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Mapeo de los vecindarios del microbioma intestinal

Mapeo de los vecindarios del microbioma intestinal

ARRIBA: Una sección del colon distal de un ratón que muestra el contenido luminal con bacterias en magenta, el revestimiento mucoso en verde y la barrera de células epiteliales del intestino en azul Charlotte Clayton, Tropini Laboratorio

Diseccionar los intestinos de los wombats no es la forma más fácil de hacerse una idea de lo que sucede con sus microbiomas intestinales, pero eso es lo que el postdoctorado de la Universidad de Adelaide Raphael Eisenhofer y sus colegas hicieron para un estudio reciente. Recolectar heces habría sido más fácil, particularmente para especies en peligro de extinción como los wombats, pero los investigadores querían más información de la que podían obtener de una muestra de heces.

Hemos estado usando heces durante bastante tiempo porque son muy fáciles de obtener, pero lo que sabemos sobre la ecología microbiana se trata de la ubicación donde los microbios se encuentran en la interfaz del huésped, explica Eisenhofer

Él y sus coautores caracterizaron la biogeografía microbiana, o la información espacial sobre qué microbios están presentes y dónde, de los tractos gastrointestinales (GI) de un wombat de nariz descubierta (Vombatus ursinus) y un wombat de nariz peluda del sur (Lasiorhinus latifrons). Eisenhofer reconoce las limitaciones de usar solo dos wombats, pero aun así el equipo encontró algunas sorpresas.

Por ejemplo, en ambos animales, el extremo distal del colon cerca del ano compartió menos del 20 por ciento de las especies microbianas del extremo proximal cerca del intestino delgado. Hubiera pensado que habría una superposición mucho mayor allí, dice Eisenhofer. Y las comunidades encontradas en cada uno de los dos puntos proximales de los animales eran más similares entre sí que a las comunidades en el colon distal del mismo animal.

Sus hallazgos se suman a un creciente cuerpo de trabajo de los científicos. a quienes no solo les preocupa qué microbios están presentes en el intestino, sino también dónde están esos microbios y con qué células huésped y otros microorganismos interactúan. Las diferencias identificadas hasta ahora en las comunidades microbianas del intestino indican que la biogeografía microbiana puede tener consecuencias funcionales. Estas revelaciones también sugieren que los estudios de microbioma basados solo en muestras fecales pueden generar una imagen incompleta de las comunidades dentro del intestino.

Si los investigadores quisieran investigar la biodiversidad de un ecosistema fluvial, pero lo hicieran observando solo el animales al final del río, se perderían todo lo que sucede río arriba, explica Carolina Tropini, quien estudia microbiota intestinal en la Universidad de Columbia Británica en Canadá. En el campo del microbioma, estamos tratando de describir un entorno increíblemente complejo simplemente tomando muestras de heces, y las heces son realmente lo que sale del río, dice ella. Y en la práctica, todas las cosas biológicamente interesantes no suceden al final del río.

Un wombat de nariz peluda del sur (Lasiorhinus latifrons) en AustraliaRaphael Eisenhofer

Más allá de las muestras de heces

Un ejemplo del desajuste entre la información obtenida de las heces y lo que realmente sucede dentro del intestino proviene de un estudio publicado en 2019. Los autores evaluaron microbios miembros de la comunidad de criptas intestinales y de vaginaciones de la pared intestinal en personas con colon saludable y aquellas con cáncer colorrectal. Además de las diferencias en los microbios en los sitios tumorales y sanos, el equipo encontró que alrededor de un tercio de las especies presentes en las criptas sanas provienen del phylum Proteobacteria (desde entonces renombrado Pseudomonadota) , sin embargo, este filo representa solo alrededor del 1 por ciento de las especies que normalmente se encuentran en las heces.

Una cosa que las personas que estudiaron la ecología de los ríos siempre apreciaron fue [que] lo que sucede río arriba a menudo puede afectar lo que está aguas abajo, dice Gregory Donaldson, un postdoctorado que estudia la influencia del sistema inmunológico en los microbios comensales en la Universidad Rockefeller. Es posible que puedas medir eso, pero en realidad no vas a entender por qué el río es como es a menos que vayas río arriba y averigües qué está pasando allí.

Para descubrir la información que falta en las heces muestras, Tropini y sus colaboradores visualizan y analizan los microbios presentes en el intestino lo más cerca posible del tiempo real. El principal desafío es que es difícil mirar dentro de un lugar tan protegido como el intestino, explica. Por lo general, es necesario sacrificar modelos animales, mientras que para los humanos, se necesitan biopsias de diferentes puntos en el tracto GI para examinar esos tejidos y sus microbios asociados. Pero la preparación para las biopsias generalmente incluye un régimen de laxantes que limpia el tracto GI y es probable que sesgue los resultados. Según Tropini, es el equivalente a un tornado rugiendo río abajo.

Si bien Tropini ha tenido éxito en el desarrollo de técnicas que mantienen intacta la capa de moco y la microbiota de las muestras del tracto GI para obtener imágenes sin necesidad de laxantes, estas Ella también está entusiasmada con el uso de microfluidos para simular el entorno del intestino y capturar la dinámica en tiempo real de su biogeografía. Estos llamados dispositivos gut-on-a-chip permiten a los investigadores sembrar células epiteliales humanas o de ratón en un chip transparente, donde producen moco y luego introducen bacterias para observar cómo los microbios interactúan con las células intestinales. El grupo Donald Ingbers del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard ha utilizado el método para cultivar con éxito microbios y células intestinales humanas en chips similares durante varios días.

Es definitivamente un modelo muy reducido, admite Tropini, pero si, por ejemplo, está tratando de modelar el impacto del cambio en el flujo dentro del intestino y cómo eso afecta la unión bacteriana, debe hacerlo observando en tiempo real. Tomar una biopsia o diseccionar el tracto gastrointestinal de un animal, por otro lado, solo proporciona una instantánea única en el tiempo. Otra ventaja de las estrategias de cultivo basadas en chips es que es posible introducir gradientes de oxígeno que permitan que tanto los microbios anaeróbicos como los aeróbicos crezcan como lo harían en el intestino, informó el grupo de Ingbers.

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Comprender las relaciones entre vecinos

Además de los factores físicos que afectan a los microbios residentes, los microbios mismos se influyen entre sí. Para obtener más información sobre estas relaciones, la bióloga evolutiva Corrie Moreau de la Universidad de Cornell y su grupo evaluaron la presencia microbiana en las cuatro regiones del intestino en varias especies de hormigas tortuga (género Cephalotes)

Cephalotes atratus es una de las especies más comunes de hormigas tortuga. Corrie Morreau

Observando los microbios presentes en las heces, ella dice, te da una instantánea de todo lo que está pasando, pero no puedes descifrar: ¿Tienes algún tipo de bacteria que floreció en el lugar equivocado? ¿Tienen guerras ocurriendo entre linajes? En las hormigas, en realidad entramos con pinzas de relojero bajo un microscopio y diseccionamos cuidadosamente todos y cada uno de los compartimentos del intestino para obtener una imagen de cuáles son las bacterias asociadas con él a lo largo del tracto digestivo.

Moreau y sus colegas descubrieron que el intestino medio estaba dominado por un solo grupo de bacterias, mientras que el intestino posterior presentaba una comunidad más diversa. Cuando los investigadores observaron los genomas bacterianos en los dos lugares, encontraron que los microbios que vivían aislados en el intestino medio habían perdido todos los genes para la guerra con otras bacterias. En contraste, las bacterias en el intestino posterior se aferraron a los genes para producir antibióticos, que son necesarios para defender su espacio contra otros microbios. Los hallazgos indican que existe cierta presión por la mejor posición dentro de ese compartimento, explica Moreau, algo que también podría afectar al huésped.

Para observar aún más de cerca los vecindarios microbianos en el intestino, Harris Wang del Centro Médico de la Universidad de Columbia y sus colegas han desarrollado una técnica de secuenciación inspirada en métodos utilizados en ecología. ¿Cómo se estudia la organización espacial dentro de un bosque? Es realmente difícil porque hay muchos árboles, muchos arbustos y muchos animales, y no puedes contarlos todos, explica Wang. Así que se amuralla una pequeña parcela [y se utilizan las herramientas analíticas existentes] para estudiar las diferencias entre estas parcelas.

El grupo de Wang inmoviliza muestras gastrointestinales o fecales en gel para bloquear sus arreglos espaciales en su lugar, luego se fractura el gel en parcelas diminutas de unas 30 micras de diámetro y etiqueta el ADN de cada parcela con un código de barras único. Después de la secuenciación, pueden recrear un mapa de qué microbios están presentes, dónde y quiénes son sus vecinos. En el tracto GI del ratón, encontraron que las especies microbianas tienen diferentes vecinos dependiendo de dónde se encuentren en el intestino. Y cuando los investigadores cambiaron a los ratones de una dieta baja en grasas a una rica en grasas, no solo cambió la composición microbiana en el intestino, sino que la organización espacial de los microbios también cambió de tal manera que las bacterias tenían vecinos más diversos en los ratones después de la dieta. cambio.

Comprender los vecindarios y las relaciones microbianas, dice Harris, es clave para lo que creo que es la próxima generación de una mejor comprensión de la microbiota y cómo podrían contribuir a todos los tipos de beneficios en los que estaban interesados.

Las células huésped son otro conjunto de vecinos microbianos que los investigadores que trabajan en biogeografía no pueden ignorar. En un estudio publicado en enero, por ejemplo, los autores demostraron que los ratones con células inmunitarias agotadas tenían una microbiota más diversa y una distribución uniforme de microbios en las regiones del intestino en comparación con aquellos con sistemas inmunitarios normales.

Eso El tira y afloja entre los microbios y el huésped ha sido el enfoque de Donaldson desde que era estudiante de posgrado con Sarkis Mazmanian en Caltech. Donaldson, Mazmanian y sus colegas descubrieron que los microbios comensales utilizan la inmunoglobulina A (IgA), un anticuerpo del huésped que se encuentra en la mucosidad, para colonizar el intestino. Por el contrario, la IgA dificulta que los organismos patógenos se afiancen en el tracto GI.

Los investigadores también demostraron que, en el colon de ratones libres de gérmenes, el microbio comensal humano Bacteroides fragilis&nbsp ;cambia su expresión génica en función de si está cerca del epitelio del huésped, dentro de la luz intestinal o en la mucosidad. Estos hallazgos y otros apuntan a la relación bidireccional entre el huésped y los microbios, pero esa bidireccionalidad es algo que hace que el estudio de estas interacciones sea tan desafiante, dice Donaldson. No siempre está claro si los microbios dirigen el comportamiento de la célula huésped o si las células huésped dictan dónde pueden estar los microbios y qué hacen.

Según Mazmanian, los investigadores que estudian el microbioma se han vuelto buenos en el uso de la secuenciación del ADN para perfilar a los miembros de la comunidad microbiana. La parte de secuenciación es bastante sencilla, explica. Lo que no creo que hagamos bien como campo. . . es comprender lo que hacen los organismos cuando están allí. ¿Qué productos están haciendo? ¿Qué genes están activando? ¿Cómo interactúan con las células, ya sean células epiteliales, células inmunitarias o neuronas en el intestino?

Independientemente de si los investigadores están examinando vecindarios microbianos de 30 micras u obteniendo una idea sobre la biogeografía a lo largo de todo el intestino, uno Una de las principales preguntas abiertas, según Moreau, es si la orientación de esas bacterias a lo largo del tracto digestivo afecta o no la salud del huésped. El siguiente paso, explica, será desmenuzar esas interacciones a pequeña escala y averiguar si reorganizar la biogeografía cambia los resultados de salud.

Si es así, la biogeografía podría tener implicaciones importantes para el uso de tratamientos como la eliminación de heces fecales. trasplantes y antibióticos. Cuando se intenta introducir comunidades microbianas en el intestino, como en el tratamiento de C. difficile, la organización espacial podría ser un factor importante, explica Wang. Si los microbios comensales normalmente existen en algún vecindario microbiano que es muy estable y robusto, tal vez lo que realmente se necesita para mover es todo ese vecindario, y no está claro si los trasplantes fecales logran esto, dice. Y debido a que los antibióticos matan más microbios que solo los patógenos a los que están destinados, los medicamentos pueden afectar la capacidad de supervivencia de las cepas vecinas. Es importante entender, dice Wang, la interconexión de estas comunidades a través del espacio y cómo los diferentes tipos de cambios ambientales alteran eso.