El microbioma humano y la digestión

Los microbios son organismos demasiado pequeños para ser vistos a simple vista. Pueden ser unicelulares o multicelulares e incluyen bacterias, algas, arqueas, protistas, hongos y animales microscópicos como piojos y gusanos redondos. Los virus no contienen células y generalmente no se consideran organismos vivos, pero generalmente se incluyen en la clasificación de microbios.

Los microbios se pueden encontrar en todo el cuerpo humano, colonizando el cabello, la piel, la boca, el sistema digestivo y otras áreas para formar un complejo ecosistema conocido como el microbioma humano.  Colectivamente, se estima que las células del microbioma humano promedio pesan alrededor de 2,5 lb., y se cree que las bacterias superan en número a las propias células del cuerpo en una proporción de alrededor de 3 a 1. (Esto se indicó previamente como 10 a 1, pero fue revisado recientemente según un aumento en el recuento de células estimado del cuerpo humano). Por lo general, cada uno de nosotros alberga alrededor de 1000 especies diferentes de microbios, con hasta 7000 cepas o subtipos diferentes, que se encuentran solo en el intestino. Se cree que los virus son los más numerosos, seguidos de las bacterias y los hongos, pero la composición específica de cada microbioma humano es única, como una huella dactilar. De hecho, las técnicas forenses, como la identificación individual basada en la colonización de bacterias de la piel, están actualmente bajo investigación. Sin embargo, el foco principal de la investigación del microbioma es su papel en la salud y la enfermedad.

Que algunos microbios tienen un impacto negativo sobre la salud es ampliamente conocido. Por ejemplo, los hongos causan aftas, aspergilosis y pie de atleta; las bacterias causan salmonela, tuberculosis y sífilis; los virus causan el resfriado común, la influenza y los AID. También se cree que los microbios inducen alrededor del 20% de todos los cánceres mortales y se han asociado con esclerosis múltiple, diabetes y enfermedad de la arteria coronaria. Pero no todos son parasitarios o patógenos, y tratar de categorizarlos como riesgos "buenos" o "malos" minimiza la complejidad del microbioma humano. Que una especie de microbio promueva o socave la buena salud a menudo depende de sus interacciones no solo con su huésped humano, sino también con las especies microbianas vecinas y el entorno más amplio.

La microbiota intestinal

La población microbiana del intestino, o microbiota intestinal (anteriormente llamada flora intestinal) es extremadamente densa, predominantemente con bacterias. Mientras que una comunidad central de microbios intestinales-aproximadamente un tercio-es común para la mayoría de los adultos sanos, la composición de cada microbiota intestinal varía de acuerdo con factores como la genética, la dieta, la edad, el estado de salud y la ubicación geográfica. La colonización microbiana también cambia a lo largo del intestino: Firmicutes y Bacteroidetes predominan en el colon distal, mientras que el intestino delgado contiene un mayor número de Streptococcaceae y Actinobacteria. Independientemente de la composición individual, la microbiota intestinal realiza en general el mismo rango de funciones fisiológicas en todos los individuos sanos.

Los microbios se consideran importantes, pero probablemente no esenciales, para la digestión. Los animales criados en condiciones completamente libres de microbios (llamados animales gnotobióticos o libres de gérmenes) pueden sobrevivir sin microbiota intestinal, pero deben consumir una mayor cantidad y una gama más amplia de nutrientes esenciales para mantener la salud. Esto se debe principalmente a que la microbiota intestinal descompone sustancias que el intestino solo no puede digerir y también está involucrado en la síntesis de vitaminas.

Hidratos de carbono complejos

Los carbohidratos complejos como los polisacáridos y los oligosacáridos (a veces denominados fibra dietética) representan hasta un cuarto del peso seco de muchas frutas y vegetales, sin embargo, el genoma humano codifica menos de 20 enzimas para su digestión. Consumimos muchas más formas de carbohidratos complejos que las que el intestino solo puede digerir; en su lugar, se descomponen por las enzimas producidas por la microbiota intestinal, lo que permite que el intestino absorba la energía almacenada y los nutrientes. Dependiendo de la composición específica de la microbiota intestinal, el metabolismo de otras sustancias, incluidas las drogas, también se puede alterar en algunas personas.

Metabolitos

Con frecuencia, la digestión de un compuesto específico involucra múltiples especies de microbios a través de un proceso llamado síntropos o alimentación cruzada. A medida que los microbios actúan sobre una sustancia, secretan productos químicos, conocidos como metabolitos. Una especie puede alimentarse de los metabolitos de otra en cascada hasta que se haya logrado la máxima extracción de energía. Por lo tanto, la presencia de una especie puede ayudar a otra a prosperar, dando forma a la composición más amplia del microbioma.

Algunos metabolitos microbianos son bioactivos; es decir, pueden ejercer un efecto biológico sobre el huésped. Se sabe que la producción de metabolitos bioactivos derivados nutricionalmente varía significativamente entre individuos, y se ha asociado con efectos nocivos y beneficiosos. Posibles vínculos entre la microbiota intestinal y la obesidad, diabetes, enfermedad inflamatoria intestinal, diversas formas de cáncer, asma, enfermedades del corazón, depresión y muchos otros estados de salud están actualmente bajo investigación.

Síntesis de Vitaminas

Los humanos no pueden sintetizar la mayoría de las vitaminas necesarias para mantener la salud. Si bien obtenemos muchos de estos nutrientes esenciales de fuentes alimenticias, la microbiota intestinal puede producir vitamina K y la mayoría de las vitaminas B, incluidos folatos, tiamina, riboflavina y biotina. La absorción de vitaminas producidas microbiana ocurre predominantemente en el colon.

Respuesta inmune

Se sabe que el microbioma interactúa con el sistema inmune a través de múltiples vías complejas. En experimentos con ratones (una especie frecuentemente utilizada en la investigación de microbiomas debido a la similitud entre la composición del microbioma humano y del ratón), se descubrió que el sistema inmune de animales libres de gérmenes era inmaduro, con ganglios linfáticos subdesarrollados. Esto siguió siendo cierto para los ratones inoculados con la microbiota de otras especies animales, lo que sugiere que la exposición a cepas microbianas altamente específicas puede ser necesaria para apoyar el desarrollo de un sistema inmune maduro en una especie animal particular.

Influencia dietética

Adquisición de microbioma

Antes se pensaba que los bebés nacían con un intestino estéril. Es decir, un intestino no colonizado por ninguna especie microbiana. Más recientemente, se ha sugerido que la colonización puede comenzar antes del nacimiento, con el feto ingiriendo microbios del líquido amniótico. La colonización adicional ocurre rápidamente durante y después del nacimiento, ya que el bebé está expuesto a los microbios a través del contacto con su madre, seguido de la interacción con los demás y su entorno. Se cree que factores como el modo de parto, la duración de la estadía en el hospital, el nacimiento prematuro y el modo de alimentación tienen un impacto a largo plazo en la composición del microbioma.

La microbiota intestinal de los bebés amamantados es más alta en Bifidobacteria que la de los bebés alimentados con fórmula. Las bifidobacterias se consideran probióticas; es decir, generalmente son beneficiosos para la salud. Específicamente, se cree que las Bifidobacterias protegen la superficie intestinal e inhiben la colonización por microbios patógenos.  Además de los microbios mismos, la leche materna contiene una serie de carbohidratos complejos que sirven como nutrientes para las Bifidobacterias. Las moléculas que apoyan el crecimiento de los probióticos de esta manera se denominan prebióticos.

Para la edad de alrededor de 2-3 años, la composición del microbioma de un niño se parece a la de un adulto. Mientras que la microbiota intestinal de un individuo tiende a permanecer bastante estable con el tiempo, continuará evolucionando a lo largo de su vida y puede ser modulada por factores externos, incluida la dieta.

Prebióticos

Como en el caso de los bebés amamantados, consumir compuestos prebióticos puede alentar a las especies de microbios probióticos a colonizar el intestino del adulto. Aunque nuestra comprensión de lo que caracteriza a una microbiota saludable es incompleta, las dietas ricas en frutas y verduras (y por lo tanto en compuestos prebióticos) están asociadas con una mayor diversidad de microbios en el intestino, lo que a su vez se asocia con una mayor funcionalidad intestinal y mejores resultados de salud. Además, los alimentos con alto contenido de carbohidratos complejos tardan más en digerirse, lo que puede afectar la capacidad de una especie microbiana para prosperar dentro del intestino: tiempos de tránsito más rápidos inhiben la colonización por especies de crecimiento más lento.

Probióticos

Hay evidencia de beneficios para la salud por el consumo directo de microbios prebióticos en forma de suplementos, o contenidos en productos alimenticios fermentados como el yogur vivo, el queso, el kéfir, el kimchi y el chucrut. Sin embargo, en la mayoría de los casos, nuestra comprensión actual del microbioma es insuficiente para permitir el uso de estos de manera específica. Es importante recordar que los productos probióticos comercialmente disponibles actualmente no están sujetos a la misma regulación estricta que los fármacos, por lo que no hay garantía de que las cepas, la concentración y la viabilidad de los microbios contenidos en los suplementos probióticos sean las que se mencionan. Además, el consumo de productos alimenticios fermentados se ha asociado con el cáncer gástrico, el mecanismo que se sospecha es la exposición a metabolitos microbianos tóxicos. Los productos lácteos fermentados son frecuentemente altos en grasas saturadas, que están vinculados a varios estados de salud negativos, incluidas las enfermedades cardiovasculares.

Grasas saturadas

Además de las asociaciones bien documentadas entre las grasas saturadas y la mala salud, las investigaciones recientes indican que una dieta alta en grasas saturadas, especialmente cuando se deriva de fuentes lácteas, puede contribuir al desarrollo de la enfermedad inflamatoria intestinal al modular la microbiota intestinal para promover el crecimiento de Bilophila wadsworthia: un microbio que puede desencadenar una respuesta autoinmune nociva en individuos genéticamente predispuestos. A diferencia de muchos microbios intestinales, Bilophila wadsworthia se nutre del azufre, que es producido por el hígado para descomponer las moléculas de grasas saturadas difíciles de digerir. Los metabolitos del microbio también pueden debilitar la pared intestinal, lo que facilita un mayor daño.

L-carnitina (carne roja)

L-carnitina es un aminoácido sintetizado por el cuerpo y se encuentra en altas concentraciones en la carne roja. Cuando se consume en exceso puede conducir a un aumento de la colonización Prevotella y la disminución del número de BACTEROIDETES s en el intestino. Este perfil microbiano está asociado con niveles séricos elevados de óxido de trimetilamina (TMAO); un compuesto conocido por promover la aterosclerosis.

Antibióticos

Durante décadas, los agricultores han estado usando antibióticos para promover el crecimiento del ganado. Hasta hace poco, los mecanismos subyacentes a este efecto no se entendían, pero ahora se piensa que los cambios en la microbiota intestinal son responsables.  Se ha encontrado que los antibióticos como la penicilina alteran la composición de la microbiota intestinal, lo que resulta en un mayor metabolismo energético. Los estudios en humanos también informaron una relación entre el uso de antibióticos y la composición corporal; Los niños que previamente habían consumido dosis bajas de antibióticos tenían niveles elevados de grasa corporal.

El uso de antibióticos también se ha visto implicado en casos de infección por Clostridium diffilis (CDI), que cada vez es más común y conlleva una alta tasa de recurrencia. Muchas personas son colonizadas con pequeñas cantidades de bacterias C. difficile sin experimentar ningún efecto negativo, pero los antibióticos pueden destruir las colonias competitivas de microbios intestinales que evitan la superpoblación con C. difficile , lo que le permite proliferar y producir niveles dañinos de metabolitos tóxicos que atacan al pared intestinal para causar diarrea y calambres estomacales. Mientras que los casos más leves pueden ser autolimitados, la infección por C. diffil puede causar colitis pseudomembranosa y, raramente, megacolon tóxico. El tratamiento generalmente es con los antibióticos metronidazol, vancomicina o fidaxomicina, pero para algunos individuos con infección recurrente por C. difficile los antibióticos son ineficaces, lo que lleva a la emergencia del trasplante de microbiota fecal (FMT) como tratamiento de segunda línea.

Los individuos con C recurrente. la infección difıcil muestra una disminución de la diversidad microbiana y tiene niveles elevados de proteobacteria y verrucomicrobia, en lugar de bacteroidetes y firmicutes que predominan en un intestino sano. La inoculación con microbios obtenidos de las heces de un individuo sano se ha encontrado eficaz para restaurar la salud intestinal en tales casos.

Direcciones futuras

Está claro que la microbiota intestinal juega un papel importante en la salud y la enfermedad; uno que puede estar influenciado por factores externos, lo que lo convierte en un foco apasionante para la investigación. Los suplementos probióticos y los trasplantes fecales ya se han usado para cambiar la microbiota intestinal para mejorar la salud, y una apreciación de los beneficios de la diversidad microbiana en el intestino ha resaltado la importancia de utilizar antibióticos específicos de espectro estrecho. También se han impuesto restricciones más estrictas sobre el uso de antibióticos como potenciadores del crecimiento en el ganado. Los objetivos particulares para la investigación incluyen alcanzar una definición para la microbiota intestinal saludable; uso de prebióticos, probióticos y antibióticos para modificar el microbioma a nivel funcional; y técnicas para caracterizar microbiomas individuales para permitir tratamientos personalizados. Los estudios en humanos actualmente están limitados por las dificultades prácticas asociadas con la obtención de muestras microbianas del intestino. Al abordar tales desafíos, los investigadores esperan obtener una mayor comprensión del impacto de los microbios en la obesidad y las enfermedades metabólicas, y algún día podrán ofrecer terapias microbianas personalizadas para abordar estos y otros problemas de salud.