Compositional and functional profiling of the gut microbiota in middle- and long-distance runners: a longitudinal study with personalized nutritional intervention

Il microbiota intestinale è sempre più riconosciuto come un regolatore chiave del metabolismo dell’ospite, dell’omeostasi immunitaria e della funzione neuroendocrina. Evidenze crescenti indicano che l’esercizio di endurance può influenzarne composizione e attività funzionale. Tuttavia, la maggior parte degli studi è di tipo trasversale, focalizzata su atleti di endurance estremo e raramente integra dati metagenomici ad alta risoluzione con parametri fisiologici e nutrizionali. I dati su mezzofondisti e fondisti competitivi restano limitati. Il presente studio pilota nasce da un’esigenza concreta dell’atletica competitiva, dove gli atleti di endurance presentano frequentemente disturbi gastrointestinali, infezioni ricorrenti delle vie respiratorie superiori, elevati livelli di stress e pattern alimentari orientati soprattutto alle richieste energetiche piuttosto che al supporto del microbiota. Il progetto è stato quindi concepito come un intervento multidisciplinare che integra nutrizione sportiva, analisi del microbiota e monitoraggio della performance. Due atleti maschi competitivi di mezzofondo e fondo, candidati per i Giochi Olimpici 2028, sono stati arruolati e monitorati per 16 settimane. Una valutazione iniziale del microbiota intestinale è stata effettuata a inizio febbraio mediante piattaforma metagenomica shotgun (Wellmicro®, Bologna), permettendo una profilazione multi-regno (batteri, funghi, virus e parassiti), una caratterizzazione tassonomica ad alta risoluzione e un’inferenza funzionale basata sul contenuto genico e sui pathway metabolici. Questo approccio ha consentito la valutazione di indici ecologici (diversità alfa e beta), l’identificazione di ceppi rilevanti per la salute e la stima del contributo del microbiota a funzioni metaboliche chiave, tra cui produzione di acidi grassi a catena corta, metabolismo degli amminoacidi (es. derivati del triptofano) e pathway legati all’integrità della barriera intestinale e alle interazioni ospite–microbiota. I dati del microbiota sono stati integrati con valutazioni cliniche, composizione corporea (bioimpedenziometria, antropometria e plicometria), stile di vita e parametri di allenamento. Su questa base è stata implementata una strategia nutrizionale e nutraceutica personalizzata, con l’obiettivo di modulare il microbiota mantenendo l’aderenza alle richieste energetiche della disciplina. L’intervento è stato sviluppato in un framework multidisciplinare con nutrizionisti sportivi, allenatori e altri professionisti. Al momento della stesura, lo studio è in corso e un follow-up del microbiota è previsto per maggio, in accordo con il calendario agonistico. Ciò rappresenta una sfida metodologica, poiché gli atleti di alto livello sono raramente disponibili in condizioni completamente controllate, evidenziando l’importanza di studi in contesti reali. Questo lavoro rappresenta la fase preliminare di un progetto più ampio volto a verificare se strategie nutrizionali mirate possano modulare composizione e funzione del microbiota negli atleti di endurance e come tali modifiche si correlino con adattamento metabolico, tolleranza gastrointestinale, resilienza immunitaria e performance. Nonostante la limitata numerosità campionaria e il disegno ancora in corso, questa indagine pilota fornisce un framework clinicamente rilevante per l’integrazione di analisi metagenomiche avanzate nella pratica sportiva.

The gut microbiota is increasingly recognized as a key regulator of host metabolism, immune homeostasis, and neuroendocrine function. Growing evidence indicates that endurance exercise can influence both the composition and functional activity of the intestinal microbiota. However, most available studies are cross-sectional, focus on extreme endurance athletes, and rarely integrate high-resolution metagenomic data with physiological and nutritional parameters. Data on competitive middle- and long-distance runners remain limited. This pilot study originates from a real-world need emerging in competitive athletics, where endurance athletes frequently present with gastrointestinal disturbances, recurrent upper respiratory tract infections, high physical and psychological stress, and dietary patterns primarily structured around energy requirements rather than microbiota-supportive strategies. The project was therefore designed as a multidisciplinary intervention integrating sports nutrition, microbiota analysis, and performance monitoring. Two competitive male middle- and long-distance runners, identified as potential candidates for the 2028 Olympic Games, were enrolled and monitored over a 16-week period. An initial gut microbiota assessment was performed at the beginning of the project (early February) using a shotgun metagenomic platform (Wellmicro®️, Bologna), enabling comprehensive multi-kingdom profiling (bacteria, fungi, viruses, and parasites), high-resolution taxonomic characterization, and functional inference based on microbial gene content and enzyme-associated metabolic pathways. This approach allowed the evaluation of ecological indices (e.g., alpha- and beta-diversity), identification of health-relevant microbial strains, and estimation of the microbiota’s contribution to key metabolic functions, including short-chain fatty acid production, amino acid metabolism (e.g., tryptophan derivatives), and pathways related to gut barrier integrity and host–microbiota interaction axes. Microbiota data were integrated with clinical evaluation, body composition (bioelectrical impedance analysis, anthropometry, and skinfolds), lifestyle factors, and training-related parameters. Based on these findings, a personalized nutritional and nutraceutical strategy was implemented, aiming to modulate microbial composition and function while maintaining alignment with sport-specific energy demands. The intervention was developed within a multidisciplinary framework involving sports nutritionists, coaches, and other professionals. At the time of writing, the study is ongoing and follow-up microbiota sampling is planned for May, in alignment with the athletes’ competitive calendar. This represents a relevant methodological challenge, as elite athletes are rarely available during fully controlled, competition-free periods, highlighting the importance of real-world study designs in sports science. This study represents the preliminary phase of a broader research project aimed at investigating whether targeted nutritional strategies can modulate gut microbiota composition and functional potential in endurance athletes, and how these changes may relate to metabolic adaptation, gastrointestinal tolerance, immune resilience, and performance outcomes. Despite the limited sample size and ongoing design, this pilot investigation provides a clinically relevant framework for integrating advanced metagenomic microbiota analysis into sports practice, supporting the development of personalized, microbiota-oriented nutritional strategies within elite athlete management.