverso il progetto potranno essere utilizzate per produrre nuovi prodotti alimentari con potenziali benefici per la salute dei consumatori, e i dati scientifici così generati saranno sfruttati a vantaggio dell’innovazione industriale contribuendo alla convalida delle indicazioni sulla salute e per espletare attività di prevenzione o di mantenimento dello stato di salute nel bambino.
Qui il pdf del Progetto
Nella sezione Trasparenza l’elenco dei CUP attivati