La importancia de la microbiota
Aunque las primeras observaciones y descripciones de microorganismos fueron realizadas por Robert Hooke y Anton van Leeuwenhoek, entre 1665 y 1683, fue en el siglo XIX que científicos como Eichstedt, Robin, Ogston, Rosenbach, Escherich, Pfeiffer y muchos otros lograron identificar a aquellos asociados con algunas de las enfermedades infecciosas que imperaban entonces. Sin embargo, se distingue a Robert Koch, Louis Pasteur y Elie Metchnikoff por sus enormes aportaciones a la microbiología y la inmunología, que incluyen las ideas incipientes de que los microorganismos al interior del cuerpo contribuyen a la fisiología y el mantenimiento de la salud, que su desequilibrio (que actualmente denominamos disbiosis) se asocia con la enfermedad y que algunos microorganismos que se emplean en la elaboración de los alimentos fermentados pueden restablecer dichas comunidades (recuperar la eubiosis), entre muchos descubrimientos e hipótesis.
El término ‘microbiota’, de uso común en microbiología y empleado desde la década de los 1960s para referirse a los microorganismos en el tracto gastrointestinal humano, se refiere a la colección total de microorganismos en una región o periodo de tiempo, mientras que el término ‘microbioma’, en uso desde finales de los 1980s, se refiere, en sentido estricto, a los microorganismos, sus genes y metabolitos, así como a las características ambientales del sitio en que se encuentran, aunque usualmente se emplea para referirse al genoma colectivo de los microorganismos que radican en un nicho ecológico, incluyendo el interior o superficie del cuerpo humano (p. ej. el intestino grueso, la cavidad oral o el pliegue inguinal). La identificación de los microorganismos que conforman la microbiota se realiza en base a la filogenia, que incluye a todos los organismos, y es usual emplear los nombres de género, especie y cepa, o de manera alterna la unidad taxonómica operativa.
Actualmente está claro que la microbiota y su microbioma son un elemento fundamental de la fisiología humana, contribuyendo al metabolismo de muchos de los componentes de la alimentación y la síntesis de múltiples metabolitos que impactan a importantes receptores celulares en todo tipo de tejidos, regulando el funcionamiento de los mismos. Adicionalmente, tienen el potencial para modificar moléculas contenidas en los fármacos y los suplementos, lo que posee relevancia para la prevención y el tratamiento de las enfermedades, además de contribuir a cambios en la composición corporal, el rendimiento físico-atlético y el cognitivo, aspectos esenciales tanto para quien incluye al deporte en su estilo de vida, como para el atleta de alto rendimiento.
Composición y funciones de la microbiota humana
Si vemos a la microbiota humana como el conjunto de comunidades ecológicas de microorganismos comensales, simbióticos y patogénicos, que se encuentra sobre y dentro del cuerpo de cada uno de nosotros, es de esperarse que se trate de comunidades microbianas de alta diversidad, y en efecto es así, siendo conformadas por bacterias (bacterioma), arqueas (arqueoma), hongos y levaduras (micobioma), virus (viroma), protozoarios (protozoma) y helmintos (helmintoma). De estos grupos, los más abundantes en número son el viroma (1014-1015 en una persona adulta promedio, con 70 Kg de peso, 170 cm de talla y 25-30 años de edad), el bacterioma y el arqueoma (1013-1014) y el micobioma (1012-1013), aunque en masa realmente representan tan solo el 0.3% o 200 gramos, aún cuando son más numerosos que todas las células en el cuerpo humano adulto.
Estos microorganismos no se encuentran distribuidos de manera uniforme, sino que tienden a concentrarse en algunos sitios corporales, en diferentes densidades, siendo la placa dental y el colon los que muestran una mayor densidad, y este último ostenta además el mayor número total, con casi el 98% de las bacterias corporales.
Sin duda, una de las características distintivas de la microbiota humana es su individualidad, pues no hay dos personas con la misma microbiota, incluso entre aquellos que comparten lazos familiares o de pareja, ambiente, lugar de trabajo, etnicidad, ubicación geográfica, etc., y esta heterogeneidad se extiende a todos los sitios corporales, pues durante el desarrollo humano, la microbiota sigue trayectorias específicas que le permiten adaptarse a las condiciones ecológicas de cada nicho corporal y, a la larga, tenemos diferentes composiciones de las comunidades microbianas en nuestros cuerpos, que se mantienen relativamente estables, en la ausencia de enfermedad. Por supuesto, esto no significa que la microbiota sea estática, sino que se encuentra en un estado de estabilidad dinámica, que se ajusta continuamente a las condiciones ambientales.
De los grupos microbianos que conforman la microbiota, el bacterioma es, por mucho, el más estudiado, lo cual es lógico dada su abundancia y diversidad, gracias al desarrollo continuo de técnicas sofisticadas de laboratorio que han permitido su identificación, cuantificación y, especialmente importante, la determinación parcial de sus capacidades metabólicas mediante la caracterización de sus genomas. Debe destacarse que en comparación al genoma humano (unos 22 mil genes), las bacterias de nuestra microbiota tienen genomas que incluyen entre dos y tres millones de genes, con capacidades metabólicas diversas, que les permiten aprovechar aquellos sustratos que nuestro organismo no puede utilizar o transformar, dependiendo del sitio corporal en que habitan. Actualmente ha ganado impulso el estudio de los genomas del viroma, el micobioma y el arqueoma, que dada su interacción con las bacterias merecen mayor atención de la que han recibido en décadas pasadas.
Dentro de la taxonomía del bacterioma, las bacterias más abundantes en el cuerpo humano, especialmente en el tracto gastrointestinal, pertenecen a unos cuantos fila, que son Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria, Proteobacteria, Fusobacteria y Verrumicrobia, con el 90% perteneciente a los dos primeros. El filo Firmicutes incluye géneros como Lactobacillus (que en el año 2020 se dividió en 25 géneros diferentes), Clostridium, Faecalibacterium, Roseburia, Ruminococcus, Dialister, Enterococcus y Staphylococcus. El filo Bacteroidetes se distingue por géneros como Bacteroides, Prevotella, Parabacteroides, Alistipes y Tannerella. Por su parte, el filo Actinobacteria incluye al importante género Bifidobacterium, así como a Corynebacterium y Atopobium, mientras que Proteobacteria alberga a Escherichia, Shigella, Desulfovibrio, Bilophila y Helicobacter. En los fila menos abundantes, el género Fusobacterium se encuentra en el filo Fusobacteria y Akkermansia pertenece al filo Verrumicrobia. Estos géneros son los que normalmente se encuentran tanto en los estudios preclínicos y clínicos así como en los productos probióticos actuales.
Es importante recordar que el dominio de los diferentes fila depende de los sitios corporales. Por ejemplo, en el colon encontramos un dominio de Bacteroidetes y Firmicutes, mientras que en la cavidad oral hay una marcada presencia de Proteobacteria y Firmicutes; en contraste, en la superficie corporal hay un enorme dominio del filo Actinobacteria, y en el tracto reproductivo de mujeres y hombres encontramos una presencia casi absoluta de los Firmicutes, particularmente el género Lactobacillus.
La microbiota humana contribuye de manera importante a la regulación del metabolismo humano. La riqueza de genes en la microbiota le otorga a esta un repertorio metabólico sumamente extenso, que complementa a la maquinaria metabólica humana, pues el genoma humano no incluye genes para péptidos o proteínas con dichas características, con funciones metabólicas, protectoras y estructurales; esto es particularmente evidente en el tracto gastrointestinal, en donde la microbiota realiza actividades que nuestras enzimas digestivas no son capaces de hacer, en lo que constituye una de las funciones principales de la microbiota humana: la digestión y metabolización de componentes de la alimentación indigeribles para la persona.
Miembros específicos de la microbiota procesan una gran variedad de carbohidratos, sobre todo polisacáridos, así como péptidos y polifenoles, con un menor efecto directo sobre los lípidos. El metabolismo microbiano de las pentosas y hexosas, incluyendo fucosa y ramnosa, deriva en la biosíntesis de metabolitos con capacidad señalizadora o aprovechables como fuentes de energía, en donde se distinguen los ácidos grasos de cadena corta (butirato, acetato, propionato, como los más abundantes, además de valerato, isobutirato e isovalerato) y múltiples metabolitos intermedios, además de algunos gases como metano y sulfuro de hidrógeno.
Las proteínas y los péptidos que llegan al colon son metabolizados también por la microbiota para obtener componentes estructurales o funcionales, incluyendo aminas, proteínas y enzimas, y en caso de que la abundancia de carbohidratos sea limitada, pueden también modificarlos para obtener ácidos grasos, tanto de cadena corta como de cadena ramificada, así como compuestos indólicos y fenólicos.
La microbiota también metaboliza una multitud de polifenoles; estos fitoquímicos con grados diversos de bioactividad son absorbidos en un pequeño porcentaje, alrededor del diez por ciento, en el tracto gastrointestinal humano, y el resto llega al colon en donde la microbiota lo metaboliza, con el potencial para afectar su bioactividad y sintetizar compuestos secundarios como urolitinas, ecuol, múltiples ácidos, lactonas, dioles y tirosoles, entre otros.
Aunque una proporción muy pequeña de lípidos dietarios llega al colon, menos del cinco por ciento, algunos microorganismos tienen la capacidad enzimática para hidrolizar triacilgliceroles y fosfolípidos en sus grupos polares y lípidos libres, e incluso pueden metabolizar el glicerol, aunque el ambiente anaeróbico del colon no permite la catabolización de los lípidos libres; en contraste, algunos lípidos poseen propiedades antimicrobianas.
Adicionalmente, la microbiota intestinal posee la capacidad para diversificar la estructura y función de los ácidos biliares primarios (ácidos cólico y quenodesoxicólico), sintetizados en el hígado, mediante la síntesis de unos treinta ácidos biliares secundarios, que tienen el potencial para alterar la composición de la microbiota así como la digestión y absorción de lípidos, vitaminas liposolubles y otros compuestos en el tracto gastrointestinal humano, como la segunda función de la microbiota humana: la diversificación de los ácidos biliares.
Al igual que la persona con la que conviven, los miembros de la microbiota requieren de vitaminas, por lo que para obtenerlas dependen del abastecimiento alimentario humano así como de bacterias que tienen la capacidad para sintetizar algunas de estas, en lo que constituye una tercera función de la microbiota humana: la biosíntesis de vitaminas, particularmente la vitamina K, el ascorbato y algunos miembros del complejo B.
La capacidad de la microbiota para metabolizar xenobióticos se extiende a los contaminantes, los fármacos y otros compuestos. La biotransformación ocurre luego de la ingestión o el ingreso por otras vías, con interacciones que dependen del grado de absorción o la conjugación hepática previa de las moléculas, gracias a la batería enzimática microbiana que incluye miles de alternativas catabólicas; adicionalmente, la microbiota tiene el potencial para regular la capacidad de absorción y metabolismo de los tejidos intestinales y hepáticos, incluyendo la destoxificación. Así, la microbiota ejerces efectos tanto directos como indirectos en la modulación de los efectos de los compuestos xenobióticos en el organismo humano, en lo que constituye la cuarta función de la microbiota.
Gracias a la enorme capacidad para metabolizar una variedad de materiales contenidos en la alimentación, incluyendo carbohidratos, proteínas, lípidos, moléculas derivadas de plantas, ácidos biliares y contaminantes ambientales, la microbiota produce una diversidad de metabolitos, los cuales son ligandos perfectos para una cantidad interesante de receptores celulares, tanto de membrana como nucleares, con lo que se regula la expresión génica de diversos tejidos en el cuerpo humano, con influencia definitiva como moléculas señalizadoras.
Los ácidos grasos de cadena corta funcionan como inhibidores de las histona deacetilasas, para regular la expresión génica, además de activar los receptores acoplados a proteína G; las poliaminas y otros metabolitos derivados de las proteínas son ligandos de importantes receptores, como el factor iniciador de traducción eucariótico 5A-1, así como los receptores ionotrópicos quimiosensibles y parece ser que también algunos canales de iones; otros metabolitos, colectivamente activan los receptores nucleares, como el precursor receptor de hidrocarburos de arilo, el receptor X de pregnano, el receptor del calcitriol, el receptor hepático X y el receptor farnesoide X, además del receptor de ácidos biliares y los purinorreceptores. Es evidente que los metabolitos microbianos constituyen un regulador importante para la fisiología celular humana y se asocian tanto con la homeostasis como con los procesos fisiopatológicos de múltiples enfermedades.
Ahora, además de estas funciones asociadas a la transformación de los nutrimentos y otros compuestos que ingresan al cuerpo, la microbiota exhibe funciones de gran importancia para la salud humana, en donde se destaca su papel en el sistema inmunitario. Este papel de la microbiota es múltiple, y se inicia en el periodo perinatal, cuando durante y luego del nacimiento las bacterias maternas colonizan el intestino del neonato de inmediato, iniciando una serie de eventos que favorecen el establecimiento, el desarrollo y la maduración funcional del tejido linfático asociado al intestino, que incluye la transcitosis de microorganismos y sus productos a través de la membrana mucosa, en lo que constituye “la educación y el entrenamiento” del sistema inmunitario humano.
Sin embargo, esta interacción microbiota-inmunidad está en funcionamiento a lo largo de la vida, y se estima que el sistema inmunitario ha evolucionado a fin de mantener una relación simbiótica con la microbiota. Como tal, el sistema inmunitario juega un papel fundamental en la conformación y conservación ecológica de la microbiota; a su vez, la microbiota promueve y calibra todos los aspectos del sistema inmunitario, y de hecho, los microorganismos comensales y simbióticos juegan un papel esencial tanto en el entrenamiento del sistema inmunitario como en su fortificación y ajuste funcional, actuando como adyuvantes del sistema inmunitario como un todo. A esto hay que agregar que la simbiosis entre la microbiota y el anfitrión comprende múltiples relaciones, incluyendo una relación mutualista, una relación parasítica y una relación comensal, de las que no siempre estamos concientes.
Es importante destacar que la interacción entre la microbiota y la inmunidad se extiende más allá del tracto gastrointestinal, en regiones como el tracto respiratorio, el tracto genitourinario, la piel y los ojos, en donde contribuyen a los mecanismos de defensa contra agentes endógenos y exógenos, particularmente en las mucosas, gracias a la existencia de múltiples ejes tanto anatómicos como funcionales que permiten la translocación y la señalización de microorganismos y sus metabolitos a prácticamente la totalidad del cuerpo humano, con efectos sensibles tanto a nivel local como sistémico.
Factores que influyen en el estado de la microbiota humana
Cuando se habla de la relación entre la microbiota y los humanos, debe incluirse a las poblaciones microbianas propias del ambiente, así como las que se asocian a otras personas, animales y plantas, a las que se exponen de manera transitoria, con variados efectos en la salud, incluyendo los transgeneracionales, a lo largo de la vida. De hecho, se estima que el ambiente tiene un efecto mayor que el genoma humano en la determinación de la conformación de la microbiota individual, aunque es indiscutible que existe una estrecha interacción entre el genoma humano y el genoma colectivo microbiano, en lo que ahora se maneja como nuestro metagenoma, objeto de una de las más recientes ciencias ómicas, la metagenómica, que se encuentra en desarrollo constante.
En el caso del deportista, esta exposición a múltiples fuentes de microbiotas diversas se verá incrementada dependiendo del tipo de deporte, la frecuencia de entrenamiento o competencia y el tipo de instalaciones, terrenos o cuerpos de agua en los que este deporte es realizado. Así, por ejemplo, en los deportes de contacto habrá una transferencia directa entre la microbiota dérmica y de diversos fluidos corporales entre los atletas, con cada contacto entre ellos. A esto habrá que agregar el contacto con las superficies, lo que implica que múltiples microbiotas se transferirán a la piel y la ropa, además de ingresar al cuerpo por los varios orificios corporales y, potencialmente, pasarán a formar parte de la microbiota residente, lo que implica que podríamos estar expuestos a una mayor cantidad de organismos patogénicos, como sucede, por ejemplo, al nadar en aguas costeras, que se ha asociado con episodios de problemas en los oídos y variadas alteraciones gastrointestinales, incluyendo diarrea, náuseas, vómito y dolor abdominal. En las albercas la situación puede ser similar, pues algunos estudios han confirmado la presencia de microorganismos como Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Bacillus cereus y diversas especies de Micrococcus, procedentes del tracto gastrointestinal y de la piel, a pesar de los tratamientos químicos, aunque esto depende de la calidad de los protocolos de mantenimiento.
Independientemente de esta exposición permanente a la microbiota ambiental, existen otros factores que definen en todo momento su composición, y que son propios de cada persona. En principio, la microbiota humana consiste en ecosistemas microbianos complejos, en donde hay variadas interacciones multidireccionales entre los diferentes grupos de microbios, que compiten entre sí por el espacio y los recursos, tanto en la salud como en la enfermedad, actuando de manera agonista y/o antagonista, dependiendo del contexto, lo que modifica de manera continua la composición de las microbiotas en los nichos corporales, aunque no existiera interacción con otras personas o el ambiente.
Los alimentos contienen varias poblaciones de microorganismos. Por un lado, hay microorganismos, esencialmente bacterias, levaduras y virus, que son parte normal de la microbiota del alimento natural, más los que se incorporan durante el procesamiento, transporte o preparación; por otro lado, hay microorganismos que son responsables de los procesos de descomposición de dichos alimentos; adicionalmente, algunos alimentos incorporan microorganismos que se emplean en la preparación de productos fermentados o madurados, y gracias a los cuales un alimento posee determinadas características sensoriales. Estas tres poblaciones microbianas se encuentran en constante interacción entre sí, compitiendo por los recursos, y cuando son ingeridas por la persona extienden su interacción, agonista o antagonista, a las poblaciones residentes en el anfitrión humano.
El efecto de los alimentos sobre la microbiota también incluye los componentes de la matriz alimentaria y el patrón de alimentación que cada persona sigue define las alteraciones en las poblaciones microbianas, que se adaptan a nuestra alimentación diaria. Así, si el patrón de alimentación cambia durante los periodos de entrenamiento o competencia, la microbiota también lo hará; es más, existen ajustes en la composición y la función de nuestros microbios en todo momento, todos los días del año, en base a las señales de los ritmos circadianos (la alimentación es una de las señales de estos ritmos), la temporada del año -que define la disponibilidad de alimentos-, los lugares a donde viajamos, etc., y estos ajustes en la composición se aprecian rápidamente, pues incrementar o disminuir la cantidad de alimentos ricos en proteínas o fibra dietética deriva en cambios a las 24 horas en la microbiota gastrointestinal, lo que produce ajustes metabólicos en la misma así como en los productos microbianos que afectan el metabolismo humano y a otras poblaciones microbianas en el resto del cuerpo, alterando incluso las relaciones entre los varios grupos de microorganismos que las conforman. Estos cambios pueden ser temporales y suelen ser leves, gracias a la resiliencia microbiana, y es normal que cuando el patrón de alimentación regrese al usual, la microbiota regresa también a su composición más o menos permanente; esto es, la alimentación tiene efectos leves, constantes y temporales en las microbiotas corporales.
La microbiota ha acompañado a las poblaciones humanas desde siempre, evolucionando continuamente para aprovechar los sustratos que le proporciona el patrón de alimentación, que históricamente ha consistido en grandes cantidades de material vegetal, lo que promueve el dominio de microorganismos fibrolíticos, y que a su vez ha adaptado al cuerpo humano a aprovechar los metabolitos microbianos derivados de estos; los últimos dos siglos han visto un cambio radical en la alimentación humana, y más recientemente el uso indiscriminado de antibióticos, lo que ha obligado a los microorganismos a ajustar las abundancias absoluta y relativa de los taxones que los conforman, así como las actividades de sus genes, de manera que nuestra microbiota está bien acoplada a nuestros patrones de alimentación, ricos en lípidos y azúcares simples, y en el caso de los deportistas, considerablemente elevados en proteínas; los productos microbianos de la metabolización de las dietas deportivas actuales incluyen algunos compuestos que son francos promotores de diversas enfermedades, en ocasiones agravado cuando está combinado con algunos polimorfismos en el genoma humano, asociados con incrementos en el riesgo de padecerlas.
Adicionalmente, el genoma humano es mucho más lento que el genoma colectivo microbiano para evolucionar y adaptarse tanto a los patrones de alimentación actuales como a los nuevos productos microbianos, y la consecuencia es la generalización de enfermedades crónicas no transmisibles, aunque en muchos casos son heredables a la descendencia. Se cree que con el tiempo, tal vez algunos milenios, nuestro genoma evolucionará para disminuir la prevalencia de estas condiciones; es indispensable, mientras tanto, manejar la nutrición humana y la microbiota para prevenir y tratar dichas enfermedades.
Uno de los factores que más alteran la microbiota, a cualquier edad, es el uso de medicamentos, en donde se destacan los antibióticos (antibacterianos). Los antibióticos se encuentran de manera natural en nuestra microbiota, como una de las estrategias que los microorganismos emplean en su interacción constante con otros miembros microbianos, a fin de controlar la población de estos; sin embargo, su empleo en la vida temprana puede tener consecuencias a corto, mediano y largo plazo, y la terapia mal aplicada, con antibióticos de amplio espectro y poco control del periodo de tratamiento, afecta a tal grado la microbiota que deriva en una disbiosis muy severa, que puede tomar a la microbiota varios meses o años para recuperarse, y cuando lo hace normalmente tiene una conformación diferente a la previa al tratamiento con el medicamento, con efectos que pueden ser graves para la salud humana, además de promover la activación de genes de resistencia a estos fármacos, que incluso se transmite de manera horizontal entre diversos taxones. Con todo, hay algunos abordajes terapéuticos que incluyen su utilización bien dirigida para controlar algunas poblaciones de potenciales patógenos o regular su metabolismo.
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