Untargeted Cross-Matrix Metabolomics Reveals Tryptophan Metabolism Shift in Children with Autism

Il disturbo dello spettro autistico è una condizione complessa che influenza il modo in cui una persona comunica, interagisce con gli altri ed esperisce il mondo. Sebbene gli scienziati sappiano da tempo che i geni e l'ambiente giocano un ruolo, i precisi meccanismi biologici che guidano la condizione rimangono elusivi. Negli ultimi anni, l'attenzione si è rivolta all'intestino, specificamente ai trilioni di minuscole batteri che vivono lì. Questi microbi non si limitano a digerire il cibo; comunicano con il cervello attraverso una rete di nervi, ormoni e segnali chimici nota come asse microbiota-intestino-cervello. Quando questo sistema di comunicazione funziona in modo errato, può contribuire ai sintomi dell'autismo. Per comprendere questa connessione, i ricercatori spesso osservano i metaboliti, che sono le piccole molecole chimiche prodotte quando il nostro corpo e i nostri batteri intestinali scompongono il cibo e elaborano l'energia. Queste molecole agiscono come un linguaggio chimico, dicendoci cosa sta accadendo all'interno del corpo a un livello microscopico.

Un team di ricercatori dell'Ospedale Zhongnan dell'Università di Wuhan ha deciso di ascoltare questo linguaggio chimico esaminando due parti diverse del corpo contemporaneamente: l'intestino stesso e il flusso sanguigno. Mentre molti studi precedenti hanno esaminato o le feci o l'urina in isolamento, questo gruppo voleva vedere il quadro completo di come l'ambiente locale nell'intestino si connetta con il resto del corpo. Hanno reclutato trentatré bambini con autismo e ventisette bambini senza la condizione. Da ogni bambino, hanno raccolto campioni di feci e urina. Utilizzando macchine avanzate in grado di identificare migliaia di minuscole strutture chimiche contemporaneamente, gli scienziati hanno mappato il panorama metabolico di entrambi i gruppi. Cercavano firme chimiche specifiche che apparivano nei bambini autistici ma non negli altri, sperando di tracciare un percorso dall'intestino al cervello.

L'analisi ha rivelato una chiara differenza nel modo in cui i bambini con autismo elaborano un nutriente specifico chiamato triptofano. Il triptofano è un amminoacido presente negli alimenti che il corpo utilizza per creare sostanze chimiche importanti per il cervello e per il sonno. Nei campioni di feci dei bambini autistici, i ricercatori hanno trovato livelli significativamente più bassi di due sostanze chiave: l'indole e una forma di melatonina chiamata 6-idrossi-melatonina. L'indole è una sostanza chimica prodotta dai batteri intestinali quando scompongono il triptofano, e la melatonina è l'ormone che regola il ciclo sonno-veglia. Il fatto che questi livelli siano bassi nell'intestino suggerisce che i batteri in questi bambini non stiano scomponendo correttamente il triptofano. Questo reperto si allinea alla nota osservazione secondo cui molti bambini con autismo hanno difficoltà con il sonno, poiché il corpo potrebbe non produrre abbastanza segnali chimici necessari per il riposo.

La storia non finiva nell'intestino. Quando i ricercatori hanno esaminato l'urina, che riflette ciò che accade nel resto del corpo, hanno trovato un modello diverso ma correlato. L'urina dei bambini autistici conteneva livelli più elevati di altri prodotti di degradazione del triptofano, come il 5-metossitriptofano, mentre i livelli di acido 2-metilnicotinico erano più bassi. Questa discrepanza tra ciò che accadeva nell'intestino e ciò che appariva nell'urina suggerisce una interruzione sistemica. Sembra che la via del triptofano sia interrotta in più punti, impedendo al corpo di produrre le sostanze chimiche giuste al momento giusto. Questa interruzione probabilmente influenza non solo il sonno, ma anche l'equilibrio dei neurotrasmettitori, le sostanze chimiche che le cellule cerebrali usano per comunicare tra loro.

Oltre alla via del triptofano, lo studio ha portato alla luce prove di una crisi energetica più profonda all'interno delle cellule. I ricercatori hanno scoperto che sostanze chimiche specifiche coinvolte nel principale ciclo di produzione di energia del corpo erano elevate sia nelle feci che nell'urina dei bambini autistici. Queste sostanze chimiche fanno parte di un processo che alimenta i mitocondri, le minuscole strutture all'interno delle cellule che agiscono come centrali elettriche. Quando queste centrali elettriche non funzionano efficientemente, il corpo non riesce a generare energia correttamente e i prodotti di scarto si accumulano. La presenza simultanea di queste anomalie legate all'energia sia nell'intestino che nell'urina punta a un problema sistemico, suggerendo che la causa radice del disturbo metabolico possa essere un fallimento nella capacità delle cellule di produrre energia. Ciò supporta l'idea che l'autismo comporti una vasta interruzione della rete energetica del corpo, che si estende ben oltre il cervello.

Per capire come i batteri intestinali possano causare questi cambiamenti, gli scienziati hanno costruito una mappa che mostra come l'abbondanza di diversi gruppi batterici sia correlata ai livelli di queste sostanze chimiche. Hanno scoperto che certi batteri, che possono talvolta essere dannosi, erano legati ai bassi livelli della benefica sostanza chimica della melatonina. Al contrario, altri batteri che sono solitamente utili erano legati a livelli più elevati delle sostanze chimiche legate all'energia. Ciò suggerisce che la composizione del microbioma intestinale nei bambini con autismo non è solo diversa, ma guida attivamente gli errori metabolici osservati nello studio. I batteri stanno probabilmente alterando l'ambiente chimico in modo tale da interrompere la capacità del corpo di elaborare i nutrienti e generare energia.

I ricercatori sono stati attenti a sottolineare che le loro scoperte sono un punto di partenza piuttosto che una risposta definitiva. Poiché lo studio ha osservato un singolo momento nel tempo, non possono dire con certezza se questi cambiamenti metabolici abbiano causato l'autismo o ne siano stati la conseguenza. Anche il gruppo di bambini studiato era relativamente piccolo, e le età e i generi non erano perfettamente corrispondenti tra i due gruppi, sebbene siano stati utilizzati metodi statistici per tenere conto di queste differenze. Nonostante queste limitazioni, lo studio fornisce una visione unificata e forte del problema. Osservando insieme l'intestino e il corpo, il team ha dimostrato che l'autismo è associato a un'ampia perturbazione nel modo in cui il corpo gestisce il triptofano e genera energia. Questo lavoro suggerisce che i futuri trattamenti potrebbero concentrarsi sulla riparazione del microbioma intestinale per ripristinare il flusso di queste sostanze chimiche vitali, aiutando potenzialmente a migliorare sia il sonno che il benessere generale dei bambini con autismo.