Los investigadores usan ecuaciones antiguas junto con nuevos métodos para ayudar a descifrar el microbioma intestinal enormemente complejo
Crédito: ilustración de Dylan Mueller
Para algo que ha evolucionado con nosotros durante millones de años y sigue siendo parte de nuestra fisiología durante toda nuestra vida, nuestro microbioma intestinal, curiosamente, sigue siendo un misterio. Compuesta por billones de microbios de al menos mil especies diferentes, esta comunidad de bacterias, virus, protozoos y hongos en nuestro tracto gastrointestinal es única para cada individuo y se ha descubierto que está íntimamente conectada con varios aspectos fundamentales de nuestro estado físico, desde nuestro inmunidad a nuestro metabolismo y salud mental.
Para los investigadores de UC Santa Barbara Eric Jones, Zipeng Wang y Joshua Mueller, el microbioma intestinal es una máquina notable, llena de interacciones y competencias que impactan directamente en nuestro bienestar. Ajustar esta máquina en una dirección favorable, dicen, podría mejorar nuestra resistencia a las enfermedades.
«¿Pueden las terapias médicas mejorar la salud del huésped modificando la composición del microbioma? Todavía no lo sabemos realmente, por lo que es una gran campo de investigación», dijo Jones. «Esta pregunta es un gran motivador».
En nuestra vida diaria, muchos de nosotros esperamos mejorar nuestro microbioma intestinal tomando probióticos y comiendo alimentos fermentados. En situaciones clínicas, se ha demostrado que los trasplantes fecales tratan con éxito las infecciones recurrentes de la bacteria intestinal Clostridium difficile, que a menudo reaparecen después de que los antibióticos utilizados para tratar las infecciones eliminan también las bacterias intestinales «útiles».
Pero fuera de radicales y heroicas para agregar poblaciones de bacterias buenas al tracto GI, no se sabe mucho sobre cómo dirigir sutilmente el sistema en una dirección saludable.
«Se trata de algo más que poner los microbios correctos», dijo Jones. «Es necesario comprender el entorno en el que se encuentran los microbios y lo que facilita una composición estable del microbioma intestinal».
Para abordar este problema, los investigadores, bajo la dirección del profesor de física de UC Santa Barbara Jean Carlson, propone una técnica para conducir un modelo matemático de microbioma intestinal hacia una composición de microbioma objetivo mediante la manipulación de ciertos parámetros del modelo. Llamado SPARC (cambio de parámetro guiado por SSR), este enfoque reduce la complejidad del sistema sin sacrificarlo. Y, según un estudio publicado en la revista Physical Review E, también «ofrece una comprensión sistemática de cómo se pueden manipular los factores ambientales y las interacciones entre especies para controlar los resultados ecológicos».
Ecuación antigua, nueva use
«Entonces, básicamente, el objetivo es encontrar un cambio de parámetro que corresponda a un cambio en el entorno del microbioma», dijo el autor principal Zipeng Wang. Es útil imaginar el microbioma intestinal como una pelota encaramada en la cima de una colina, preparada para rodar hacia abajo en una dirección u otra. En esta idealización, el entorno intestinal dicta la forma de la colina. Una composición de microbioma saludable se encuentra en la base de un lado de la colina y una composición asociada a la enfermedad en el otro. Mientras que los trasplantes fecales empujan directamente la pelota hacia el lado sano de la colina, SPARC, según los investigadores, controla la forma de la colina, haciendo rodar la pelota hacia abajo de un lado o del otro.
Para describir este ecosistema intestinal (los datos se recopilaron de experimentos con modelos de ratones en el Centro Memorial Sloan-Kettering en Nueva York), los investigadores utilizaron las ecuaciones generalizadas de Lotka-Volterra (gLV). Conocidas también como ecuaciones depredador-presa, las ecuaciones gLV se derivan de un método centenario utilizado en la ecología tradicional para describir las interacciones entre especies en la Tierra, como la competencia y la depredación, así como los efectos de las interacciones indirectas.
«Pero, una de las dificultades es que el microbioma intestinal tiene todas estas especies bacterianas diferentes», dijo Wang, «así que las ecuaciones de Lotka-Volterra se vuelven muy dimensionales, lo que significa que hay muchos parámetros y una Hay muchas maneras diferentes en que las bacterias interactúan entre sí. Sería muy difícil para nosotros encontrar los parámetros correctos para lograr la composición deseada del microbioma».
Para evitar el ensayo y error de manipular un número difícil de manejar de diferentes parámetros, el equipo optó por examinar una representación 2-D comprimida pero confiable del modelo ecológico generado por la técnica de reducción de dimensionalidad llamada «reducción de estado estable» (SSR). Según los investigadores, esto les permitió alejarse e identificar los parámetros clave que controlan la forma de la colina.
«Lo que nos gusta de nuestro modelo es que nos brinda una estrategia sistemática para identificar estos bajos -características dimensionales que son realmente sensibles, que son las más importantes», explicó Jones. «Estaba realmente sorprendido y complacido de que pudiéramos, por ejemplo, encontrar un solo parámetro y cambiarlo en un 10 % de su valor y eso cambiaría la forma de la colina».
¿Qué es ese parámetro? Bueno, dada la diversidad de microbiomas intestinales, dietas, condiciones concurrentes e influencias ambientales, no hay necesariamente un cambio de parámetro universal, digamos, acidez o contenido de fibra, que sirva para todos. El método SPARC, dicen los investigadores, guía el pensamiento sobre cómo identificar los parámetros significativos en función de los datos.
Además, SPARC actualmente es principalmente un ejercicio matemático, aunque los investigadores están ansiosos por probarlo en un entorno experimental.
«Hay personas que trabajan en lo que llaman sistemas de intestino en un chip, que son como placas de Petri en miniatura que replican algunas de las condiciones del microbioma intestinal humano», dijo Josué Müller. «Sería realmente emocionante validar SPARC en estas circunstancias experimentales estrictamente controladas».
En un futuro bastante más lejano, dijo Jones, este método también podría ayudar a allanar el camino para la gestión personalizada de microbiomas, en la que Las lecturas temporales del estado de nuestro microbiomensaje, desde un inodoro inteligente, podrían decirnos que cambiemos nuestros hábitos alimenticios para evitar enfermedades y mejorar nuestro bienestar general.
«Para llegar a ese punto, necesitamos modelos mecánicos del microbioma», dijo. «Necesitamos entender cómo controlarlo. Necesitamos entender cómo los comentarios ambientales juegan en la dinámica microbiana».
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Las plantas de café tienen un microbioma central pequeño pero consistente de hongos y bacterias Información de la revista: Physical Review E
Proporcionado por la Universidad de California – Santa Bárbara Cita: Los investigadores usan ecuaciones antiguas junto con nuevos métodos para ayudar a decodificar el microbioma intestinal enormemente complejo (13 de mayo de 2020) consultado el 31 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2020-05-equations-coupled -methods-decode-massively.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.