I lipopolisaccaridi sono dei composti chimici che assumono una certa importanza per chi si occupa di medicina. Il ruolo patogeno di queste sostanze si manifesta su diversi organi e apparati con meccanismi piuttosto complessi e a tratti ancora non completamente chiariti. La maggior parte dei campi di interesse della buiatria prevede la necessità di relazionarsi con gli effetti dell’interazione tra i tessuti dell’animale e i lipopolisaccaridi: dalla nutrizione alla riproduzione, dalla clinica generale alla podologia e all’immunologia. Ne consegue la necessità di comprendere la natura di queste sostanze ed i meccanismi patogenetici della loro interazione con l’organismo animale in modo da poter affrontare con consapevolezza i loro effetti negativi e, soprattutto, essere in grado di poter mettere in atto dei sistemi efficaci di prevenzione e gestione.

Questo è il primo di due articoli che prendono ispirazione da una review scritta da Emily F. Eckel e Burim N. Ametaj e pubblicata nel 2016 sul Journal of Dairy Science.

Caratteristiche generali dei lipopolisaccaridi

Il lipopolisaccaride (LPS) è uno dei componenti principali della membrana cellulare esterna dei batteri Gram negativi. I LPS sono strutturalmente composti da tre regioni:

  • Il lipide A che assicura un solido ancoraggio alla porzione esterna della membrana cellulare batterica e che rappresenta l’Endotossina che svolge l’azione tossica sull’organismo dei mammiferi.
  • Il Core oligosaccaridico che, insieme all’antigene O, rappresenta la porzione idrofila della molecola.
  • L’Antigene O, detto anche catena laterale, che è la porzione più esterna della molecola di LPS ma anche della membrana batterica, per cui è la parte che interagisce con il sistema immunitario.

La funzione dei LPS nei batteri è quella di stabilizzare l’architettura della membrana cellulare: il core oligosaccaridico contiene forti cariche negative che stabilizzano i cationi bivalenti di membrana.

Nell’organismo dei mammiferi i LPS sono molto rari per cui la loro presenza viene generalmente interpretata come segnale di danno e innesca una serie di meccanismi che sono alla base della risposta immunitaria innata e dell’infiammazione. Le singole parti che compongono la molecola hanno ruoli differenti: l’antigene O è la porzione che entrerà in gioco quando verrà esposto il meccanismo di interazione con il sistema immunitario mentre il lipide A, o endotossina, è la porzione coinvolta quando si parlerà di azione tossica del lipopolisaccaride. Per semplicità espositiva in questo articolo utilizzerò indistintamente il termine generico di lipopolisaccaride (LPS).

Fonti dei LPS nella bovina da latte

Tratto gastroenterico

Il tratto gastroenterico è una delle fonti principali di LPS nella bovina da latte. La popolazione batterica presente nell’apparato digerente dei ruminanti è particolarmente variegata ma i batteri Gram negativi rappresentano una quota significativa sia a livello dei prestomaci che a livello intestinale. I lipopolisaccaridi si liberano nell’ambiente gastroenterico principalmente in seguito a due condizioni: la riduzione del pH ruminale e il dismicrobismo intestinale.

La popolazione batterica ruminale può essere grossolanamente distinta in due tipologie che hanno attitudini fermentative differenti:

  • I batteri cellulosolitici, prevalentemente Gram negativi, che fermentano la cellulosa ed emicellulose, quindi la porzione fibrosa della razione (carboidrati strutturali). Prediligono un pH ruminale debolmente acido, tendente alla neutralità (pH > 6) e moltiplicano piuttosto lentamente.
  • I batteri amilolitici, prevalentemente Gram positivi, che fermentano gli amidi, gli zuccheri e le pectine (carboidrati di deposito). Hanno un tasso di crescita decisamente più elevato dei cellulosolitici e tendono a ridurre il pH del materiale in cui svolgono la loro attività fermentativa.

Da quanto detto in precedenza si evince che le caratteristiche della razione alimentare offerta alle bovine ha un’importanza determinante nel mantenere una condizione ottimale di equilibrio a livello ruminale. Una razione mal formulata, un errore del personale che prepara l’alimento oppure una modalità di somministrazione inadeguata possono comportare delle profonde modificazioni della microflora ruminale. In particolare, le diete ricche di amido, una modalità di somministrazione dell’alimento che comporti l’ingestione in un tempo breve di notevoli quantità di concentrati (mangime offerto solo in uno, due momenti della giornata) oppure la somministrazione di unifeed mal preparato in cui le bovine abbiano la possibilità di selezionare i concentrati (sorting) hanno un potente effetto negativo sull’omeostasi del rumine. I batteri Gram positivi fermentano l’amido in eccesso moltiplicandosi velocemente e riducono progressivamente il pH del contenuto ruminale. Quando il pH ruminale scende a valori inferiori a 5,5 per un tempo sufficientemente lungo (qualche ora) i batteri Gram negativi vengono progressivamente a morte. La lisi delle membrane cellulari esita nella liberazione di una quantità variabile di lipopolisaccaridi che dipende essenzialmente da quanto il pH si sia ridotto nel rumine (acidosi acuta) o da fluttuazioni ripetute nel tempo (acidosi ruminale subacuta o SARA).

La flora microbica intestinale è composta da una varietà di tipologie batteriche che, in condizioni fisiologiche, convivono apportando numerosi vantaggi e benefici all’organismo che li ospita (es. produzione di vitamine ecc.). In condizioni patologiche tale equilibrio può risultare alterato per cui alcuni ceppi batterici possono prendere il sopravvento moltiplicando in quantità abnormi. Le infezioni intestinali specifiche, come quelle sostenute da Escherichia coli o Salmonella spp. inducono la liberazione di grandi quantità di LPS.

Ghiandola mammaria

La mammella è un organo particolarmente sensibile alle infezioni batteriche ed una percentuale significativa è sostenuta proprio da alcune specie di batteri Gram negativi. Tra le specie batteriche maggiormente rappresentate Escherichia coli è senza dubbio il più comune ed è responsabile di alcune forme di mastite clinica ad andamento acuto – iperacuto. Gran parte degli effetti tossici a livello locale (edema, iperemia, aumento di volume e modificazione delle caratteristiche del secreto) e sistemici (temperatura febbrile, depressione, segni di shock) sono ascrivibili alla liberazione di LPS all’interno degli alveoli mammari e passaggio di essi nel circolo ematico.

Utero

La metrite è un’infezione batterica dell’utero, tipica del periodo immediatamente successivo al parto (primi 15 giorni). La sua incidenza è variabile e rappresenta un parametro attendibile della corretta gestione del periodo di transizione, ne consegue che negli allevamenti ben gestiti è una condizione patologica piuttosto rara mentre laddove esistano delle criticità può manifestarsi in percentuali decisamente importanti, anche a doppia cifra. La metrite puerperale riconosce quasi sempre un’eziologia batterica e l’infezione è sostenuta soprattutto da due batteri: Escherichia coli e Trueperella pyogenes. Un ceppo specifico di E. coli definito EnPEC (Endometrial Pathogen Escherichia Coli) è stato ripetutamente isolato nei casi di metrite puerperale e si ritiene responsabile dell’infezione nella prima fase della malattia, T. pyogenes interviene in un secondo momento. Il ceppo EnPEC ha curiosamente perso la quasi totalità dei fattori di virulenza mantenendo una capacità straordinaria (più del doppio) di adesione alle cellule endometriali; ne consegue una scarsissima capacità dell’utero di liberarsi, attraverso le lochiazioni, di questo tipo di batteri. La liberazione di LPS nel lume uterino e il passaggio in circolo è quindi particolarmente intensa e prolungata nel caso la bovina non dovesse essere tempestivamente sottoposta a terapia.

Meccanismi di ingresso nell’organismo

Passaggio intercellulare

L’epitelio di rivestimento intestinale, mammario e uterino funge da barriera fisica verso l’ambiente esterno. Ha una struttura piuttosto semplice, formata da un singolo strato di cellule unite da potenti giunzioni cellulari di natura proteica definite giunzioni occludenti (tight junctions). Le giunzioni occludenti hanno la capacità di serrarsi e impedire il passaggio di sostanze tra le cellule, rimane comunque la possibilità di allentarsi in risposta a stimoli di varia natura. In particolare, la presenza di LPS è in grado di danneggiare le giunzioni occludenti attraverso l’incremento della produzione locale di ossido nitrico. Generalmente la quantità di ossido nitrico è sempre piuttosto bassa, garantendone le capacità funzionali positive quali la neurotrasmissione, la vasodilatazione e la partecipazione al processo infiammatorio. I LPS provocano l’aumento dell’enzima inducibile ossido nitrico sintetasi e determinano un conseguente aumento della quantità di ossido nitrico, con un drammatico incremento degli effetti negativi, tra cui il danneggiamento delle giunzioni occludenti. Questo meccanismo è comune all’epitelio intestinale, mammario e uterino. In particolare, nell’intestino, l’ossido nitrico è in grado di indurre apoptosi degli enterociti amplificando l’effetto nocivo già esercitato sulle giunzioni occludenti. Dall’ambiente luminale varie sostanze, tra cui anche i LPS, possono facilmente raggiungere la porzione sub epiteliale e guadagnare il circolo ematico e linfatico.

Passaggio intracellulare

I lipopolisaccaridi sono in grado di raggiungere il versante basale dell’epitelio di rivestimento passando attraverso le cellule epiteliali grazie ad un fenomeno di endocitosi mediato da recettori. Questo meccanismo, che potremmo definire di trasporto trans cellulare, è stato identificato e diffusamente descritto per l’intestino. In condizioni di normalità l’epitelio intestinale è scarsamente sensibile ai batteri e alle sostanze che li compongono in quanto è perennemente ed in gran misura esposto ad essi. Tale sensibilità ridotta è riconducibile ad una espressione limitata di alcuni recettori di riconoscimento del pattern (pattern recognition receptors o PRRs) tra i quali il più conosciuto è il Toll – like receptor 4 (TLR – 4). Durante una condizione di infiammazione i TLR–4 e gli altri recettori incrementano di numero rinforzando la potenza del segnale di danno e facilitando l’endocitosi dei LPS. Questo significa che il passaggio trans cellulare dei lipopolisaccaridi è facilitato da un’elevata concentrazione di LPS nel lume ma anche dall’effetto di un’infiammazione di altra natura sugli enterociti. Il legame tra i TLR – 4 e i LPS attiva un meccanismo di endocitosi con la formazione di endosomi attraverso cui i LPS vengono internalizzati nella cellula. Nel citosol gli endosomi possono andare incontro a tre destini: essere espulsi dalla cellula e ritornare nel lume attraverso la porzione luminale della membrana cellulare, essere inglobati nei lisosomi oppure interagire con l’apparato di Golgi da dove, legandosi ai chilomicroni (con cui hanno una notevole affinità), possono raggiungere i vasi sanguigni e linfatici del mesentere.

L’obiettivo di questa prima parte è stato conoscere quali siano le fonti e comprendere i meccanismi con cui i lipopolisaccaridi guadagnano la circolazione sanguigna. L’oggetto della trattazione del prossimo articolo sarà il destino dei LPS nel sangue, poi descriveremo i meccanismi di rimozione dall’organismo e quindi entreremo nel vivo del discorso dell’interazione tra i LPS e le cellule con un rapido focus sul significato biologico dei recettori del pattern.

 

Clicca qui per la seconda parte dell’articolo: “L’interazione tra i lipopolisaccaridi e la bovina da latte – Seconda parte“.

Leggi anche, “Lipopolisaccaridi e riproduzione nella specie bovina“.