Microbioma humano

Hace un tiempo se consideraba a los humanos como islas fisiológicas con capacidad de regular su funcionamiento interno. Se creía que nuestro cuerpo sintetizaba todas las enzimas necesarias para descomponer los alimentos y utilizaba los nutrientes para alimentar y reparar nuestros tejidos y órganos. Que las señales procedentes de nuestros tejidos dictaban estados corporales como el hambre y la saciedad. Y que las células especializadas el sistema inmunitario aprendían por sí solas a reconocer y atacar a nuestros los microorganismos patógenos al tiempo que respetaban nuestros tejidos.

Sin embargo, en el ultimo decenio se ha demostrado que el cuerpo humano no es tan autosuficiente. Más bien se asemeja a un complejo ecosistema o red social que contiene billones de bacterias y otros microorganismos que habitan la piel, las zonas genitales, la boca, y sobre todo el tubo digestivo. De hecho la mayoría de las células no son humanas. Las células bacterianas que albergamos en nuestro interior superan a las humanas en una proporción de diez a uno. Por otra parte, la comunidad mixta de microorganismos y de genes que estas contienen, denominada microbioma, no nos amenaza, sino que nos ofrece una ayuda vital en los procesos biológicos básicos y complejos: la digestión, el crecimiento y la inmunidad

El término “microflora” o “microbiota” intestinal hace referencia al ecosistema microbiano que coloniza el tracto gastrointestinal. Los instrumentos de biología molecular desarrollados recientemente sugieren que todavía se ha de describir una parte sustancial de las comunidades bacterianas del intestino humano. No obstante, están bien documentados la relevancia y el impacto de las bacterias residentes en la fisiología y la patología del huésped. Las principales funciones de la microflora intestinal incluyen actividades metabólicas que se traducen en recuperación de energía y nutrientes, y protección del huésped frente a invasión por microorganismos extraños. Las bacterias intestinales desempeñan un papel esencial en el desarrollo y la homeostasis del sistema inmunitario. Los folículos linfoides de la mucosa intestinal son áreas principales para la inducción y la regulación del sistema inmune. 

El tracto gastrointestinal constituye la principal superficie de intercambio y comunicación entre el medio externo y el medio interno. En el individuo adulto la mucosa gastrointestinal alcanza una superficie de 300 a 400 metros cuadrados (considerando la superficie total, con las vellosidades desplegadas), y está dotada de estructuras y funciones (sensores, receptores, glándulas, secreciones, actividad mecánica, etc.) específicamente adaptadas al reconocimiento analítico y bioquímico de las sustancias que transitan por el tubo digestivo. Como resultado de la actividad del tracto gastrointestinal, el individuo obtiene dos importantes beneficios: nutrición, por la digestión y absorción de nutrientes; y también defensa, por reconocimiento de elementos foráneos y desarrollo de sistemas de prevención y rechazo de posibles agresiones desde el mundo exterior.

En años recientes se han adquirido suficientes conocimientos para poder afirmar con rotundidad que ambas funciones dependen no sólo de las estructuras propias del tubo digestivo (barrera mucosa, glándulas secretoras, sistema inmune de las mucosas) sino también de la presencia y actividad de las comunidades microbianas que colonizan el intestino. La microflora intestinal es un órgano más, perfectamente integrado en la fisiología del individuo. Los dos elementos funcionales (tubo digestivo y microflora) son interdependientes y su equilibrio condiciona la homeostasis del individuo dentro de su entorno ambiental.

El intestino humano es el hábitat natural de una población numerosa, diversa y dinámica de microorganismos, principalmente bacterias, que se han adaptado a la vida en las superficies mucosas o en la luz del intestino. El término “microflora” o “microbiota” hace referencia a la comunidad de microorganismos vivos reunidos en un nicho ecológico determinado. El ecosistema microbiano del intestino incluye especies nativas que colonizan permanentemente el tracto gastrointestinal y una serie variable de microorganismos vivos que transitan temporalmente por el tubo digestivo. Las bacterias nativas se adquieren al nacer y durante el primer año de vida, mientras que las bacterias en tránsito se ingieren continuamente a través alimentos, bebidas, etc.

La población microbiana del intestino humano incluye unos 100 billones de bacterias de unas 500 a 1.000 especies distintas. El estómago y el duodeno albergan un reducido número de microorganismos que se adhieren a la superficie mucosa o en tránsito, típicamente menos de 103 células bacterianas por g de contenido. Las secreciones ácidas, biliares y pancreáticas destruyen la mayor parte de microorganismos ingeridos, y la actividad motora propulsiva impide una colonización estable de la luz. El número de bacterias a lo largo del yeyuno y el íleon aumenta progresivamente, desde alrededor de 104 en el yeyuno hasta 107 unidades formadoras de colonias por g de contenido en el extremo ileal, con un predominio de aerobios Gram negativos y algunos anaerobios obligados.

En comparación, el intestino grueso está densamente poblado de anaerobios y los recuentos de bacterias alcanzan densidades de alrededor de 1011 unidades formadoras de colonias por g de contenido luminal (concentraciones 10.000 veces mayores que en la luz ileal). En el colon el tiempo de tránsito es lento lo que brinda a los microorganismos la oportunidad de proliferar fermentando los sustratos disponibles derivados de la dieta o de las secreciones endógenas.

Figura 1. Especies bacterianas presentes en el tubo digestivo humano.

Figura 1. Especies bacterianas presentes en el tubo digestivo humano.

El análisis bacteriológico convencional de la flora fecal por aislamiento de bacterias en medios de crecimiento selectivo demuestra que las bacterias anaeróbicas estrictas superan en número a las anaeróbicas por un factor de 100 a 1.000. Los géneros predominantes son Bacteroides, Bifidobacterium, Eubacterium, Clostridium, Lactobacillus, Fusobacterium y diversos cocos grampositivos anaeróbicos. No obstante, más del 50% de las células bacterianas observadas mediante examen microscópico de muestras fecales no puede crecer en medios de cultivo, y por tanto la información que han proporcionada los estudios de microbiología clásica es muy limitada. Se han establecido técnicas de biología molecular para caracterizar las bacterias no cultivables y en la actualidad se están identificando cepas no conocidas previamente. Estas técnicas muestran diferencias en las especies predominantes entre el tercio proximal y distal del colon, y entre las comunidades mucosa y fecal.

La gran biodiversidad de especies dentro del ecosistema intestinal facilita la vida y el desarrollo del conjunto, que incluye no sólo a las comunidades bacterianas sino también al anfitrión humano. Los mamíferos criados bajo condiciones estrictas de asepsia, no adquieren su flora natural y tienen un desarrollo anormal: hay deficiencias en el aparato digestivo (pared intestinal atrófica y motilidad alterada), metabolismo de bajo grado (corazón, pulmones e hígado de bajo peso, con gasto cardíaco bajo, baja temperatura corporal y cifras elevadas de colesterol en sangre), y sistema inmune inmaduro (niveles bajos de inmunoglobulinas, sistema linfático atrófico, etc.). Se habla de simbiosis cuando la relación entre dos o más especies vivas conlleva beneficios para al menos una de ellas sin que exista perjuicio para ninguna de las otras. La relación del anfitrión con su flora es de simbiosis: el anfitrión proporciona hábitat y nutrición, y la microbiota contribuye de modo importante a la fisiología del anfitrión.

Ejemplos de simbiosis en otras especies:

La vida en común es común. “Los simbiontes bacterianos y animales no solo engalanan nuestras entrañas y pestañas, sino que si hechas una mirada al jardín, los simbiontes no son obvios pero estan omnipresentes [...] Las simbiosis, estables o efímeras, se han impuesto, ahora y a lo largo de toda la historia del planeta. Vale la pena divulgar las historias sobre este tipo de evolución. Lynn Margulis, Symbiotic Planet. (1998).”

Hay un sinfin de ejemplos de asociaciones simbioticas que se fueron descubriendo, desde los liquenes hasta las bacterias endosimbiontes de insectos, estas simbiosis muestran claramente este fenómeno muy extendido en la biosfera. Es como si interdependencia y promiscuidad fuesen la norma, más que la excepción. Está claro que el fenotipo simbiotico requiere, por un lado, proximidad física, contacto. Por otro algo nuevo que aparezca como resultado de la asociación, ausente en los individuos por separado. Muchas veces lo nuevo es un individuo con nuevas capacidades metabólicas emergentes y un estilo de vida inesperado.


Figura 2. Asociaciones endosimbioticas

Figura 2. Asociaciones endosimbioticas

Más de la mitad de los microorganismos que viven en simbiosis con el ser humano no son cultivables, por lo que no hemos podido identificarlos hasta el advenimiento de las técnicas de biología molecular, que detectan y analizan los genes bacterianos. A lo largo de las últimas dos décadas se han introducido diversas técnicas de ese tipo. Algunas de ellas se sirven de la diversidad de secuencias de un gen bacteriano, el 16S de ARN ribosómico. Se trata de un gen altamente conservado (todas las bacterias poseen ribosomas) y su secuenciación ha permitido llevar a cabo estudios filogenéticos y taxonómicos y determinar la genealogía de géneros y especies.

En muestras de la mucosa y de la cavidad intestinal se reconocen secuencias del 16S ARNr pertenecientes a ocho clases o divisiones del dominio biológico Bacteria, aunque el 90 por ciento de las secuencias pertenecen a tres clases principales: Firmicutes, Bacteroidetes o Actinobacteria. Cabe recordar que el dominio Bacteria está constituido por 55 clases, y que otros ecosistemas incluyen un número mayor de divisiones, como el suelo, donde habitan 20 clases de bacterias, o los reservorios naturales de agua. Sin embargo, las ocho clases bacterianas del intestino humano están representadas, cada una de ellas, por una inmensa variedad de géneros, especies y cepas. Como consecuencia, se observa una baja coincidencia de cepas entre personas distintas. Los estudios moleculares a nivel de especie o de cepa sugieren que cada humano muestra una composición bacteriana «personalizada», con unos pocos rasgos comunes entre distintos individuos. Un análisis exhaustivo de muestras de tres personas identificó 13.335 cepas distintas, de las que 7555 (el 57 por ciento) se halla- ban presentes solo en una de las tres.

El estudio del gen 16S ARNr permite la identificación taxonómica de bacterias,a nivel de clase, género, especie y cepa, de modo que se puede definir la composición de un ecosistema en cuanto a su diversidad, es decir según el catálogo censal de las bacterias presentes. Sin embargo, la lista taxonómica de la composición bacteriana puede aportar una escasa información desde un punto de vista funcional, ya que las bacterias comparten un gran número de genes y funciones aunque pertenezcan a distintos géneros o especies.

El estudio europeo Metagenomics of the Human Intestinal Tract (MetaHIT), se planteó como objetivo secuenciar todos los genes microbianos del intestino humano y determinar su actividad biológica con el fin de conocer los parámetros que indican un funcionamiento intestinal normal o patológico (colitis ulcerosa, enfermedad de Crohn, obesidad).

Los avances en las técnicas de secuenciación, junto con la disponibilidad de instrumentos bio informáticos que permiten identificar y clasificar funcionalmente las secuencias, están proporcionando datos muy novedosos e interesantes. Los principales resultados se han publicado en Nature en 2010 y 2011. MetaHIT ha definido el catálogo completo o casi completo de los genes microbianos que componen el metagenoma humano. El proyecto ha identificado en muestras de heces humanas más de tres millones de genes microbianos. En un porcentaje superior al 95 por ciento son de origen bacteriano; el resto corresponde a especies de virus o eucariotas (protozoos, levaduras).

En cada muestra individual se reconocen en promedio unos 600.000 genes microbianos. La mitad de ellos corresponden a genes presentes en la mayoría de los individuos. El estudio bioinformático del metagenoma ha identificado más de 20.000 funciones biológicas asociadas al catálogo completo (de más de tres millones de genes), 6000 de las cuales coinciden en todos los individuos.

Figura 3.

Figura 3.

Figura 4. Proporciones de poblaciones microbioanas  en distintas regiones del cuerpo humano

Figura 4. Proporciones de poblaciones microbioanas  en distintas regiones del cuerpo humano

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