Microbioma y hueso

El microbioma  humano está formado por las especies microbianas que habitan en el cuerpo y sus productos secretados.  Cada individuo hospeda trillones  de microbios en su organismo. La microbiota  confiere beneficios  al huésped incluyendo la producción de vitaminas,  extracción  de nutrientes y energía de la dieta, función metabólica, regulación de la inmunidad innata y adaptativa y protección contra organismos patógenos.   Las alteraciones en el microbioma han sido asociadas con numerosas condiciones crónicas incluyendo enfermedades intestinales inflamatorias, obesidad, enfermedad metabólica, malnutrición, desordenes neurológicos, cáncer y enfermedad cardiovascular. El microbioma humano se establece muy pronto después del nacimiento, usualmente por colonización por la flora microbiana presente  en el canal del parto. La microbiota es posteriormente impactada por la dieta  y la exposición ambiental  y alcanza un estado estacionario  aproximadamente a los tres años de edad. La mayor parte del microbioma humano  se localiza  en el sistema gastrointestinal. La microbiota intestinal humana  consiste de más de mil especies microbianas, muchas de ellas  aún no están bien caracterizadas. Por otra parte, aproximadamente dos terceras partes de las especies microbianas es propia de cada individuo.

La microbiota intestinal humana es dominada por organismos de  phyla  Bacteroidetes y Firmictues. Una vez establecida  en un individuo, los contenidos de la comunidad microbiana  intestinal entra en un equilibrio dinámico  y cientos de especies diferentes compiten  e interactúan unas con otras  y con  el sistema inmune del huésped  en complejas redes  de interdependencia. La abundancia relativa  de especies  en la flora intestinal  fluctúa día a día  en base a los cambios en la dieta, pero en general retiene  su estado constitutivo  basal  a pesar de estas disrupciones transitorias. Por ejemplo, después de un estímulo como el tratamiento con antibióticos o una corta infección gastrointestinal, los contenidos de la microbiota intestinal retornan a su estado inicial, aunque la comunidad microbiana intestinal resultante  puede ser menos estable que antes del tratamiento y pueden ocurrir pequeños cambios en el contenido (especies con funciones similares pueden reemplazar a otras). Por lo tanto, aunque el microbioma intestinal es relativamente estable, puede cambiar por largos periodos de estímulo sostenido o por factores que producen grandes perturbaciones en la flora intestinal. Los factores que han demostrado que alteran  el estado estacionario de la flora intestinal incluyen a el envejecimiento, la dieta, el ambiente, el estado fisiológico y el tratamiento oral con antibióticos.

La microbiota intestinal puede influir en el tejido óseo  por tres mecanismos: regulación de la absorción de nutrientes  en el epitelio intestinal, regulación del sistema inmune y translocación de contenidos microbianos  a través de la barrera endotelial  intestinal.  Está bien establecido que las alteraciones en el microbioma intestinal  puede alterar la absorción de nutrientes, incluyendo la capacidad del huésped para absorber calorías de los alimentos. Por ejemplo, bajas dosis de antibióticos  promueven  un incremento en el crecimiento animal y en el tamaño del hueso  a través de la alteración  de la flora intestinal y el incremento   de la absorción de calorías de los alimentos. Adicionalmente, la microbiota intestinal ayuda en el metabolismo microbiano y del huésped  a través de la biosíntesis de vitaminas, incluyendo cobalamina (B12), biotina (B7), folato, tiamina (B1), pirodoxal fosfato, ácido pantoténico (B5), niacina (B3), vitamina K y tetrahidrofolato. Estas vitaminas son absorbidas en el intestino y distribuidas  en el cuerpo  a través de la circulación  sistémica. Las vitaminas metabolizadas en el intestino  tienen varias funciones en el cuerpo, incluyendo regulación  del metabolismo  de proteínas, ayuda en la formación  de eritrocitos, mantenimiento  del sistema nervioso central, metabolismo de carbohidratos y lípidos, regulación de la división celular, regulación de la coagulación sanguínea y mantenimiento de  la masa ósea. También es conocido que el microbioma intestinal influye en el desarrollo y función del sistema inmune del huésped. El sistema inmune es estimulado  en la barrera endotelial intestinal por metabolitos liberados por la flora intestinal así como por el contacto directo entre los microorganismos y las células inmunes.

Las interacciones entre la flora intestinal  y el sistema inmune son reciprocas, el sistema inmune regula la composición y localización  de comensales, mientras las interacciones con la flora intestinal son cruciales para  el desarrollo y función de un sistema inmune efectivo. Las células inmunes, incluyendo células T y células dendríticas, interactúan con la flora microbiana en el intestino y migran a los ganglios linfáticos para activar respuestas inmunes  pro o anti-inflamatorias. Estas células también pueden liberar mediadores pro o anti-inflamatorio solubles  o citoquinas en la circulación  y por este mecanismo modular el remodelado óseo. Adicionalmente, las células inmunes activadas  pueden migrar a los huesos donde pueden regular directamente el remodelado óseo a través de la liberación de productos, incluyendo al potente factor inductor de osteoclastos, ligando activador del receptor de NF-κβ (RANKL) u otras moléculas activas del hueso. Los ácidos grasos de cadena corta derivados de bacterias son conocidos reguladores de células inmunes. Ellos son sintetizados por fermentación  bacteriana de carbohidratos en el colon donde pueden actuar como fuente de energía para las células epiteliales pero también pueden promover la inducción y actividad  de células T reguladoras y de esa manera  inhibir las respuestas de las células inmunes. La flora intestinal también compite con organismos invasores por los nutrientes y produce moléculas antimicrobianas  y metabolitos que dificultan la supervivencia de patógenos y  promueven uniones estrechas entre las células epiteliales  para prevenir la translocación de   patógenos en la circulación sistémica. Asimismo, el microbioma intestinal  tiene un rol crucial  en el desarrollo y  control del sistema inmune  regulando y suprimiendo respuestas inflamatorias  a productos alimenticios  que pueden servir como antígenos ingeridos.

El microbioma intestinal también influye sobre órganos distantes introduciendo patrones moleculares asociados a microbios (MAMP)  en la circulación sistémica. Lipopolisacáridos, peptidoglucanos, flagelina y ADN libre  secretados por las bacterias o retenidos después de la muerte celular  son suficientemente pequeños para atravesar la barrera endotelial intestinal y entrar en la circulación sistémica. Una vez distribuidos en órganos remotos como los huesos, los MAMP  pueden activar respuestas inmunes  para producir inflamación local. En el hueso, los MAMP tienen un efecto directo  sobre el remodelado óseo  a través de la estimulación  de receptores inmunes innatos  en las células óseas, incluyendo al receptor similar a toll 2 (TLR2) que responde a peptidoglucanos, el TLR4 que responde a lipopolisacáridos y el TLR5 que responde a flagelina. Además de la translocación de MAMP, las bacterias viables pueden  atravesar la barrera  endotelial intestinal a través de un proceso conocido como translocación bacteriana. En los individuos con un sistema inmune normal, la translocación bacteriana es rara, pero en estados de enfermedad, la inflamación intestinal  puede incrementar la permeabilidad intestinal y permitir a las bacterias  cruzar la barrera endotelial. La translocación de bacterias gastrointestinales ha sido detectada  en paciente con cáncer intestinal, enfermedad de Crohn, obstrucción intestinal, colitis ulcerativa, shock hemorrágico y trauma. Las bacterias translocadas  usualmente son rápidamente destruidas por las células inmunes, pero aun después de la muerte celular, pequeñas cantidades de MAMP pueden ser liberadas en la circulación sistémica. Algunas bacterias que cruzan la barrera endotelial intestinal pueden penetrar  células nativas  y sobrevivir  en ellas al tiempo que eluden la respuesta inmune.  No está claro  si las bacterias translocadas  son capaces de migrar a órganos distantes (presumiblemente mientras ocupan una célula huésped), aunque la evidencia que la infección de implantes ortopédicos  pueden comenzar con una “siembra hematógena” demuestra que las bacterias pueden viajar hasta el hueso a través de la circulación sistémica.

No hay una causa única de osteoporosis, por el contario múltiples mecanismos han sido involucrados  en la patogénesis  de la osteopenia, incluyendo pobre adquisición de masa ósea durante el crecimiento del esqueleto, limitada actividad física, pobre historia nutricional, alteraciones en los niveles de esteroides sexuales y factores genéticos. Adicionalmente, la osteopenia puede ser secundaria  a otras condiciones, incluyendo desordenes inflamatorios como la enfermedad intestinal inflamatoria o tratamiento farmacológico con glucocorticoides. Hasta el presente, hay relativamente poca evidencia directa  que relacione a la osteoporosis o la osteopenia con el estado del microbioma intestinal, aunque hay sustancial evidencia indirecta. Por ejemplo, la diversidad de la microbiota intestinal cambia con la edad y se correlaciona negativamente  con los índices clínicos  de fragilidad  ósea en la vejez. Por otra parte, muchos de los factores de riesgo asociados con el desarrollo de osteoporosis y osteopenia también están asociados  con alteraciones en el microbioma intestinal. Investigaciones recientes en modelos animales demuestran que la presencia y contenidos  de la microbiota intestinal influyen en la acumulación de masa ósea  durante el crecimiento. Sin embargo, hay datos conflictivos con respecto a los efectos de un estado libre de gérmenes sobre el hueso. Uno de los estudios inicial demostró incremento de la densidad mineral ósea, con aumento de la superficie mineralizada en comparación con animales convencionales. El fenotipo óseo de ratones libre de gérmenes  ha demostrado ser  reversible con la reconstitución  de la microbiota intestinal con flora de un animal convencional. Por el contrario, un estudio con ratones machos BALB/c reporta que los animales  libres de gérmenes  tienen reducida la longitud femoral, el grosor cortical y la densidad mineral ósea en comparación con animales convencionales.

Las diferencias observadas entre diferentes cepas de ratones aumenta la posibilidad que el microbioma pueda contribuir  a las diferencias  en el fenotipo óseo  entre algunas de estas cepas. Los ratones con deficiencia de TLR5  proporcionan un ejemplo de cómo  el fondo genético puede alterar el microbioma y órganos distantes del intestino. El TLR5 es el receptor inmune innato  para la flagelina bacteriana  y no tiene ligando endógeno conocido. Por lo tanto, los cambios en el fenotipo en el ratón con deficiencia en TLR5 son completamente dependientes  de las interacciones huésped-microbioma.  La incapacidad para responder a la flagelina provoca alteraciones en la microbiota intestinal incluyendo la reducida  estabilidad de la comunidad microbiana y la incrementada  expresión de flagelina por la flora bacteriana. La incrementada expresión de flagelina provoca un aumento en la motilidad bacteriana  y en  la translocación  de bacterias a través  de la barrera endotelial donde la bacteria puede disparar  una respuesta inmune provocando inflamación en el epitelio intestinal. Como resultado de la inflamación intestinal, el ratón con deficiencia de TLR5  desarrolla débil resistencia a la insulina, inflamación sistémica de bajo grado y leve incremento en la adiposidad. Aunque el fenotipo óseo de ratones con deficiencia de TLR5  aún no ha sido caracterizado, está claro  que la pérdida de TLR5  puede provocar alteraciones en el microbioma que tienen efectos sobre  órganos distantes, apoyando la idea que algunos ratones pueden tener  un fenotipo óseo dependiente de microbioma. La regulación diferencial  del microbioma entre ratones  puede explicar porque ratones BALB/c libres de gérmenes muestran masa ósea reducida  en comparación con animales convencionales,  mientras ratones C57B1/6 tienen masa ósea aumentada cuando crecen en un ambiente libre de gérmenes. En humanos adultos, la densidad mineral ósea  es 50% a 80% heredable, una asociación dominada por el fondo genético en comparación con los factores ambientales. El microbioma intestinal es también heredable  y no está claro  cuanto de la heredabilidad  de la densidad mineral ósea  en humanos resulta de la heredabilidad de la flora intestinal.

La administración oral de antibióticos representa un factor ambiental que puede influir  en el microbioma intestinal.  Estudios recientes en ratones reportan que  el tratamiento con antibióticos pueden influir  en el crecimiento del esqueleto y el contenido mineral óseo y que tales efectos dependen del sexo y la edad.  Por ejemplo, comenzando el tratamiento en el momento del destete, bajas dosis de antibióticos   resultan en un incremento de la tasa de crecimiento  corporal tempranamente en la vida. En otro estudio, el tratamiento con antibióticos  seguido por una dieta rica en grasa resultó  en un incremento  del crecimiento óseo y el contenido mineral óseo. En todos los casos, el tratamiento con antibióticos estuvo  asociado  con reducciones notables  en la diversidad microbiana intestinal.  Estos estudios y otros  ilustran el rol importante  del microbioma intestinal  en la regulación de la homeostasis ósea, particularmente  durante el periodo de crecimiento esquelético.

El microbioma intestinal puede tener un profundo efecto sobre la absorción de nutrientes  y la captación de calorías, lo cual puede tener efectos directos o indirectos sobre el metabolismo óseo. La desnutrición crónica  modifica el microbioma intestinal y está asociada  con alteración  del crecimiento óseo durante  la adolescencia. En un estudio reciente, la microbiota de niños sanos y niños desnutridos  (6 a 18 meses de edad) fue trasplantada  a ratones jóvenes libres de gérmenes. Cinco semanas después, los ratones que recibieron flora intestinal de niños sanos incrementaron más rápidamente el peso corporal  y la masa magra  que aquellos ratones que recibieron microbiota de niños desnutridos. Paradójicamente, los animales que recibieron flora intestinal  de donantes desnutridos  mostraron un incremento en el volumen del hueso cortical del fémur  y en la densidad mineral ósea en comparación con los animales que recibieron microbiota  de donantes sanos. Aunque estos estudios no proporcionan información  sobre la microestructura  o la biomecánica  del hueso, demuestran claramente que en casos de deficiencia nutricional, los cambios en la microbiota intestinal  contribuyen independientemente al crecimiento y desarrollo óseo.

Las alteraciones  en las hormonas sexuales son un estimulo primario para la pérdida ósea en humanos y las investigaciones recientes demuestran que los cambios en el microbioma intestinal están correlacionados  con alteraciones en el estatus hormonal y pérdida ósea. En este contexto, está demostrado que los ratones libres de gérmenes son resistentes  a la pérdida ósea  después de la depleción de estrógenos inducida farmacológicamente.  Estos efectos han sido atribuidos a insuficiencia en la regulación de la producción  de las citoquinas pro-osteoclastogénicas  RANKL, TNF e IL-17. Asimismo, hay dos reportes que indican que el tratamiento con probióticos previene la pérdida ósea inducida  por ovariectomía en ratones. Otros estudios en ratas sugieren que el tratamiento con antibióticos puede mejorar la pérdida ósea inducida por ovariectomía.  Por otra parte, el fenotipo inflamatorio asociado con alteración de la flora intestinal puede diferir entre machos y hembras, lo que sugiere que las hormonas sexuales circulantes pueden influir en los fenotipos dependientes de microbioma. En los humanos, el microbioma es alterado  durante el embarazo proporcionando otra evidencia que  el estatus hormonal influye en el microbioma.

El tratamiento con Lactobacillus o suplementos probióticos comercialmente disponibles ha sido asociado con incremento de la densidad ósea. Ratones C57B1/6 machos maduros (14 semanas de edad) tratados con lactobacillus por 4 semanas incrementaron en un 45% el volumen óseo trabecular, la formación de hueso, y  al mismo tiempo  redujeron la expresión  de citoquinas pro-inflamatorias en la circulación, pero no se observaron cambios en el hueso cortical. Por el contrario, hembras tratadas con los mismos probióticos  no exhibieron cambios significativos en el fenotipo óseo o alteraciones en los marcadores inflamatorios circulantes.  Los incrementos en volumen óseo han sido atribuidos  a alteraciones  en la absorción intestinal de calcio y/o nutrientes más que a alteraciones  en la inflamación sistémica. Una serie de estudios en ratas sugiere que los prebióticos (moléculas que promueven el crecimiento de microbios beneficiosos) pueden mediar la pérdida ósea  después de la ovariectomía y pueden influir en la adquisición de hueso.

Las alteraciones en el microbioma intestinal también se han observado en otras condiciones clínicas  en las cuales se desarrolla  osteopenia. Por ejemplo, la enfermedad intestinal inflamatoria está asociada con grandes cambios en la microbiota intestinal y los pacientes con esta enfermedad  tienen alto riesgo  de osteopenia, osteoporosis y fracturas asociadas con la fragilidad ósea. La osteopenia asociada con la enfermedad inflamatoria intestinal ha sido atribuida a alteraciones en la absorción intestinal de calcio, reducidos niveles de Vitamina D y vitamina K o pérdida ósea después de tratamiento con glucocorticoides, pero estudios recientes indican que la inflamación en el intestino está asociada  con un aumento en la producción de potentes citoquinas osteoclastogénicas, las cuales son contribuyentes claves  de la pérdida ósea, independiente de  la absorción de calcio u otros nutrientes.

En conclusión, aunque existe evidencia  en ratones que demuestra claramente  que el microbioma intestinal puede influir  en la masa y estructura  ósea, los mecanismos específicos  que subyacen a estos cambios no son bien entendidos. El microbioma intestinal es sensible al fondo genético, factores ambientales y nutricionales. Por otra parte, aunque el microbioma intestinal  exhibe una robusta respuesta  a estímulos externos, regresa rápidamente  a su estado original después de una alteración. La alteración del microbioma intestinal  tiene el potencial para servir  como un biomarcador  de la actividad metabólica ósea, así como también para ser blanco de terapias para mejorar la estructura y calidad ósea usando agentes farmacológicos  o pre o  probióticos.

Fuente: Hernández CJ et al (2016). Links between the microbiome and bone.  Journal of Bone and  Mineral Research 31: 1638-1646.