MICROBIOMA Ritmo del microbioma y salud metabólica

Al igual que los ritmos circadianos que ayudan a regular cuándo nos dormimos y nos despertamos de forma natural, los ritmos microbianos en nuestro intestino están naturalmente activos en ciertos momentos del día para ayudar a regular nuestra digestión.

Investigadores de la Universidad de California en San Diego realizaron un estudio con el objeto de rastrear estos ritmos microbianos para determinar si alinear las horas en que comemos con nuestras fases activas/vigilantes en lugar de cuando se supone que debemos dormir y si esto puede reforzar nuestra salud metabólica. Esta alineación se conoce como alimentación restringida en el tiempo (TRF).

Amir Zarrinpar, MD, PhD, gastroenterólogo y profesor asociado de medicina en la Facultad de Medicina de UC San Diego, autor principal del estudio, señala que los ritmos microbianos son fluctuaciones diarias en la composición y función de los microbios que viven en nuestro intestino. Al igual que nuestros cuerpos siguen un reloj interno (ritmo circadiano), los microbios intestinales también tienen sus propios ritmos, ajustando sus actividades según la hora del día y cuándo comemos.

Zarrinpar y su equipo estaban particularmente interesados en observar si la adopción del enfoque TRF contrarrestaba los efectos metabólicos dañinos a menudo asociados con el consumo de una dieta alta en grasas.

El estudio también es notable por el uso de tecnología del equipo capaz de observar cambios microbianos en tiempo real en el intestino, algo que antes no se podía lograr con la metagenómica existente.

Los investigadores separaron tres grupos de ratones para analizar la actividad de su microbioma: uno con una dieta alta en grasas con acceso sin restricciones, otro con la misma dieta alta en grasas dentro de una ventana TRF de 8 horas por día, y un grupo de control con una dieta normal con acceso sin restricciones.

En ratones, sus ritmos microbianos están bien alineados con su estilo de vida nocturno. Por ejemplo, durante su período activo (nocturno), aumentan ciertas actividades microbianas beneficiosas, lo que ayuda a digerir los alimentos, absorber nutrientes y regular el metabolismo. Como resultado, el equipo se aseguró de que la ventana TRF de los ratones fuera por la noche o cuando normalmente estarían despiertos.

Elegimos una ventana de alimentación de 8 horas basada en investigaciones anteriores que muestran que este período de tiempo permite a los ratones consumir las mismas calorías totales que aquellos con acceso ilimitado a alimentos. Al controlar las calorías de esta manera, los investigadores se aseguraron de que cualquier beneficio metabólico o microbiano que se observe se deba específicamente al momento de comer, en lugar de a las diferencias en la ingesta total de alimentos.

Pero antes de que se pudieran hacer observaciones, el equipo primero necesitaba una forma de ver los cambios en tiempo real en los microbiomas intestinales de los animales. Los investigadores pudieron descubrir esto, gracias a la metatranscriptómica, una técnica utilizada para capturar la actividad microbiana en tiempo real mediante el perfil de las transcripciones de ARN. En comparación con la técnica más tradicional de metagenómica, que solo podía usarse para identificar qué genes estaban presentes, la metatranscriptómica proporcionó un contexto temporal y relacionado con la actividad más profundo, lo que permitió al equipo observar cambios microbianos dinámicos.

La metatranscriptómica] nos ayuda a comprender no solo qué microbios están presentes, sino específicamente qué están haciendo en un momento dado. Por el contrario, la metagenómica solo analiza el ADN microbiano, que proporciona información sobre lo que los microbios son potencialmente capaces de hacer, pero no nos dice si esos genes se expresan activamente. Al comparar la expresión génica microbiana (usando metatranscriptómica) y la abundancia de genes microbianos (usando metagenómica) en diferentes condiciones de dieta y alimentación en fases claras y oscuras, el objetivo de los investigadores era identificar cómo el momento de la alimentación podría influir en la actividad microbiana.

Debido a que la metagenómica se centra en el material genético estable, esta técnica no puede capturar las respuestas microbianas en tiempo real al tiempo dietético que se presentan en un ARN de vida corta que cambia rápidamente. Al mismo tiempo, la inestabilidad del ARN dificulta la prueba experimental de hipótesis. La dificultad y el alto costo requerido para secuenciar explica por qué los investigadores no han confiado más ampliamente en la metatranscriptómica.

Para superar esta dificultad, Zarrinpar y su equipo tuvieron que esperar para aprovechar las herramientas bioinformáticas mejoradas para simplificar su análisis de conjuntos de datos complejos. "Nos tomó varios años analizar este conjunto de datos porque las herramientas computacionales sólidas para el análisis metatranscriptómico no estaban ampliamente disponibles cuando recolectamos inicialmente nuestras muestras. Además, los costos de secuenciación fueron muy altos. Para identificar claramente la actividad microbiana, necesitábamos una cobertura de secuenciación profunda para distinguir las diferencias a nivel de especie en la expresión génica, especialmente para los genes que son comunes en múltiples tipos de microbios.

Después de monitorear estos grupos de ratones durante 8 semanas, se revelaron los resultados. Como se predijo, los ratones con acceso sin restricciones a una dieta alta en grasas mostraron signos de disfunción metabólica debido a interrupciones en sus ritmos circadianos y microbianos. Cuando los ratones tienen libre acceso a una dieta alta en grasas, su comportamiento alimentario normal cambia significativamente. En lugar de limitar su actividad y alimentarse a su período nocturno activo, estos ratones comienzan a permanecer despiertos y comer durante el día, que es su fase de descanso típica. Esta actividad diurna inusual interfiere con importantes procesos fisiológicos. En consecuencia, los animales experimentan una desalineación circadiana, una condición similar a la que experimentan los trabajadores humanos por turnos cuando sus ciclos de sueño-vigilia y alimentación no coinciden con sus relojes biológicos internos. Esta desalineación puede afectar negativamente el metabolismo, la inmunidad y la salud en general, lo que podría conducir a enfermedades metabólicas.

Para los ratones que consumieron una dieta alta en grasas dentro de una ventana de TRF, el fenotipado metabólico demostró que su régimen de dieta específico los había protegido de los efectos dañinos inducidos por altas de grasas, incluida la adiposidad, la inflamación y la resistencia a la insulina. Aún más prometedor, los ratones no solo estaban protegidos de la alteración metabólica, sino que también experimentaron mejoras fisiológicas, incluida la homeostasis de la glucosa y la restauración parcial de los ritmos microbianos diarios ausentes en los ratones con acceso sin restricciones a una dieta alta en grasas.

Si bien el enfoque TRF no restauró completamente la ritmicidad normal y saludable observada en los ratones de control, los investigadores notaron distintos cambios en los patrones microbianos que indicaron un enriquecimiento dependiente del tiempo en genes atribuidos al metabolismo de lípidos y carbohidratos.

Afortunadamente, los últimos avances en la tecnología de secuenciación, incluidos los métodos de secuenciación de lectura larga, están facilitando la investigación de la metatranscriptómica. Estas plataformas más nuevas ofrecen una mayor resolución a un costo menor, lo que hace que la metatranscriptómica sea cada vez más accesible. Con estas tecnologías emergentes, la metatranscriptómica se convertirá en un método más estándar y ampliamente utilizado para que los investigadores comprendan mejor la influencia de la actividad microbiana en nuestra salud.

La metatranscriptómica, por ejemplo, permitió a Zarrinpar y al equipo profundizar y centrarse en la transcripción de una enzima particular que identificaron como una influencia fundamental en las mejoras metabólicas observables: la hidrolasa de sales biliares (BSH), conocida por regular el metabolismo de los lípidos y la glucosa. El enfoque TRF mejoró notablemente la expresión del gen BSH durante el día en el microbio intestinal Dubosiella newyorkensis, que tiene un equivalente humano funcional.

Para determinar por qué sucedió esto, el equipo aprovechó la ingeniería genética para insertar varias variantes activas del gen BSH en una cepa benigna de bacterias intestinales para administrarlas a los ratones. La única variante que produjo mejoras metabólicas fue la derivada de Dubosiella newyorkensis; los ratones a los que se les administró esta bacteria nativa modificada (ENB) que expresa BSH tenían una mayor masa muscular magra, menos grasa corporal, niveles más bajos de insulina, mayor sensibilidad a la insulina y mejor regulación de la glucosa en sangre. Todavía es pronto para conocer todo el potencial clínico de esta nueva bacteria nativa modificada que expresa BSH, dijo Zarrinpar. Sin embargo, nuestro objetivo a largo plazo es desarrollar una terapia que pueda administrarse como una dosis única, colonizar el intestino de manera estable y proporcionar beneficios metabólicos duraderos. Probar las bacterias modificadas en ratones obesos y diabéticos con una dieta alta en grasas sería el siguiente paso para determinar si su potencial realmente se mantiene. Si se demuestra que tiene éxito, podría usarse para desarrollar futuras terapias e intervenciones dirigidas para tratar trastornos metabólicos comunes.

Con esta bacteria modificada, Zarrinpar y su equipo tienen la esperanza de que por sí sola pueda replicar los beneficios microbianos asociados con seguir un programa dietético TRF. En nuestro estudio, la bacteria modificada expresó continuamente la enzima DnBSH1, independientemente de los factores dietéticos o ambientales. Como resultado, la bacteria proporcionó beneficios metabólicos similares a los observados con TRF, incluso sin requerir que los ratones se adhieran estrictamente a un programa TRF.

Esto sugiere la posibilidad de que este microbio diseñado pueda servir como reemplazo de TRF o como una forma de mejorar sus efectos beneficiosos. Estudios adicionales ayudarán a determinar si la combinación de este ENB con TRF podría proporcionar mejoras adicionales o sinérgicas en la salud metabólica.

Mitchell Roslin, MD, FACS, profesor de cirugía en la Escuela de Medicina Donald y Barbara Zucker, Hempstead, Nueva York, director en jefe de cirugía bariátrica y metabólica en el Hospital Lenox Hill. que no participó en el estudio, señaló que como pionero del cruce duodenal de anastomosis única que separa la bilis de los alimentos hasta la mitad del tracto gastrointestinal, estoy de acuerdo en que la bilis es muy importante para controlar el metabolismo y la glucosa. Usar enzimas o medicamentos que funcionan en el tracto gastrointestinal sin ser absorbidos por el cuerpo es muy interesante y tiene un gran potencial. Es una perspectiva temprana pero emocionante.

Sin embargo, Roslin expresó algunas reservas. "Creo que todavía estamos tratando de comprender si la diferencia en los microbiomas es la causa o el efecto / asociación. ¿Es el microbioma la diferencia o es un microbioma diferente representativo de una dieta que tiene más fibra y menos alimentos procesados? Por lo tanto, aunque encuentro esto académicamente fascinante, creo que hay preguntas muy básicas que necesitan mejores respuestas, antes de ver la transcripción de las bacterias".

Además, traducir los resultados metabólicos observados en ratones a humanos podría no ser tan sencillo. La investigación con animales pequeños es obligatoria, pero cómo los hallazgos se convierten en humanos es altamente especulativa. Los ratones que se estudian generalmente se crían para investigación médica, con una variación genética reducida. Muchos modelos animales son más sensibles a la alimentación restringida en el tiempo y la restricción calórica que los humanos.

Si bien requiere más investigación y validación, este estudio de UC San Diego contribuye a nuestra comprensión general de las interacciones huésped-microbio. Demostramos que los ritmos circadianos del huésped influyen significativamente en la función microbiana y, a la inversa, estas funciones microbianas pueden afectar directamente el metabolismo del huésped, dijo Zarrinpar. Es importante destacar que ahora tenemos un método para probar cómo las actividades microbianas específicas afectan la fisiología del huésped mediante la ingeniería de bacterias intestinales nativas.

Roslin enfatizó de manera similar la importancia de la inversión continua en la exploración del ecosistema microbiano dentro de todos nosotros. "Existe una evidencia más amplia de que las bacterias y los microbios no son solo pasajeros que nos usan para dar un paseo, sino que tal vez manipulan cada acción que tomamos".