UNIVERSIDAD DE COSTA RICA SISTEMA DE ESTUDIOS DE POSGRADO MICROBIOMA INTESTINAL HUMANO: PAPEL EN EL DESARROLLO Y MODULACIÓN DEL SISTEMA INMUNOLÓGICO Y RELACIÓN CON EL EJE INTESTINO-PULMÓN EN EL DESARROLLO DE INFECCIONES A NIVEL RESPIRATORIO. Trabajo final de graduación sometido a la consideración de la Comisión del Programa de Estudios de Posgrado en Especialidades en Microbiología para optar al grado y título de Especialista en Bacteriología Médica NATASHA TAMES ROBLES Ciudad Universitaria Rodrigo Facio, Costa Rica 2024 ii DEDICATORIA A Agui por estar a mi lado en cada meta, siempre dándome todo el amor y apoyo del mundo. A Lunita y Lucianito por darme el mejor título que puedo tener. iii AGRADECIMIENTOS A mi familia por siempre apoyarme en cada una de mis metas y motivarme a cumplir cada una de ellas. Especialmente a mis papás por darme todas las oportunidades, amor y apoyo para convertirme en lo que soy hoy. A Diego por toda la ayuda y guía durante el desarrollo de este trabajo, a Daniel y Ricardo por ser parte de este proceso. A mis compañeros de especialidad por crear un grupo tan lindo durante este proceso del posgrado. A mis compañeras de trabajo por apoyarme y darme ánimos para terminar este trabajo. iv HOJA DE APROBACIÓN Este Trabajo Final de Graduación fue aceptado por la Comisión del Programa de Posgrado en Especialidades en Microbiología de la Universidad de Costa Rica, como requisito parcial para optar el grado y título de Especialista en Bacteriología Médica. Esp.Diego Elizondo Wallace Tutor PhD. Ricardo Gutiérrez Cruz Lector Esp. Daniel Cascante Serrano Lector Natasha Tames Robles Sustentante v TABLA DE CONTENIDOS DEDICATORIA .................................................................................................................. II AGRADECIMIENTOS ...................................................................................................... III HOJA DE APROBACIÓN ................................................................................................IV RESUMEN .......................................................................................................................VII ABSTRACT ....................................................................................................................VIII LISTA DE TABLAS ..........................................................................................................IX LISTA DE FIGURAS ......................................................................................................... X LISTA DE ABREVIATURAS ............................................................................................XI INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 1 JUSTIFICACIÓN ................................................................................................................. 1 PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN ......................................................................................... 4 HIPÓTESIS ....................................................................................................................... 4 OBJETIVOS ...................................................................................................................... 5 OBJETIVO GENERAL ......................................................................................................... 5 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................................. 5 ANTECEDENTES.............................................................................................................. 6 1. MICROBIOMA HUMANO .............................................................................................. 6 2. MICROBIOMA INTESTINAL .......................................................................................... 7 3. FUNCIONES DEL MICROBIOMA INTESTINAL ................................................................. 9 4. DISBIOSIS INTESTINAL ............................................................................................. 11 5. MICROBIOMA INTESTINAL, SISTEMA INMUNE Y SISTEMA RESPIRATORIO .................... 13 METODOLOGÍA .............................................................................................................. 16 CAPÍTULO I: EL MICROBIOMA INTESTINAL EN EL DESARROLLO Y MODULACIÓN DEL SISTEMA INMUNE ....................................................................... 17 vi CAPÍTULO II. PAPEL DE LOS ANTIBIÓTICOS COMO CAUSANTES DE DISBIOSIS INTESTINAL Y SU RELACIÓN CON ALTERACIONES EN LA RESPUESTA INMUNE. ......................................................................................................................................... 25 CAPITULO III. PAPEL DE LOS PROBIÓTICOS EN EL DESEMPEÑO DEL SISTEMA INMUNOLÓGICO. ........................................................................................................... 33 CAPÍTULO IV. EJE INTESTINO-PULMÓN Y SU ASOCIACIÓN CON INFECCIONES A NIVEL RESPIRATORIO .............................................................................................. 40 LIMITACIONES ............................................................................................................... 52 CONCLUSIONES ............................................................................................................ 53 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................... 55 vii RESUMEN Esta revisión describe los mecanismos, microorganismos y metabolitos que desempeñan funciones indispensables para el correcto desarrollo y modulación del sistema inmunológico de manera local y sistémica, desde el nacimiento hasta la etapa adulta. La influencia del microbioma en la inmunidad del ser humano se da mediante la interacción de las bacterias que colonizan el intestino y los metabolitos producidos con diferentes componentes del sistema inmunológico. Por lo tanto, el microbioma intestinal, como ecosistema y elemento clave en la salud humana, posee un papel esencial en la inmunidad del ser humano. La integridad del microbioma, así como su capacidad de realizar una función inmunomoduladora, se puede alterar en diferentes niveles y por diferentes factores. El uso de antibióticos se presenta como un disruptor del equilibrio y la diversidad microbiana. Se describen los efectos de estos fármacos en la inmunidad del huésped y cómo pueden causar respuestas inmunitarias deficientes. A su vez, se explora cómo el consumo de diferentes cepas probióticas favorece el desempeño del sistema inmunológico, y la posibilidad de mitigar o prevenir las consecuencias de la disbiosis intestinal en la inmunidad del ser humano. El tracto respiratorio inferior ya no se considera como un sitio anatómico estéril. En cambio, se han detallado las poblaciones microbianas que se encuentran colonizando este órgano, consolidando un ecosistema que favorece la salud del huésped, la predisposición a infecciones y su desenlace. Se describe cómo el microbioma intestinal y el microbioma respiratorio se encuentran en estrecha comunicación, formando el denominado “eje intestino pulmón”, y en el cual, la interrupción del balance de alguno de estos ecosistemas puede desencadenar deficiencias en el desarrollo de la respuesta inmunológica, aumentando las probabilidades de desarrollar diferentes infecciones pulmonares. viii ABSTRACT In this review, the mechanisms, microorganisms, and metabolites that play indispensable roles in the proper development and modulation of the immune system are described, both locally and systemically, from birth to adulthood. The influence of the microbiome on human immunity occurs through the interaction of bacteria that colonize the intestine, and the metabolites produced with different components of the immune system. Therefore, the intestinal microbiome, as an ecosystem and a key element in human health, has an essential role in human immunity. The integrity of the microbiome, as well as its ability to perform this immunomodulatory function, can be altered at different levels and by various factors. The use of antibiotics is presented as a disruptor of microbial balance and diversity. The effects of these drugs on host immunity are described, along with how they can cause deficient immune responses. Additionally, the consumption of different probiotic strains is explored for its benefits on immune system performance and the possibility of mitigating or preventing the consequences of intestinal dysbiosis on human immunity. On the other hand, the lower respiratory tract is no longer considered an aseptic anatomical site. The microbial populations colonizing this organ are detailed, establishing an ecosystem that supports host health, predisposition to infections, and their outcomes. It is described how the intestinal microbiome and the respiratory microbiome are in close communication, forming the so-called "gut-lung axis," in which the disruption of the balance of either of these ecosystems can trigger deficiencies in the development of immune responses, increasing the likelihood of developing various pulmonary infections. ix LISTA DE TABLAS TABLA 1. EFECTOS DEL MICROBIOMA SOBRE LAS DIFERENTES RESPUESTAS INMUNITARIAS EN SITIOS ANATÓMICOS MUCOSOS Y NO MUCOSOS. ......................................................................................................... 18 TABLA 2. EFECTOS DE DIFERENTES GÉNEROS PERTENECIENTES A LA MICROBIOTA INTESTINAL SOBRE LA INMUNIDAD SISTÉMICA. .............................................................................................................. 20 TABLA 3. EFECTOS DE DIFERENTES TIPOS DE ANTIBIÓTICOS SOBRE LA DIVERSIDAD DEL MICROBIOMA INTESTINAL. .............................................................................................................................................. 26 TABLA 4. GÉNEROS Y ESPECIES BACTERIANAS QUE SE UTILIZAN COMÚNMENTE COMO PROBIÓTICOS. .............. 33 TABLA 5. EFECTOS DE LOS PROBIÓTICOS SOBRE LA RESPUESTA INMUNOLÓGICA. .......................................... 35 TABLA 6. CAMBIOS EN LA MICROBIOTA INTESTINAL ASOCIADOS A LA INFECCIÓN POR DIFERENTES PATÓGENOS RESPIRATORIOS. ........................................................................................................................ 44 x LISTA DE FIGURAS FIGURA 1. COMPOSICIÓN DEL MICROBIOMA POR GÉNEROS BACTERIANOS SEGÚN EL SITIO ANATÓMICO DEL TGI. TOMADO DE: RUAN ET AL., 2020. ................................................................................................. 8 FIGURA 2. METABOLITOS PRODUCIDOS POR LAS BACTERIAS INTESTINALES QUE MEDIAN INTERACCIONES CON OTROS MICROORGANISMOS Y CON EL HUÉSPED. TOMADO DE: RUAN ET AL., 2020. ............................. 10 FIGURA 3. EFECTOS DEL MICROBIOMA INTESTINAL SOBRE LA MODULACIÓN Y DESARROLLO DEL SISTEMA INMUNOLÓGICO (ELABORACIÓN PROPIA, 2024; CREADO CON BIORENDER.COM). BASADO EN LA INFORMACIÓN DE BRISEÑO ET AL., 2018; CERF-BENSUSSAN & GABORIAU-ROUTHIAU, 2010; YEŞILYURT ET A ......................................................................................................................................... 23 FIGURA 4. EFECTOS DE LOS ANTIBIÓTICOS SOBRE EL MICROBIOMA INTESTINAL Y LA RESPUESTA INMUNOLÓGICA (ELABORACIÓN PROPIA, 2024; CREADO CON BIORENDER.COM). BASADO EN LA INFORMACIÓN DE COX ET AL., 2014; FRANCINO, 2016; PATEL ET AL., 2021; SENCIO ET AL., 2022. ......................................... 30 FIGURA 5. EFECTOS DE LOS PROBIÓTICOS SOBRE LA INMUNIDAD DEL HUÉSPED (ELABORACIÓN PROPIA, 2024; CREADO CON BIORENDER.COM). BASADO EN LA INFORMACIÓN DE SHAHBAZI ET AL., 2020; YEŞILYURT ET AL., 2021; ZHANG ET AL., 2019. ................................................................................................. 37 FIGURA 6. POSIBLES EFECTOS BENEFICIOSOS DE LOS POSBIÓTICOS SOBRE EL SISTEMA INMUNOLÓGICO DEL HUÉSPED (ELABORACIÓN PROPIA, 2024; CREADO CON BIORENDER.COM). BASADO EN LA INFORMACIÓN DE YEŞILYURT ET AL., 2021. ........................................................................................................ 38 FIGURA 7. MICROORGANISMOS QUE SE ENCUENTRAN COLONIZANDO EL TRACTO RESPIRATORIO (ELABORACIÓN PROPIA, 2024; CREADO CON BIORENDER.COM). BASADO EN LA INFORMACIÓN DE TAYLOR ET AL., 2016; WYPYCH ET AL., 2019. .............................................................................................................. 42 FIGURA 8. PRINCIPALES VÍAS DE COMUNICACIÓN EN EL EJE INTESTINO-PULMÓN QUE FAVORECEN LA INMUNIDAD PULMONAR (ELABORACIÓN PROPIA, 2024; CREADO CON BIORENDER.COM). BASADO EN LA INFORMACIÓN DE WYPYCH ET AL., 2019; SHAHBAZI ET AL., 2020. ........................................................................ 46 xi LISTA DE ABREVIATURAS ADN: Ácido Desoxirribonucleico CD: Células Dendríticas GABA: Ácido Gamma-Aminobutírico GALT: Tejido linfoide asociado a la mucosa intestinal GF: Germ-Free HDAC: Histona desacetilasas HMP: Human Microbiome Project IFN-γ: Interferón Gamma IgA: Inmunoglobulina A IgG: Inmunoglobulina G IgE: Inmunoglobulina E IL-1 β: Interleucina 1 beta IL-2: Interleucina 2 IL-4: Interleucina 4 IL-6: Interleucina 6 IL-10: Interleucina 10 IL-12: Interleucina 12 IL-15: Interleucina 15 IL-17: Interleucina 17 IL-22: Interleucina 22 IL-23: Interleucina 23 LCFA: Ácidos grasos de cadena larga LPS: Lipopolisacárido MetaHIT: METAgenomics of the Human Intestinal Tract MHC: Complejo mayor de histocompatibilidad NET: Trampas Extracelulares de Neutrófilos NF-kB: factor nuclear kappa B NK: Natural Killer OMS: Organización Mundial de la Salud PAMPS: Patrones Moleculares Asociados a Patógenos xii RANKL: Receptor activador del NF-kB SCFA: Ácidos grasos de cadena corta Tfh: Células T cooperadoras foliculares TGF-β: Factor de crecimiento transformante beta TGI: Tracto Gastrointestinal TMAO: TNF: N-óxido de trimetilamina Factor de necrosis tumoral TNF-β: Factor de necrosis tumoral β TLR: Receptores Tipo Toll TLR2: Receptores Tipo Toll2 Treg: Célula T reguladora TRI: Tracto Respiratorio Inferior TRS: Tracto Respiratorio Superior 1 INTRODUCCIÓN Justificación A lo largo de los años, el enfoque principal del estudio del microbioma ha sido centrado en la comprensión del papel en la salud o la enfermedad del ser humano (Ruan et al., 2020), demostrando que el cuerpo humano y el microbioma interactúan de forma equilibrada y sistemática (Ogunrinola et al., 2019). A su vez, se ha descrito que las alteraciones en la composición del microbioma humano (llamado disbiosis), así como las interacciones con diferentes sistemas del cuerpo, como el inmunitario, endocrino y nervioso, se correlacionan con una amplia gama de enfermedades (Gilbert et al., 2018). De esta forma, se ha evidenciado que la disbiosis intestinal está directamente relacionada con alteraciones a nivel inmunitario (Ruan et al., 2020), y a su vez, se ha determinado que el microbioma tiene la capacidad de modificar las respuestas epiteliales y sistémicas que permiten el desarrollo y la actividad del sistema inmunológico (Young, 2017). Una gran cantidad de estudios inmunológicos han evidenciado una carencia del componente “microbioma”, a pesar de su rol esencial en la relación entre la respuesta inmune y su efectiva colonización (Blalock & Smith, 2007; Moraes-Pinto et al., 2021; Levy et al., 2017; Ramiro-Puig et al., 2008). Mientras que, los estudios del microbioma sí han presentado evidencias sobre el papel de la colonización microbiana en el desarrollo y la modulación del sistema inmunológico (Cebra, 1999; Gensollen et al., 2016; Gilbert et al., 2018; Kamada & Núñez, 2013; Levy et al., 2017). A grandes rasgos, se ha determinado que el microbioma presenta un repertorio de señales y mecanismos por los cuales se puede ver afectada la activación y modulación del sistema inmunológico (Ubeda & Pamer, 2012) y, durante la última década, las investigaciones sobre la interacción de estos dos elementos han permitido establecer una gran cantidad de mecanismos por los cuales el microbioma afecta tanto la respuesta inmune innata como la adaptativa (Gensollen et al., 2016; Kamada & Núñez, 2013; Levy et al., 2017; Takiishi et al., 2017). Un gran número de publicaciones determinan que la disbiosis intestinal se encuentra relacionada con el desarrollo y predisposición de diferentes enfermedades, tanto metabólicas como inflamatorias o infecciosas (Arrieta et al., 2014; Degruttola et al., 2016; 2 Levy et al., 2017; Li et al., 2019).); sin embargo, se debe considerar que estos estudios no logran establecer causalidad, ya que se centran únicamente en las manifestaciones clínicas y/o pronóstico de las enfermedades que cursan con alteraciones del microbioma (Konstantinidis et al., 2020) y no en el rol específico del microbioma en el desarrollo o pronóstico de la enfermedad. A su vez, estudios recientes han buscado entender el efecto de la disbiosis intestinal, así como el de los antibióticos y probióticos, sobre las alteraciones de la respuesta inmunitaria (Ubeda & Pamer, 2012). Se considera que, además de la influencia en el microbioma por las condiciones específicas de la población y los efectos ambientales, el uso de probióticos y antibióticos pueden influir en la composición bacteriana, así como el correcto funcionamiento de la microbiota. De esta forma, los probióticos podrían ofrecer una comunidad microbiana “más equilibrada”, mientras que los antibióticos podrían disminuir la diversidad microbiana, causar disbiosis (Konstantinidis et al., 2020), y esto podría conllevar a deficiencias inmunológicas. Siendo el microbioma un área de estudio que se mantiene en crecimiento, se ha observado un aumento en las investigaciones sobre cómo la microbiota influye en la inmunidad de los sitios distales, en particular, cómo la microbiota intestinal puede afectar otros órganos, como el cerebro, el hígado o los pulmones (Budden et al., 2017). Por ejemplo, se describe que la interrupción del funcionamiento normal del eje intestino- pulmón se ha relacionado con una mayor susceptibilidad a enfermedades e infecciones de las vías respiratorias (Dang & Marsland, 2019), de manera que en esta revisión se profundiza en la composición de microbioma respiratorio, el funcionamiento del eje intestino-pulmón y las consecuencias de la perturbación de ambos ecosistemas. En general, es ampliamente reconocida la relevancia del microbioma, específicamente el intestinal, como parte de la salud integral del huésped; sin embargo, pocas veces se profundiza en los mecanismos por los cuales cumple las diferentes funciones en nuestro cuerpo y los microorganismos específicos involucrados. Por lo que en el presente estudio se plantea que es esencial describir en detalle cómo el microbioma modula y entrena nuestro sistema inmunitario local y el efecto de estas interacciones tiene efectos de forma distal en diferentes sitios anatómicos. Por otro lado, se busca entender y promover el uso correcto de los probióticos, conociendo sus beneficios reales basados en evidencia científica. 3 Lo documentado en esta revisión podría impulsar alternativas terapéuticas y nuevos enfoques clínicos a diferentes enfermedades que, de manera habitual, no consideran al microbioma como un factor determinante en el pronóstico y tratamiento. Las interacciones entre el eje intestino-pulmón y su posible papel en las infecciones respiratorias no están ampliamente descritas para su aplicación en el ámbito clínico. 4 Pregunta de investigación ¿Cuál es el papel del microbioma intestinal humano en el desarrollo y la modulación del sistema inmunológico y cómo esta interacción se relaciona con el desarrollo de infecciones a nivel pulmonar? Hipótesis El microbioma intestinal humano interactúa de manera estrecha con diversos componentes inmunitarios, participando en el desarrollo y la modulación correcta de la respuesta inmune. Por lo tanto, las alteraciones en la composición del microbioma están relacionadas a deficiencias en la respuesta inmune, que a su vez pueden relacionarse con diferentes infecciones a nivel pulmonar. 5 OBJETIVOS Objetivo general Describir el papel del microbioma intestinal humano en el desarrollo y modulación del sistema inmunológico, así como la relación con el eje intestino-pulmón en el desarrollo de infecciones a nivel respiratorio. Objetivos específicos 1. Analizar la relación del microbioma intestinal con el desarrollo del sistema inmunológico. 2. Determinar el impacto de los antibióticos como causantes de disbiosis intestinal y su relación con alteraciones en la respuesta inmune. 3. Evaluar el posible efecto beneficioso de los probióticos en el desempeño del sistema inmunológico. 4. Describir las interacciones del eje intestino-pulmón con el sistema inmunológico humano y su relación en el desarrollo de infecciones a nivel respiratorio. 6 ANTECEDENTES 1. Microbioma humano La microbiota del ser humano es la comunidad de microorganismos que habita un sitio anatómico en específico (Young, 2017). El microbioma humano, a su vez, se define como la comunidad microbiana que se encuentra en un hábitat específico en el cuerpo humano, incluyendo en esta definición el entorno en el que se encuentran, sus características genéticas e interacciones con el hospedero (Young, 2017). La colonización microbiana del ser humano inicia desde el nacimiento y continúa desarrollándose y modulando en abundancia de especies durante al menos tres años, hasta que la microbiota se considera adulta (Arrieta et al., 2014). Durante este período, se experimentan cambios en el desarrollo que influyen tanto en el estado de salud como en el sistema inmunológico (Arrieta et al., 2014; Levy et al., 2017). Las células bacterianas que colonizan al ser humano son más abundantes que las propias células somáticas, en una proporción aproximada de 1.3 células bacterianas por célula somática, y constituyen del 1 al 3% del peso corporal; además, cada cepa bacteriana posee un genoma compuesto por miles de genes que ofrecen gran diversidad genética al genoma humano (Gilbert et al., 2018). De esta forma, el microbioma puede presentar gran plasticidad y a la vez ser muy estable durante un largo período y en respuesta a diferentes estímulos. A simple vista, este comportamiento dinámico o estable del microbioma puede ser complicado, sin embargo, si se considera su comportamiento como un ecosistema, se logra entender que todos los ecosistemas sufren variaciones en densidad y diversidad poblacional a lo largo del tiempo (Gilbert et al., 2018). En los distintos sitios anatómicos, como la piel, la cavidad bucal, el tracto gastrointestinal (TGI), respiratorio (TR) y genitourinario, se encuentran diferentes géneros bacterianos que conforman el microbioma específico de cada zona (Ruan et al., 2020), en donde la mayoría de microorganismos pertenecen a cinco grupos principales: Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria, Proteobacteria y Verrucomicrobia (Konstantinidis et al., 7 2020). Particularmente, el TGI es el sitio anatómico que posee mayor diversidad y cantidad de microorganismos (Ruan et al., 2020). El microbioma de cada sitio puede presentar variaciones causadas por la competencia microbiana entre especies y patrones metabólicos diversos, los cuales se ven influenciados por cambios en el sistema inmunológico, en los patrones dietéticos, así como por la exposición a diferentes microorganismos del ambiente (Gilbert et al., 2018). 2. Microbioma intestinal El TGI está conformado por una gran variedad y cantidad de microorganismos y posee una comunidad microbiana compleja, compuesta por aproximadamente 100 billones (1014) de microorganismos (Yurist et al., 2014). A su vez, se estima que está colonizado por 1000 especies bacterianas con aproximadamente 2000 genes por especie (Gilbert et al., 2018). De esta forma, la composición microbiana de un individuo se estabiliza durante el primer año de vida y permanece prácticamente sin cambios durante las etapas adultas, a menos que sea desequilibrado por tratamientos antibióticos, enfermedades, estilo de vida y dieta (Yurist et al., 2014; Ruan et al., 2020). Dentro del TGI, las composiciones microbianas varían según el sitio anatómico (Figura 1) (Ruan et al., 2020), por ejemplo, las bacterias que se encuentran en las heces son diferentes a las que se encuentran adheridas a las mucosas (Yurist et al., 2014). Algunos proyectos como el Human Microbiome Project (HMP) y Metagenomics of the Human Intestinal Tract (MetaHIT) fueron los primeros en definir la composición y función del microbioma humano saludable (Ruan et al., 2020). La composición del microbioma intestinal es muy variable entre individuos (Yurist et al., 2014), siendo representada principalmente por bacterias, por lo que los estudios se refieren casi siempre a la composición bacteriana. A nivel de género, la diversidad es tan alta que, en el HMP, no se encontraron dos muestras de heces (de 250 analizadas) que tuvieran la misma composición (Yurist et al., 2014). 8 Figura 1. Composición del microbioma por géneros bacterianos según el sitio anatómico del TGI. Tomado de: Ruan et al., 2020. En condiciones saludables, la microbiota intestinal es estable a lo largo de la vida humana, siendo más diversa y compleja durante la edad adulta, y de este modo menos diversa e inestable en bebés y adultos mayores (D’Argenio & Salvatore, 2015). De esta forma, se describe que las principales familias bacterianas que se establecen durante el desarrollo del microbioma son: Enterobacteriaceae al momento del nacimiento, durante el primer mes de vida se observa un predominio de Bifidobacteriaceae y posterior a los seis meses, se observa un aumento de las especies pertenecientes a las familias Lachnospiracea, Clostridiaceae, y Ruminococcaceae. Por último, a la edad de tres años, la composición del microbioma consiste principalmente en Bacteroidaceae, Lachnospiraceae, Ruminococcaceae (Arrieta et al., 2014). De forma más específica, 9 predominan (>109 UFC/g) las bacterias anaerobias de los géneros Bacteroides, Eubacterium, Bifidobacterium, Peptostreptococcus, Ruminococcus, Clostridium y Propionibacterium, mientras que en menor cantidad (<109 UFC/g) se pueden encontrar bacterias como Escherichia coli, Streptococcus, Enterococcus, Lactobacillus, Fusobacterium, Desulfovibrio y Methanobrevibacter (Mariat et al., 2009). Sin embargo, la composición a nivel de especies varía entre individuos a lo largo de su desarrollo y puede verse afectada tanto por factores ambientales como por la genética del huésped (Das & Nair, 2019), A pesar de la alta variabilidad en composición entre individuos, la metagenómica ha permitido establecer similitudes entre sujetos, al comparar vías metabólicas dentro de los genes microbianos (Yurist et al., 2014). Se ha observado que, en adultos sanos, cerca del 98% de la microbiota intestinal pertenece a los filos Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria y Proteobacteria (Budden et al., 2017; Das & Nair, 2019). Además, se determinó una relación positiva entre el equilibrio de Firmicutes y Bacteroidetes de gran relevancia en la composición del microbioma intestinal y en la salud del ser humano (Mariat et al., 2009) 3. Funciones del microbioma intestinal El microbioma intestinal es un elemento clave en muchos aspectos de la salud humana (Valdes et al., 2018). La comunidad microbiana que habita el TGI convive en mutualismo con el ser humano, en una relación en la que las bacterias se benefician del microambiente rico y estable en nutrientes y, a su vez, realizan funciones importantes para el huésped (Dang & Marsland, 2019). En general, algunas funciones facilitadas por el microbioma incluyen: digestión, fermentación de componentes alimenticios no digeribles, eliminación de compuestos tóxicos, síntesis de vitaminas esenciales, fortalecimiento de la barrera intestinal, estimulación del sistema inmunológico y protección contra agentes patógenos (Heintz-Buschart & Wilmes, 2018). El metabolismo bacteriano resulta en diferentes productos liberados al TGI que influyen directamente en la salud humana (Ruan et al., 2020; Cani, 2018; Youn et al., 2020). Estos productos pueden cumplir diversas funciones, ya sea interactuando con el 10 huésped como con otros microorganismos. Por ejemplo, las bacterias pueden liberar bacteriocinas, peróxido de hidrógeno y ácido láctico a partir de las señales de quorum sensing y así modular las interacciones con otros microorganismos (Ruan et al., 2020). A su vez, producen metabolitos importantes para el huésped como ácido gamma- aminobutírico (GABA), metabolitos de triptófano, histamina, poliaminas, serpinas, vitaminas, ácidos grasos de cadena corta (SCFA), ácidos grasos de cadena larga (LCFA) y vesículas de membrana externa, los cuales tienen efectos sobre el epitelio, las células inmunitarias, las neuronas entéricas y el mesénquima (Figura 2) (Ruan et al., 2020). Con respecto a otros metabolitos producidos, se pueden mencionar el folato, indol, ácidos biliares, el N-óxido de trimetilamina (TMAO), y neurotransmisores como la serotonina (Cani, 2018). Figura 2. Metabolitos producidos por las bacterias intestinales que median interacciones con otros microorganismos y con el huésped. Tomado de: Ruan et al., 2020. Con respecto a la producción de SCFA, principalmente acetato, propionato y butirato, se producen durante la fermentación de sustratos no digeribles por el ser humano, como las fibras dietéticas. Las bacterias de los géneros Ruminococcus, Blautia y Prevotella se encargan de fermentar la fibra produciendo sustratos que son aprovechados por las 11 especies productoras de SCFA como Faecalibacterium, Eubacterium, Roseburia y Anaerostipes (Valdes et al., 2018; Mohajeri et al., 2018). Los SCFA se producen en las condiciones anaerobias del intestino grueso junto a gases de sulfuro de hidrógeno, monóxido de carbono, amoniaco, hidrógeno, metano y dióxido de carbono (Mohajeri et al., 2018). En general, los SCFA activan receptores acoplados a proteína G presentes en gran diversidad de células, incluidas las células dendríticas (CD), mastocitos, células epiteliales intestinales y macrófagos (Mohajeri et al., 2018). Por esto, se considera que poseen múltiples efectos beneficiosos, tales como: la homeostasis energética, regulación de la respuesta inmune e inflamatoria, regulación hormonal, regulación a nivel del sistema nervioso central, entre otros (Mohajeri et al., 2018). De forma detallada, el propionato se traslada al hígado, en donde permite la regulación de la gluconeogénesis y la señalización de saciedad, a través de receptores de ácidos grasos en el intestino. El acetato, al ser el SCFA más abundante, se convierte en un metabolito esencial para el crecimiento de otras bacterias y al mismo tiempo se utiliza en el metabolismo del colesterol (Valdes et al., 2018). A grandes rasgos, la microbiota brinda protección al huésped al desplazar a los microorganismos patógenos mediante la competencia de nutrientes y promover la producción de péptidos antimicrobianos e inmunoglobulina A (IgA) secretora, fortaleciendo así la barrera intestinal. A su vez, metaboliza compuestos de la dieta, realiza la síntesis de diferentes vitaminas como la biotina y el folato, y permite la fermentación de residuos no digeribles de la dieta (Briseño et al., 2018). De igual forma, la microbiota permite el desarrollo y la función correcta del sistema inmunológico mediante la interacción directa con células inmunitarias y la estimulación de la secreción de diferentes componentes inmunitarios (Yu et al., 2018). 4. Disbiosis intestinal El enfoque principal de los estudios del microbioma se ha centrado en la comprensión de su impacto en la salud y enfermedad del huésped, lo que ha llevado a prestar atención a la disbiosis (Ruan et al., 2020). Se describe la disbiosis como las alteraciones en la 12 composición y funciones del microbioma, causadas por factores ambientales y propios del huésped (Levy et al., 2017). De esta forma, una gran cantidad de investigaciones científicas han buscado relacionar diferentes enfermedades o condiciones específicas con desequilibrios en el desarrollo del microbioma intestinal, evaluando si la disbiosis juega un papel en la patogénesis, predisposición y evolución de diferentes enfermedades o si, por el contrario, la disbiosis se origina como producto de la enfermedad (Arrieta et al., 2014; Levy et al., 2017; Li et al., 2019). Se ha comprobado que los microorganismos presentes en el TGI de las personas sanas son distintos a los de personas que padecen alguna enfermedad (Alarcón, González & Castro, 2016). La disbiosis generalmente se caracteriza por un aumento relativo de los patobiontes, que corresponde a microorganismos potencialmente patógenos. Estos suelen ser poco abundantes en la microbiota del ser humano, pero pueden proliferar cuando se altera el ecosistema natural. Se ha observado una disminución de microorganismos comensales causada por el crecimiento excesivo de los patobiontes, provocando con frecuencia la reducción o pérdida completa de otros miembros de la microbiota (Levy et al., 2017). En general, se pueden observar dos tipos de disbiosis: taxonómica y funcional. En la disbiosis taxonómica, se desequilibra la composición de las especies microbianas, se pierde diversidad y como resultado hay una mayor abundancia de agentes patógenos. La disminución de la diversidad se puede observar en diferentes niveles taxonómicos como filo, clase, género o incluso especie. Por otro lado, en la disbiosis funcional, radica en diferencias en los metabolitos producidos y no así en la composición microbiana (Das & Nair, 2019). La disbiosis en los primeros años de vida puede aumentar el riesgo de desarrollo de algunas enfermedades, lo que ha permitido plantear la hipótesis de que, en cierto momento crítico, los cambios en el microbioma son más influyentes en el desarrollo del sistema inmunológico. Por ejemplo, se han identificado alteraciones en la colonización intestinal en bebés, que posteriormente desarrollan enfermedades como asma, alergias, Diabetes Mellitus tipo 1 y enfermedad inflamatoria intestinal (Laforest-Lapointe & Arrieta, 2017). También se ha asociado la disbiosis con otros trastornos de salud, tales como: la enfermedad intestinal inflamatoria, desnutrición, trastornos metabólicos, asma y enfermedades neurodegenerativas (Das & Nair, 2019). 13 Se han propuesto varios factores de riesgo para la disbiosis intestinal. Por ejemplo, los aspectos relacionados al tipo de nacimiento, el uso de fórmula en lugar de la lactancia materna, las dietas altas en azúcar, grasas y consumo de alcohol, la exposición al entorno hospitalario, la exposición a metales pesados y pesticidas, el estrés, entre otros (Capuco et al., 2020; Das & Nair, 2019). De igual forma, el uso de antibióticos se ha asociado a disbiosis, la cual puede resultar en alteraciones a corto y largo plazo (Das & Nair, 2019; Francino, 2016). 5. Microbioma intestinal, sistema inmune y sistema respiratorio La respuesta inmunitaria puede ser dividida en respuesta innata y adaptativa (Jovel et al., 2018). La respuesta innata involucra las barreras mecánicas y componentes de respuesta rápida. Su función más importante es el reclutamiento de las células inmunitarias (macrófagos, neutrófilos, células NK, mastocitos y células dendríticas) al sitio de interés a través de sustancias como citoquinas, quimiocinas, interleucinas, interferones y factores de necrosis tumoral (Lambring et al., 2019; Jovel et al., 2018). Por otro lado, la respuesta inmune adaptativa se relaciona con la memoria inmunológica e involucra componentes celulares como los linfocitos tipo B y T. Las células B maduran en la médula ósea y están involucradas en la producción de anticuerpos y las células T maduran en el timo y se encargan de la propagación de las células B y la regulación general de la respuesta adaptativa (Lambring et al., 2019). Se ha visto que el desarrollo y la maduración del sistema inmune está modulado por el microbioma desde la vida fetal, de manera tal que la microbiota de la madre genera metabolitos que se transfieren al feto y promueven el desarrollo de las células inmunitarias (Nabhani & Eberl, 2020). Después del nacimiento, la microbiota colonizadora impulsa el desarrollo de los tejidos linfoides intestinales y de las células mieloides y linfoides, estableciendo, en el sistema inmunitario, la reactividad que persiste hasta la edad adulta (Nabhani & Eberl, 2020). Cebra (1999) hipotetiza que las bacterias que colonizan el intestino estimulan el desarrollo normal del sistema inmunológico humoral y celular, además, que estas interacciones activan elementos específicos y adaptativos del sistema inmunológico. En consecuencia, se mantiene un estado 14 fisiológico normal de inflamación y activación de los tejidos linfoides asociados al intestino a lo largo de la vida. Por tanto, se ha evidenciado que la microbiota desempeña un papel esencial en el desarrollo y modulación de la respuesta inmune (Malys et al., 2015). Se ha descrito que el microbioma contribuye a mantener la homeostasis inmunológica (Alarcón, González & Castro, 2016). Este equilibrio depende de los componentes y metabolitos microbianos que afectan la maduración del sistema inmune (Dang & Marsland, 2019). En los últimos años de investigación, se han establecido gran cantidad de mecanismos mediante los cuales el microbioma puede influir en la respuesta de inmunidad tanto celular como humoral (Gensollen et al., 2016; Kamada & Núñez, 2013; Levy et al., 2017; Takiishi et al., 2017). Además, el microbioma puede incidir en el sistema inmunitario a través de diferentes señales o metabolitos. En un estado de disbiosis, las alteraciones a nivel microbiano pueden ser detectadas por el huésped, lo que resulta en un cambios en el funcionamiento del sistema inmune (Levy et al., 2017). Se ha observado, tanto en humanos como en ratones que, una escasez de diversidad bacteriana en las primeras etapas de la vida resulta en defectos inmunológicos que se pueden mantener durante la vida adulta y aumentando las posibilidades de desarrollar patologías inflamatorias (Nabhani & Eberl, 2020). En cuanto al microbioma pulmonar, durante mucho tiempo se consideró que los pulmones sanos eran un órgano estéril (Budden et al., 2017). Sin embargo, con ayuda de las metodologías de secuenciación y el enfoque de los estudios sobre microbioma en sitios anatómicos específicos, se ha demostrado la presencia de una microbiota pulmonar característica (Arrieta & Finlay, 2014). La composición microbiana de los pulmones es relativamente baja en número y similar a los sitios anatómicos cercanos. Los microorganismos encontrados posiblemente se adquieren mediante micro aspiraciones desde la cavidad oral (Budden et al., 2017). Aunque hay similitudes en la composición microbiana de la microbiota intestinal y la pulmonar, por ejemplo, el predominio de Bacteroidetes y Firmicutes en ambos sitios anatómicos (Dumas et al., 2018), también se ha evidenciado diferencias como el predominio de proteobacterias en el pulmón, específicamente: Enterobacteriaceae, Ralstonia spp. y Haemophilus spp. (Budden et al., 2017). 15 La alteración de la microbiota pulmonar e intestinal se ha observado en varias enfermedades respiratorias (Dumas et al., 2018; Li et al., 2019; Taylor et al., 201; Zhu et al., 2021). Por ejemplo, la interrupción del funcionamiento normal del eje intestino- pulmón se ha relacionado con mayor susceptibilidad a enfermedades e infecciones de las vías respiratorias (Dang & Marsland, 2019). El eje intestino-pulmón se comporta de manera bidireccional, por lo tanto, las enfermedades pulmonares pueden influir en la composición del microbioma intestinal y viceversa (Sencio, Machado & Trottein, 2021). De esta forma, la microbiota intestinal posee un papel fundamental en la protección contra infecciones respiratorias. En ratones, se ha observado que, en ausencia de la microbiota intestinal, los animales desarrollan respuestas inmunitarias deficientes contra diferentes enfermedades (Levy et al., 2017). A su vez, el consumo oral de probióticos, como Lactobacillus spp. y Bifidobacterium spp., ha demostrado mejora en la incidencia y evolución de las infecciones respiratorias en humanos (Budden et al., 2017). 16 METODOLOGÍA Se realizó una revisión bibliográfica, mediante la búsqueda de artículos científicos, para la recolección y análisis de datos que permitan cumplir con los objetivos de la investigación. Para ello, se procedió con búsquedas en línea en diferentes bases de datos públicas, tales como: PubMed, Science Direct y Google académico. La búsqueda se realizó mediante palabras o frases clave en inglés como “microbiome”, “gut microbiome”, “inmune system”, “microbiome and inmune system interactions”, “respiratory microbiome”, “probiotics benefits”, “probiotics impact”, “antibiotic effects on microbiome”, “respiratory microbiome and inmune system” “microbiome and respiratory infections”, “respiratory microbiome in COVID”, “microbiome in respiratory bacterial infections”. Cada artículo considerado, fue evaluado y analizado con el fin de recopilar la información más importante para esta investigación. Para gestionar los artículos seleccionados, se utilizó el administrador de referencias de Mendeley. 17 CAPÍTULO I: EL MICROBIOMA INTESTINAL EN EL DESARROLLO Y MODULACIÓN DEL SISTEMA INMUNE La colonización microbiana del tracto gastrointestinal se ha relacionado directamente con la inmunidad del huésped, de manera que diferentes estudios han demostrado el papel esencial que cumple la microbiota intestinal en el desarrollo del sistema inmune y sus funciones (Takiishi et al., 2017). Durante la colonización intestinal, se desarrolla, expande y forma el sistema inmunológico, de manera simultánea. Por esto, se hipotetiza que la maduración de la respuesta inmune está influenciada por la presencia de los microorganismos comensales en el TGI (Gensollen et al., 2016). Además, se ha descrito que el sistema inmune tolera la microbiota y, a su vez, la colonización se ve influenciada por las diferentes respuestas inmunes, comportándose como un sistema bidireccional (Yu et al., 2018). Mediante la aglomeración de células inmunitarias, tanto innatas como adaptativas, se permite contener a la microbiota en la mucosa intestinal, mientras que, a su vez, la microbiota estimula la inmunidad sistémica más allá de la mucosa intestinal, incluyendo los principales tejidos inmunitarios como la médula ósea y el bazo (Brown & Clarke, 2017). Estos descubrimientos aumentan el interés por describir los diferentes mecanismos y microorganismos involucrados en la maduración y modulación de las diferentes respuestas inmunitarias a lo largo del desarrollo humano, así como las consecuencias de la disrupción de las poblaciones microbianas. De manera general, la microbiota intestinal favorece las respuestas inmunitarias sistémicas tanto en sitios mucosos como en sitios anatómicos no mucosos (Samuelson, Welsh & Shellito, 2015; Yu et al., 2018). Lo anterior se da a través de mecanismos clave, como: la expansión y homeostasis de las poblaciones de células T extraintestinales y células “natural killers” (NK), la producción de ácidos grasos de cadena corta, el desarrollo de la tolerancia oral, el control de la inflamación, la producción de citoquinas e inmunoglobulinas, entre otras (Samuelson, Welsh & Shellito, 2015; Yu et al., 2018) (Tabla 1). Además, se ha demostrado que la colonización microbiana en un individuo sano estimula la producción de péptidos antimicrobianos e IgA secretora, protegiendo al huésped de patógenos y, a su vez, mantiene la microbiota dentro del lumen intestinal evitando la translocación sistémica de bacterias, previniendo la activación de cascadas proinflamatorias en el epitelio intestinal y permitiendo a la microbiota minimizar la 18 destrucción por parte del sistema inmune (Cerf-Bensussan & Gaboriau-Routhiau, 2010). Se puede establecer que el microbioma influye al sistema inmunológico en diversos niveles de su funcionamiento. Probablemente, diferentes microorganismos tengan roles específicos en la estimulación o modulación del sistema inmune. Por lo tanto, la ausencia de algunas poblaciones microbianas puede afectar vías específicas del desarrollo inmunitario, sin necesariamente alterar por completo todo el proceso de la respuesta inmunológica. Tabla 1. Efectos del microbioma sobre las diferentes respuestas inmunitarias en sitios anatómicos mucosos y no mucosos. Sitio Respuesta inmunitaria Efectos del microbioma Mecanismos Mucoso Innata -Induce la expresión de citoquinas - Interacción directa de los PAMPS con las células inmunitarias Adaptativa -Inhibe la actividad de las células NK -Favorece la homeostasis de las células Treg en el colon -Regula la respuesta Th1 -Inhibición de las histona desacetilasas (HDAC) por metabolitos microbianos -Inhibición de HDAC a través de la vía de señalización de los TLR -Reducen la función estimulante de las células presentadoras de antígeno en sangre periférica No mucoso Innata -Induce la producción de IgA por los linfocitos B intestinales -Influye en la proliferación de las células Treg y el cebado de las células NK -Interacción de la microbiota con las células dendríticas (CD) -Metilación del ADN 19 Sitio Respuesta inmunitaria Efectos del microbioma Mecanismos -Estimula la actividad antimicrobiana de los macrófagos -Activa la función fagocítica de los neutrófilos -Inducción de citoquinas -Mediante la vía de señalización Nod1 Adaptativa - Controla la expresión de la inflamación central y los genes que modulan la función de las células NK -Metilación del ADN Tomado de Yu et al., 2018 Para entender los posibles efectos de la microbiota intestinal sobre el sistema inmune, se han realizado estudios en animales, específicamente ratones libres de gérmenes (GF o “germ free”), en los que se ha evidenciado que la rápida colonización microbiana en el tracto intestinal en los primeros años de vida juega un papel necesario en el desarrollo idóneo del sistema inmunológico (Dimmitt et al., 2010; Round & Mazmanian, 2009; Takiishi et al., 2017). De estos modelos animales, se ha obtenido información valiosa que permite describir diversos mecanismos y microorganismos involucrados en el desarrollo y funcionamiento adecuado del sistema inmunitario, así como los efectos sobre la inmunidad cuando se induce la disbiosis en los experimentos. Aunque estos estudios proporcionan información relevante, se debe tomar en cuenta que, el microbioma como ecosistema, puede comportarse de manera distinta en ambientes controlados de laboratorio. Estos ensayos solo permiten describir mecanismos puntuales y específicos, y no así el funcionamiento de la inmunidad en su totalidad. La forma habitual en que la microbiota regula el sistema inmunológico es mediante el control y desarrollo de las funciones inmunitarias, influyendo, por ejemplo, en la cantidad de células inmunitarias que se producen (Yu et al., 2018). Así mismo, la maduración del tejido linfoide asociado al intestino (GALT), el reclutamiento de células plasmáticas secretoras de IgA y células T activadas en sitios específicos de la mucosa, dependen rigurosamente de las señales derivadas de la microbiota intestinal. Estas señales 20 influyen en el equilibrio entre las células epiteliales y las CD intestinales, modulando la naturaleza e intensidad de las respuestas inmunitarias de las células T y B. En cuanto a las CD, se ha demostrado que algunas especies bacterianas específicas inducen su maduración y les confieren características antiinflamatorias mediante la polarización de las células T a células T reguladoras, al aumentar la producción de IL-10 en el intestino de los ratones (Cerf-Bensussan & Gaboriau-Routhiau, 2010). Las señales producidas por la microbiota intestinal influyen en el desarrollo inicial de las células B y en la producción de inmunoglobulinas intestinales (Yu et al., 2018). En ratones inmunocompetentes, la colonización intestinal estimula la producción IgA secretora, la diferenciación de las células T en TH1, TH2 y TH17 y el correcto desarrollo de las células T reguladoras, lo cual se ha demostrado que depende de la interacción directa entre el sistema inmune y la microbiota intestinal (Cerf-Bensussan & Gaboriau- Routhiau, 2010; Francino, 2016). Por lo tanto, los microorganismos presentes en la microbiota propician la producción y liberación de distintos compuestos inmunitarios relacionados con la función correcta de la respuesta inmunitaria tipo Th1, mediante la estimulación de la IL-1β que induce la formación de IL-17 a partir de las células Th-17 (Yeşilyurt et al., 2021). De manera específica, géneros como Lactobacillus y Bifidobacterium protegen directamente al huésped de la colonización por patógenos mediante la competencia de nutrientes, evitando su proliferación y estimulando la producción de mucina para evitar la adherencia de los patógenos al intestino (Yeşilyurt et al., 2021), mientras que se han descrito otros filos, familias, géneros e incluso especies bacterianas que impactan directamente sobre la inmunidad sistémica (Tabla 2) (Samuelson, Welsh & Shellito, 2015). Tabla 2. Efectos de diferentes géneros pertenecientes a la microbiota intestinal sobre la inmunidad sistémica. Microorganismo Efecto Bacteroides fragilis Aumenta los niveles células TCD4+ y Thl circulantes 21 Microorganismo Efecto Grupo Clostridial IV Promueve la señalización antiinflamatoria Aumenta la secreción de IL-10 Estimula la expansión de la lámina propia y células T reguladoras sistémicas Bacteroides vulgatus Contribuye en la diferenciación de células T, favoreciendo el fenotipo Th2 Aumenta los niveles de IgE, IgG, IL-4 y disminuye el IFN-y Bacterias filamentosas Induce la expansión de la población de células Th17 Aumenta ligeramente las células Thl Lachnospiraceae Aumenta la producción de ácido butírico Disminución en las poblaciones de: Akkermansia, Ruminococcus, Pseudobutyrivibrio Se correlaciona con niveles disminuidos de RANKL (receptor expresado por las células T que contribuye en la maduración de las CD) Parabacteroides distasonis Estabiliza la ecología microbiana en el intestino Disminuye los niveles de citoquinas proinflamatorias Lactobacillus spp. Promueve la maduración de las CD y la expansión de las células T CD4+ Favorece la producción de citoquinas reguladoras Faecalibacterium Inhibe la activación de NF-kB mediante la producción de butirato Interactúa con las células CD promoviendo la producción de linfocitos T-reguladores Estimula la producción de IL-10 en las células presentadoras de antígeno Puede bloquear la expansión de las células Thl7 Bacteroides thetaiotaomicron Aumenta la permeabilidad intestinal (en ratones GF) Aumenta el succinato (implicado en gluconeogénesis) 22 Microorganismo Efecto Relación Firmicutes: Bacteroidetes Influye en la tolerancia oral y cómo la microbiota metaboliza la fibra Afecta (aumenta o disminuye) los niveles de SCFA, calprotectina fecal y proteína C reactiva plasmática Tomado de Samuelson, Welsh & Shellito, 2015. Los metabolitos producidos por la microbiota son liberados en el intestino y estimulan el desarrollo de diferentes respuestas inmunitarias locales (Wypych et al., 2019). Por ejemplo, los SCFA están involucrados en la regulación de la respuesta inmunitaria mediante la estimulación de los linfocitos T CD4+ a tipo Th2, aumentando la presencia de inmunoglobulinas tipo IgA e IgG (Briseño et al., 2018). A su vez, los SCFA no metabolizados en el hígado ingresan en la circulación periférica y a sitios distales del cuerpo como la médula ósea, donde contribuyen al desarrollo de las células inmunitarias (Wypych et al., 2019). De forma experimental, mediante el cultivo de linfocitos T CD4+ en condiciones de diferenciación con butirato, producto de la fermentación microbiana, se estimula la diferenciación de los linfocitos a linfocitos T reguladores, al presentar una mejor acetilación en el promotor de Foxp3 y el potenciador de CNS1 y CNS3, lo que lleva a modificaciones epigenéticas que aumentan la inducción de Foxp3 y una mejor regulación de los linfocitos T reguladores (Takiishi et al., 2017). El polisacárido presente en la pared celular de algunos grupos, como Bacteroides, y el butirato producido por su metabolismo, estimula la liberación de TGF-β e IL-10, los cuales promueven el desarrollo de los linfocitos Treg encargados de controlar la respuesta inflamatoria (Yeşilyurt et al., 2021). 23 Figura 3. Efectos del microbioma intestinal sobre la modulación y desarrollo del sistema inmunológico (Elaboración propia, 2024; creado con BioRender.com). Basado en la información de Briseño et al., 2018; Cerf-Bensussan & Gaboriau-Routhiau, 2010; Yeşilyurt et al., 2021; Yu et al., 2018; Wypych et al., 2019. Se ha debatido ampliamente acerca de los diferentes mecanismos celulares y moleculares por los cuales las alteraciones de la microbiota intestinal afectan la inmunotolerancia. Anteriormente, se consideraba que el equilibrio de las células Th1 y Th2 del sistema inmunológico adaptativo era la principal condición para mantener el estado inmunológico, sin embargo, estudios recientes han establecido que este equilibrio depende de la homeostasis entre las células Treg, las células efectoras y las diferentes 24 células Th (Francino, 2016). Según lo establecido anteriormente, y considerando el papel del microbioma en la maduración celular, este equilibrio podría verse alterado adicionalmente ante una disbiosis, afectando el correcto funcionamiento de la respuesta inmunitaria y favoreciendo un sistema inmunológico reactivo. Considerando que las alteraciones en la microbiota intestinal pueden alterar el equilibrio celular, se puede afirmar que la disbiosis intestinal resulta en una desregulación de las diferentes respuestas inmunitarias. De esta forma, se evidencia que, tanto las bacterias presentes en el microbioma intestinal como sus metabolitos, cumplen un papel esencial en el desarrollo y la modulación del sistema inmunológico desde el nacimiento, con un rol fundamental en la respuesta inmunológica reguladora, evitando así la hiperactividad del sistema inmunitario. De este modo, se puede considerar el bienestar del microbioma como punto clave en las enfermedades en las que el componente inmunitario sea esencial, permitiendo enfoques más integrales en los pacientes. Con lo descrito anteriormente, se confirma que las bacterias que colonizan nuestro intestino no solo son esenciales para el desarrollo y funcionamiento adecuado de la respuesta inmunitaria en diferentes niveles, sino que también es fundamental que se mantengan su equilibrio y funciones dentro del ecosistema intestinal. Debido a ello, se debe procurar mantener una microbiota equilibrada y funcional. Si bien se evidencia que la disbiosis puede causar efectos directos en el funcionamiento del sistema inmunitario, se plantea la duda acerca de si los cambios pequeños en la composición microbiana pueden tener efectos perjudiciales en la inmunidad, o si se requieren cambios significativos en las poblaciones bacterianas para observar tales efectos. Además, se deben considerar si en esta dinámica influyen otros factores no relacionados al propio microbioma intestinal. Aunque los estudios publicados han utilizado animales con disbiosis conocidas o completamente libres de microorganismos, deberían considerarse también escenarios en los que se evalúen los cambios menores en la composición microbiana, así como escenarios en los que haya afectación del sistema inmunitario sin alteraciones en el microbioma intestinal y su posible efecto en la inmunidad del huésped. 25 CAPÍTULO II. PAPEL DE LOS ANTIBIÓTICOS COMO CAUSANTES DE DISBIOSIS INTESTINAL Y SU RELACIÓN CON ALTERACIONES EN LA RESPUESTA INMUNE. Como se ha mencionado, la microbiota intestinal y la inmunidad de las mucosas se encuentran en constante interacción para lograr la homeostasis intestinal e inmunológica (Shi et al., 2017), por consiguiente, es importante considerar que la composición del microbioma puede alterarse rápidamente por el uso de antibióticos, tanto de uso clínico como los utilizados en cultivos vegetales y en animales de consumo, teniendo diferentes efectos sobre la salud del hospedero (Francino, 2016). Específicamente, la administración de antibióticos con fines terapéuticos afecta directamente la microbiota de forma cuantitativa y cualitativa, reduciendo o eliminando por completo especies bacterianas y permitiendo que otras se beneficien con más espacio y nutrientes, lo que lleva a un desequilibrio microbiano que puede influir en diferentes estados de salud y enfermedad (Konstantinidis et al., 2020). En general, los antibióticos pueden alterar el microbioma disminuyendo la diversidad bacteriana (Tabla 3) (Greenwood et al, 2014; Langdon et al., 2016; Lekang et al, 2022; Petersen & Round, 2014; Vrieze et al., 2014), cambiando las capacidades metabólicas, causando pérdida de taxones esenciales, limitando la capacidad de protección contra la colonización de patógenos (Patel et al., 2021), y afectando la expresión genética, la actividad proteica y el metabolismo general de la microbiota (Francino, 2016). Se ha descrito que los antibióticos de amplio espectro pueden alterar hasta en un 30% la abundancia bacteriana, lo cual evidentemente va a resultar en una disminución significativa en diversidad y uniformidad taxonómica. Se ha descrito que, al finalizar el tratamiento, la microbiota es en cierto modo resiliente y puede volver a una composición similar, pero no idéntica al estado inicial previo al tratamiento, de manera que la recuperación del ecosistema intestinal puede tardar más de 6 semanas posterior a la exposición a los antibióticos y, en algunos casos puntuales, se ha descrito que la disbiosis puede persistir hasta por cuatro años (Francino, 2016; Patel et al., 2021). Por otro lado, se ha demostrado que algunos antibióticos tienen un efecto inmunomodulador adicional a la actividad antimicrobiana (Konstantinidis et al., 2020), de modo que algunas enfermedades atópicas, inflamatorias y autoinmunes se han relacionado a la disbiosis 26 intestinal y, en algunos casos, se ha logrado establecer su relación con la ingesta de antibióticos (Francino, 2016). Tabla 3. Efectos de diferentes tipos de antibióticos sobre la diversidad del microbioma intestinal. Antibiótico Efecto sobre el microbioma intestinal Amoxicillina Aumento en Bacteroidetes Reduce la población de Firmicutes, Bifidobacterium Enterobacteriacea, Enterococcus spp., y Lactobacillus spp. Ampicillina Disminuye diversidad microbiana general Aumenta la prevalencia de Enterobacter spp. Cefotaxima Disminuye la abundancia de anaerobios y enterobacterias. Cefalosporinas Disminuye la población de Firmicutes, Actinobacterias cómo Slackia y Bifidobacterium. También se disminuyen Streptococcus spp., Roseburia, Eubacterium Ciprofloxacina Disminuye la abundancia de enterobacterias y de los productores de SCFA. Disminuye las poblaciones de Clostridiales y Fecaelibacterium spp. Claritromicina + Metronidazol Reduce la población de actinobacterias Clindamicina Disminuye las poblaciones de Enterococcus spp., Streptococcu spp. y bacterias anaerobias. Eritromicina Disminuye las poblaciones de Enterococcus spp, Streptococcus spp, enterobacterias y anaerobios. Se aumentan las poblaciones de Staphylococcus spp. Gentamicina Disminuye diversidad microbiana general y aumenta la prevalencia de Enterobacter spp. Meropenem Reduce las poblaciones de enterobacterias, clostridios, cocos gram negativos, Streptococcus spp. y Bacteroides. 27 Estreptomicina Disminuye diversidad microbiana general, aumentan las poblaciones de Ruminococcaceae y Bacteroidaceae. Ticarcilina Disminuye las poblaciones de Enterococcus. Tigeciclina Disminuye las poblaciones de Enterococcus spp., Escherichia coli, Lactobacillus, bifidobacterias y bacteroidetes. Aumentan las poblaciones de otras proteobacterias. Vancomicina Disminuye las poblaciones de Lactobacillus, Enterococcus, Ruminobcoccaceae, Lachnospiraceae, Lactobacillus plantarum, Faecalibacterium, prausnitzii, Eubacterium halli. Afecta la diversidad microbiana intestinal con un incremento compensatorio de las bacteria gram negativas cómo Enterobacteriacea, Lactobacillaceae, Verrucomicrobiaceae, Paenibacillaceae y Firmicutes Tomado de: Greenwood et al, 2014; Langdon et al., 2016; Lekang et al, 2022; Petersen & Round, 2014; Vrieze et al., 2014. Principalmente, se ha establecido que los efectos de la disbiosis causada por antibióticos son más significativos si ocurren en períodos críticos en el desarrollo inmunológico, como lo son los primeros años de vida (Francino, 2016). Considerando que la microbiota en equilibrio es de importancia para mantener un sistema inmunológico funcional, es alarmante que los antibióticos sean unos de los medicamentos que más se recetan en niños. En los primeros años de vida, los antibióticos van a interrumpir el ecosistema en el intestino y, posiblemente, pueden aumentar el riesgo de enfermedades autoinflamatorias en etapas posteriores de la vida (Takiishi et al., 2017). Aunque se ha descrito la microbiota adulta como estable a lo largo de los años, el tratamiento con antibióticos, especialmente los de amplio espectro, va a alterar la composición microbiana intestinal en diferentes niveles, provocando también consecuencias inmunológicas en los adultos. Esto recalca la importancia de concientizar y promover el uso correcto de estos medicamentos. Es determinante que la prescripción de antibióticos se base en la confirmación de una infección de origen bacteriano y que se elijan aquellos que sean efectivos específicamente contra el microorganismo que se 28 desea eliminar. En muchos casos, el uso de antibióticos puede ser inevitable, por lo que sería beneficioso considerar opciones que mitiguen su impacto, como el consumo de probióticos. Los antibióticos, además de eliminar poblaciones microbianas, interfieren en la forma en la que el huésped interactúa con la microbiota. Por ejemplo, durante el proceso de combatir infecciones, se alteran indirectamente los mecanismos de respuesta inmunológicos, eliminando los microorganismos susceptibles a estos fármacos, lo que resulta en variaciones en la presentación de PAMPS a los receptores epiteliales. De igual forma, se estimulan receptores como los tipo NOD1 y TLR que desencadenan diferentes cascadas inmunes, como la diferenciación de células tipo T y la liberación de citoquinas (Francino, 2016). Como se ha mencionado anteriormente, el uso de antibióticos puede erradicar las bacterias intestinales de forma parcial o total, aumentando la susceptibilidad a infecciones por enteropatógenos como Salmonella enterica y Escherichia coli enteroagregativa (Sencio et al., 2021) o promover la sobrepoblacion por Clostridioides difficile en adultos, la cual es el ejemplo clásico de cómo la disminución en la biodiversidad bacteriana facilita el crecimiento de patógenos en el intestino (Vangay et al., 2015). Algunos estudios en modelos animales (ratones), confirman que el uso de antibióticos en especies jóvenes resulta en una microbiota desbalanceada, respuestas inmunitarias proinflamatorias y aumento en el riesgo de enfermedades inflamatorias (Takiishi et al., 2017). Otros han demostrado que en ratones GF o los tratados con antibióticos (induciendo la disbiosis intestinal) presentan respuestas inmunitarias deficientes a infecciones sistémicas y respiratorias (Sencio et al., 2021). Cox et al. 2014 definen la "ventana crítica de desarrollo", siendo esta en las primeras etapas de vida de los ratones y demuestran que la inoculación de penicilina a bajas concentraciones reduce la expresión de citoquinas y factores de transcripción esenciales para el correcto desarrollo de las respuestas inmunitarias tipo Th1 y Th17. De igual forma, la terapia con penicilina en etapas temprana de la vida disminuye la expresión de péptidos antimicrobianos conocidos como defensinas y otras proteínas como la proteína 29 gamma 3 derivada de islotes regeneradores, que contribuyen a la defensa del huésped contra patógenos. Tanto en estudios in vitro como in vivo, han demostrado cómo la administración de antibióticos de amplio espectro, por un corto período, afecta de manera considerable la respuesta inmunológica humoral y celular (Dimmitt et al., 2010; Garrido-Mesa et al., 2018; Konstantinidis et al., 2020; Schumann et al., 2005). También se ha observado que adultos con cáncer los antibióticos pueden perjudicar la respuesta de los linfocitos T citotóxicos contra células cancerosas, afectando negativamente la respuesta inmunitaria del huésped contra el cáncer (Patel et al., 2021). Específicamente, se observan cambios en las funciones de la inmunidad celular, al limitar la capacidad del cuerpo de combatir infecciones por bacterias Gram positivas, disminuyendo la expresión de compuestos bactericidas y la muerte mediada por neutrófilos. Además, se ha evidenciado cómo la inmunidad adaptativa se ve afectada, reduciendo la expresión de los genes del complejo mayor de histocompatibilidad en el intestino, así como disminuyendo la producción y los niveles de IgG e IgA en suero posterior a los cambios en la microbiota intestinal inducidos al administrar antibiótico (Francino, 2016). En casos puntuales, como en el uso de vancomicina, se ha demostrado que causa una reducción considerable en el número de linfocitos Treg presentes en el colon, además de interferir en la inducción de las células Th17 (Atarashi et al., 2011) De igual forma, la kanamicina administrada en ratones de tres semanas causa disminución en la celularidad de las Placas de Peyer (Oyama et al., 2001). El metronidazol limita la expresión del principal componente de la capa de mucina (Muc2), resultando en un contacto más estrecho entre la microbiota intestinal y el epitelio, con un posible aumento en la estimulación de la respuesta inmunológica y la inflamación (Wlodarska et al., 2011). Además, Konstantinidis et al. 2020, evidenciaron que los macrólidos, como la claritromicina, inducen la producción de NET (trampas extracelulares de neutrófilos), productoras del péptido antimicrobiano LL-37 con capacidad de disminuir el crecimiento de diferentes cepas bacterianas, llevando a cabo un papel importante en la protección de la microbiota y en múltiples funciones de las respuesta inmune innata. Además, se observó que, al administrar una mezcla de antibióticos a ratones de dos semanas de edad, se obtuvo como resultado la expresión reducida de TLR y perfiles de citoquinas 30 que promueven la respuesta tipo Th2 (Dimmitt et al., 2010). Con respecto al metabolismo microbiano, se ha observado que los pacientes tratados con antibióticos β-lactámicos, desarrollan un conjunto de actividades enzimáticas para la degradación de glucosa, que resulta en un metabolismo desequilibrado, similar al que se observa en pacientes con obesidad (Francino, 2016) Figura 4. Efectos de los antibióticos sobre el microbioma intestinal y la respuesta inmunológica (Elaboración propia, 2024; creado con BioRender.com). Basado en la información de Cox et al., 2014; Francino, 2016; Patel et al., 2021; Sencio et al., 2022. Fortaleciendo lo mencionado anteriormente sobre el rol esencial del microbioma y las consecuencias de la disrupción del ecosistema intestinal en el funcionamiento del sistema inmunológico, se debe considerar que los modelos animales se encuentran en condiciones controladas. En estos modelos, es posible manipular la colonización bacteriana para evaluar los efectos de moléculas específicas sobre poblaciones concretas y así analizar mecanismos inmunitarios concretos. En cambio, en el desarrollo del ser humano, hay condiciones variables, tales como: el tipo de nacimiento, la lactancia materna, la dieta, la genética y la ubicación geográfica; las cuales pueden impactar significativamente la composición microbiana. Por ello, es importante impulsar estudios 31 sobre el microbioma y sus interacciones con los antibióticos en diferentes sujetos humanos. Si bien hay evidencia sobre el efecto de los antibióticos sobre el sistema inmunológico, las infecciones deben ser analizadas desde un enfoque multifactorial, considerando los diferentes aspectos que pueden influir en su desarrollo y evolución. La respuesta inmunitaria no solo contempla la interacción entre el microorganismo y el antibióticos, sino que se trata de un organismo complejo en donde hay diferentes factores e interacciones que pueden influir en los proceso inmunitarios. Además, se deben considerar escenarios en los que la inmunidad y la microbiota se encuentran alteradas sin haber utilizado los tratamientos antibióticos. Recientemente, ha crecido el interés en la implementación de alternativas al uso de antibióticos, específicamente los de amplio espectro. Se proponen tratamientos de espectro “limitado”, en busca de eliminar los agentes patógenos sin afectar la población de los microorganismos comensales y evitar los efectos de la disbiosis anteriormente mencionados (Langdon et al., 2016). Algunas estrategias estudiadas son los fármacos “anti-quorum sensing”, los cuales buscan interrumpir las señales de comunicación bacteriana mediante la destrucción de la señal o la competencia con la misma (Martinelli et al., 2004; Starkey et al., 2014). Otros fármacos se han concentrado en estrategias anti-virulencia, utilizando como objetivo la producción de toxinas (Bender et al., 2015), la formación de pilis de adherencia (Greene et al., 2014), la producción de carotenoides (Liu et al., 2008) y la capacidad de formación de biofilms (de la Fuente-Núñez et al., 2014). De igual forma, se ha valorado el uso de probióticos para mitigar los cambios en la microbiota posterior al tratamiento antibiótico (Langdon et al., 2016). Es importante tener en cuenta que los estudios sobre antibióticos presentan ciertas limitaciones, tales como: las variaciones en la composición de los medicamentos, la vía de administración, el tipo de fármaco y su perfil farmacocinético. Además, existen otros factores propios del paciente que influyen en la composición microbiana intestinal, tales como: la genética, edad del paciente, estilo de vida, dieta, entre otros (Arrieta et al., 2014). Se evidencia que el uso de antibióticos puede tener efectos negativos en la inmunidad de los pacientes, alterando el correcto funcionamiento de la respuesta 32 inmunitaria, al incidir en la dinámica del ecosistema microbiano intestinal (Cox et al. 2014; Dimmitt et al., 2010; Garrido-Mesa et al., 2018; Oyama et al., 2001; Schumann et al., 2005; Wlodarska et al., 2011). Difícilmente se pueda atribuir el uso de antibióticos en los seres humanos como el único factor causante de defectos en la inmunidad. Se requieren más estudios en los que se evalúe la microbiota de pacientes y su función inmunológica previo al uso de estos tratamientos y, posteriormente, se valore si se dan cambios significativos en la respuesta inmunitaria. De igual forma, se debe considerar que el uso de antibióticos siempre provoca alteraciones en el ecosistema microbiano. Por lo tanto, es muy importante prestar atención a la prescripción y el uso adecuado de estos medicamentos. Aunque los antibióticos son medicamentos necesarios para combatir las infecciones bacterianas, es necesario evaluar cuidadosamente la relación costo-beneficio, especialmente en el caso de los antibióticos de amplio espectro. En conclusión, es importante promover el desarrollo y uso de terapias alternativas que preserven la integridad del microbioma, mientras se eliminan los microorganismos patógenos. 33 CAPITULO III. PAPEL DE LOS PROBIÓTICOS EN EL DESEMPEÑO DEL SISTEMA INMUNOLÓGICO. Dado que en la actualidad se considera al microbioma cómo componente esencial para mantener la regulación inmunitaria, tanto sistémica como local (Takiishi et al., 2017), se ha dado un aumento en el interés de estudio de los probióticos y prebióticos, y su relación con la salud microbiana intestinal (Yeşilyurt et al., 2021). Los probióticos son microorganismos que pueden ser beneficiosos para la salud cuando son consumidos en cantidades adecuadas, siendo algunos grupos ampliamente estudiados y utilizados con este fin, como Lactobacillus, Bacillus, Lactococcus, Bifidobacterium, Bacteroides, entre otros (Tabla 4) (George et al., 2018). La efectividad de los probióticos depende directamente de las interacciones que suceden entre los estos, las células intestinales del huésped y la microbiota preexistente intestinal. También debe considerarse la viabilidad de las cepas probióticas durante el procesamiento y almacenamiento, así como su sensibilidad al pH gástrico, bilis, fluidos pancreáticos, intestinales y moco (George et al., 2018; Zhang et al., 2019). Por otro lado, se ha hipotetizado que la influencia de los probióticos en el ecosistema intestinal permite la regulación de la inmunidad al modificar directamente la mucosa intestinal, mediante interacciones con los microorganismos comensales y la producción de metabolitos secundarios como SCFA y ácidos biliares (Zhang et al., 2019). Además, considerando que los cambios en la diversidad microbiana pueden desencadenar diferentes enfermedades para los cuales los medicamentos convencionales tienen una efectividad limitada, en las últimas dos décadas se ha avanzado significativamente en el estudio de los probióticos y se han obtenido resultados importantes en la caracterización y selección de los cultivos probióticos junto con sus beneficios para la salud (George et al., 2018). Tabla 4. Géneros y especies bacterianas que se utilizan comúnmente como probióticos. Género Especies Lactobacillus L. plantarum, L. paracasei, L. acidophilus, L. casei, L. rhamnosus, L. crispatus, L. gasseri, L. reuteri, L. delbrueckii subsp. bulgaricus, L. curvatus, L. plantarum 34 Género Especies Propionibacterium P. jensenii, P. freudenreichii Peptostreptococcus P. productus Bacillus B. coagulans, B. subtilis, B. laterosporus Lactococcus L. lactis Enterococcus E. faecium Pediococcus P. acidilactici, P. pentosaceus Streptococcus S. sanguis, S. oralis, S. mitis, S. thermophilus, S. salivarius Bifidobacterium B. longum, B. catenulatum, B. breve, B. animalis, B. bifidum Bacteroides B. uniformis Akkermansia A. muciniphila Elaboración propia, 2024. Basado en la información de George et al., 2018. Investigaciones recientes han sugerido una posible regulación de la microbiota mediante el uso de microorganismos beneficiosos como los probióticos, para lograr así un equilibrio microbiano mediante el reemplazo de los microorganismos patógenos y la prevención de enfermedades asociadas a la disbiosis (Alarcón et al., 2016). En este contexto, los probióticos han demostrado ser un suplemento para la microbiota del huésped, en donde pueden cumplir funciones como protección contra patógenos, al potenciar la función de la barrera intestinal (George et al., 2018). Se sugiere que los mismos pueden prevenir o combatir la disbiosis intestinal mediante la estabilización de la barrera intestinal, inhibiendo el crecimiento y colonización de patógenos por competencia de los nutrientes y los sitios de unión a las células epiteliales (Shahbazi et al., 2020). Los probióticos tienen la capacidad de estimular, modular y regular las diferentes respuestas inmunológicas (Tabla 5) (Zhang et al., 2019), participando en los mecanismos de inmunomodulación e inducción de péptidos antimicrobianos, y la inducción de la secreción de IgA y moco (Shahbazi et al., 2020). Se ha demostrado que los probióticos poseen un papel importante en la regulación de la respuesta inmunitaria adaptativa mediante la estimulación y equilibrio de diferentes células como Th1, Th2, Th17, células Treg y células B, a través de la modulación causada por la microbiota 35 intestinal (Yeşilyurt et al., 2021; Zhang et al., 2019). Específicamente, estos microorganismos pueden regular la producción de las células inflamatorias (Th17) y la producción de citoquinas como IL-17 e IL-23, que son necesarias para la estabilización y función de las células Th17, así como la reducción del factor de necrosis tumoral alfa (TNF-α) (Wang et al., 2017; Yahfoufi et al., 2018). Los probióticos también tienen actividad inmunomoduladora a través de los receptores TLR y PAMPs, produciendo diferentes cascadas de señalización (Shahbazi et al., 2020). Se ha demostrado que las bifidobacterias y los lactobacilos consumidos por vía oral permiten mitigar la respuesta inmunitaria, aumentando la respuesta de las células Th, la producción de IL-10 y TGF-β y mejorando la tolerancia inmunológica contra patógenos (Pessi et al., 2000; Yeşilyurt et al., 2021). A su vez, en bebés prematuros, se han observado cambios positivos en la función intestinal, aumentando la cantidad de SCFA en las heces y reduciendo la cantidad de E. coli y Bacteriodetes al administrar probióticos (Mohan et al., 2006), mientras que, en modelos animales, al administrar estos microorganismos vía oral, se ha observado un aumento en la producción de IgA secretora (Yeşilyurt et al., 2021). Tabla 5. Efectos de los probióticos sobre la respuesta inmunológica. Cepa probiótica Mecanismo y efectos inmunológicos Lactobacillus reuteri Lactobacillus casei Promueven la secreción de IL-10 por las células Treg. Bifidobacterium bifidum Bifidobacterium longum Promueven la secreción de IL-10 por CD. Lactobacillus rhamnosus Inhiben la proliferación de células T. Disminuyen la secreción de IL-2 e IL-4 por parte de las CD. Escherichia coli, Nissle 1917 Lactobacillus reuteri Aumentan las células Treg FoxP3+. Lactobacillus casei Aumentan las células Treg FoxP3+. Promueven la secreción de IL-10 y TGF-β. Bifidobacterium infantis Aumentan las células Treg FoxP3+. Inhiben la secreción de IL-6 y TNF-α. Bifidobacterium breve Activan el receptor TLR2. 36 Cepa probiótica Mecanismo y efectos inmunológicos Promueven la maduración de las CD. Aumentan la secreción de IL-10. Tomado de Zhang et al., 2019. Uno de los efectos más importantes de los probióticos es su capacidad anti patogénica que, a diferencia de los antibióticos, no alteran la composición microbiana intestinal (George et al., 2018). Se han demostrado que, al administrar suplementos probióticos como Lactobacillus casei, Lactobacillus bulgaricus y Lactobacillus acidophilus, se incrementa la maduración de macrófagos (Yeşilyurt et al., 2021). Los probióticos Lactobacillus rhamnosus HN001 y Bifidobacterium lactis HN109 tienen el potencial de aumentar la citotoxicidad y la actividad de las células NK, al estimular el aumento de la producción de IL-15 e IL-22 (Yeşilyurt et al., 2021). Por otro lado, en modelos animales, el polisacárido A presente en Bacteroides fragilis y otras bacterias filamentosas, es reconocido por las moléculas de superficie de las células TLR2 e inducen la diferenciación de las células TCD4+ a células Treg y la posterior secreción de IL-10 y TGF-β, promoviendo la acción supresora a otras células inmunitarias y así evitando enfermedades inflamatorias (Mazmanian et al., 2008; Troy & Kasper, 2010; Zhang et al., 2019). Además, las bacterias filamentosas pueden ser presentadas mediante las células dendríticas intestinales a las células T y favorecer la síntesis de células Th17 intestinales, las cuales actúan en la respuesta inmunitaria antibacteriana (Zhang et al., 2019). En otros sitios anatómicos fuera del intestino, por ejemplo a nivel de tracto respiratorio superior (TRS), se ha evidenciado que la administración nasal de Lactobacillus rhamnosus y Lactococcus lactis permite la modulación del microbioma del TRS en los primeros años de vida, proporcionando protección contra la infección por el Virus Respiratorio Sincicial y un aumento en la tasa de eliminación de Streptococcus pneumoniae del pulmón, mediante respuestas inmunitarias tanto innatas como específicas (Taylor et al., 2016). Estos hallazgos permiten considerar el uso de los probióticos de maneras distintas a las convencionales e impulsar más investigaciones que evalúen cómo diferentes cepas probióticas pueden actuar en sitios anatómicos específicos y cómo esto puede beneficiar al microbioma local y la salud del huésped en general. 37 Figura 5. Efectos de los probióticos sobre la inmunidad del huésped (Elaboración propia, 2024; creado con BioRender.com). Basado en la información de Shahbazi et al., 2020; Yeşilyurt et al., 2021; Zhang et al., 2019. Se ha observado que la colonización transitoria por cepas de probióticos en el TGI es muy variable entre individuos, siendo algunas personas permisivas a la colonización y otras altamente resistentes (Wypych et al., 2019). Por otro lado, se han reportado cuadros de infección causadas por el consumo de probióticos en pacientes con diferentes factores de riesgo (Boyle et al., 2006; Kunz et al., 2004), por lo que se ha recomendado en su lugar el uso de metabolitos microbianos en dosis estandarizadas. Estos metabolitos evitan la necesidad de utilizar los microorganismos probióticos, resuelven la inestabilidad de la colonización microbiana y se han asociado a beneficios en la modulación del sistema inmunológico (Yeşilyurt et al., 2021; Wypych et al., 2019). Estos productos bacterianos se denominan “posbióticos” y se definen específicamente como subproductos metabólicos de los microorganismos probióticos que tienen actividad biológica en el huésped (George et al., 2018). 38 Las bacteriocinas, ácidos orgánicos, etanol, diacetilo, acetaldehídos y peróxido de hidrógeno, en ausencia de microorganismos viables, pueden tener efectos similares y beneficiosos sobre el sistema inmunológico (Figura 6) (Yeşilyurt et al., 2021). Por ejemplo, los SCFA actúan extracelularmente como ligandos para los receptores de la superficie de proteínas G, regulando la función inmunitaria directamente; en casos específicos, pueden unirse a proteínas G de neutrófilos y eosinófilos, reduciendo la inflamación intestinal (Zhang et al., 2019). De forma intracelular, estos metabolitos pueden tener efectos sobre diferentes funciones inmunoreguladoras, por ejemplo: la inhibición en la secreción de promotores de inflamación como IL-6, IL-12 (Vinolo et al., 2011) y óxido nítrico (Vinolo et al., 2011), la producción y diferenciación de las células Tfh (células T cooperadoras foliculares) (Kim et al., 2016), células B y la producción de anticuerpos (Kim et al., 2016). Otro beneficio descrito, con respecto al uso de los posbióticos, es la conservación de la integridad de la barrera intestinal y la protección contra patógenos, estimulando y regulando tanto el sistema inmune innato como adaptativo (Yeşilyurt et al., 2021; Zhang et al., 2019). Sin embargo, el uso de los posbióticos requiere más estudios y sus resultados pueden llegar a ser menos predecibles que con los probióticos (Wypych et al., 2019). Figura 6. Posibles efectos beneficiosos de los posbióticos sobre el sistema inmunológico del huésped (Elaboración propia, 2024; creado con BioRender.com). Basado en la información de Yeşilyurt et al., 2021. 39 Si bien los probióticos y posbióticos pueden proveer efectos beneficiosos y llevar a cabo funciones a nivel de regulación y modulación de la respuesta inmunitaria, el mecanismo inmunoregulador aún no se tiene del todo claro. Se requieren más estudios en los que se evalúe el proceso in vivo en seres humanos, en los que se detalle el tiempo de la colonización y la reproducción de los microorganismos. Además, se debe estudiar el impacto real en la microbiota original del huésped, tomando en cuenta las diferencias causadas por agentes externos, como el estilo de vida, la dieta y la genética, así como las interacciones microbianas entre ambos grupos de microorganismos (microbiota y probióticos), para que se pueda evaluar el uso de los probióticos en nuevas aplicaciones terapéuticas y se refuerce el conocimiento en las que han sido poco descritas. Los probióticos podrían considerarse como una opción o complemento en tratamientos más integrales para diferentes enfermedades, principalmente, en enfermedades con componentes autoinmunes. Es importante que siempre se considere la calidad de los probióticos que se consumen, ya que algunos contienen únicamente una especie probiótica, lo que puede limitar su potencial. 40 CAPÍTULO IV. EJE INTESTINO-PULMÓN Y SU ASOCIACIÓN CON INFECCIONES A NIVEL RESPIRATORIO Las infecciones de las vías respiratorias se dan por una interrupción en las defensas inmunitarias del huésped, por lo que la identificación, caracterización y manipulación de los mecanismos de regulación inmunológica en el pulmón representan unos de los mayores desafíos en el tratamiento de las enfermedades respiratorias (Samuelson, Welsh & Shellito, 2015). En el momento en que se desacredita la teoría de la esterilidad pulmonar, surgen gran cantidad de investigaciones sobre el papel de la microbiota en la salud pulmonar (Bogaert et al., 2011; Dang & Marsland, 2019; Dumas et al., 2018; Wypych et al., 2019), se refuerza el concepto del eje intestino-pulmón (Budden et al., 2017; Dang & Marsland, 2019; Zhu et al., 2021) y se incentivan los estudios de las rutas de comunicación entre estos sitios anatómicos, lo cual brinda información valiosa sobre cómo la microbiota intestinal puede afectar la inmunidad respiratoria (Willis et al., 2020; Wypych et al., 2019; Zhu et al., 2021). Un mejor entendimiento del microbioma respiratorio permite establecer las bases importantes para el tratamiento, manejo y prevención de las enfermedades respiratorias (Taylor et al., 2016). Mediante la detección de ADN bacteriano en aspirados traqueales de recién nacidos dentro de las primeras 24 horas se ha demostrado que la colonización de las vías respiratorias se da de forma inmediata al momento del nacimiento (Pattaroni et al., 2018). El origen de la microbiota de las vías respiratorias está determinado por el equilibrio entre la migración microbiana del TRS a través de la micro aspiración de saliva y la eliminación microbiana causada por los mecanismos de defensa del huésped (Dickson et al., 2014). La colonización por microaspiración se da de forma pasiva y en gran medida durante el sueño, cuando el tono muscular oral y faríngeo disminuyen. Lo anterior fue demostrado al observar una mayor similitud de la microbiota del tracto respiratorio inferior TRI con la de la boca, en comparación con la de las fosas nasales (Wypych et al., 2019). Como colonizadores iniciales de la nasofaringe, se describen los géneros Staphylococcus y Corynebacterium, que posteriormente son reemplazados por especies de Moraxella y Alloiococcus y, de manera transitoria, también pueden encontrarse 41 colonizando especies de Streptococcus y Haemophilus (Figura 7) (Taylor et al., 2016). En cuanto al TRI, gran cantidad de estudios establecen que los pulmones de las personas sanas poseen una biomasa microbiana baja en comparación con la del TGI, conteniendo de 103-105 bacterias por gramo de tejido, y siendo colonizados por diferentes géneros bacterianos como: Prevotella, Streptococcus, Veillonella, Fusobacterium y Haemophilus (Figura 7) (Wypych et al., 2019). La distribución de las poblaciones microbianas que colonizan las vías respiratorias va a definirse mediante varios mecanismos inmunitarios, como la acción de las células dendríticas, los monocitos y macrófagos alveolares, así como las células linfoides innatas y las células T CD4+ que residen en el TRI (Taylor et al., 2016). Estos mecanismos limitan la colonización de las diferentes poblaciones en las vías inferiores, así como el confinamiento, en gran medida, de los microorganismos en el TRS (Taylor et al., 2016). A su vez, el desequilibrio en la composición microbiana respiratoria se ha relacionado con la desregulación de la respuesta inmunitaria local y a una mayor vulnerabilidad a las infecciones respiratorias (Taylor et al., 2016; Vissers et al., 2014). Con respecto a las causas de disbiosis pulmonar, se ha observado que el tipo de nacimiento (cesárea o parto vaginal) puede impactar directamente en la composición del microbioma de las vías respiratorias de los bebés prematuros, en los cuales el sistema inmunológico y la fisiología pulmonar se encuentran subdesarrollados y pueden ser más susceptibles a los efectos de la exposición ambiental (Wypych et al., 2019). Por ejemplo, en ratones recién nacidos, se ha demostrado que los cambios en la composición del microbioma pulmonar se asocian a la tolerancia a los alergenos dependiente de las células T reguladoras, mediante la generación de señales necesarias para la programación de respuestas inmunitarias locales (Gollwitzer et al., 2014). Además, se observó que la colonización de las vías respiratorias era necesaria para inducir la expresión del ligando PD-L1 por parte de las células dendríticas pulmonares, lo que conduce a la tolerancia a largo plazo de los alergenos inhalados (Gollwitzer et al., 2014). En la actualidad, las investigaciones en microbioma pulmonar están iniciando, por lo que se están definiendo los géneros y especies comúnmente encontrados en este sitio anatómico. Sin embargo, al igual que el microbioma intestinal, es posible que, al profundizar la exploración de este nuevo ecosistema, se descubran diferencias entre 42 distintas poblaciones humanas según ubicación geográfica, diferencias genéticas y hasta diferencias causadas por el estilo de vida. De igual forma, se requieren muchas más investigaciones en las que se describa el comportamiento simbiótico del microbioma pulmonar con el resto del cuerpo humano. Figura 7. Microorganismos que se encuentran colonizando el tracto respiratorio (Elaboración propia, 2024; creado con BioRender.com). Basado en la información de Taylor et al., 2016; Wypych et al., 2019. La colonización de las vías respiratorias es de gran importancia en la regulación de la inmunidad local. Esto se ve reflejado en gran cantidad de estudios que han relacionado la disbiosis de las vías respiratorias con el desarrollo de infecciones (Dumas et al., 2018; Flanagan et al., 2007; Marsland, Trompette & Gollwitzer, 2015; Taylor et al., 2016; y también se ha relacionado con la colonización asintomática de algunos patógenos pulmonares como Streptococcus pneumoniae, Moraxella catarrhalis y Haemophilus influenzae (Teo et al., 2015). En las enfermedades respiratorias, se observa frecuentemente un equilibrio alterado entre la migración y la eliminación microbiana 43 (Wypych et al., 2019). De manera similar, las señales y los metabolitos producidos por los microorganismos comensales en el tracto respiratorio protegen al huésped contra enfermedades respiratorias, pues en modelos animales se ha observado que, en ausencia o disbiosis de la microbiota, se pueden desencadenar respuestas inmunitarias innatas y adaptativas deficientes, así como la exacerbación de infecciones pulmonares virales o bacterianas (Shahbazi et al., 2020). Durante el desarrollo embrionario, las vías respiratorias surgen del intestino anterior, por lo que comparten muchas características estructurales y fisiológicas con el TGI. Ambos sistemas presentan un epitelio luminal altamente vascularizado recubierto por moco y tejidos linfoides asociados, permitiendo así el desarrollo de las respuestas inmunitarias locales (Taylor et al., 2016). La evidencia reciente confirma que la microbiota gastrointestinal juega un papel clave en la adaptación e iniciación inmunitaria, tanto en el TGI como en otros sitios de la mucosa distal, como el pulmón (Samuelson, Welsh & Shellito, 2015). Se ha observado que la microbiota intestinal, en estado de equilibrio, contribuye de manera positiva a la inmunidad pulmonar (Yeşilyurt et al., 2021), y las diferencias en la colonización bacteriana intestinal pueden asociarse a diferentes patologías pulmonares (Arrieta & Finlay, 2014; Dang & Marsland, 2019; Marsland, Trompette & Gollwitzer, 2015). Por ejemplo, un estudio de bronquitis infantil demostró que el perfil intestinal de los bebés sanos estaba conformado por cuatro grupos dominantes: Escherichia, Bifidobacterium, Enterobacter/Veillonella, y Bacteroides, mientras que, en cuanto a la composición microbiana de niños con bronquitis, se observó predominio de los grupos Enterobacter/Veillonella y Bacteroides (Hasegawa et al., 2016). Se estableció que los cambios en la microbiota intestinal también pueden ser causados por la infección de diferentes patógenos respiratorios (Tabla 6) (Zhu et al., 2021). A lo largo del tiempo, se han centrado los esfuerzos en comprender el microbioma intestinal y su relación con la salud humana. Sin embargo, actualmente hay más evidencia sobre el impacto de otros microbiomas, como el pulmonar (Gollwitzer et al., 2014; Samuelson, Welsh & Shellito, 2015; Taylor et al., 2016). Se ha demostrado que, al igual que el microbioma intestinal, el microbioma pulmonar está estrechamente relacionado con la regulación de la inmunidad local y, posiblemente, con la inmunidad 44 sistémica en el ser humano (Gollwitzer et al., 2014; Samuelson, Welsh & Shellito, 2015; Yeşilyurt et al., 2021). Esto refuerza la idea de que el microbioma actúa de manera simbiótica, promoviendo y manteniendo la salud del huésped. Sería valioso considerar el estudio a profundidad de estos otros ecosistemas, en los que se analice, al igual que con el microbioma intestinal, su población microbiana detallada en diferentes condiciones y las interacciones con el resto del ecosistema. Con estos hallazgos, se fortalece la hipótesis de que el microbioma intestinal está estrechamente relacionado al microbioma pulmonar y a la inmunidad local de este órgano, de manera que ambos se encuentran en constante comunicación y el desequilibrio en alguno puede tener consecuencias en el otro. Tabla 6. Cambios en la microbiota intestinal asociados a la infección por diferentes patógenos respiratorios. Patógenos respiratorios Cambios en microbiota intestinal Virus Respiratorio Sincitial Disminución de Firmicutes. Aumento de Clostridiales, Odoribacteraceae, Lactobacillaceae y Actinomyces. Virus Influenza Disminución de Akkermansia, Desulfovibrio y Lactobacillus. Aumento de Enterobacter. Mycoplasma Disminución de Bifidobacterium y Lactobacillus. Aumento de Colibacillus. Streptococcus pneumoniae Disminución de Lactobacillus, Bifidobacterium y Bacteroidetes. Aumento de Colibacillus. Staphylococcus aureus Disminución de bacterias anaerobias. Aumento de Enterococcus, Clostridioides perfringens y bacterias aerobias. Mycobacterium tuberculosis Disminución de Ruminococcaceae, Bifidobacteriaceae, Faecalibacterium prausnitzii. Aumento de Prevotella, Enterococcus. Tomado de Zhu et al., 2021. 45 En cuanto a la relación entre el microbioma intestinal y el pulmonar, se involucra directamente la migración de las células inmunitarias desde el intestino hacia las vías respiratorias a través de la circulación sanguínea (Wypych et al., 2019). Esta interacción entre el intestino y los pulmones se comporta de manera bidireccional y la estrecha relación entre ambos sistemas puede evidenciarse cuando se identifican manifestaciones respiratorias en muchos trastornos gastrointestinales. Por ejemplo, el 50% de los pacientes con enfermedad inflamatoria intestinal, la cual cursa con alteraciones en la composición del microbioma intestinal, tienen una función pulmonar disminuida, la cual se manifiesta después de la aparición de la enfermedad, reforzando la idea que puede deberse al trastorno intestinal (Songür et al., 2003). Al ser un sistema bidireccional, se evidencia que gran cantidad de infecciones respiratorias cursan con manifestaciones gastrointestinales. Esto también se ha demostrado en experimentos en los que, al infectar animales con LPS vía traqueal, se producen alteraciones en la microbiota intestinal (Wypych et al., 2019). A su vez, Li et al., 2019 concluyen que el desequilibrio microbiano en el intestino de pacientes pediátricos está asociado con infecciones recurrentes en el tracto respiratorio, demostrando una mayor incidencia de patógenos oportunistas como Enterococcus. Como se puede observ