| Papel de la flora intestinal en la salud y en la enfermedad Role of intestinal flora in health and disease F. Guarner Unidad de Investigación de Aparato Digestivo. Hospital Universitari Vall d'Hebron. Barcelona. España.
RESUMEN El
término "microflora" o "microbiota" intestinal hace referencia al
ecosistema microbiano que coloniza el tracto gastrointestinal. Los
instrumentos de biología molecular desarrollados recientemente sugieren
que todavía se ha de describir una parte sustancial de las comunidades
bacterianas del intestino humano. No obstante, están bien documentados
la relevancia y el impacto de las bacterias residentes en la fisiología y
la patología del huésped. Las principales funciones de la microflora
intestinal incluyen (1) actividades metabólicas que se traducen en
recuperación de energía y nutrientes, y (2) protección del huésped
frente a invasión por microorganismos extraños. Las bacterias
intestinales desempeñan un papel esencial en el desarrollo y la
homeostasis del sistema inmunitario. Los folículos linfoides de la
mucosa intestinal son áreas principales para la inducción y la
regulación del sistema inmune. Por otra parte, se dispone de evidencias
que implican a la microbiota intestinal en ciertos procesos patológicos,
incluyendo el fallo multi-orgánico, el cáncer de colon y la enfermedad
inflamatoria intestinal. Palabras clave: Microflora. Microbiota. Flora intestinal.
ABSTRACT The
terms intestinal "microflora" or "microbiota" refer to the microbial
ecosystem colonizing the gastrointestinal tract. Recently developed
molecular biology instruments suggest that a substantial part of
bacterial communities within the human gut still have to be described.
The relevance and impact of resident bacteria on the host physiology and
pathology are, however, well documented. The main functions of
intestinal microflora include (1) metabolic activities translating into
energy and nutrients uptake, and (2) host protection against invasion by
foreign microorganisms. Intestinal bacteria play an essential role in
the development and homeostasis of the immune system. Lymphoid follicles
within the intestinal mucosa are the main areas for immune system
induction and regulation. On the other hand, there is evidence
implicating intestinal microbiota in certain pathological processes
including multi-organ failure, colon cancer, and inflammatory bowel
disease. Key words: Microflora. Microbiota. Intestinal flora.
Introducción El
tracto gastrointestinal constituye la principal superficie de
intercambio y comunicación entre el medio externo y el medio interno. En
el individuo adulto la mucosa gastrointestinal alcanza una superficie
de 300 a 400 metros cuadrados (considerando la superficie total, con las
vellosidades desplegadas), y está dotada de estructuras y funciones
(sensores, receptores, glándulas, secreciones, actividad mecánica, etc.)
específicamente adaptadas al reconocimiento analítico y bioquímico de
las sustancias que transitan por el tubo digestivo. Como resultado de la
actividad del tracto gastrointestinal, el individuo obtiene dos
importantes beneficios: nutrición, por la digestión y absorción de nutrientes; y también defensa,
por reconocimiento de elementos foráneos y desarrollo de sistemas de
prevención y rechazo de posibles agresiones desde el mundo exterior. En
años recientes se han adquirido suficientes conocimientos para poder
afirmar con rotundidad que ambas funciones dependen no sólo de las
estructuras propias del tubo digestivo (barrera mucosa, glándulas
secretoras, sistema inmune de las mucosas) sino también de la presencia y
actividad de las comunidades microbianas que colonizan el intestino1. La microflora intestinal es un órgano más, perfectamente integrado en la fisiología del individuo2.
Los dos elementos funcionales (tubo digestivo y microflora) son
interdependientes y su equilibrio condiciona la homeostasis del
individuo dentro de su entorno ambiental. Ecología Intestinal El
intestino humano es el hábitat natural de una población numerosa,
diversa y dinámica de microorganismos, principalmente bacterias, que se
han adaptado a la vida en las superficies mucosas o en la luz del
intestino3,4. El término "microflora" o "microbiota" hace
referencia a la comunidad de microorganismos vivos reunidos en un nicho
ecológico determinado. El ecosistema microbiano del intestino incluye
especies nativas que colonizan permanentemente el tracto
gastrointestinal y una serie variable de microorganismos vivos que
transitan temporalmente por el tubo digestivo4. Las bacterias
nativas se adquieren al nacer y durante el primer año de vida, mientras
que las bacterias en tránsito se ingieren continuamente a través
alimentos, bebidas, etc. La población microbiana del intestino humano incluye unos 100 billones de bacterias de unas 500 a 1.000 especies distintas5,6.
El estómago y el duodeno albergan un reducido número de microorganismos
que se adhieren a la superficie mucosa o en tránsito, típicamente menos
de 103 células bacterianas por g de contenido. Las
secreciones ácidas, biliares y pancreáticas destruyen la mayor parte de
microorganismos ingeridos, y la actividad motora propulsiva impide una
colonización estable de la luz. El número de bacterias a lo largo del
yeyuno y el íleon aumenta progresivamente, desde alrededor de 104 en el yeyuno hasta 107
unidades formadoras de colonias por g de contenido en el extremo ileal,
con un predominio de aerobios Gram negativos y algunos anaerobios
obligados. En comparación, el intestino grueso está densamente poblado
de anaerobios y los recuentos de bacterias alcanzan densidades de
alrededor de 1011 unidades formadoras de colonias por g de
contenido luminal (concentraciones 10.000 veces mayores que en la luz
ileal). En el colon el tiempo de tránsito es lento lo que brinda a los
microorganismos la oportunidad de proliferar fermentando los sustratos
disponibles derivados de la dieta o de las secreciones endógenas. El
análisis bacteriológico convencional de la flora fecal por aislamiento
de bacterias en medios de crecimiento selectivo demuestra que las
bacterias anaeróbicas estrictas superan en número a las anaeróbicas por
un factor de 100 a 1.000. Los géneros predominantes son Bacteroides, Bifidobacterium, Eubacterium, Clostridium, Lactobacillus, Fusobacterium
y diversos cocos grampositivos anaeróbicos. No obstante, más del 50% de
las células bacterianas observadas mediante examen microscópico de
muestras fecales no puede crecer en medios de cultivo7, y por
tanto la información que han proporcionada los estudios de
microbiología clásica es muy limitada. Se han establecido técnicas de
biología molecular para caracterizar las bacterias no cultivables y en
la actualidad se están identificando cepas no conocidas previamente7,8.
Estas técnicas muestran diferencias en las especies predominantes entre
el tercio proximal y distal del colon, y entre las comunidades mucosa y
fecal9. La
gran biodiversidad de especies dentro del ecosistema intestinal facilita
la vida y el desarrollo del conjunto, que incluye no sólo a las
comunidades bacterianas sino también al anfitrión humano. Los mamíferos
criados bajo condiciones estrictas de asepsia, no adquieren su flora
natural y tienen un desarrollo anormal: hay deficiencias en el aparato
digestivo (pared intestinal atrófica y motilidad alterada), metabolismo
de bajo grado (corazón, pulmones e hígado de bajo peso, con gasto
cardíaco bajo, baja temperatura corporal y cifras elevadas de colesterol
en sangre), y sistema inmune inmaduro (niveles bajos de
inmunoglobulinas, sistema linfático atrófico, etc.). Se habla de
simbiosis cuando la relación entre dos o más especies vivas conlleva
beneficios para al menos una de ellas sin que exista perjuicio para
ninguna de las otras10. La relación del anfitrión con su
flora es de simbiosis: el anfitrión proporciona hábitat y nutrición, y
la microbiota contribuye de modo importante a la fisiología del
anfitrión. Funciones de la Microbiota Los
estudios con colonización intestinal controlada han permitido
identificar tres funciones primarias de la microflora intestinal: (a) funciones de nutrición y metabolismo,
como resultado de la actividad bioquímica de la flora, que incluyen
recuperación de energía en forma de ácidos grasos de cadena corta,
producción de vitaminas y efectos favorables sobre la absorción de
calcio y hierro en el colon; (b) funciones de protección, previniendo la invasión de agentes infecciosos o el sobrecrecimiento de especies residentes con potencial patógeno, y (c) funciones tróficas sobre la proliferación y diferenciación del epitelio intestinal, y sobre el desarrollo y modulación del sistema inmune4. Funciones Metabólicas La
flora entérica metaboliza los sustratos o residuos dietéticos no
digeribles, el moco endógeno y los detritus celulares. La diversidad de
genes en la comunidad microbiana (microbioma) proporciona una gran
variedad de enzimas y vías bioquímicas distintas de los recursos propios
del anfitrión11. La fermentación de hidratos de carbono no
digeribles por el anfitrión tiene lugar fundamentalmente en ciego y
colon derecho. Constituye una fuente de energía importante para la
proliferación bacteriana, y además produce ácidos grasos de cadena corta
que el anfitrión puede absorber. Esto se traduce en recuperación de
energía de la dieta y favorece la absorción de iones (Ca, Mg, Fe) en el
ciego. Las funciones metabólicas también incluyen la producción de
vitaminas (K, B12, biotina, ácido fólico y pantoténico) y la síntesis de aminoácidos a partir del amoníaco o la urea12.
El metabolismo anaeróbico de los péptidos y proteínas (putrefacción) se
produce en segmentos más distales del colon, y también es fuente de
ácidos grasos de cadena corta, pero, al mismo tiempo, genera una serie
de sustancias potencialmente tóxicas incluyendo amoníaco, aminas,
fenoles, tioles e indoles13,14. Funciones de Protección La
función defensiva de la microflora incluye el efecto "barrera", por el
que las bacterias que ocupan un espacio o nicho ecológico impiden la
implantación de bacterias extrañas al ecosistema. Además, la microbiota
propia impide el sobrecrecimiento de bacterias oportunistas que están
presentes en el intestino pero con proliferación restringida. El
equilibrio entre las especies bacterianas residentes confiere
estabilidad al conjunto de la población microbiana. El efecto de barrera
se debe a la capacidad de ciertas bacterias para segregar sustancias
antimicrobianas (bacteriocinas), que inhiben la proliferación de otras
bacterias, y también a la competición entre bacterias por los recursos
del sistema, ya sea nutrientes o espacios ecológicos15,16. Funciones Tróficas Las bacterias intestinales pueden controlar la proliferación y diferenciación de las células epiteliales17.
En las criptas colónicas de animales criados en condiciones de estricta
asepsia se observa una disminución del "turn-over" de células
epiteliales en comparación con animales control colonizados por flora
convencional. La diferenciación celular en el epitelio está sumamente
influida por la interacción con los microorganismos residentes como se
demuestra por la expresión de una diversidad de genes en los animales
mono-asociados a cepas bacterianas específicas10. Las
bacterias también desempeñan un papel esencial en el desarrollo del
sistema inmunitario. Los animales criados en condiciones de asepsia
estricta muestran baja concentración de células linfoides en la mucosa
del intestino delgado, la estructura de los folículos linfoides está
atrofiada y la concentración de inmunoglobulinas circulantes es
anormalmente baja. Inmediatamente después de la exposición a flora
convencional, aumenta el número de linfocitos de la mucosa, los centros
germinales crecen en número y tamaño, apareciendo rápidamente en los
folículos linfoides y la lámina propia células productoras de
inmunoglobulinas18,19. Paralelamente, se observa un aumento de la concentración sérica de inmunoglobulinas. Microbiota Intestinal y Sistema Inmune El
tracto gastrointestinal constituye una interfase muy sensible para el
contacto y comunicación entre el individuo y el medio externo. Para la
perfecta homeostasis, el sistema tiene que distinguir claramente entre
patógenos o patógenos potenciales, de un lado, y microbios comensales en
simbiosis con el anfitrión, de otro. En el primer caso, el organismo
debe dotarse de elementos de defensa adecuados, mientras que en el
segundo caso, el anfitrión tiene que saber tolerar para obtener el
beneficio de la simbiosis. Las interacciones entre los microorganismos,
el epitelio y los tejidos linfoides intestinales son múltiples, diversas
en sus características y continuas, de modo que remodelan
constantemente los mecanismos locales y sistémicos de la inmunidad
adaptándolos al ambiente microbiano20. La
célula epitelial juega un papel muy importante en la logística del
sistema inmune. Su posición en primera línea y en contacto con la luz
intestinal es crucial para el reconocimiento inicial de moléculas
foráneas y para la generación de señales que se transmiten a las células
inmunocompetentes del tejido subyacente. La activación de los
mecanismos de defensa depende en primer lugar del reconocimiento rápido
de riesgo a través de receptores innatos o pre-formados que detectan
componentes estructurales comunes a bacterias o virus, pero ausentes en
la célula eucariota. Esto se realiza en el medio extracelular mediante
los Toll-like-receptors (TLR) de la membrana, y en el medio intracelular
mediante las proteínas tipo NOD del citosol21. La activación
de estos sensores por invasión bacteriana genera inmediatamente señales
que convergen en la migración de factores de transcripción (NF-kappaB y
otros) al núcleo celular, donde activan la expresión de genes
responsables de la síntesis de proteínas proinflamatorias22,
básicamente citoquinas y enzimas inducibles con capacidad para generar
mediadores inflamatorios. De este modo, las células epiteliales emiten
señales con capacidad de atraer y activar leucocitos, aumentar el flujo
sanguíneo, incrementar la permeabilidad capilar, etc. Los enterocitos
pueden actuar como células presentadoras de antígenos, sugiriendo que su
rol no se limita a la defensa innata sino que también participan en el
escalón inicial de las respuestas de tipo adquirido (expansión de clones
linfocitarios específicos y generación de anticuerpos)23. El
sistema inmune de las mucosas cuenta con tres compartimentos
diferenciables anatómicamente: estructuras organizadas (placas de Peyer y
folículos linfoides), lámina propia y epitelio superficial23.
Las estructuras organizadas son lugares de inducción, mientras que la
lamina propia y el compartimiento epitelial contienen células maduras y
efectoras. Las estructuras organizadas están cubiertas por epitelio
especializado (células M, de morfología característica), que transporta
micro-organismos o estructuras antigénicas desde la luz hasta el tejido
linfoide subyacente. La inducción de respuestas inmunes de tipo
adquirido es un fenómeno que tiene lugar principalmente en las
estructuras foliculares de la mucosa intestinal. Los antígenos
procesados se presentan a linfocitos T en estado "naïve", y se activa la
expansión de los clones más afines al antígeno. La expansión clonal de
células T da lugar a linfocitos "helper" (células Th) de distinto
fenotipo: Th1, Th2 o T reguladoras (Th3, Tr1 o células CD4-CD25). Las
células T reguladores juegan un papel central en inmunotolerancia porque
segregan citoquinas reguladoras, de carácter antiinflamatorio (IL-10,
TGF-beta), en respuesta a antígenos que se reconocen como "comensales" y
no patógenos24,25. En condiciones normales, la mucosa
intestinal contiene pocas células T activadas de fenotipo Th1, y
predominan las células T reguladoras. Este contexto de inmunotolerancia
permite la exposición continua a una carga antigénica abrumadora
(bacterias de la flora, comida), sin que por ello se desencadenen
reacciones inflamatorias que lesionarían al tejido intestinal propio (fig. 1). La
interacción con el mundo microbiano en la luz intestinal parece ser un
mecanismo primario en la conformación del estado de inmunotolerancia
activa mediado por células T reguladoras25. Algunas anomalías
en el desarrollo del sistema inmune podrían deberse a defectos en la
interacción de la microbiota con los compartimientos inmuno-competentes
de la mucosa. De acuerdo con la hipótesis de la higiene, en las
sociedades occidentalizadas la incidencia cada vez mayor de atopias
(eczema, asma, rinitis, alergias), enfermedad inflamatoria intestinal y
trastornos autoinmunes (esclerosis múltiple, diabetes tipo I) podría
explicarse por una disminución de la carga microbiana en los primeros
meses de vida. Hay evidencias que sugieren que la exposición a
microorganismos no patógenos, incluyendo helmintos, transmitidos por los
alimentos y por vía orofecal ejerce un impacto homeostático26. Disfunciones de la Microbiota Intestinal Diversos procesos se asocian con cambios en la composición o función metabólica de la flora entérica4.
Por ejemplo, diversas enfermedades diarreicas agudas se deben a
patógenos que proliferan y tienen características invasivas o producen
toxinas. La diarrea asociada a los antibióticos se debe a un
desequilibrio en la composición de la flora intestinal con la
proliferación de especies patógenas, como algunas cepas de Clostridium difficile
productoras de toxinas que causan colitis pseudomembranosa. Se
considera que las bacterias intestinales desempeñan un papel en la
patogenia del síndrome del intestino irritable. En pacientes con este
síndrome son frecuentes síntomas como distensión abdominal y
flatulencia. La fermentación que tiene lugar en el colon genera un
volumen variable de gas. Igualmente, la putrefacción de las proteínas
por bacterias de la luz intestinal se asocia con la patogenia de la
encefalopatía hepática en pacientes con insuficiencia hepática aguda o
crónica. La disfunción
de la barrera mucosa puede causar una translocación bacteriana. La
translocación de bacterias viables o muertas en cantidades muy pequeñas
constituye un refuerzo fisiológicamente importante para el sistema
inmunitario. No obstante, la disfunción de la barrera mucosa intestinal
puede traducirse en la translocación de una cantidad considerable de
microorganismos viables, sobre todo de género aeróbico y fenotipo Gram
negativo. Después de cruzar la barrera epitelial, las bacterias pueden
alcanzar áreas extraintestinales a través de los conductos linfáticos, y
pueden infectar ganglios linfáticos mesentéricos, hígado y bazo. En
situaciones graves, las bacterias entéricas pueden diseminarse por todo
el organismo provocando septicemia, shock, y fallo multi-orgánico. La
translocación bacteriana grave es un fenómeno que puede producirse en
situaciones de hemorragia aguda, quemaduras, traumatismos, isquemia
intestinal, obstrucción intestinal, pancreatitis grave, insuficiencia
hepática aguda y cirrosis27. Los tres mecanismos principales
que favorecen la translocación bacteriana son: (a) proliferación
bacteriana en el intestino delgado; (b) aumento de la permeabilidad de
la barrera mucosa intestinal, y (c) deficiencias en la defensa inmune
del huésped. En modelos
experimentales se ha demostrado que las bacterias intestinales pueden
desempeñar un papel en la iniciación del cáncer de colon a través de la
formación de productos de carcinogénicos. Los defectos genéticos
moleculares que aparecen en cáncer colorectal humano son bien conocidos,
y parecen ser consecuencia de la genotoxicidad de productos generados
en la luz del intestino. Los datos epidemiológicos sugieren que factores
medioambientales como la dieta desempeñan un importante papel en el
desarrollo de cáncer de colon. El consumo de grasa animal y carnes
rojas, en particular procesadas, se asocia a riesgo más elevado,
mientras que el consumo de fruta y verduras, cereales integrales,
pescado y calcio se asocian a disminución del riesgo. Los factores
dietéticos y genéticos interactúan en parte a través de acontecimientos
que tienen lugar en la luz del intestino grueso28. La
influencia de la dieta en el proceso carcinogénico parece estar mediada
por cambios en la actividad metabólica de la microbiota colónica. Se
dispone de pruebas que implican la flora bacteriana como factor
esencial en la patogenia de la enfermedad inflamatoria intestinal. En la
enfermedad de Crohn y la colitis ulcerosa existe una activación anómala
del sistema inmunitario de la mucosa frente a elementos de la
microbiota entérica. Esta respuesta aberrante parece ser el
acontecimiento clave que desencadena los mecanismos inflamatorios que
dan lugar a la lesión intestinal29. En los pacientes se detecta un aumento de la secreción mucosa de anticuerpos IgG contra las bacterias comensales30
y los linfocitos T de la mucosa son hiperreactivos frente a los
antígenos de la flora común, lo que sugiere la abolición de los
mecanismos de tolerancia local31. De hecho, en pacientes con
enfermedad de Crohn la derivación del flujo fecal consigue remisión de
las lesiones, mientras que la re-infusión del contenido intestinal en
los segmentos ileales excluidos reactiva la enfermedad32. En
la colitis ulcerosa, el tratamiento a corto plazo con antibióticos de
amplio espectro en comprimidos con recubrimiento entérico reduce
rápidamente la actividad inflamatoria33. Diversos factores
podrían contribuir a la patogenia de la respuesta inmunitaria aberrante a
la flora autóloga, incluida la susceptibilidad genética34,
un defecto en la función de barrera de la mucosa y un desequilibrio
microbiano. Datos recientes sugieren que en pacientes con enfermedad de
Crohn o colitis ulcerosa la población de bacterias intestinales difiere
de la de los individuos sanos35. Conclusiones El
intestino humano alberga una comunidad diversa de bacterias comensales,
en una relación de simbiosis con el anfitrión, de modo que influye
permanentemente en su fisiología. Hay evidencia clara de que las
interacciones bacteria-anfitrión en la mucosa del intestino desempeñan
un papel muy importante en el desarrollo y regulación del sistema
inmune. Si esta interacción no es adecuada, la homeostasis entre la
carga antigénica ambiental y la respuesta del individuo puede fallar.
Ello puede repercutir en el desarrollo de patologías de disregulación
inmunitaria frente a estructuras antigénicas propias (autoinmunidad),
incluyendo la propia microflora (enfermedad inflamatoria intestinal), o
estructuras antigénicas del ambiente (atopia).
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