Vaccino contro il fungo chitridio mortale prepara il microbioma della rana per future esposizioni

11 giugno 2023

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dall'Università Statale della Pennsylvania

Il microbioma di un essere umano o animale - ovvero la collezione di microrganismi spesso benefici, tra cui batteri e funghi, che vivono su o all'interno di un organismo ospite - può svolgere un ruolo importante nella risposta immunitaria complessiva dell'ospite, ma non è chiaro come i vaccini contro i patogeni nocivi influiscano sul microbioma. Un nuovo studio condotto da ricercatori della Penn State ha scoperto che un nuovo vaccino contro il fungo mortale chytrid nelle rane può modificare la composizione del microbioma, rendendo le rane più resilienti a future esposizioni al fungo.

Lo studio, pubblicato il 12 giugno in un numero speciale della rivista Philosophical Transactions of the Royal Society B, suggerisce che la risposta del microbioma potrebbe essere una parte importante, ma trascurata, dell'efficacia del vaccino.

"I microrganismi che compongono il microbioma di un animale possono spesso aiutare a difendersi dai patogeni, ad esempio producendo sostanze utili o competendo contro i patogeni per spazio o nutrienti", ha detto Gui Becker, professore associato di biologia alla Penn State e leader del team di ricerca. "Ma cosa succede al tuo microbioma quando ottieni un vaccino, come un vaccino COVID, un vaccino antinfluenzale o un vaccino attenuato vivo come il vaccino contro la febbre gialla? In questo studio, abbiamo usato le rane come sistema modello per iniziare a esplorare questa domanda."

Le rane e altri anfibi sono minacciati dal fungo chytrid, che ha portato all'estinzione di alcune specie e a gravi declini demografici in centinaia di altre in diversi continenti. In alcune specie suscettibili, il fungo causa una malattia della pelle a volte letale.

"Il chytrid è uno dei peggiori, se non il peggiore patogeno per la conservazione della fauna selvatica nella storia recente, e c'è una critica necessità di sviluppare strumenti per controllare la sua diffusione", ha detto Becker, che è anche membro del One Health Microbiome Center e del Center for Infectious Disease Dynamics alla Penn State. "Abbiamo scoperto che, in alcuni casi, i vaccini possono indurre uno spostamento protettivo nel microbioma, il che suggerisce che la manipolazione attenta del microbioma potrebbe essere utilizzata come parte di una strategia più ampia per aiutare gli anfibi, e forse altri vertebrati, a far fronte ai patogeni emergenti."

I ricercatori hanno applicato un vaccino, in questo caso una dose non letale di un prodotto metabolico creato dal fungo chytrid ai girini. Dopo cinque settimane, hanno osservato come la composizione del microbioma era cambiata, identificando le singole specie di batteri e le loro proporzioni relative. I ricercatori hanno anche coltivato ogni specie di batteri in laboratorio e testato se i prodotti specifici dei batteri facilitavano, inibivano o non avevano effetto sulla crescita del chytrid, aggiungendo e confrontando i risultati con un ampio database di queste informazioni.

"Aumentando la concentrazione e la durata dell'esposizione al prodotto chytrid della profilassi, abbiamo spostato in modo significativo la composizione del microbioma in modo che ci fosse una maggiore proporzione di batteri che producono sostanze antichytrid", ha detto Samantha Siomko, studentessa magistrale nel Becker Lab dell'Università dell'Alabama al momento della ricerca e primo autore dell'articolo. "Questo spostamento protettivo suggerisce che, se un animale fosse esposto allo stesso fungo nuovamente, il suo microbioma sarebbe in grado di combattere meglio il patogeno."

I tentativi precedenti di indurre un cambiamento protettivo nel microbioma si sono basati sull'aggiunta di una o più specie di batteri noti per produrre metaboliti antifungini potenti, ovvero probiotici. Tuttavia, secondo i ricercatori, il batterio deve competere con altre specie nel microbioma e non riesce sempre a stabilirsi come membro permanente del microbioma.

"Queste rane hanno centinaia di specie di batteri sulla loro pelle che raccogliamo dall'ambiente circostante, e la composizione cambia regolarmente, compresa la stagione", ha detto Becker. "Cercare di manipolare la comunità, ad esempio aggiungendo un probiotico batterico, è difficile perché le dinamiche nella comunità sono così complesse e imprevedibili. I nostri risultati sono promettenti perché abbiamo essenzialmente manipolato l'intera comunità batterica in una direzione che è più efficace nel combattere il patogeno fungino senza aggiungere un essere vivente che deve competere per le risorse per sopravvivere."

Notably, the overall number of species—the diversity—within the microbiome was not impacted, only the composition and relative proportions of species. The researchers believe this is positive, as declines in the diversity of the frog microbiome can often lead to illness or death, and it is generally accepted that maintaining a diverse microbiome allows the community of bacteria and microbe species to respond to threats more dynamically and with higher functional redundancy.

The researchers suggest that this adaptive shift in the microbiome composition, which they call the 'microbiome memory,' could play an important role in vaccine efficacy. In addition to understanding the mechanisms behind the shift, the research team hopes to study the idea of microbiome memory in adult frogs as well as other vertebrate species in the future.

'Our collaborative team implemented a prophylaxis technique that relied on metabolic product derived from the chytrid fungus,' said Becker. 'It's possible that vaccines based on mRNA or live cells—like those often used to protect against bacterial or viral infections—may differently affect the microbiome, and we are excited to explore this possibility.'

In addition to Becker and Siomko, the research team includes Teagan McMahon—who developed the prophylaxis method—at the University of Connecticut; Sasha Greenspan, Wesley Neely, and Stanislava Chtarbanova at the University of Alabama; Douglas Woodhams at the University of Massachusetts; and K. M. Barnett at Emory University.

Journal information: Philosophical Transactions of the Royal Society B

Provided by Pennsylvania State University