Composición y estructura de la microbiota intestinal humana
A lo largo de los últimos años, se han introducido diversas técnicas de biología molecular para identificar y caracterizar las bacterias no accesibles mediante cultivo. Las nuevas tecnologías están proporcionando información muy novedosa sobre el ecosistema del intestino. La ventaja de las técnicas de secuenciación de alto rendimiento es su independencia del aislamiento y cultivo en medios de laboratorio, permitiendo una visión global a través del análisis del material genético presente en el medio que se quiera estudiar. Esta visión más amplia permite una descripción detallada de los diferentes miembros que forman la comunidad bacteriana y de su abundancia relativa5. Antes de la llegada de las citadas técnicas de secuenciación, el estudio de la composición bacteriana mediante aislamiento y cultivo nos aportaba una visión limitada de la diversidad de especies en la microbiota intestinal (figura 1). El desconocimiento de los requerimientos nutricionales de determinados subgrupos de bacterias y, por ende, la dificultad de cultivarlos imposibilita en gran manera su identificación y caracterización taxonómica. Los nuevos métodos de abordaje han llevado a acuñar el término metagenómica, ya que permiten el estudio directo de todo el material genético contenido en las muestras que se obtienen de un determinado nicho ecológico6, y por tanto obvian la necesidad de aislamiento y cultivo individual de los distintos miembros. El metagenoma se describe como el conjunto de todo los genes de distintos individuos que influyen una comunidad ecológica.
La aproximación más común consiste en la extracción del ADN de una muestra biológica, seguida de la amplificación y secuenciación de los genes que codifican la subunidad 16S del ARN ribosomal. El gen 16S es común a todas las bacterias y contiene regiones constantes y variables; por tanto, las similitudes y diferencias en la secuencia de nucleótidos del gen 16S permiten la caracterización taxonómica precisa de las bacterias que componen una comunidad. La caracterización del perfil taxonómico se basa en la comparación de las secuencias del gen 16S en la muestra a estudiar con las secuencias de referencia en bases de datos. De este modo, las secuencias se pueden clasificar a nivel de género, especie y cepa, y con ello se determina la biodiversidad de especies en la muestra y, por tanto, la riqueza en formas de vida del ecosistema del que proviene la muestra.
Existe un abordaje todavía más complejo y completo, que consiste en la secuenciación de todo el ADN presente en una muestra. El abaratamiento del coste de las técnicas de secuenciación, junto con el desarrollo de la genómica computacional, ha hecho posible el análisis de mezclas complejas de ADN. De la información generada se puede inferir no sólo información taxonómica (biodiversidad), sino también las propiedades funcionales y metabólicas presentes en una comunidad bacteriana mediante transcriptómica.
A pesar de que antes del nacimiento nuestro organismo permanece en condiciones estériles, poco después de nacer comienza la colonización bacteriana del mismo, que va a forjarse hasta aproximadamente los 2-3 años. A partir de entonces, cada individuo posee un microbioma único, y estable a lo largo del tiempo. El patrón de colonización es un proceso dinámico, que viene determinado en parte por el genotipo individual, ya que se sabe que la microbiota de dos gemelos que no conviven posee más semejanzas entre sí que entre dos individuos que conviven juntos. Por otro lado, existen factores epidemiológicos y ambientales, como el nacimiento por cesárea o por vía vaginal, la lactancia materna y factores meramente probabilísticos o estocásticos.
Diversidad de la microbiota intestinal humana
Durante los últimos años, dos grandes proyectos a gran escala han llevado a cabo la tarea de descifrar la estructura y funciones de la microbiota intestinal humana, así como sus relaciones con la salud y la enfermedad. El Proyecto MetaHIT, financiado por la Unión Europea bajo el amparo de The International Human Microbiome Consortium, ha estudiado la microbiota intestinal en 700 individuos abordando su implicación en trastornos metabólicos (obesidad, diabetes tipo 2) y en inflamación intestinal. El Human Microbiome Project, subvencionado por los National Institutes of Health Norteamericanos ha estudiado la microbiota en diversas localizaciones (boca, fosas nasales, piel, tracto genital, intestino, etc.) de 300 individuos definidos como sanos.
Se sabe que, de las 55 divisiones a nivel de phyla del domino Bacteria identificadas en el medio terrestre, únicamente entre 7 y 9 colonizan el ser humano7, aunque encontramos también Archaea, Virus y formas eucariotas (levaduras y protozoos). La gran mayoría de las bacterias (90%) pertenecen a dos divisiones, Bacteroidetes y Firmicutes, y el resto son Proteobacteria, Actinobacteria, Fusobacteria, Verrucomicrobia y Cyanobacteria (figura 1B). Bacteroides, Faecalibacterium y Bifidobacterium son los géneros más abundantes en la microbiota humana, aunque su abundancia relativa es muy variable entre individuos. Dentro del dominio Archaea encontramos representación de muy pocas especies, en su mayoría pertenecientes a Methano brevibactersmithii.
Si estudiamos estratos taxonómicos más profundos, a nivel de especie, encontramos mucha más diversidad a expensas de una gran variabilidad bacteriana interindividual, de forma que podemos considerar que cada individuo es anfitrión de un perfil bacteriano único7. Además, el espectro de comunidades bacterianas de la luz intestinal varía desde el ciego hasta el recto, de forma que hay diferente composición bacteriana dentro de un mismo individuo, según analicemos una u otra región del colon. Sin embargo, cuando estudiamos la microbiota asociada a la mucosa, su composición es relativamente estable desde el íleon terminal hasta el recto.
Además de las diferencias interindividuales, también se reconocen variaciones o fluctuaciones de la composición bacteriana en la muestras de un mismo individuo. Se piensa que factores como la dieta, la ingesta de fármacos, los viajes o el mismo hábito deposicional, condicionan la variabilidad de la composición de la microbiota a lo largo del tiempo. Un estudio8 recogió muestras de tres ubicaciones diferentes del organismo (intestino, boca y piel) de dos individuos sanos, a lo largo de un período de 15 y 6 meses, respectivamente. Las conclusiones revelaron que la diferencia entre las tres ubicaciones tiende a mantenerse estable a lo largo del tiempo, pero dentro de la misma localización corporal se detectó una gran variabilidad en la composición a lo largo del tiempo. A nivel de especie, son muy pocas las que constituyen un núcleo estable o permanente, ya que únicamente el 5% de las especies detectadas en muestras fecales se mantenían presentes en todas las muestras tomadas a lo largo del tiempo en un mismo individuo8.
El análisis del gen 16S en muestras fecales en una cohorte de niños y adultos sanos procedentes de tres áreas geográficas distintas (zona amazónica de Venezuela, poblados rurales de Malawi y población urbana de Estados Unidos) demostró grandes diferencias en la composición y biodiversidad bacteriana entre la población norteamericana y las otras dos poblaciones con menos desarrollo económico y social9. El análisis gráfico de composición por coordenadas principales discrimina claramente las muestras procedentes de Estados Unidos de las de las otras dos regiones (Malawi y Venezuela). Se constató además en las tres poblaciones que la diversidad bacteriana se incrementa con la edad, pero en las muestras procedentes de Estados Unidos se alcanza menos diversidad en comparación con los otros dos grupos. Las diferencias entre poblaciones desarrolladas y no desarrolladas se relacionan con diferentes factores de exposición ambiental (transmisión vertical y horizontal), así como con patrones dietéticos9.
El metagenoma y los enterotipos
El análisis metagenómico practicado sobre muestras fecales de una cohorte europea de adultos identificó un total de 3,3 millones de genes no redundantes10. Dicho estudio permitió además establecer el primer catálogo de genes microbianos procedentes del intestino humano (figura 2). Se estima que cada individuo alberga una media de 600.000 genes en el tracto gastrointestinal, y 300.000 genes son comunes al 50% de los individuos. De los genes identificados, el 98% son bacterianos, y se describieron entre 1.000 y 1.150 especies bacterianas, con una media por individuo de 160 especies10. Los genes descritos pueden agruparse funcionalmente en razón a las proteínas que codifican, de manera que se identificaron aproximadamente 20.000 funciones biológicas relacionadas con la vida de las bacterias en el hábitat intestinal humano. Algunas de ellas son necesarias para la autonomía bacteriana, como las principales rutas metabólicas (metabolismo hidrocarbonado, síntesis de aminoácidos), o la propia expresión génica (ARN y ADN polimerasas, ATP sintasa). Otros genes codifican proteínas de funciones necesarias para la vida de las bacterias dentro del tracto gastrointestinal, es decir proteínas relacionadas con la adhesión a células del huésped (colágeno, fibrinógeno, fibronectina) o con el aprovechamiento de azúcares derivados de los glucopéptidos secretados por células epiteliales. Curiosamente, a pesar de la gran variabilidad interindividuo en términos de taxonomía bacteriana, el perfil genético funcional expresado por la comunidad bacteriana es bastante similar en individuos sanos11. Este concepto parece clave a la hora de definir un ecosistema bacteriano sano, es decir, un ecosistema será tanto más “normal” cuanto más se parezca su perfil funcional a un patrón definido.
El ecosistema intestinal humano puede clasificarse en torno a tres grupos de acuerdo la abundancia relativa de tres géneros12: Bacteroides (enterotipo 1), Prevotella (enterotipo 2) y Ruminococcus (enterotipo 3). Estos grupos han sido denominados “enterotipos” y su descripción sugiere que las variaciones entre individuos están estratificadas. Esta categorización parece independiente de sexo, edad, nacionalidad o índice de masa corporal. Dichos hallazgos han sido descritos en el seno del proyecto MetaHIT y sobre población europea, americana y japonesa. La base para este agrupamiento es desconocida; sin embargo, se especula con que pudiera estar relacionado con patrones dietéticos de larga evolución, ya que el enterotipo con predominancia del genero Bacteroides o tipo 1 ha sido asociado con dieta rica en proteínas y grasa, en contraposición al enterotipo tipo 2 (predominancia del genero Prevotella), más asociado al consumo de fibras e hidratos de carbono13. En el estudio basado en el análisis de muestras fecales en una cohorte de niños y adultos sanos procedentes de la zona amazónica de Venezuela, áreas rurales de Malawi y Estados Unidos9, se encuentra la misma agrupación por enterotipos en poblaciones originarias de las áreas subdesarrolladas; sin embargo, al incluir la población procedente de Estados Unidos esta clasificación pierde consistencia, apreciándose predominio abrumador del enterotipo Bacteroides sobre el enterotipo Prevotella. Por otro lado, parece que en la población infantil la clasificación por enterotipos no tiene lugar9.
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