Corso di laurea in Scienza della Alimentazione e Nutrizione Umana (SANU) AA 2020/21. Prof. Stefano Fiorucci. Apparato digerente

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Corso di laurea in Scienza della Alimentazione e Nutrizione Umana (SANU)

AA 2020/21

Prof. Stefano Fiorucci

Apparato digerente

• Anatomia e fisiologia

• Sintomi

• Approccio clinico

• Metodiche di studio ¹

www.gastroenterologia.unipg.it

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Structure of Salivary Glands

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Esophageal anatomy

• The esophagus acts as a conduct for the transport of food from the oral cavity to the stomach.

• The esophagus is a 18- to 26-cm hollow muscular tube with an inner skinlike lining of stratified squamous epithelium.

• Between swallows, the esophagus is collapsed, but the lumen distends up to 2 cm anteroposteriorly and 3 cm laterally to accomodate the swallowed bolus.

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Esophageal anatomy

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Esophageal anatomy

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The esophageal wall is composed of four layers:

• innermost mucosa, composed by nonkeratinized stratified squamous epithelium;

• submucosa, that comprises a dense network of connective tissue within which are bood vessels, lymphatic channels, neurons of Meissner plexus and esophageal glands;

• muscularis propria that is responsible for carryng out transport function. The upper 5-33% are composed of skeletal muscle, the distal 33% are composed of smooth muscle and in between is a mixture of both types. The muscular wall separates to inner circular and outer longitudinal layers

• outermost avventitia that is an external fibrous layer that covers the esophagus, connecting it with neighboring structures. It is composed of loose connective tissue and contains small vessels, lymphatic channels, and nerve fibers.

Unlike the remainder of the gastrointestinal tract, esophagus has no serosa.

Esophageal structure

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GI Motility online (May 2006) | doi:10.1038/gimo6

Musculature of the esophagus

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The esophagogastric junction is the only area of gastrointestinal tract in which contiguous hollows have opposite pressure values: this difference is maintained by a mechanism controlled by LES that permits the presence of a positive intragastric (abdominal) pressure and a negative intraesophageal (thoracic) pressure.

Linea Z

The lower esophageal sphincter (LES)

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Anatomy of the esophagogastric junction.

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Simultaneous manometry and fluoroscopy of barium swallow in a normal subject.

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An example of swallow-induced lower esophageal sphincter (LES) relaxation (left) and transient LES

relaxation (right)

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Conventional manometry

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Esophageal motor disorders: esophageal manometry

Diagnostic studies

Conventional radiology CT

MR

Endoscopy

EUS (endoscopic US) Manometry

pH-metry

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Esophageal motor disorders: esophageal manometry

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Esophageal motor disorders: esophageal manometry

Diagnostic studies

MR

Endoscopy

pH-metry

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Esophageal disorders Endoscopy

Diagnosis Endoscopy

MR

pH-metry

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Esophagitis and Barrett’s esophagus

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Esophageal disorders Conventional radiology

Diagnosis

MR

Endoscopy

pH-metry

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Esophageal disorders Endoscopic ultrasound

Linear Radial (360°) Diagnosis

MR

Endoscopy

pH-metry

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Gastric Glandular Morphology

p.282

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1. Mucus: Glycoprotein products found throughout

entire GI tract. Primary function as lubricant, but can also have many other regionally specialized functions

2. Pepsinogen: Proenzyme made by chief cells. In gastric lumen:

Pepsinogen (42 kDa) Pepsin (35 kDa)

inactive proenzyme

HCl (pH < 3)

active protease

4. Intrinsic Factor: Essential for the absorption of Vit B₁₂ 3. Hydrochloric Acid: denature food; activate

pepsinogen; dissolve bone; bacteriocidal

Secretions of the stomach

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Composition of the Gastric Juice

p.282

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Watson et al. Nature Reviews Cancer 6, 936–946 (December 2006) | doi:10.1038/nrc2014

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Gastric HCl Secretion

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A protective role for mucus

Dimensioni di questa anteprima: 602 × 599 pixel. Altra risoluzione: 241 × 240 pixel.

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Svuotamento gastrico

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Svuotamento gastrico

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Svuotamento gastrico

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Svuotamento gastrico

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Metodiche di studio dell’ apparato digerente

• Endoscopia

• Radiologia (ecografia, TC e RM)

• Microcapsule

• Tecniche funzionali (breath test,..)

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Istologia

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Radiologia

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PRINCIPALI SINTOMI-GUIDA

• Dolore

• Disfagia e rigurgito

• Singhiozzo (singulto)

• Anoressia

• Nausea e vomito

• Aerofagia, meteorismo

• Dispepsia, pirosi, reflusso gastro-esofageo

• Diarrea e stipsi

• Tenesmo, incontinenza, sintomi proctologici

• Ittero (sintomo+segno a carattere generale)

• Ematemesi, melena, enterorragia, proctorragia, etc.

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DISFAGIA

Il termine indica una DEGLUTIZIONE DIFFICOLTOSA. Riguarda

dapprima i boli solidi, la cui deglutizione è facilitata dall’ingestione di liquidi, solo tardivamente anche i liquidi.

E’ provocata da cause organiche o funzionali che agiscono a livello faringeo o esofageo (o entrambi).

Cause organiche: Cause funzionali (discinesie):

Neoplasie Acalasia e spasmo dell’UES,

Esofagiti Incoordinaz. faringo-esofagea

Diverticoli Spasmo esofageo diffuso

Sclerodermia Acalasia del LES

Variante importante è la DISFAGIA PARADOSSA: difficoltà alla deglutizione dei liquidi più che dei solidi (cause funzionali)

ODINOFAGIA: DEGLUTIZIONE DOLOROSA (cause faringee)

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RIGURGITO

Ritorno in cavità orale, con o senza emissione, di materiale alimentare ingerito, oppure di succo gastrico, senza la partecipazione delle attività muscolari coordinate descritte per il vomito.

Così definito, il rigurgito comprende anche il reflusso gastro-esofageo (compreso il rigurgito del lattante).

Considerato in senso stretto, il rigurgito si riferisce a materiale non ancora giunto a contatto col succo gastrico (solo masticato) ed è quindi sintomo di patologia esofagea:

Neoplasie Diverticoli Acalasia

Fa seguito al ristagno di cibo nell’esofago, che può diventare

abnormemente dilatato, per un ostacolo organico o funzionale alla progressione, oppure entro un’estroflessione diverticolare.

Il materiale può entrare nelle vie aeree e dare fenomeni “ab ingestis”

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DISPEPSIA

Termine aspecifico che comprende numerose componenti:

senso di digestione lenta, di pesantezza e tensione

epigastrica postprandiale, eruttazioni, borborigmi, possibile pirosi

Sensazione di dolore urente (“bruciore”) epigastrico e

retrosternale, sostenuta da alterazioni dell’attività motoria esofagea, a sua volta favorita da reflusso gastro-esofageo ed esofagite (a loro volta solitamente associati a ernia iatale).

Si riteneva che la causa fosse sempre il reflusso acido. Oggi si pensa a uno spasmo del LES, secondario al reflusso o ad altre cause (ulcera peptica, neoplasie esofagee o gastriche, farmaci gastrolesivi, sclerodermia esofagea, etc.).

PIROSI

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SINGHIOZZO (propriamente, SINGULTO)

Contrazione istantanea, spastica, involontaria e afinalistica del diaframma, sostenuta da cause che agiscono attraverso archi riflessi, le cui efferenze attraversano il nervo frenico.

• Il più delle volte, cause banali o indefinibili, che agiscono per pochi minuti in soggetti ipersensibili

• Singhiozzo prolungato per stimolazioni del diaframma o del n. frenico da parte di cause organiche:

- affezioni pleuropolmonari - affezioni pericardiche

- ernie iatali

- sovradistensione gastrica o colica - peritoniti, ascessi subfrenici

- irritazioni subfreniche postoperatorie

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ANORESSIA Perdita dell’appetito.

- fenomeno transitorio, da cause banali

- fenomeno prolungato, da cause anche importanti, organiche o psichiche

• Anoressia primaria

- neurosi, psicosi, farmaci, etc.

• Anoressia secondaria

- stati febbrili, malattie infettive - endocrinopatie

- gastriti croniche - carcinoma gastrico

- altre malattie organiche, specie gastroenteriche

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NAUSEA

• Ripugnanza verso il cibo e senso di vomito imminente

• La nausea può non essere seguita dal vomito, ma il vomito è di di solito preceduto dalla nausea (non se da ipertensione

endocranica)

• Frequente concomitanza di fenomeni neurovegetativi (astenia, pallore, bradicardia, sudorazione, salivazione)

• Stesse cause del vomito

Espulsione forzata del contenuto gastrico attraverso la bocca, sotto il controllo del S.N.C. (centro del vomito, nella formazione reticolare del bulbo), che coordina impulsi afferenti ed efferenti

VOMITO

Il vomito può entrare nelle vie aeree e dare fenomeni “ab ingestis”

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EFFERENZE DEL VOMITO (nervi somatici, S.N.A)

contrazione

muscoli intercostali diaframma

parete addominale glottide

stomaco e piloro rilasciamento

LES, esofago

muscolo cricofaringeo

AFFERENZE DEL VOMITO (stimoli nervosi, chimici, etc.) - Encefalo

- Labirinto

- Tubo digerente

- Chemorecettori (metaboliti, veleni, farmaci, etc.)

CAUSE DEL VOMITO

- Patologie encefaliche (specie con ipertensione endocranica)

- Affezioni labirintiche (labirintiti, cinetosi)

- Malattie gastrointestinali acute a carattere doloroso o ostruttivo

- Malattie gastrointestinali croniche - Malattie metaboliche/disendocrine - Intossicazioni, farmaci, rx-terapie - Numerose altre cause (compresi

gravidanza, fattori emozionali, etc.)

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Anche se spesso il sintomo non risulta facilmente inquadrabile, si possono individuare, sommariamente, tre tipi di VOMITO:

• “Centrale”: affezioni labirintiche, neurologiche, cause tossiche, dismetaboliche, farmacologiche, etc.

• Riflesso: fenomeno associato a stimoli dolorosi o a patologie gastrointestinali a carattere non ostruttivo

• Ostruttivo: derivante da un ostacolo, parziale o completo, alla

progressione del contenuto gastrointestinale (alimenti o secrezioni) Il VOMITO risulta, nel complesso, sintomo aspecifico, di scarsa utilità clinica, talora addirittura un fenomeno parafisiologico.

In CHIRURGIA è un sintomo importante agli effetti diagnostici

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CARATTERI ORGANOLETTICI DEL VOMITO (1): ELEMENTI INTERPRETATIVI A FINI DIAGNOSTICI

Vomito riflesso: il carattere è sempre e soltanto gastrico o biliare Vomito ostruttivo: caratteristiche variabili, dipendenti dal livello

e dal tipo di ostruzione (anche solo gastrico) VOMITO GASTRICO (per l’ematemesi, vedi emorragie digestive)

- riflesso o ostruttivo (stenosi antro-piloriche o duodenali)

- alimentare o meno (caratteri differenti secondo fase digestiva) - contenuto gastrico in fase interdigestiva: bianco, trasparente,

leggermente filante

- possibile componente biliare (reflussi duodeno-gastrici, abituali o secondari al vomito): giallo chiaro, trasparente, fino a verde scuro, denso, secondo tempi di ristagno

- se componente biliare: riflesso o ostruzione sottovateriana VOMITO BILIARE: vedi ultimi due punti precedenti

- solitamente in assenza di ingesti

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CARATTERI ORGANOLETTICI DEL VOMITO (2): ELEMENTI INTERPRETATIVI A FINI DIAGNOSTICI

VOMITO ENTERICO

- sempre e solo ostruttivo (ileo meccanico, raramente paralitico) - raramente alimentare (raro che il paziente assuma cibo)

- liquido giallastro per componente biliare, denso, maleodorante VOMITO FECALOIDE

- sempre e solo ostruttivo (è un vomito enterico tardivo) - fecaloide non significa fecale (vomito fecale: eccezionale,

possibile solo in presenza di fistole gastro-coliche)

- il termine si riferisce a un’intensa maleodoranza, evocativa dell’odore fecale, per abnorme crescita batterica (vedi oltre);

altre caratteristiche analoghe a quelle del vomito enterico

- solitamente dovuto a occlusione meccanica ileale “bassa” (ma ogni vomito enterico col tempo può diventare fecaloide

- le occlusioni coliche non determinano vomito finchè il colon è

“recettivo” e la valvola ileo-ciecale resta continente

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AEROFAGIA E METEORISMO

L’intestino normamente contiene 150-250 ml di gas e ne elimina da 400 a 1200 ml, parte con l’eruttazione, parte con le flatulenze.

• il 70% deriva da ingestione (deglutizione + aria alimenti): N₂, O₂

• il 20% diffonde dal sangue: soprattutto CO₂

• il 10% viene prodotto dai batteri intestinali: H₂, CH₄

L’AEROFAGIA è l’eccessiva ingestione di aria, sostenuta da cattive

abitudini igienico-alimentari (pasti frettolosi, parlare durante il pasto, masticazione di gomme, eccesso bevande gassate, etc.).

E’ la maggior responsabile di METEORISMO, solitamente transitorio e associato a eruttazioni, borborigmi, distensione, flatulenze.

Nell’OCCLUSIONE INTESTINALE, o ILEO (arresto completo e persistente del transito in un segmento intestinale),

meteorismo e distensione sono ingravescenti e si associano a dolore e vomito

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Small bowel anatomy

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Small bowel anatomy

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Small bowel anatomy

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Small bowel anatomy

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Small bowel immune system

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Glucose –endocrine axis

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Carbohydrates

Carbohydrates are the most important energy-containing components of the diet.

The energetic value of most carbohydrates is 17.5 kJ per g.

A daily diet of 400 g carbohydrates covers 7 000 kJ, which is 56%

of the usable energy in a diet of 12 500 kJ daily. The formation of metabolic water on a mixed diet is 0.032 g of water per J.

The common sources of digestible carbohydrates are starches (amylose), table sugar, fruits and milk.

Plant and animal starch (amylopectin and glycogen) are branched molecules of glucose monomers.

Indigestible carbohydrates are present in vegetables, fruits and grains (cellulose, hemicellulose, pectin) and in legumes (raffinose).

Indigestible carbohydrates are also referred to as dietary fibres.

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Digestion of starches to simple hexoses occurs in two phases:

The luminal phase begins in the mouth with the action of salivary amylase (ptyalin), In the small intestine The starch polymer is reduced to maltose, maltriose and a-limit dextran or dextrins. The

three substrates are pushed through the intestine and are now ready for the brush-border phase. Some of the substrate molecules get into contact with the brush-borders of the absorbing mucosal cell via the unstirred water layer. Enterocytes carry disaccharidases and

trisaccharidases (oligosaccharidases) on their surface that cleave these substrates to glucose, G.

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Milk sugar (lactose) and cane sugar (sucrose) only require a brush- border phase of digestion, since they are disaccharides.

Sucrose is reduced to glucose and fructose (G-F),

and lactose to glucose and galactose (G-Ga) by the action of disaccharidases (sucrase and lactase).

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Proteins

The typical Western diet contains 100 g of protein, which is equivalent to an

energy input of 1700 kJ daily, although an adult needs only less than one g pr kg of body weight. This luxury combustion is an inappropriate use of global resources.

Moreover, a high protein intake implies a long-term risk of uric acid accumulation from purine degradation ( Meats, fish, eggs, and diary products are high in proteins and expensive. Vegetable proteins are not as expensive as animal proteins.

Digestion of dietary proteins begins in the stomach, with the action of the gastric enzyme pepsin (pH optimum is 1), Pepsin is produced from pepsinogen in the presence of HCl.

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Proteins

The digestion is continued in the intestine by proteolytic enzymes of the pancreas.

Enteropeptidase converts trypsinogen to trypsin. Trypsin acts auto-catalytically to activate trypsinogen, and also convert chymo-trypsinogen, pro-carboxy-peptidases A/B, and pro-elastase to their active form. When the chyme is pushed into the

duodenum, the pancreatic juice neutralises the chyme and the activity of pepsin is stopped. The proteolysis in the small intestine plays the major role, because the digestion and absorption of dietary protein is not impaired by total absence of pepsin.

Cytosolic peptidases from the enterocytes and brush border peptidases from the brush borders of the villous cells then cleave the small peptides into single amino acids (Enteropeptidase, amino-polypeptidase and di-peptidases).

The end products of protein digestion by pancreatic proteases and brush border peptidases are di- and tri-peptides and amino acids. The cytosolic peptidases are abundant and particularly active against di- and tri-peptides.

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Lipids

The typical Western diet contains 100 g of lipids (3900 kJ) daily. Most of the dietary lipids consumed are triglycerides (only 2-4% is made up of phospholipids, cholesterol,

cholesterol esters etc). Lipids would comprise just above 30%

(ie, 100 g = 3900 kJ) of a standard diet of 12 500 kJ daily. An optimal diet should contain only 20% lipids, such as the lipids of fish oil and olive oil.

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Colon

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Integrated meta-omics

Lepage P et al. Gut 2013;62:146-158

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The human GI microbiota

M Arumugam et al. Nature 000, 1-7 (2011) doi:10.1038/nature09944 89

The gene catalogue - characterized by a metagenomic approach - indicates the microbe genome encodes for 3,364 non-redundant genes suggesting that no more than ~1,150 bacterial species are abundant enough to be

detected in the feces. With most individuals harboring approximately 160 different bacterial species and 99% of intestinal microbiome derives from 30-40 species

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M Arumugam et al. Nature 2011 doi:10.1038/nature09944

Functional and phylogenetic profiles of human gut microbiome.

The relationship between gut mirobiota and humans is a symbiotic relationship.

Though people can survive with no gut flora, the microorganisms perform a host of useful functions, such as fermenting unused

energy substrates, training the immune system preventing growth of harmful species,

regulating the development of the gut, producing vitamins and

producing hormones to direct the host to store fats.

However, in certain conditions, some species are capable of

causing diseases ₉₀

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Enterotypes of the human gut microbiome

91

M Arumugam et al. Nature 000, 1-7 (2011) doi:10.1038/nature09944

(92)

The structure of the human intestinal microbiota across the life cycle.

Kostic A D et al. Genes Dev. 2013;27:701-718

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16S rRNA gene surveys reveal a clear separation caused by socio-economic factor

De Filippo C et al. PNAS 2010;107:14691-14696

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High fat/low fiber diet BACTERIOIDES

Low fat /high fiber diet PREVOTELLA

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94 Science Express on 6 June 2012, doi: 10.1126/science.1223813

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Main metabolites Main Bacteria Signaling pathways

Short-chain fatty acids (SCFA): acetate, propionate, butyrate, isobutyrate and others

Clostridial clusters IV and XIVa of Firmicutes, including species of

Eubacterium, Roseburia, Faecalibacterium, and Coprococcus

Energy source for colonic epithelial cells, anti- tumor activities on colorectal cancer. Modulate insulin resistance in metabolic syndrome and type 2 diabetes

Bile acids: CA, hyocholic acd, DCA, CDCA, α-MCA, β-MCA, ω-MCA, TCA, GCA, TCDCA, GCDCA, , T- αMCA, T-βMCA, LCA, UDCA, hyodeoxycholic acid, GDCA, TDCA, tauro-hyocholic acid

Lactobacillus, Biﬁdobacteria, Enterobacter, Bacteroides, Clostridium

Essential for absorption of dietary fats and lipid- soluble vitamins and act as signaling molecule through FXR, GPBAR1, PXR, VDR and other BARs*

to regulate triglycerides, cholesterol, glucose and energy homeostasis.

Choline metabolites: methylamine, dimethylamine, trimethylamine, trimethylamine-N-oxide,

dimethylglycine, betaine

Faecalibacterium prausnitzii, Bifidobacterium

Impact on lipid and glucose metabolism. Potential mediators in nonalcoholic fatty liver disease, diet induced obesity, type II diabetes, and cardiovascular disease.

Indole derivatives: N-acetyltryptophan,

indoleacetate, indoleacetylglycine, indole, indoxyl sulfate, indole-3-propionate, melatonin, melatonin 6- sulfate, serotonin, 5-hydroxyindole

Clostridium sporogenes, E. coli AhR ligands. Anti-inflammatory effects. Unknown metabolic activities

Vitamins: vitamin K, vitamin B12, biotin, folate, thiamine, riboflavin, pyridoxine

Bifidobacterium Complementary source to endogenous vitamins.

Unclear metabolic effects D-lactate, formate, methanol, ethanol, succinate,

lysine, glucose, urea, α-ketoisovalerate, creatine, creatinine, endocannabinoids, 2-

arachidonoylglycerol (2-AG), N- arachidonoylethanolamide, LPS, etc.

Bacteroides, Pseudobutyrivibrio, Ruminococcus, Faecalibacterium, Subdoligranulum, Biﬁdobacterium, Atopobium, Firmicutes, Lactobacillus

Variety of biological functions. Unclear metabolic

Polyamines Campylobacter jejuni, Clostridium

saccharolyticum

Anti-inflammatory and antitumoral effects. Unclear metabolic effects

Phenolic, benzoyl, and phenyl derivatives Clostridium difficile, F. prausnitzii, Bifidobacterium, Subdoligranulum, Lactobacillus

PXR ligands. Regulation of xenobiotic metabolism.

Unclear metabolic effects

Lipids: conjugated fatty acids, LPS, peptidoglycan, acylglycerols, sphingomyelin, cholesterol,

phosphatidylcholines, phosphoethanolamines, triglycerols

Bifidobacterium, Roseburia, Lactobacillus, Klebsiella, Enterobacter, Citrobacter, Clostridium

Anti-inflammatory and pro-inflammatory activities.

Modulation of immune system. Act on insulin receptor and insulin sensitivity. Regulation of cholesterol and tryglycerols metabolism

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The GI microbiota shapes the bile acids signaling

Fiorucci & Distrutti, Trends Mol Med, 2015 in press

(101)

Gut Microbiota from Twins Discordant for Obesity Modulate Metabolism in Mice Science 6 September 2013: Vol. 341 no. 6150

(102)

102

Bidirectional interactions within the gut microbiota/brain axis

Nature Reviews Neuroscience 13, 701-712 (October 2012) | doi:10.1038/nrn3346

Mind-altering microorganisms: the impact of the gut microbiota on brain and behaviour

(103)

103

Bidirectional interactions within the gut microbiota/brain axis

Mayer EA, Tillisch K, Gupta A. Gut/brain axis and the microbiota. J Clin Invest. 2015 Mar 2;125(3):926-38. doi: 10.1172/JCI76304.

(104)

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Endoscopia

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Radiologia

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Radiologia

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Colonscopia virtuale

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Videocapsula

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Volume e composizione delle secrezioni del tubo digerente

SECREZIONE Volume Na ⁺ K ⁺ Cl ^- HCO₃^-

ml/24 h mEq/l mEq/l mEq/l mEq/l

Saliva 500-2000 10 26 10 30

Succo gastrico 500-3000 60 10 130 -

Succo duodenale 100-2000 140 5 80 -

Succo digiuno-ileale 100 - 900 140 5 104 30

Bile 500-1000 140 5 100 35

Succo pancreatico 100 - 800 145 5 75 115

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DIARREA - 1

Manca una definizione assoluta, perchè disturbo interpretabile molto soggettivamente

emissione rapida di feci abbondanti e poco formate

Tra liquidi ingeriti, alimenti e secrezioni, ogni giorno percorrono il tubo digerente circa 10 litri.

- il 90% è assorbito dall’ileo (arrivano al cieco circa 1000 ml) - il 90% è assorbito dal colon (volume fecale: circa 100 ml) - il colon può compensare fino a 4-5 litri

Una riduzione anche modesta della capacità di assorbimento colico o una riduzione importante dell’assorbimento ileale possono provocare diarrea, ma non tutte le diarree s’instaurano con questo meccanismo

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DIARREA - 2

Nella diarrea sono importanti non solo l’osservazione dei caratteri organolettici (specie presenza di sangue, feci normocromiche o

“biliari”, steatorrea), ma anche ritmi, rapporti coi pasti, durata (diarree acute o croniche), concomitanza col dolore.

Nel complesso, il sintomo è aspecifico, in quanto riscontrabile in numerose malattie, per lo più gastrointestinali, o un condizioni non francamente patologiche (banali intolleranze alimentari, stress, etc.)

CLASSIFICAZIONE DELLE DIARREE

• Osmotiche: lassativi osmotici, malassorbimenti, intestino corto

• Secretorie: enterocoliti batteriche (endotossine), e virali, lassativi

“irritanti”, sali biliari secondari, tumori intestinali ormonosecernenti

• Essudative: M. di Crohn e colite ulcerosa, colite ischemica, colite postattinica (da raggi),

• Da alterata motilità: colon irritabile, fattori psico-emozionali, reazioni neurovegetative, stati disendocrini e dismetabolici

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