Resumen
La microbiota representa a toda la comunidad microbiana presente en el huésped intestinal. Cumple varias funciones estableciendo una relación mutualista con el huésped. En los últimos años se ha visto un aumento en el número de estudios centrados en este tema, en particular en las enfermedades intestinales. En este escenario, las proteobacterias son uno de los filos más abundantes, que comprende varios patógenos humanos conocidos. Esta revisión destaca los últimos hallazgos sobre el papel de las proteobacterias no solo en las enfermedades intestinales, sino también en las extraintestinales. De hecho, una cantidad creciente de datos identifica a las proteobacterias como una posible firma microbiana de la enfermedad. Varios estudios demuestran una mayor abundancia de miembros pertenecientes a este filo en tales condiciones. Las principales evidencias actuales incluyen trastornos metabólicos y enfermedad inflamatoria intestinal. Sin embargo, estudios más recientes sugieren un papel también en enfermedades pulmonares, como el asma y la enfermedad pulmonar obstructiva crónica, pero las evidencias siguen siendo escasas. En particular, todas estas afecciones están sostenidas por varios grados de inflamación, lo que representa un aspecto central de las enfermedades relacionadas con las proteobacterias.
1. Introducción
El intestino es el órgano humano más colonizado con hasta 100 billones de microbios, aproximadamente 10 veces el número de células humanas . A este nivel se han descrito más de 50 filos, sin embargo, el predominio de solo 4 filos principales: Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacterias y Proteobacterias .
Notablemente, el tracto gastrointestinal (GIT) también está colonizado por hongos y virus, que constituyen, respectivamente, el micobioma intestinal y el viromo intestinal .
La metagenómica permitió estimar el número de genes de la microbiota, el llamado microbioma, con un número que supera en más de 150 veces el genoma humano (unos 3,3 millones en comparación con unos 20.000 genes en humanos) , lo que representa un segundo genoma real para el huésped.
El número de células microbianas muestra un gradiente rostrocaudal positivo a lo largo de todo el GIT: desde alrededor de 10-103 microbios por gramo en el estómago y el duodeno, 104-107 microbios por gramo en el yeyuno y el íleon, a 1011-1012 microbios por gramo en el colon .
Además, la composición de la microbiota también varía en los diferentes tractos gastrointestinales: los anaerobios predominan en el colon, en particular las familias Bacteroidetes y Lachnospiraceae que pertenecen al filo Firmicutes . Por otro lado, los anaerobios facultativos predominan en el intestino delgado .
La colonización de microorganismos del TGI comienza al nacer, con una microbiota dinámica que se estabiliza progresivamente en los primeros años de vida . En adultos, la microbiota alcanza una mayor complejidad aumentando en diversidad . Finalmente, en los ancianos, la composición de la microbiota muestra una diversidad reducida con predominio de Proteobacterias y una disminución de Bifidobacterias .
Además, muchos factores influyen en la composición de la microbiota durante la vida, los más importantes son la dieta, el modo de entrega, el tipo de alimentación, el uso de medicamentos, especialmente antibióticos y, como ya se mencionó anteriormente, la edad .
La microbiota intestinal realiza muchas funciones importantes en el huésped, con el establecimiento de una simbiosis real. Estas funciones incluyen el metabolismo y la síntesis de nutrientes, en particular la vitamina K y las vitaminas del grupo B, el tropismo en la mucosa, el metabolismo de drogas y toxinas y las funciones de barrera . De hecho, la microbiota es un componente de la llamada barrera intestinal, una estructura compleja de suma importancia que sirve como frontera entre el huésped y el medio ambiente, regulando la interacción entre las bacterias y las células huésped y modulando la absorción de nutrientes .
En este contexto, las proteobacterias son, como ya se mencionó, uno de los filos más abundantes en la microbiota intestinal humana. El nombre de Proteobacteria fue propuesto por primera vez por Stackebrandt et al. en 1988 . Sin embargo, este grupo de bacterias ya fue establecido por Woese en 1987 con el nombre informal de «bacterias moradas y sus parientes» . El nombre Proteus deriva del antiguo dios griego del mar Proteus, capaz de asumir formas diferentes en relación con la alta heterogeneidad mostrada por las bacterias pertenecientes a este filo . Un rasgo común de las proteobacterias es la tinción Gram negativa y, por lo tanto, la presencia del lipopolisacárido en la membrana externa. Las proteobacterias son actualmente el filo más grande dentro del dominio de las bacterias. Basado en el análisis filogenético del gen 16S rRNA el phylum Proteobacteria se divide en 6 clases (que anteriormente eran considerados como subclases de la filo): Alphaproteobacteria, Betaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Deltaproteobacteria, Epsilonproteobacteria, y Zetaproteobacteria. Teniendo en cuenta que la división de clases se basa en la relación molecular, no es sorprendente que ningún rasgo morfológico o fisiológico específico caracterice a los miembros dentro de cada clase. Muchos patógenos humanos comunes se encuentran en el filo de las Proteobacterias: por ejemplo, los géneros Brucella y Rickettsia pertenecen a la clase Alphaproteobacteria, Bordetella y Neisseria a la clase Betaproteobacteria, mientras que Escherichia, Shigella, Salmonella y Yersinia a la clase Gammaproteobacteria y, finalmente, Helicobacter a la clase Epsilobacteria. En los seres humanos, las proteobacterias están presentes en varios sitios del cuerpo, como la piel, la cavidad oral, la lengua y el tracto vaginal, además del intestino y las heces humanas .
El objetivo de este artículo es revisar los últimos hallazgos sobre el papel de los miembros de las proteobacterias en las enfermedades intestinales, pero también extraintestinales. Se presta especial atención a los trastornos metabólicos e inflamatorios.
2. Papel metabólico
En los últimos años, ha aumentado el interés en estudiar el papel de la microbiota intestinal en varias enfermedades extraintestinales. Muchos estudios encontraron una implicación de la microbiota y sus alteraciones en muchas condiciones metabólicas, como diabetes e intolerancia a la glucosa, obesidad, esteatohepatitis no alcohólica y enfermedades cardiovasculares .
Se han encontrado muchas alteraciones en la microbiota en pacientes con características del síndrome metabólico. Por ejemplo, Lambeth et al. se analizó la composición bacteriana fecal de pacientes con diabetes tipo 2 (DMT2), prediabetes (como se define en la declaración de posición de la Asociación Americana de Diabetes publicada en 2014) y controles sanos. Encontraron un aumento significativo en un género desconocido perteneciente a la familia Enterobacteriaceae (incluido en el filo Proteobacteria), así como un aumento en el género Collinsella, en el grupo T2DM en comparación con los otros grupos .
Una conexión entre la inflamación de bajo grado, sostenida por lipopolisacáridos (LPS), y el desarrollo de trastornos metabólicos está bien establecida ; sin embargo, la hipótesis sobre el papel directo de la microbiota en el desarrollo de este estado inflamatorio, llamado endotoxemia, es más reciente y fue estudiada, en particular, por Cani et al. . De hecho, los autores encontraron que la producción de LPS es sostenida por bacterias Gram negativas en el intestino y que la administración de antibióticos reduce la endotoxemia metabólica y el contenido cecal de LPS .
Gracias a las innovaciones tecnológicas y la difusión de técnicas novedosas para analizar la microbiota, a saber, la secuenciación del ARNr 16s y la secuenciación del metagenoma, los estudios recientes se han centrado en la identificación de las bacterias que pueden estar implicadas en la génesis de la endotoxemia y en el desarrollo de trastornos metabólicos. En este contexto, se observó con frecuencia un aumento de las proteobacterias .
Por ejemplo, Fei y Zhao encontraron un aumento en la familia Enterobacteriaceae en un voluntario obeso . Además, después de la pérdida de peso, la población de enterobacteriáceas fue la más afectada, con una reducción significativa. Además, la inoculación con un aislado clínico de la población de enterobacterias en ratones libres de GF supera la resistencia al desarrollo de obesidad después de una dieta alta en grasas (HFD). De hecho, los ratones GM suelen ser resistentes a la obesidad inducida por HFD .
Los principales conocimientos sobre el papel de la microbiota en la obesidad provienen del muy conocido estudio de Turnbaugh et al. llevado en un modelo de obesidad en ratones, que demostró que no solo los ratones obesos albergaban una microbiota disbiótica con un aumento de Firmicutes y una reducción de Bacteroidetes, sino que también el fenotipo obeso podía transferirse a ratones libres de gérmenes a través del trasplante de microbiota fecal. De hecho, la transferencia de microbiota fecal de ratones obesos en ratones libres de gérmenes resultó en un aumento más pronunciado del peso corporal en comparación con los ratones trasplantados con microbiota de ratones magros .
Otros estudios investigaron si el efecto del trasplante de microbiota podía replicarse en ratones no libres de gérmenes después del tratamiento con antibióticos. Los autores encontraron cambios similares, aunque menos evidentes, en los parámetros metabólicos a los alcanzados en ratones libres de gérmenes. En consecuencia, la microbiota en los ratones trasplantados fue solo temporalmente similar a la microbiota de los ratones donantes, con la tendencia a volver al estado previo al trasplante con el tiempo .
Finalmente, los estudios en humanos proporcionan resultados interesantes pero aún limitados. Por ejemplo, Vrieze et al. se investigaron los efectos del trasplante de microbiota intestinal de donantes magros a pacientes con síndrome metabólico, evaluando los cambios en el metabolismo de la glucosa . Brevemente, los pacientes con síndrome metabólico fueron aleatorizados para recibir microbiota de donantes magros o infusión de microbiota autóloga; la sensibilidad a la insulina y la composición de la microbiota se evaluaron al inicio y después de 6 semanas desde la infusión fecal. Después de 6 semanas, solo el grupo de infusión alogénica mostró una mejora en la sensibilidad periférica a la insulina con un aumento significativo en la diversidad de la microbiota.
Además, varios estudios investigaron el papel de la microbiota en la enfermedad del hígado graso no alcohólico (EHGNA) y la esteatohepatitis no alcohólica (EHNA). Por ejemplo, Michail et al. se examinó la composición microbiana de niños con y sin EHGNA. Los autores encontraron que los pacientes con EHGNA tenían Gammaproteobacterias y Prevotelas más abundantes y niveles significativamente más altos de etanol . Curiosamente, estudios previos encontraron que tanto la gammaproteobacteria como la Prevotela están asociadas con la producción endógena de alcohol, lo que sugiere un mecanismo para el desarrollo de daño hepático.
El análisis de la composición de la microbiota en niños ha demostrado un aumento gradual de proteobacterias entre niños sanos, obesos y NASH . Al analizar a nivel de familia y género, los autores encontraron que esta diferencia se sostenía por un aumento de Enterobacteriaceae y Escherichia, respectivamente.
Resultados similares fueron obtenidos por Kapil et al. . Los autores investigaron el papel del sobrecrecimiento bacteriano del intestino delgado (SIBO) en el desarrollo de NAFLD/NASH y encontraron que hasta el 37,5% de los pacientes con NAFLD tienen SIBO. Curiosamente, de acuerdo con el estudio mencionado anteriormente, Escherichia coli fue el aislado bacteriano más común. Finalmente, los pacientes con SIBO también presentaron niveles más altos de endotoxemia .
Otros autores plantearon la hipótesis de que la microbiota intestinal puede inducir alteraciones en el eje intestino-cerebro para explicar su papel en las enfermedades metabólicas. De hecho, Vaughn et al. se encontró que las ratas alimentadas con HFD se asociaron no solo con variaciones de la microbiota, en particular con la proliferación de Proteobacterias, sino también con la reorganización de los aferentes vagales y la activación de la microglía en el núcleo del tracto solitario, el centro cerebral que modula la saciedad . Por otra parte, la administración de tratamiento antibiótico fue suficiente para revertir la reorganización neural mencionada en el sistema nervioso, lo que sugiere un papel directo de la microbiota en este fenómeno .
Otro aspecto importante es la forma de la microbiota intestinal a través de la dieta. Por ejemplo, de Filippo et al. se comparó la microbiota fecal de los niños europeos con la de los niños de Burkina Faso . Los autores encontraron que la microbiota de los niños de Burkina Faso se caracterizaba por una mayor riqueza microbiana y biodiversidad y también por una representación insuficiente de Enterobacteriáceas en comparación con los niños europeos, lo que sugiere, una vez más, un papel perjudicial de las proteobacterias y destaca la importancia de preservar la biodiversidad microbiana .
Finalmente, las proteobacterias parecen estar implicadas también en enfermedades cardiovasculares. Por ejemplo, Amar et al. se encontró que la disbiosis de la microbiota sanguínea y, en particular, el aumento de Proteobacterias se asociaron con la aparición de eventos cardiovasculares en una población general después de un ajuste adecuado para los factores de riesgo cardiovascular conocidos, como el tabaquismo . La enfermedad aterosclerótica se caracteriza por el engrosamiento de la íntima de la arteria debido a la acumulación de lípidos y células inmunitarias, principalmente macrófagos y células T que constituyen la placa típica. Se ha postulado un vínculo entre la aterosclerosis y la infección . En particular, estudios más recientes se centraron en el papel de varios patógenos en los componentes de la placa con evidencias de efectos proateroscleróticos . En este contexto, existe evidencia de que altos niveles de proteobacterias están presentes dentro de la placa aterosclerótica, por lo que se puede especular que estos microorganismos pueden tener efectos proinflamatorios que pueden contribuir a la activación de la placa. Otros autores, sin embargo, plantearon la hipótesis de que los microorganismos también podrían contribuir indirectamente a través de mecanismos de mimetismo molecular, en cuyo caso el patógeno «culpable» podría no encontrarse localmente .
3. Inflamación y Enfermedad Inflamatoria Intestinal
La interacción entre la microbiota y las células huésped en el intestino es esencial para la conformación y modulación del sistema inmunitario , y muchos estudios informan de alteraciones en la composición de la microbiota en diversas condiciones inflamatorias sostenidas, tanto en animales como en seres humanos . En este contexto, las proteobacterias a menudo se encuentran aumentadas en la enfermedad y han sido identificadas por algunos autores como un posible marcador de inestabilidad de la microbiota, por lo que predisponen a la aparición de la enfermedad .
Curiosamente, se encontró una dominancia transitoria de Proteobacterias, especialmente Enterobacteriáceas, en ratones recién nacidos, que, sin embargo, se pierde progresivamente con la edad . Esta alteración también se asocia con un estado proinflamatorio revelado por la cuantificación de interleucinas proinflamatorias comunes. La transición a una microbiota estable y menos reactiva se asoció con la producción de IgA específicas, que se dirigen especialmente a Proteobacterias, lo que sugiere un papel importante de las células B en el control y la modulación de las bacterias intestinales por medio de la producción de inmunoglobulinas. Consistentemente, tanto la ausencia de células B diferenciadas, como ocurre en ratones Ighm−/−, como la deficiencia en la producción de IgA conducen a la persistencia de la dominancia de Proteobacterias incluso en ratones adultos con también un fenotipo inflamatorio persistente.
Los autores, explorando el papel de las células B, encontraron que la producción de IgA específica contra miembros de Proteobacterias está mediada por células dendríticas. Tomados en conjunto, estos datos destacan la dramática relevancia de la microbiota en la modulación del sistema inmune del huésped .
El papel de las proteobacterias en la inflamación intestinal se ha abordado en varios modelos de colitis en ratones, con correlaciones positivas . Por ejemplo, Carvalho et al. se utilizó un modelo de ratón propenso a la inflamación, a saber, el ratón con deficiencia de receptor de flagelina TLR5 (T5KO), para estudiar el papel de la microbiota en el desarrollo de la inflamación intestinal . Los autores encontraron que los ratones que progresaban a colitis mostraron una firma de microbiota definida caracterizada por niveles elevados de Proteobacterias, especialmente del género Escherichia .
Curiosamente, Langgartner et al. recientemente se encontró una expansión de Proteobacterias también en un modelo de ratón para el estrés psicosocial crónico . Estos datos apoyan el concepto de un eje cerebro-microbiota, un concepto novedoso que indica la compleja conversación cruzada bidireccional que ocurre entre estas entidades aparentemente segregadas e implica además a las proteobacterias como disruptores de la homeostasis intestinal.
Las enfermedades inflamatorias intestinales (EII), principalmente la enfermedad de Crohn (EC) y la colitis ulcerosa (CU), son afecciones crónicas caracterizadas por una inflamación intestinal persistente cuya etiología aún se desconoce.
Sin embargo, la evidencia reciente indica que pueden ser el resultado de una respuesta inflamatoria inadecuada y persistente a la microbiota en un huésped susceptible .
La mayoría de los estudios se centraron en las variaciones de la microbiota intestinal en la EII. En este contexto, las proteobacterias a menudo se encuentran aumentadas en estas condiciones, lo que nuevamente respalda que estos microorganismos en particular puedan tener características proinflamatorias.
No se conocen completamente los mecanismos exactos que conducen al aumento de proteobacterias durante la enfermedad y, en particular, durante la inflamación. Sin embargo, la observación de que durante la inflamación intestinal hay una disminución de anaerobios obligados y un aumento de anaerobios facultativos, como las Enterobacteriáceas, llevó a la formulación de la «hipótesis del oxígeno» . De hecho, se ha demostrado que en circunstancias fisiológicas las células epiteliales del colon agotan los niveles de oxígeno en el lumen, en la interfaz mucosa, a través de procesos de oxidación beta, generando así un ambiente anaeróbico . Por otro lado, en caso de inflamación intestinal, las células epiteliales reducen su capacidad de sufrir beta-oxidación con la consecuencia de una mayor disponibilidad de oxígeno que se cree que promueve la disbiosis y se asocia con la floración de proteobacterias . Otro factor importante que podría estar implicado en el desarrollo de disbiosis y, en particular, en la floración de enterobacteriáceas es el nitrato. De hecho, se ha demostrado que el nitrato producido por el huésped durante condiciones inflamatorias puede ser explotado por enterobacteriáceas comensales que, por lo tanto, se vuelven predominantes . Otros estudios revelaron que la expresión de Nos2, el gen que codifica la óxido nítrico sintasa, es inhibida por la actividad de PPAR-γ, que, a su vez, es activada por algunos productos de la microbiota, como el butirato . En resumen, la ausencia de una microbiota productora de butirato saludable conduce a un aumento de la expresión de Nos2 y la producción de nitratos, lo que finalmente permite la floración de Enterobacteriáceas .
Además, en el intento de identificar mejor los miembros específicos de Proteobacterias asociados con la EII, un nuevo patovar (p. ej., se identificó una cepa con características iguales o similares, diferenciada a nivel infraespecífico de otras cepas de la misma especie o subespecie sobre la base de una patogenicidad distintiva) perteneciente al género Escherichia . Este nuevo grupo patógeno se denominó E. coli invasora adherente (AIEC) debido a su potencial para adherirse y posteriormente invadir las células epiteliales intestinales . Otros estudios revelaron que la CEIA fue más prevalente en la EC en comparación con los controles sanos, se asoció particularmente a la EC ileal y también se encontró como los microorganismos prevalentes que colonizaban las lesiones ileales de estos pacientes .
Otro estudio, realizado por Willing et al., también se encontró una mayor abundancia de bacterias Escherichia coli específicamente en la EC ileal . El «valor añadido» de este estudio fue el análisis de microbiota de gemelos monocigóticos para mitigar posibles factores de confusión vinculados a variables genéticas . Dados estos datos, los autores especulan que los factores ambientales, específicamente las variaciones de la microbiota, pueden estar más implicados en la definición del fenotipo de EII que en los factores genéticos.
Sin embargo, un escenario más complejo es más probable, especialmente en la patogénesis de la EII. Por ejemplo, Knights et al. el análisis de biopsias intestinales de pacientes con EII demostró que existe una asociación significativa entre el recuento de alelos de riesgo NOD2 y la abundancia relativa de Enterobacteriáceas . Estos datos están en línea con el concepto actual de EII como trastornos multifactoriales con un papel primordial de las variaciones de la microbiota en un huésped susceptible, como ya se mencionó.
4. Inflamación y Enfermedades pulmonares
A pesar de la noción común de que la vía aérea es un ambiente estéril, evidencias recientes demuestran la existencia de un microbioma pulmonar, que alberga alrededor de 500 especies. También se identificó una microbiota de vía aérea «central» en pulmones sanos con predominio de los mismos filos presentes en el intestino, en particular: Bacteroidetes, Firmicutes y Proteobacterias .
El asma y la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) son enfermedades inflamatorias crónicas de los pulmones. Estudios recientes se centraron en el análisis del microbioma pulmonar en estas afecciones con el fin de comprender mejor la fisiopatología y, posiblemente, desarrollar tratamientos nuevos y más eficaces. Varias evidencias sugieren un papel importante de la microbiota en ambas enfermedades. Por ejemplo, el uso de antibióticos se correlaciona con el riesgo de aparición de asma en niños .
Además, la comparación de la composición bacteriana de pacientes con o sin asma demuestra, en diferentes estudios, una mayor abundancia de proteobacterias en pacientes asmáticos . Otros resultados incluyen proporciones más altas de Firmicutes y Actinobacterias en pacientes sanos, que, sin embargo, no alcanzaron significación estadística .
El tabaquismo es el principal factor de riesgo para el desarrollo de EPOC; sin embargo, no todos los fumadores desarrollan la enfermedad en última instancia, lo que sugiere que otros factores podrían estar implicados. Biedermann et al. por ejemplo, investigó la variación de la composición de la microbiota al inicio y después de dejar de fumar . Después de dejar de fumar, se observó una disminución de las proteobacterias. Sin embargo, hay que destacar que el análisis se realizó en muestras de heces, por lo que los resultados involucran la microbiota intestinal .
En cuanto al asma, varios estudios encontraron un aumento de proteobacterias en pacientes con EPOC y, en particular, en pacientes con exacerbaciones de la enfermedad . Finalmente, en el mismo estudio, los autores encontraron diferentes «firmas microbianas», o perfiles de microbioma, entre las exacerbaciones bacterianas y eosinofílicas, específicamente, un aumento de Proteobacterias en el primer grupo y un aumento de Firmicutes en el segundo grupo .
5. Conclusiones
Gracias a los recientes avances tecnológicos, ahora podemos evaluar mejor la microbiota tanto en salud como en enfermedad. La investigación es particularmente activa en los trastornos inflamatorios, como la EII. En particular, se ha demostrado que la inflamación está implicada en el desarrollo de trastornos metabólicos, como obesidad, diabetes y EHNA/EHGNA. Muchos estudios sobre estos temas se basan en la comparación de la composición de la microbiota en la salud y la enfermedad con la observación frecuente de una mayor abundancia de proteobacterias en este último grupo. Con base en estos datos, los autores han propuesto que las proteobacterias pueden representar una «firma microbiana» de la enfermedad . Por lo tanto, la microbiota puede representar un nuevo objetivo para el desarrollo de nuevas estrategias terapéuticas para controlar los trastornos metabólicos. Otros estudios deben centrarse en la posibilidad de modular la microbiota intestinal para revertir los estados disbióticos con el objetivo final de proporcionar un beneficio para el huésped. En este contexto, el trasplante de microbiota fecal tiene las características ideales para servir a este alcance. El estudio del microbioma pulmonar es un área de investigación en expansión, a raíz de la gran cantidad de datos generados a partir de estudios de la microbiota intestinal. Si bien esta área todavía está en su mayoría inexplorada, se pueden encontrar muchas similitudes con la microbiota intestinal, por ejemplo, diseccionando el vínculo entre la inflamación y el asma o la EPOC.
En resumen, las proteobacterias a menudo están sobrerrepresentadas en varias enfermedades intestinales y extraintestinales, en su mayoría con un fenotipo inflamatorio. Aunque todavía no se ha demostrado la causalidad, se esperan con impaciencia estudios que evalúen posibles mecanismos de vinculación entre la disbiosis, en particular las proteobacterias, y las enfermedades.
Conflictos de intereses
Los autores declaran no tener conflictos de intereses.