Probióticos y microbiota intestinal

La palabra “probiótico” deriva del griego y significa “por vida”. En 1954, Ferdinand Vergin introdujo el término “probiótico” en un artículo en el que estudió varios microorganismos para elaborar una lista de bacterias útiles y determinar los efectos perjudiciales de los agentes antibacterianos y antibióticos sobre la microbiota intestinal. Años más tarde, en 1965, Lilly y Stillwell describieron a los probióticos como microorganismos beneficiosos que ejercen factores promotores del crecimiento para otros microorganismos. El término probiotico ha sido modificado con las investigaciones en modelos humanos y animales. De acuerdo con la Organización de la Alimentación y la Agricultura (FAO) y la Organización Mundial de la Salud (OMS), los probióticos son cepas vivas de microorganismos que confieren beneficios para la salud del huésped cuando son administrados en cantidades adecuadas. Esta definición es seguida por la International Scientific Association for Probiotic and Prebiotic (ISAPP). Actualmente, la mayoría de productos probióticos son desarrollados con Bifidobacteria, Lactobacilli y otras bacterias ácido láctico, como Lactococci y Streptocci. Otras cepas probióticas incluyen bacterias de los géneros Bacillus, Escherichia y Propionibacterium, así como algunas levaduras, principalmente Saccharomyces. Usualmente, los priobióticos son considerados seguros para la salud humana con limitados efectos adversos. Varias especies y cepas de Lactobacilli, incluyendo Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus casei, Lactobacillus rhamnosus y Lactobacillus helveticus han sido extensamente estudiados en la prevención de  enfermedades humanas y animales. Estas especies probióticas son capaces de cambiar la población de microorganismos en la microbiota intestinal y controlar el funcionamiento del ecosistema de la microbiota intestinal.

   El intestino humano es un ecosistema complejo en el cual los nutrientes, la microbiota y las células del huésped interactúan extensamente. Las relaciones entre estos microorganismos y las células del huésped han sido estudiadas por mucho tiempo desde un punto de vista patológico porque las toxinas invaden la mucosa intestinal, se diseminan y causan infecciones sistémicas. Sin embargo, varios estudios han reportado interacciones beneficiosas entre la microbiota intestinal y el cuerpo humano.

   El término “microbiota intestinal” fue introducido en el año 2001 por Joshua Lederberg quien lo definió como “la comunidad ecológica de microorganismos comensales, simbióticos y patógenos que literalmente ocupan nuestro espacio corporal y han sido ignorados como determinantes de enfermedades”.  El cuerpo humano contiene trillones de microbios, principalmente en el tracto gastrointestinal (particularmente intestino delgado y colon). Usando como referencia un hombre de 70 kg, 3,8 x 10¹³ microbios representan un peso total de 0,2 kg. La microbiota intestinal puede fermentar carbohidratos no digeribles, los cuales son bien conocidos como prebióticos, incluyendo fructooligosacáridos, oligofructosa, inulina, galactosa y xilosa que contiene oligosacáridos como requerimientos energéticos. Los microbios en el cuerpo del huésped tienen una influencia significativa en el metabolismo, la fisiología y el desarrollo y la función inmune; mientras las funcione simbióticas incluyen síntesis de vitaminas, protección contra la colonización patógena así como regulación del sistema inmune a través de la modulación de la liberación de hormonas gastrointestinales y la regulación de la conducta cerebral en términos de señales neuronales.  Varios estudios sugieren que desordenes como cáncer colorectal, enfermedad intestinal inflamatoria, hígado graso alcohólico y no alcohólico, obesidad, diabetes tipo 2, enfermedad relacionada con el estrés oxidativo y enfermedades mediadas por el sistema inmune están asociadas con alteraciones de la composición de la microbiota intestinal.

   La microbiota intestinal incluye bacterias, hongos, protozoos y virus que interactúan con el huésped y cada uno afecta la fisiología y la salud del huésped. Las bacterias intestinales juegan roles importantes en la salud humana, incluyendo síntesis de vitaminas del complejo B, mejora de la digestión y promoción de la angiogénesis y la función nerviosa.  Adicionalmente, la modificación de la microbiota intestinal puede ser peligrosa cuando el ecosistema intestinal experimenta severos cambios anormales. Las especies bacterianas encontradas en el microbioma intestinal humano incluyen principalmente tres phyla: Bacteroidetes (Porphyromonas, Prevotella), Firmicutes (Ruminococcus, Clostridium y Eubacteria) y Actinobacteria (Bifidobacterium). Lactobacilli, Streptococci y Escherichia coli se encuentran en pequeñas cantidades en el intestino.

   La evidencia actual apoya una relación entre la actividad y composición de la microbiota intestinal y la salud y enfermedad humana. Más aún, la composición de la microbiota intestinal afecta muchos órganos y sistemas (cardiovascular, neural, inmune y metabólico). Por otra parte, la composición de la microbiota intestinal es alterada en muchas enfermedades como enfermedad cardiovascular, cáncer, diabetes mellitus tipo 2, obesidad, colitis, asma, desordenes psiquiátricos, desordenes inflamatorios, desordenes del eje intestino-cerebro y desordenes inmunes. La modulación de la microbiota intestinal facilita numerosos problemas de salud. Por ejemplo,  la ingesta de probióticos con una dieta rica en grasa altera la composición de la microbiota intestinal de ratón con una disminución de bacterias gram positivas  Firmicutes y Actinobacteria. Por el contrario, en un modelo de hiperlipidemia en ratón, la administración de probiótico de Lactobacillus provoca cambios significativos en la composición de la microbiota intestinal, incluyendo un incremento en Bacteroidetes y Verrucomicrobia y una disminución de Firmicutes. 

   La mayoría de estudios de especies probióticas han examinado al grupo de bacterias ácido láctico. En los estudios de microbiota intestinal, el más prominente probiótico del grupo de bacterias ácido láctico es Lactobacillus. Las especies probióticas de Lactobacillus pueden mejorar la función de barrera gastrointestinal cuando ocurre la proliferación de algunas bacterias dañinas. La permeabilidad intestinal puede ser activada con un incremento en la proteína ocludina en las uniones estrechas intestinales. Después de un cambio en la composición de la microbiota intestinal con un probiótico, los ratones con una dieta rica en grasas muestran un incremento en la expresión de la proteína de las uniones estrechas y ARNm de proglucagón con reducción de la expresión de receptores de reconocimiento CD-14 y en los niveles circulantes de lipopolisacáridos. Adicionalmente, aumenta el almacenamiento de triglicéridos dependiente de la lipoproteína lipasa en el tejido adiposo. La investigación sobre los probióticos   proporciona evidencia que las células T reguladoras (Treg) pueden jugar un rol crucial en el mantenimiento de la homeostasis inmune en muchas enfermedades. Las células Treg secretan IL-10, IL-17 e IL-20 (citoquinas anti-inflamatorias), importantes para la homeostasis. Las especies Lactobacillus comensales pueden restaurar la homeostasis en desordenes intestinales y juegan un rol protector contra enfermedades inflamatorias. Un estudio reciente demuestra que una especie probiótica de Lactobacillus acidophilus restaura el balance de citoquinas inflamatorias y la relación de células Th17/Treg. El L. acidophilus suprime citoquinas pro-inflamatorias como IL-6 e IL-1b en el colon. Más aún, el tratamiento con L. acidophilus induce la producción de IL-10 y células Treg al tiempo que suprime la producción de IL-17. Por otra parte, la cepa probiótica de Lactobacillus spp tiene efectos beneficiosos en la prevención del cáncer y la inflamación intestinal. Similarmente, una cepa probiótica de L. plantarum TN8 reduce la expresión de citoquinas pro-inflamatorias y también regula el sistema inmune intestinal en ratas con colitis. La cepa L plantarum TN8 también muestra propiedades anti-inflamatorias induciendo la producción de las citoquinas IL-10 e IL-12.

   El probiótico Bifidobacterium ha sido usado para aliviar varias enfermedades a través de cambios en la composición de la microbiota intestinal. El Bifidobacterium puede inhibir bacterias dañinas, mejorar la función de la barrera intestinal y suprimir citoquinas pro-inflamatorias. Los estudios recientes demuestran que el probiótico Bifidobacterium altera la función de las células dendríticas para regular la homeostasis inmune intestinal o iniciar medidas de protección contra patógenos; también tiene el potencial para controlar varias enfermedades intestinales como cáncer y alergias. El probiótico Bifidobacterium exhibe capacidad metabólica en bacterias intestinales y puede incrementar la proporción de bacterias beneficiosas en la microbiota intestinal. El Bifidobacterium bifidum incrementa significativamente la actividad metabólica cuando es co-cultivado con Bifidobacterium breve. Este co-cultivo de bacterias probióticas afecta el metabolismo en la microbiota intestinal incrementando la producción de ácidos grasos de cadena corta más que cambiando la composición de la microbiota intestinal. El mucus del colon es una barrera física formada por microbiota intestinal y es  mantenida por una red  de mucina-2 extensamente glucosilada. Un estudio con tratamiento con probióticos demuestra que el Bifidobacterium longum NCC 2705 previene la producción de mucus.  Más aún, el Bifidobacterium ejerce un efecto positivo vía señal hormonal en el eje intestino-cerebro para mejorar la función de la memoria, incluyendo la expresión de receptores de factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF) y N-metil-D-aspartato. La combinación de Lactobacilli y Bifidobacterium disminuye el estrés agudo y la depresión. 

   Escherichia coli, una bacteria gram-negativa de la familia Enterobacteriaceae, es una cepa probiótica con algunos efectos beneficiosos en la homeostasis de la microbiota intestinal. La cepa no patógena Escherichia coli Nissle (EcN) es una de las cepas probióticas más usada en la homeostasis de la microbiota intestinal. La EcN puede estimular la producción de β-defensina-2 humana, la cual protege la mucosa contra la adhesión e invasión de comensales patógenos. Adicionalmente, la EcN tiene una función protectora contra Salmonella, Shigella, Candida y otros comensales invasivos y puede restaurar el epitelio dañado modulando uniones estrechas y proteínas occludens. Sin embargo, las vesículas de membrana externa (OMV) liberadas por bacterias gram-negativas juegan un rol vital en el proceso de señalización de la mucosa intestinal. La liberación de OMV inicia un mecanismo para manejar compuestos activos y proteínas bacterianas en el cuerpo del huésped sin contacto intercelular. Un estudio reciente demuestra que las OMV disparan las respuestas inmunes y de defensa del huésped de la cepa probiótica EcN, la cual entra en las células intestinales por endocitosis. La EcN también está involucrada en la respuesta inmune de la microbiota intestinal incluyendo macrófagos, células epiteliales, células dendríticas y la regulación al alza de citoquinas pro-inflamatorias (IL-6, IL-8, IL-1β).

   Los Enterococcus son bacterias gram-positivas de la familia de bacterias ácido láctico. Algunas cepas de Enterococcus actúan como agentes anti-tumor y anti-cáncer y modulan el sistema inmune. La cepa E. faecium del epitelio intestinal humano incrementan el efecto bactericida contra E. coli, el daño de membrana y la lisis celular.  La E. faecium también incrementa la expresión de citoquinas pro-inflamatorias y anti-inflamatorias. Por otra parte, la cepa E. hirae ejerce función de barrera epitelial en el intestino induciendo Th17.

   Saccharomyces es una levadura probiótica no patógena usada comercialmente en la producción de alimentos probióticos. Varios estudios demuestran que S. cerevisiae y S. boulardii incrementan la proporción de Bacteroidetes en la composición de la microbiota intestinal y disminuyen la abundancia relativa de Firmicutes y Proteobacteria. Adicionalmente, estas levaduras tienen la capacidad para prevenir la inflamación incrementando la producción de ácidos grasos de cadena corta. 

   En conclusión, las bacterias probióticas forman una población reproducible de la microbiota intestinal.  Varias especies probiótica previenen enfermedades degenerativas, incluyendo obesidad, diabetes, cáncer, enfermedad cardiovascular, enfermedades hepáticas y enfermedad intestinal inflamatoria. Los probióticos también modulan la composición de la microbiota intestinal, la función de barrera de la mucosa intestinal y la producción de citoquinas. 

Fuente: Azad AK et al (2018). Probiotic species in the modulation of gut microbiota: an overwiev. BioMed Research International Article ID 9478630.