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04-03-2021

Microbiota intestinal y estudios de disbiosis




La MICROBIOTA es el conjunto de microorganismos que colonizan nuestro cuerpo, principalmente bacterias, pero también virus, hongos, levaduras, protozoos y arqueas. La microbiota presenta características particulares en cuanto a su composición y funciones según su localización en el cuerpo. Podemos hablar de una microbiota oral, nasofaríngea, vaginal, intestinal y de la piel.

En términos de diversidad y abundancia, se han descripto más de 3.000 especies bacterianas en el tracto gastrointestinal, y cientos de especies en la cavidad oral, en el tracto respiratorio, en la piel, en el tracto urinario y en la vagina. El intestino alberga más de 1012 células microbianas y en términos de genes, se estima que por cada gen humano hay aproximadamente entre 100 y 150 genes bacterianos, lo que nos da una dimensión de la importancia de esta población microbiana compleja.

La microbiota intestinal, especialmente la localizada en el colon, es la más diversa en número de especies y la más abundante en cantidad de microorganismos, principalmente bacterias. Esta compleja comunidad microbiana lleva adelante actividades metabólicas e inmunomoduladoras de relevancia para el intestino y otros órganos del cuerpo humano. La microbiota se desarrolla desde el momento del nacimiento, se establece y madura en los 2-3 primeros años de vida, y en su formación intervienen componentes genéticos, epigenéticos y ambientales.

La microbiota intestinal está definida, principalmente, por dos filos de bacterias, Firmicutes y Bacteroidetes (que suponen el 90% del total) y, en menor medida, Actinobacteria, Proteobacteria y Verrucomicrobia. Los Firmicutes incluyen un gran número de géneros, siendo los más importantes Lactobacillus y Clostridium. Los Bacteroidetes incluyen bacterias pertenecientes a los géneros Bacteroides y Prevotella. El género principal perteneciente al filo Actinobacteria en el intestino humano es Bifidobacterium. Las proteobacterias son fundamentalmente de la familia Enterobacteriaceace, y el filo Verrucomicrobia está representado por Akkermansia muciniphila.

Ejemplo de estudio de microbiota intestinal a nivel de especie (OTU) ,en muestras de materia fecal

En cuanto a los aspectos funcionales, la microbiota intestinal ejerce funciones metabólicas y nutricionales, de protección antimicrobiana, de mantenimiento de la integridad de la mucosa intestinal y de regulación de la respuesta inmune.

Respecto a las funciones metabólicas, se destacan:

  1. La capacidad de algunas bacterias  de fermentar alimentos que los humanos no podemos digerir, como los carbohidratos de la fibra dietética, lo que conduce a la formación de ácidos grasos de cadena corta (AGCC), que actúan como combustible para los colonocitos y tienen efecto antiinflamatorio al inhibir ciertas citoquinas proinflamatorias. Los AGCC producidos por la fermentación de los carbohidratos son acetato, propionato y butirato, que son absorbidos por el colon. La mayor parte del propionato es metabolizado en el hígado, donde actúa reduciendo los niveles séricos de colesterol y glucosa. El butirato proporciona la mayor fuente de energía para las células del epitelio colónico.
  2. La implicancia en el manejo del peso corporal. Varias evidencias sugieren que ciertos cambios en la microbiota intestinal juegan un papel importante en la génesis y mantenimiento de la obesidad en el humano, probablemente interactuando con factores genéticos.
  3. La síntesis de vitaminas esenciales, como la vitamina K y varios componentes de la vitamina B, incluida la vitamina B12.

En cuanto a la inmunomodulación, en el sujeto sano la microbiota está en simbiosis homeostática con el hospedador gracias a una barrera epitelial intestinal funcional que contiene altas concentraciones de IgA secretora (IgAS). Esta última, producida por las células plasmáticas localizadas en las placas de Peyer y en la lámina propia, forma complejos con las bacterias comensales de la microbiota, que están en la luz intestinal y se presentan selectivamente los componentes bacterianos a las células dendríticas, las cuales inducen la producción de interleuquina 10 (IL-10) antiinflamatoria. Todo ello asegura una comunicación efectiva entre la microbiota y el sistema inmune, induciendo un ambiente tolerogénico hacia la microbiota comensal.

A todo esto hay que añadir la existencia de un eje microbiota-intestino-cerebro, que es un sistema bidireccional. En una dirección, el cerebro puede afectar indirectamente la microbiota intestinal mediante cambios en la secreción, motilidad y/o permeabilidad intestinal, o bien puede influenciarla en forma directa por vía neuronal mediante la liberación de sustancias por parte de las células enterocromafines y células inmunes. En la otra dirección, la microbiota intestinal se comunica con el cerebro mediante la estimulación directa de ciertos receptores a través de aferentes vagales o de una vía humoral. Todo ello puede alterar la morfología y la neuroquímica cerebrales, en concreto, los niveles de GABA y serotonina. Esta comunicación microbiota-cerebro está implicada en la percepción del dolor visceral y en la modulación de la respuesta inmune y de las emociones.

 

FACTORES QUE MODULAN EL ESTABLECIMIENTO DE LA MICROBIOTA INTESTINAL

Numerosos estudios demuestran que existen factores asociados a la generación y mantenimiento de la microbiota intestinal, y que son determinantes para la salud durante toda la vida del ser humano, como:

Tipo de parto: la primera exposición masiva del recién nacido a los microorganismos ocurre durante el parto, y el perfil microbiano adquirido depende en gran medida de si el parto es vaginal o por cesárea, siendo el primero el de preferencia ya que los recién nacidos se enriquecen con numerosas especies de Lactobacillus, habitantes naturales de la vagina materna. Cuando el parto es por cesárea, el perfil de la microbiota intestinal tiene mayor semejanza con la composición microbiana de la piel.

Uso de antibióticos: puede perturbar el establecimiento del delicado ecosistema de la microbiota neonatal. Los cambios que los antibióticos inducen en la composición de la microbiota dependen del tipo y dosis utilizada, y pueden tener efectos a largo plazo en la vida del individuo.

Lactancia: Se estima que más del 30% de la microbiota intestinal del bebé proviene de la leche materna mediante la denominada circulación enteromamaria. La lactancia, en particular, se asocia con numerosos beneficios para el niño tales como el aumento de la resistencia a infecciones y menor riesgo de obesidad y alergias. La leche materna está enriquecida en probióticos naturales, los lactobacilos y bifidobacterias, y también posee una alta concentración de oligosacáridos de la leche materna, potentes prebióticos beneficiosos para la salud del bebé.

Otros factores relacionados positivamente al establecimiento adecuado de una microbiota intestinal diversa y funcional son el tamaño de la familia, la interacción con el medio ambiente, los hermanos, y la presencia de mascotas. En este sentido se postuló la denominada “Teoría de la Higiene”, la cual propone que un ambiente que permite una exposición natural a los microorganismos protege contra las enfermedades alérgicas y autoinmunes, y predispone menos al desarrollo de diabetes, sobrepeso, obesidad y enfermedades inflamatorias. Un ambiente extremadamente aséptico aumenta la incidencia de estos trastornos.

IMPACTO DE LA MICROBIOTA INTESTINAL EN EL SISTEMA INMUNE, EL METABOLISMO Y EL EJE CEREBRO-INTESTINO

Existen numerosos procesos en los que se han documentado cambios en la composición de la  microbiota intestinal, entre ellos, numerosas patologías (sobrepeso, obesidad, inflamación intestinal,  diarrea, desórdenes del espectro autista, desnutrición, cáncer, etc.) y factores como la edad, la dieta, la administración de medicamentos (no sólo los antibióticos), la menopausia y el tabaquismo. A su vez, diversos estudios epidemiológicos han establecido una clara correlación entre algunos de los factores que perturban la microbiota intestinal y determinados trastornos inmunológicos y metabólicos. Estas evidencias han impulsado el desarrollo de estrategias para influir en el desarrollo y la composición de la microbiota mediante el uso de, por ejemplo, bacterias probióticas y/o sustratos prebióticos.

TECNOLOGÍAS PARA EL ESTUDIO DE LA MICROBIOTA, SU COMPOSICIÓN Y ACTIVIDAD METABÓLICA

Los estudios de microbiota intestinal tienen como objetivo realizar un análisis de dicha microbiota, con el fin de detectar la presencia de DISBIOSIS, es decir alteraciones en la cantidad o composición relativa de la misma. Estos análisis comprenden desde estudios básicos para definir la composición cualitativa y cuantitativa de la microbiota, hasta otros  más avanzados que incluyen marcadores de inflamación, estudios metabólicos e inmunológicos.

El advenimiento de las denominadas técnicas de secuenciación de alto rendimiento, así como el desarrollo de herramientas bioinformáticas, han permitido describir la composición de la comunidad bacteriana que habita el tracto gastrointestinal y han sido un punto de inflexión en la forma de entender la colonización bacteriana del intestino humano y de qué manera los microorganismos interactúan entre sí.

El estudio de microbiota intestinal involucra la secuenciación del material genético (ADN) extraído a partir de una muestra de materia fecal estabilizada y conservada adecuadamente, y el posterior análisis bioinformático y estadístico de los datos obtenidos. El análisis del microbioma (conjunto de genes de la microbiota intestinal) se puede combinar con estudios de proteómica y metabolómica para una comprensión más amplia de la microbiota y sus funciones.

Las dos técnicas troncales para el estudio de la microbiota, que no se excluyen mutuamente, sino que proporcionan lecturas complementarias son:

  • Secuenciación del 16S rARN (metataxonómica)
  • Secuenciación del genoma completo (comúnmente llamada metagenómica shotgun)

La secuenciación del rARN 16s utiliza primero una reacción en cadena de polimerasa (PCR) para amplificar una secuencia genética altamente conservada que está presente en todos los miembros bacterianos de la microbiota. Estas secuencias amplificadas, o amplicones, pueden ser agrupados en base a su relación genética para dar una estimación de su abundancia relativa en una muestra y su diversidad.

La secuenciación completa del genoma es más costosa y exigente en recursos computacionales que la secuenciación del 16S, pero es capaz de proporcionar una resolución mucho mayor de abundancia y capacidad funcional de la microbiota. En esta técnica, se secuencia todo el genoma de una muestra y no sólo la región del 16S. Después de filtrar el ADN no deseado, el resto de las secuencias pueden ser usadas para construir genomas de novo o alinear las secuencias a bases de datos de referencia. Permite estimar el potencial funcional de la microbiota completa y también es posible identificar nuevas cepas o mutaciones en una muestra.

Un paso más allá del análisis predictivo de la función de la microbiota sería poder medir los productos de su metabolismo. La metabolómica es el estudio del perfil de los metabolitos (moléculas pequeñas) de una muestra biológica. Para realizar este tipo de estudios, se utilizan técnicas cromatográficas acopladas a complejos sistemas de identificación de las moléculas separadas y aisladas (espectroscopía de masa).

UTILIDAD DE LOS ESTUDIOS DE MICROBIOTA INTESTINAL

Como mencionamos anteriormente, la disbiosis implica un desequilibrio cuantitativo y/o cualitativo de los microorganismos de la microbiota y está asociada a múltiples disfunciones y puede ser causa de diversos procesos: intolerancias alimentarias, problemas digestivos, alteraciones metabólicas, desequilibrios neurológicos entre otros.

El conocimiento de nuestra microbiota, de la relación Firmicutes/Bacteroidetes, la diversidad microbiana, las familias de microorganismos presentes en ella y su abundancia relativa, podría brindarnos información acerca de nuestra salud intestinal, para poder intervenir en la dieta y hábitos y de esta manera mejorar nuestra calidad de vida.

 

Autora: Lorena Keller - Sección Bacteriología, Parasitología y Micología de Fares Taie Instituto de Análisis

Contacto: bacterio@farestaie.com.ar


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04-03-2021

Microbiota intestinal y estudios de disbiosis




La MICROBIOTA es el conjunto de microorganismos que colonizan nuestro cuerpo, principalmente bacterias, pero también virus, hongos, levaduras, protozoos y arqueas. La microbiota presenta características particulares en cuanto a su composición y funciones según su localización en el cuerpo. Podemos hablar de una microbiota oral, nasofaríngea, vaginal, intestinal y de la piel.

En términos de diversidad y abundancia, se han descripto más de 3.000 especies bacterianas en el tracto gastrointestinal, y cientos de especies en la cavidad oral, en el tracto respiratorio, en la piel, en el tracto urinario y en la vagina. El intestino alberga más de 1012 células microbianas y en términos de genes, se estima que por cada gen humano hay aproximadamente entre 100 y 150 genes bacterianos, lo que nos da una dimensión de la importancia de esta población microbiana compleja.

La microbiota intestinal, especialmente la localizada en el colon, es la más diversa en número de especies y la más abundante en cantidad de microorganismos, principalmente bacterias. Esta compleja comunidad microbiana lleva adelante actividades metabólicas e inmunomoduladoras de relevancia para el intestino y otros órganos del cuerpo humano. La microbiota se desarrolla desde el momento del nacimiento, se establece y madura en los 2-3 primeros años de vida, y en su formación intervienen componentes genéticos, epigenéticos y ambientales.

La microbiota intestinal está definida, principalmente, por dos filos de bacterias, Firmicutes y Bacteroidetes (que suponen el 90% del total) y, en menor medida, Actinobacteria, Proteobacteria y Verrucomicrobia. Los Firmicutes incluyen un gran número de géneros, siendo los más importantes Lactobacillus y Clostridium. Los Bacteroidetes incluyen bacterias pertenecientes a los géneros Bacteroides y Prevotella. El género principal perteneciente al filo Actinobacteria en el intestino humano es Bifidobacterium. Las proteobacterias son fundamentalmente de la familia Enterobacteriaceace, y el filo Verrucomicrobia está representado por Akkermansia muciniphila.

Ejemplo de estudio de microbiota intestinal a nivel de especie (OTU) ,en muestras de materia fecal

En cuanto a los aspectos funcionales, la microbiota intestinal ejerce funciones metabólicas y nutricionales, de protección antimicrobiana, de mantenimiento de la integridad de la mucosa intestinal y de regulación de la respuesta inmune.

Respecto a las funciones metabólicas, se destacan:

  1. La capacidad de algunas bacterias  de fermentar alimentos que los humanos no podemos digerir, como los carbohidratos de la fibra dietética, lo que conduce a la formación de ácidos grasos de cadena corta (AGCC), que actúan como combustible para los colonocitos y tienen efecto antiinflamatorio al inhibir ciertas citoquinas proinflamatorias. Los AGCC producidos por la fermentación de los carbohidratos son acetato, propionato y butirato, que son absorbidos por el colon. La mayor parte del propionato es metabolizado en el hígado, donde actúa reduciendo los niveles séricos de colesterol y glucosa. El butirato proporciona la mayor fuente de energía para las células del epitelio colónico.
  2. La implicancia en el manejo del peso corporal. Varias evidencias sugieren que ciertos cambios en la microbiota intestinal juegan un papel importante en la génesis y mantenimiento de la obesidad en el humano, probablemente interactuando con factores genéticos.
  3. La síntesis de vitaminas esenciales, como la vitamina K y varios componentes de la vitamina B, incluida la vitamina B12.

En cuanto a la inmunomodulación, en el sujeto sano la microbiota está en simbiosis homeostática con el hospedador gracias a una barrera epitelial intestinal funcional que contiene altas concentraciones de IgA secretora (IgAS). Esta última, producida por las células plasmáticas localizadas en las placas de Peyer y en la lámina propia, forma complejos con las bacterias comensales de la microbiota, que están en la luz intestinal y se presentan selectivamente los componentes bacterianos a las células dendríticas, las cuales inducen la producción de interleuquina 10 (IL-10) antiinflamatoria. Todo ello asegura una comunicación efectiva entre la microbiota y el sistema inmune, induciendo un ambiente tolerogénico hacia la microbiota comensal.

A todo esto hay que añadir la existencia de un eje microbiota-intestino-cerebro, que es un sistema bidireccional. En una dirección, el cerebro puede afectar indirectamente la microbiota intestinal mediante cambios en la secreción, motilidad y/o permeabilidad intestinal, o bien puede influenciarla en forma directa por vía neuronal mediante la liberación de sustancias por parte de las células enterocromafines y células inmunes. En la otra dirección, la microbiota intestinal se comunica con el cerebro mediante la estimulación directa de ciertos receptores a través de aferentes vagales o de una vía humoral. Todo ello puede alterar la morfología y la neuroquímica cerebrales, en concreto, los niveles de GABA y serotonina. Esta comunicación microbiota-cerebro está implicada en la percepción del dolor visceral y en la modulación de la respuesta inmune y de las emociones.

 

FACTORES QUE MODULAN EL ESTABLECIMIENTO DE LA MICROBIOTA INTESTINAL

Numerosos estudios demuestran que existen factores asociados a la generación y mantenimiento de la microbiota intestinal, y que son determinantes para la salud durante toda la vida del ser humano, como:

Tipo de parto: la primera exposición masiva del recién nacido a los microorganismos ocurre durante el parto, y el perfil microbiano adquirido depende en gran medida de si el parto es vaginal o por cesárea, siendo el primero el de preferencia ya que los recién nacidos se enriquecen con numerosas especies de Lactobacillus, habitantes naturales de la vagina materna. Cuando el parto es por cesárea, el perfil de la microbiota intestinal tiene mayor semejanza con la composición microbiana de la piel.

Uso de antibióticos: puede perturbar el establecimiento del delicado ecosistema de la microbiota neonatal. Los cambios que los antibióticos inducen en la composición de la microbiota dependen del tipo y dosis utilizada, y pueden tener efectos a largo plazo en la vida del individuo.

Lactancia: Se estima que más del 30% de la microbiota intestinal del bebé proviene de la leche materna mediante la denominada circulación enteromamaria. La lactancia, en particular, se asocia con numerosos beneficios para el niño tales como el aumento de la resistencia a infecciones y menor riesgo de obesidad y alergias. La leche materna está enriquecida en probióticos naturales, los lactobacilos y bifidobacterias, y también posee una alta concentración de oligosacáridos de la leche materna, potentes prebióticos beneficiosos para la salud del bebé.

Otros factores relacionados positivamente al establecimiento adecuado de una microbiota intestinal diversa y funcional son el tamaño de la familia, la interacción con el medio ambiente, los hermanos, y la presencia de mascotas. En este sentido se postuló la denominada “Teoría de la Higiene”, la cual propone que un ambiente que permite una exposición natural a los microorganismos protege contra las enfermedades alérgicas y autoinmunes, y predispone menos al desarrollo de diabetes, sobrepeso, obesidad y enfermedades inflamatorias. Un ambiente extremadamente aséptico aumenta la incidencia de estos trastornos.

IMPACTO DE LA MICROBIOTA INTESTINAL EN EL SISTEMA INMUNE, EL METABOLISMO Y EL EJE CEREBRO-INTESTINO

Existen numerosos procesos en los que se han documentado cambios en la composición de la  microbiota intestinal, entre ellos, numerosas patologías (sobrepeso, obesidad, inflamación intestinal,  diarrea, desórdenes del espectro autista, desnutrición, cáncer, etc.) y factores como la edad, la dieta, la administración de medicamentos (no sólo los antibióticos), la menopausia y el tabaquismo. A su vez, diversos estudios epidemiológicos han establecido una clara correlación entre algunos de los factores que perturban la microbiota intestinal y determinados trastornos inmunológicos y metabólicos. Estas evidencias han impulsado el desarrollo de estrategias para influir en el desarrollo y la composición de la microbiota mediante el uso de, por ejemplo, bacterias probióticas y/o sustratos prebióticos.

TECNOLOGÍAS PARA EL ESTUDIO DE LA MICROBIOTA, SU COMPOSICIÓN Y ACTIVIDAD METABÓLICA

Los estudios de microbiota intestinal tienen como objetivo realizar un análisis de dicha microbiota, con el fin de detectar la presencia de DISBIOSIS, es decir alteraciones en la cantidad o composición relativa de la misma. Estos análisis comprenden desde estudios básicos para definir la composición cualitativa y cuantitativa de la microbiota, hasta otros  más avanzados que incluyen marcadores de inflamación, estudios metabólicos e inmunológicos.

El advenimiento de las denominadas técnicas de secuenciación de alto rendimiento, así como el desarrollo de herramientas bioinformáticas, han permitido describir la composición de la comunidad bacteriana que habita el tracto gastrointestinal y han sido un punto de inflexión en la forma de entender la colonización bacteriana del intestino humano y de qué manera los microorganismos interactúan entre sí.

El estudio de microbiota intestinal involucra la secuenciación del material genético (ADN) extraído a partir de una muestra de materia fecal estabilizada y conservada adecuadamente, y el posterior análisis bioinformático y estadístico de los datos obtenidos. El análisis del microbioma (conjunto de genes de la microbiota intestinal) se puede combinar con estudios de proteómica y metabolómica para una comprensión más amplia de la microbiota y sus funciones.

Las dos técnicas troncales para el estudio de la microbiota, que no se excluyen mutuamente, sino que proporcionan lecturas complementarias son:

  • Secuenciación del 16S rARN (metataxonómica)
  • Secuenciación del genoma completo (comúnmente llamada metagenómica shotgun)

La secuenciación del rARN 16s utiliza primero una reacción en cadena de polimerasa (PCR) para amplificar una secuencia genética altamente conservada que está presente en todos los miembros bacterianos de la microbiota. Estas secuencias amplificadas, o amplicones, pueden ser agrupados en base a su relación genética para dar una estimación de su abundancia relativa en una muestra y su diversidad.

La secuenciación completa del genoma es más costosa y exigente en recursos computacionales que la secuenciación del 16S, pero es capaz de proporcionar una resolución mucho mayor de abundancia y capacidad funcional de la microbiota. En esta técnica, se secuencia todo el genoma de una muestra y no sólo la región del 16S. Después de filtrar el ADN no deseado, el resto de las secuencias pueden ser usadas para construir genomas de novo o alinear las secuencias a bases de datos de referencia. Permite estimar el potencial funcional de la microbiota completa y también es posible identificar nuevas cepas o mutaciones en una muestra.

Un paso más allá del análisis predictivo de la función de la microbiota sería poder medir los productos de su metabolismo. La metabolómica es el estudio del perfil de los metabolitos (moléculas pequeñas) de una muestra biológica. Para realizar este tipo de estudios, se utilizan técnicas cromatográficas acopladas a complejos sistemas de identificación de las moléculas separadas y aisladas (espectroscopía de masa).

UTILIDAD DE LOS ESTUDIOS DE MICROBIOTA INTESTINAL

Como mencionamos anteriormente, la disbiosis implica un desequilibrio cuantitativo y/o cualitativo de los microorganismos de la microbiota y está asociada a múltiples disfunciones y puede ser causa de diversos procesos: intolerancias alimentarias, problemas digestivos, alteraciones metabólicas, desequilibrios neurológicos entre otros.

El conocimiento de nuestra microbiota, de la relación Firmicutes/Bacteroidetes, la diversidad microbiana, las familias de microorganismos presentes en ella y su abundancia relativa, podría brindarnos información acerca de nuestra salud intestinal, para poder intervenir en la dieta y hábitos y de esta manera mejorar nuestra calidad de vida.

 

Autora: Lorena Keller - Sección Bacteriología, Parasitología y Micología de Fares Taie Instituto de Análisis

Contacto: bacterio@farestaie.com.ar