influencia de la dieta en la microbiota
TRANSCRIPT
Influencia de la dieta en la Microbiota
Dra. Clotilde Vázquez Martínez, Jefe Servicio de Endocrinología, Fundación Jiménez Díaz, Madrid
El microbioma es el conjunto de microorganismos que nos habitan y conviven con
nosotros a lo largo de la vida. El ecosistema más complejo y con mayor implicación en
la salud es el de la comunidad bacteriana del intestino. En los últimos años, las
nuevas tecnologías basadas en la secuenciación masiva de fragmentos de ADN nos
han permitido conocer la gran diversidad de este ecosistema. Las técnicas y métodos
moleculares han puesto de manifiesto que coexisten más de quinientas especies, la
gran mayoría de ellas incultivables.
El cuerpo humano tiene 1013 células y 23.000 genes, y la llamada flora normal
humana tiene 1014 células y 3,3 millones de genes. En el aparato digestivo es donde
se concentran más estos microorganismos.
La verdadera importancia de este ecosistema radica en su funcionalidad, ya que el
metabolismo bacteriano es diez veces superior al humano y, a su vez, existen muchas
rutas metabólicas con diferentes productos finales. Los últimos avances han permitido
denominar al microbioma como el último órgano en ser descubierto, con importantes
implicaciones en la salud humana.
La microbiota es un elemento adaptable y heredable que aporta gran diversidad
metabólica, posee 150 veces más genes que el hombre, con una diversidad
metabólica enorme (Gut Microbiota Whatch, 2016)
Candela M, et al. Functional intestinal microbiome, new frontiers in prebiotic design. Int J Food Microbiol 2010; 140: 93-101. doi: 10.1016/j.ijfoodmicro.2010.04.017.
Estos metabolismos son capaces de digerir compuestos indigeribles lo que no solo
rinde energía (ej. butirato) sino también otros metabolitos (vitaminas, 10% de los
metabolitos de la sangre)
Wikoff WR, et al. Metabolomics analysis reveals large effects of gut microflora on mammalian blood metabolites. Proc Natl Acad Sci USA 2009; 106: 3698-3703. doi: 10.1073/pnas.0812874106.
La microbiota es un componente heredable por vía eminentemente matera (vaginal,
lactancia, intestinal) que, aunque generalmente es estable, también es enormemente
adaptable y modificable por actividades comunes, acciones y experiencias humanas.
La alteración de este sistema puede llevar a alteraciones y enfermedades humanas.
David LA, et al. Host lifestyle affects human microbiota on daily timescales. Genome Biology201415:R89. doi: 10.1186/gb-2014-15-7-r89.
El interés por la microbiota se refleja en la investigación promovida en Europa en el
proyecto llamado Meta-HIT (Metagenomic-Human Intestinal Tract). MetaHIT es un
proyecto financiado por la Comisión Europea en el marco del 7º Programa Marco. El
consorcio reúne a 13 socios del mundo académico y de la industria, de un total de 8
países. Su coste se ha evaluado en más de 21,2 millones de euros y la financiación
solicitada a la Comisión Europea se ha fijado con un límite máximo de 11,4 millones de
euros. El proyecto abarcó desde el 1 de enero de 2008 hasta el 30 de junio de 2012.
El objetivo central fue establecer asociaciones entre los genes de la microbiota
intestinal humana y la salud y enfermedad, centrándose en dos trastornos de creciente
importancia en Europa, enfermedad Inflamatoria Intestinal y la obesidad.
http://www.metahit.eu/index.php?id=351
Según el Meta-HIT hay 3 enterotipos del microbioma humano intestinal:
- Enterotipo I con predominio de Bacteroides; - Enterotipo II en el que predomina Prevotella; y - Enterotipo III con predominio de Ruminococcus.
Al combinar 22 metagenomas fecales recién secuenciados de individuos de cuatro
países con conjuntos de datos previamente publicados, se identificaron tres
enterotipos que no son específicos de una nación o un continente. La variación de la
microbiota intestinal es generalmente estratificada, no continua. Existe un número
limitado de estados simbióticos huésped-microbio bien equilibrado que pueden
responder de manera diferente a la dieta y la ingesta de fármacos. Los enterotipos son
principalmente impulsados por la composición de especies, pero las abundantes
funciones moleculares no son necesariamente proporcionadas por especies
abundantes, destacando la importancia de un análisis funcional para entender las
comunidades microbianas.
Aunque las propiedades individuales del huésped como el índice de masa corporal,
la edad o el sexo no pueden explicar los enterotipos observados, se pueden identificar
genes marcadores basándose en módulos funcionales para cada una de estas
propiedades del huésped. Dos genes se correlacionan significativamente con la edad y
tres módulos funcionales con el índice de masa corporal, haciendo alusión a un
potencial de diagnóstico de los marcadores microbianos.
Arumugam M, et al. Enterotypes of the human gut microbiome. Nature 2011; 473: 174-180. doi:10.1038/nature09944
Los efectos sobre el metabolismo de la microbiota son los más estudiados hasta la
fecha, pero las asociaciones conocidas de la microbiota continúan creciendo e
incluyen alteraciones tan diversas como cáncer de colon, hipertensión, depresión,
asma, síndrome del intestino irritable, enfermedad inflamatoria intestinal, C. difficile,
enfermedad hepática grasa , depresión y función cerebral.
Los microbios intestinales tienen repercusión sobre el tejido adiposo y el
almacenamiento de grasa hepática, el metabolismo de la energía del músculo
esquelético, el metabolismo del hígado graso y la esteatosis hepática, la aterosclerosis
y las enfermedades cardiovasculares, la composición lipídica tisular en la retina, la
periodontitis, la actividad motora, y el metabolismo enteroendocrino, aunque los
microorganismos exactos involucrados permanecen por determinar todavía.
Más de 3 millones de genes de varios cientos de especies constituyen nuestro
microbioma intestinal. Los primeros experimentos clave han demostrado que esta
bioma puede por sí misma transmitir la enfermedad metabólica. Los mecanismos son
desconocidos pero podrían estar involucrados en la modulación de la capacidad de
recolección de energía por el huésped, así como la inflamación de bajo grado y la
respuesta inmune correspondiente sobre la plasticidad del tejido adiposo, la esteatosis
hepática, la resistencia a la insulina e incluso los eventos cardiovasculares
secundarios. Los factores bacterianos secretados llegan a la sangre circulante, e
incluso las bacterias completas de la microbiota intestinal pueden llegar a los tejidos
donde se desencadena la inflamación. Los últimos 5 años han demostrado que la
microbiota intestinal, es un factor causal temprano en el desarrollo de enfermedades.
Bercelin R, et al. Gut microbiota and diabetes: from pathogenesis to therapeutic perspective. Acta Diabetol 48: 2011; 257-273. doi: 10.1007/s00592-011-0333-6.
Los millones de microorganismos de la microbiota son imprescindibles. La microbiota
intestinal es un auténtico Órgano Esencial, integrado en nuestra biología e
interactuando con otros órganos y sistemas. “No son huéspedes, sino propietarios,
parte de nuestro organismo (L. Kaplan, Boston 2015)
El ecosistema formado es inestable, está expuesto a numerosas agresiones diarias
que lo desequilibran:
• La bilis y las enzimas pancreáticas tienen una potente actividad antibacteriana,
así como muchos de los alimentos que ingerimos (ajo, polifenoles, etc.) y, por
supuesto, los tratamientos con antibióticos.
• También está expuesto a la entrada de nuevos microorganismos, en ocasiones
patógenos que causan enfermedades, que pueden colonizar, desplazando el
microbioma propio.
Disbiosis
Una de las enfermedades por la alteración del microbioma es la disbiosis
(disbacteriosis), es decir, un desequilibrio de la flora normal. En ella intervienen los
distintos géneros bacterianos, así como otras situaciones relacionadas, como el estilo
de vida (dieta, estrés), colonización temprana (nacimiento en hospital), prácticas
médicas (antibióticos, vacunación, higiene), mutaciones de genes (en NOD2, IL23R,
ATGI6L, IGMR). En la disbiosis hay un aumento de células colaboradoras TH1, TH2 y
TH17, mientras que en la eubiosis (salud) están aumentadas las células reguladoras
Treg.
Los distintos géneros bacterianos tienen influencia importante en los beneficios y en
las enfermedades del huésped.
Blaut M. Ecology and physiology of the intestinal tract. Curr Top Microbiol Immunol 2013; 358: 247-272. doi: 10.1007/82_2011_192.
Iebba V, et al. Eubiosis and dysbiosis: the two sides of the microbiota. New Microbiol 2016; 39: 1-12.
Dieta y obesidad
En la obesidad tienen importancia tanto el medio ambiente como la genética,
interviniendo la ingesta, la termogénesis y la adipogénesis.
El experimento que permitió sospechar que alteraciones de la microbiota estaban
relacionadas con la obesidad se basó en el seguimiento de parejas de ratones
isogénicos, de los cuales a uno de ellos se le aisló en un ambiente de esterilidad
mientras que al otro no.
El ratón que creció en ausencia de bacterias era considerablemente más delgado
que el otro, a pesar de ingerir mayores cantidades de comida, pero se igualó a su
hermano cuando contaminaron su comida con las heces del ratón obeso. A partir de
ese momento, el interés de estudiar la obesidad en relación a la microbiota aumentó, y
numerosos autores han demostrado que existe una microbiota alterada en las
personas con obesidad, aunque por el momento se desconoce si esas alteraciones
son causa o consecuencia de la obesidad
La microbiota intestinal es un importante factor ambiental que afecta la cosecha de
energía de la dieta y el almacenamiento de energía en el huésped. Los nuevos
objetivos terapéuticos para las
reducciones no cognitivas en la ingesta,
absorción o almacenamiento de energía
son cruciales dado la epidemia mundial
de obesidad. La microbiota es esencial
para procesar polisacáridos dietéticos. Se
descubrió que ratones adultos C57BL / 6
libres de gérmenes (GF) con una
microbiota normal cosechada del intestino
distal (ciego) de animales criados
convencionalmente producía un aumento del 60% en el contenido de grasa corporal y
resistencia a la insulina dentro de 14 días a pesar de la reducción de los alimentos
consumo. Los estudios de GF y ratones convencionales revelaron que la microbiota
promueve la absorción de monosacáridos del lumen del intestino, con la consiguiente
inducción de la lipogénesis hepática de novo. El factor adipocito inducido en ayunas
(Fiaf), un miembro de la familia de proteínas de tipo angiopoyetina, se suprime
selectivamente en el epitelio intestinal de ratones normales con este tipo de
experimento.
Bäckhed F. et al. The gut microbiota as an environmental factor that regulates fat storage. Proc Natl Acad Sci USA 2004; 101: 15718-23.
Las comparaciones de la microbiota del intestino distal de ratones genéticamente
obesos y sus compañeros de camada delgados, así como los de voluntarios humanos
obesos y delgados han revelado que la obesidad se asocia con cambios en la
abundancia relativa de las dos divisiones bacterianas dominantes. Se ha demostrado a
través de análisis metagenómico y bioquímico que estos cambios afectan el potencial
metabólico de la microbiota del intestino del ratón. El microbioma del obeso tiene una
mayor capacidad de recolección de energía de la dieta. Además, este rasgo es
transmisible: la colonización de ratones libres de gérmenes con una "microbiota
obesa" resulta en un aumento significativamente mayor en la grasa corporal total que
en la colonización con una "microbiota magra". Estos resultados identifican la
microbiota intestinal como un factor adicional que contribuye a la patofisiología de la
obesidad.
Aunque la mayoría de las
especies intestinales de ratón son
únicas, las microbiota (s) de ratón
y humana son similares en el nivel
de división (superreino), con
Firmicutes y Bacteroidetes
dominando. La composición de la
comunidad microbiana se hereda
de las madres. Sin embargo, en comparación con los ratones delgados y sin tener en
cuenta el parentesco, los animales ob / ob tienen una reducción del 50% en la
abundancia de Bacteroidetes y un aumento proporcional en Firmicutes, así como
distinta cantidad de algunos metabolitos bacterianos. Esto se desprende de un estudio
en el que se han analizado 5 088 secuencias de genes 16S rRNA de bacterias de la
microbiota intestinal cecal de ratones genéticamente obesos, delgados y hermanos de
tipo silvestre, y sus madres, todos alimentados con la misma dieta rica en
polisacáridos. En este modelo experimental, la obesidad afecta la diversidad de la
microbiota intestinal y sugiere que la manipulación intencional de la estructura de la
comunidad puede ser útil para regular el equilibrio energético en los individuos obesos.
Ley R E, et al. Obesity alters gut microbial ecology. Proc Natl Acad Sci USA 2005; 102: 11070-11075. doi: 10.1073/pnas.0504978102
Turnbaugh, PJ et al. An obesity-associated gut microbiome with increased capacity for energy harvest. Nature 2006; 444: 1027-1031. doi:10.1038/nature05414
Se han caracterizado las comunidades microbianas fecales de parejas de gemelos
monocigóticos y dicigóticos de mujeres adultas concordantes para la delgadez u
obesidad, y sus madres. El análisis de 154 individuos produjo 9 920 secuencias de
16S ARNr de longitud completa y 1 937 461 de bacterias parciales, más 2,14
gigabases de sus microbiomas. Los resultados revelan que el microbioma del intestino
humano es compartido entre los miembros de la familia, pero que la comunidad
microbiana del intestino de cada persona varía en los linajes bacterianos específicos
presentes, con un grado comparable de co-variación entre pares gemelos
monocigóticos y dicigóticos adultos. Hubo una amplia gama de genes microbianos
compartidos entre los individuos estudiados, que comprende un extenso "microbioma
núcleo" identificable en el gen, en lugar de en el grado de linaje de microorganismos.
Las desviaciones del núcleo central están asociadas con diferentes estados
fisiológicos (obesos vs. magros).
En la figura anterior se pueden ver dos grupos distintos de microbios intestinales
basados en el perfil metabólico, correspondientes a muestras con una mayor
abundancia de Firmicutes y Actinobacterias y muestras con una alta abundancia de
Bacteroidetes. Una regresión lineal del componente principal (PC1, explicando el 20%
de la varianza funcional) y la abundancia relativa de las bacterias muestran una
correlación altamente significativa (R2 = 0,96, p <10-12.
Turnbaugh, PJ, et al. A core gut microbiome in obese and lean twins, Nature 2007; 457: 480-484. doi: 10.1038/nature07540
En las tres figuras que siguen se muestran distintos resultados de mecanismos
posibles de implicación de la microbiota en obesidad extraídos de varios estudios, así
como las vías metabólicas explicativas
Los cambios en la microbiota intestinal inducida por un tratamiento antibiótico
redujeron la endotoxemia metabólica y el contenido cecal de LPS tanto en ratones con
alto contenido de grasa como ob / ob. Este efecto se correlacionó con reducción de la
intolerancia a la glucosa, aumento de peso corporal, desarrollo de masa grasa, menor
inflamación, estrés oxidativo, y la expresión de mRNA marcador de infiltración de
macrófagos en el tejido adiposo visceral. Es importante destacar que la alimentación
con alto contenido de grasa aumentó fuertemente la permeabilidad intestinal y redujo
la expresión de los genes que codifican las proteínas de las uniones estrechas.
Además, la ausencia de CD14 en los ratones mutantes ob / ob CD14 (-) (/) (-) imitaba
los efectos metabólicos e inflamatorios de los antibióticos.
Estos nuevos hallazgos demuestran que los cambios en la microbiota intestinal
controlan la endotoxemia metabólica, la inflamación y los trastornos asociados
mediante un mecanismo que podría aumentar la permeabilidad intestinal.
Cani PD, et al. Changes in gut microbiota control metabolic endotoxemia-induced inflammation in high-fat diet-induced obesity and diabetes in mice. Diabetes 2008; 57: 1470-1481. doi: 10.2337/db07-1403.
Microbiota intestinal y cambios durante el embarazo La microbiota del intestino cambia dramáticamente desde el primer trimestre (T1) al
tercero (T3) del embarazo, con una amplia expansión de la diversidad entre las
madres, un aumento general de Proteobacteria y Actinobacteria y una reducción de la
riqueza. Las heces T3 mostraron signos más fuertes
de inflamación y pérdida de energía; sin embargo,
los repertorios de genes del microbioma fueron
constantes entre los distintos trimestres. Cuando se
transfirieron a ratones libres de microorganismos, la
microbiota T3 indujo mayor adiposidad e
insensibilidad a la insulina en comparación con T1.
Esto indica que las interacciones de la microbiota
afectan el metabolismo del huésped y puede ser
beneficioso en el embarazo. La microbiota intestinal
tiene repercusión en el metabolismo de manera similar al síndrome metabólico.
Koren O, et al. Host remodeling of the gut microbiome and metabolic changes during pregnancy. Cell 2012; 150: 470-480. doi: 10.1016/j.cell.2012.07.008.
Microbiota intestinal y trasplante de flora fecal
El trasplante de microbios fecales (TMF) es un tratamiento prometedor para la
infección recurrente por Clostridium difficile. Una mujer de 32 años tratada con éxito
con TMF desarrolló obesidad por primera vez después de recibir las heces de un
donante sano (su hija) con sobrepeso. Este caso puede estimular nuevos estudios
sobre los mecanismos del eje nutrición-neural-microbiota.
Alang N, Kelly CR. Weight Gain After Fecal Microbiota Transplantation. Open Forum Infect Dis (Winter 2015) 2 (1): doi: 10.1093/ofid/ofv004
Microbiota y diabetes
Las perturbaciones de la composición y función de la microbiota intestinal se han
asociado con trastornos metabólicos incluyendo obesidad, resistencia a la insulina y
diabetes tipo 2. Los estudios en ratones han demostrado varios mecanismos
subyacentes incluyendo la señalización del huésped a través de lipopolisacáridos
bacterianos derivados de las membranas externas de bacterias gramnegativas,
fermentación bacteriana de fibras dietéticas a ácidos grasos de cadena corta y
modulación bacteriana de ácidos biliares. Además, una mayor permeabilidad del
epitelio intestinal puede conducir a una mayor absorción de macromoléculas del
contenido intestinal resultando en respuestas inmunes sistémicas, inflamación de bajo
grado y vías de señalización alteradas que influyen en el metabolismo de lípidos y
glucosa. Varios factores que influyen en el riesgo de diabetes tipo 2 (dieta, edad),
también se han relacionado con alteraciones en la microbiota intestinal. Basándose en
las pruebas disponibles, se plantea la hipótesis de que la microbiota intestinal puede
mediar o modular la influencia de factores de estilo de vida que desencadenan el
desarrollo de la diabetes tipo 2.
Allin KH, et al. Gut microbiota in patients with type 2 diabetes mellitus. Eur J Endocrinol 2015; 172: R167–R177.
Esquema funcional de microbiota y diabetes
La hiperglucemia (HG) y el aumento de los
ácidos grasos libres (AGL), característicos de
obesidad, síndrome metabólico y diabetes,
combinada con una dieta rica en grasa y alto
índice glucémico, podría resultar en un
aumento de la activación del complejo
inflamasoma y además aumentar la
activación de los macrófagos a través del
aumento de la activación de receptores tipo
toll (TLR) y el factor nuclear-κ B (NF-κ B).
Devaraj S, et al. The Human Gut Microbiome and Body Metabolism: Implications for Obesity and Diabetes. Clin Chem 2013; 59; 617-628. doi: 10.1373/clinchem.2012.187617
Un caso clínico de la ponente (Dra. Clotilde Vázquez)
Era el de un varón caucásico de 52 años que sufrió reflujo gastro-esofágico grave,
obesidad y síndrome metabólico. Su enfermedad empeoró varios meses antes de su
primera visita como resultado de astenia, náuseas matutinas e hinchazón abdominal.
Una alta concentración plasmática de LPS corroboró la sospecha inicial de disbiosis y
endotoxemia.
Como antecedentes personales se destacan hipertensión arterial esencial de 10
años de evolución sin LOD conocida, diabetes mellitus tipo 2 en tratamiento con
antidiabéticos orales, dislipemia en tratamiento con estatinas, esteatosis hepática no
enólica, obesidad grado 1, apnea del sueño con somnolencia diurna, poliartritis gotosa,
y síndrome ansioso depresivo.
Se determinó la concentración de lipopolisacáridos (LPS) bacterianos en sangre
como valoración de la translocación intestinal, y se exploró la diversidad de la
microbiota mediante técnicas de amplificación de ARN 16S y DGGE.
Después de 3 meses de tratamiento con VSL # 3, un probiótico farmacéutico
liofilizado que contenía 112,5 × 109 CFU / cápsula de 3 cepas de Bifidobacterium, 4
cepas de Lactobacillus y Streptococcus salivarius sub sp. thermophilus, el enfermo
experimentó una notable mejoría en los síntomas digestivos, astenia, parámetros
cardio-metabólicos y medidas antropométricas, incluyendo peso, tanto por ciento de
grasa, circunferencia de la cintura, presión arterial, perfil lipídico, control de glucemia,
resistencia a la insulina y concentración de LPS plasmático.
Debido a los cambios clínicos significativos que siguieron a la suplementación
probiótica, se plantea la hipótesis de que la disbiosis intestinal desempeña un papel
crucial en los síntomas gastrointestinales, así como en la expresión grave de las co-
morbilidades de este enfermo obeso, probablemente vinculado al estado
proinflamatorio asociado a la translocación LPS.
Vázquez C, et al. Successful evolution of a patient with obesity, metabolic syndrome and severe gastro esophageal reflux after probiotic intake. Adv Obes Weight Manag Control 2015; 2: 00009. DOI: 10.15406/aowmc.2015.01.00009
Dieta pobre en potasio, microbiota y enfermedad renal
La enfermedad renal tiene una relación bidireccional con la microbiota intestinal. La
uremia altera la flora intestinal y la microbiota modifica las manifestaciones y evolución
de la enfermedad renal. La microbiota intestinal fabrica toxinas urémicas, es decir,
productos tóxicos que se acumulan en la enfermedad renal crónica.
La microbiota determina las concentraciones circulantes de toxinas urémicas como
trimetilamina-N-óxido (TMAO), que causa lesión cardiovascular y, además, la
microbiota condiciona las concentracione circulantes de endotoxinas, lo que contribuye
a la micro-inflamación sistémica característica de la uremia.
Desde hace más de 50 años se sabe que la ausencia de bacterias intestinales
prolonga la supervivencia en la uremia no tratada. Uno de los determinantes de la
microbiota es la dieta. En general, una dieta rica en productos vegetales se asocia a
una microbiota más saludable que una dieta exenta de estos productos. De hecho, el
cambio de una dieta convencional a una dieta vegetariana cambia la flora intestinal y
disminuye las concentraciones circulantes y, en individuos con función renal
conservada, la excreción urinaria de toxinas urémicas de origen intestinal.
Determinados probióticos disminuyen las concentraciones de toxinas urémicas
circulantes.
No se ha estudiado el efecto de una dieta pobre en potasio y la hipótesis es que la
prescripción de una dieta pobre en potasio podría alterar la microbiota intestinal,
favoreciendo la aparición de un perfil de microbiota no deseado, quizá asociado a
mayor producción de toxinas urémicas o concentraciones de endotoxemia, también
que el uso de probióticos puede restaurar, al menos parcialmente, un perfil de
microbiota inadecuado a otro más saludable. El estudio está en marcha. Los métodos
para el estudio incluyen amplificación y secuenciación del ADN de las muestras para
hacer análisis metagenómico de variabilidad de especies y funcional, extracción de
RNA para estudios de metatranscriptómica, y determinación de la endotoxemia
mediante LAL kit endpoint-QCL1000, Cambrex BioScience, Walkersville, MD