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En otoño de 2018, un equipo de investigadores del Instituto de Ciencias Weizmann de Israel publicó los hallazgos de que un cóctel de 11 cepas de Lactobacillus y Bifidobacterium tenía un impacto inmediato mínimo y ningún efecto duradero en la composición del microbioma intestinal de ratones o personas. De hecho, las bacterias probióticas no se encontraron en ninguno de los catorce participantes adultos una vez finalizada la suplementación.
Estos recientes hallazgos recibieron bastante prensa y se sumaron al creciente sentimiento entre el público de que los probióticos -microorganismos vivos que supuestamente confieren beneficios al huésped humano- no funcionan. Décadas de investigación han demostrado que la mayoría de los probióticos no son capaces de colonizar o ejercer beneficios duraderos en el intestino humano. Algunos críticos incluso han sugerido que los probióticos pueden no ser una vía prometedora para tratar enfermedades o mejorar la salud y el bienestar. Pero nosotros pensamos: «No hay que tirar al bebé con el agua de la bañera: nuestro trabajo demuestra que el probiótico adecuado puede funcionar en el intestino de los bebés». Los hallazgos que publicamos en 2017 mostraron que alimentar a los bebés amamantados con un probiótico que incluía una cepa específica de Bifidobacterium longum subespecie infantis (B. infantis EVC001) dio como resultado un aumento promedio de 10.000.000 de veces en los niveles de B. infantis fecal. Este nivel persistió durante un mes después de consumir el suplemento, y los niveles se mantuvieron elevados hasta un año después del tratamiento.
Para entender por qué el microbioma intestinal infantil cambió tan drásticamente durante el siglo pasado, buscamos entender cómo se forma el microbioma intestinal infantil.
La colonización del intestino infantil por B. infantis tuvo efectos protectores, como la reducción de los niveles de posibles patógenos intestinales y de endotoxina fecal, un componente de la membrana externa de los organismos Gram-negativos conocido por desencadenar la inflamación. También se descubrió que los bebés a los que se les administró el probiótico B. infantis tenían una menor inflamación intestinal en comparación con los bebés amamantados que no recibieron el probiótico. Los microbiomas intestinales de los bebés que recibieron el suplemento de B. infantis albergaban menos genes de resistencia a los antibióticos -signo de un menor número de patógenos- y mostraban una menor degradación de la mucina, una glicoproteína secretada por el epitelio intestinal que protege a las células epiteliales del contacto directo con los microbios intestinales. Estos datos respaldan los hallazgos anteriores de Mark Underwood y sus colegas de la Universidad de California en Davis. En 2013, el equipo de Underwood demostró que alimentar a los bebés prematuros con una cepa diferente, B. infantis ATCC15697, daba lugar a un mayor aumento de Bifidobacterium fecal y a una reducción de los niveles de patógenos potenciales en comparación con los bebés a los que se les daba un probiótico que contenía B. lactis.
Mientras la comunidad científica y el público lidiaban con los repetidos hallazgos de que los suplementos probióticos tomados por los adultos no son consistentes en colonizar efectivamente el intestino o conferir beneficios, ahora teníamos pruebas convincentes de que los microbiomas intestinales de los bebés respondían increíblemente bien a cepas específicas de B. infantis. La pregunta era por qué.
Orígenes del microbioma
Se pueden encontrar indicios sobre el microbioma infantil en artículos centenarios sobre las bacterias comensales en las heces de los bebés. W. R. Logan, un patólogo clínico del Laboratorio de Investigación del Real Colegio de Médicos de Edimburgo, fue el primero en informar, hace 100 años, de que las bacterias de los frotis fecales de los bebés alimentados con leche materna eran un casi monocultivo de Bacillus bifidus, que hoy se conoce como el género Bifidobacterium. Por el contrario, los frotis fecales de los bebés alimentados con leche artificial de aquella época presentaban una diversidad de bacterias, con relativamente pocas Bifidobacterium, más similar a la diversidad microbiana que se encuentra en los bebés alimentados con leche materna de hoy en día.
Estos sorprendentes cambios en la composición del microbioma intestinal observados a lo largo del último siglo son coherentes con nuestro reciente hallazgo de que el pH fecal en los bebés alimentados con leche materna aumentó drásticamente de un pH de 5,0 a 6,5 en los últimos 100 años, un cambio asociado a una aparente pérdida generacional de Bifidobacterium y un aumento concomitante de patógenos potenciales. La reducción del Bifidobacterium en el microbioma intestinal de los bebés alimentados con leche materna es probablemente una consecuencia involuntaria de las prácticas médicas que pueden salvar vidas pero que no favorecen el crecimiento del Bifidobacterium. Estas prácticas médicas incluyen el tratamiento con antibióticos a los que las Bifidobacterium son sensibles; fórmulas infantiles que no proporcionan el alimento específico que la bacteria requiere; y un mayor número de partos por cesárea, que evitan la ruta por la que la bacteria se transfiere de la madre al bebé. Estas prácticas médicas han sido implicadas en el mayor riesgo de enfermedades alérgicas y autoinmunes que prevalecen en las naciones ricas en recursos. Se ha propuesto que la reducción de Bifidobacterium y el aumento de microbios proinflamatorios en la primera infancia se producen durante la ventana crítica del desarrollo del sistema inmunitario y, por lo tanto, pueden aumentar el riesgo de enfermedades inmunitarias más adelante en la vida.
Para entender por qué el microbioma intestinal infantil cambió tan drásticamente en el último siglo, buscamos entender cómo se forma esta comunidad. La colonización del microbioma intestinal infantil comienza en el momento del parto con la exposición a los microbios maternos -principalmente a los microbios vaginales y fecales en el caso de los bebés nacidos por vía vaginal o, predominantemente, a los microbios de la piel, la boca y el entorno circundante en los bebés nacidos por cesárea. Tras el nacimiento, los bebés son bombardeados por una amplia gama de microbios que se encuentran en el entorno, incluida la leche materna, pero las especies que pasan a convertirse en miembros duraderos de la comunidad microbiana son a menudo las transmitidas por las madres de los bebés a través del contacto físico.
Los niños siguen adquiriendo especies del microbioma intestinal de sus madres y de otros miembros de la comunidad durante los primeros años de vida. Esto contrasta con el microbioma intestinal de un adulto, que es estable y se resiste al cambio en gran medida porque el espacio y el alimento disponibles ya son utilizados por los microbios establecidos: los nichos ecológicos simplemente están ocupados en los intestinos de los adultos. Por tanto, tiene sentido que un probiótico tenga más posibilidades de persistir en el intestino del bebé, donde se enfrenta a menos competencia y, por lo tanto, es más probable que tenga alimentos que pueda consumir y un lugar donde pueda crecer. Un probiótico sirve como una fuente más de exposición a nuevas bacterias para el bebé.
Reconociendo esto, empezamos a preguntarnos: En nuestros estudios, ¿qué nicho ecológico llenaba B. infantis que apoyaba su persistencia en los bebés mucho después de que se interrumpiera la administración de probióticos?
El cambiante microbioma infantil
Históricamente, el microbioma intestinal de los bebés amamantados era un casi monocultivo de Bifidobacterium (J Pathol Bacteriol, 18:527-51, 1913). El microbioma intestinal de los bebés alimentados con leche artificial era mucho más diverso. El microbioma intestinal de los bebés alimentados con leche materna y el microbioma intestinal de los bebés alimentados con fórmula son ahora más similares al microbioma intestinal histórico de los bebés alimentados con fórmula, aunque los bebés modernos alimentados con leche materna tienen más Bifidobacterium que los bebés modernos alimentados con fórmula.
Preparando el escenario
Un factor importante para determinar qué bacterias prosperan en el intestino es la disponibilidad de sus fuentes de alimentación de carbohidratos. Por lo tanto, para que un probiótico funcione en un bebé, los microorganismos deben seleccionarse de forma que la fuente de alimento que utilicen de forma más eficiente coincida con lo que está disponible: un alimento que esté presente y que no esté siendo consumido por otras bacterias. Nos propusimos determinar qué hidratos de carbono consume B. infantis en el intestino del lactante.
Naturalmente, recurrimos a la leche materna, que durante millones de años ha sido el único alimento que puede nutrir y proteger exclusivamente a los bebés durante los primeros seis meses de vida. La leche humana aporta tanto nutrientes como moléculas bioactivas no nutritivas, entre las que se encuentran los hidratos de carbono conocidos como oligosacáridos de la leche humana (HMO). A mediados de la década de 1900, Paul György, un bioquímico, nutricionista y pediatra de renombre mundial del Hospital de la Universidad de Pensilvania, y sus colegas se refirieron sin saberlo a los HMO cuando propusieron la existencia de un «factor bifidus», algo único en la leche materna que alimentaba a las Bifidobacterium. Mientras que los humanos no pueden digerir los HMO, resulta que las Bifidobacterium, especialmente las B. infantis, sí pueden. En 2007, nuestro grupo de la UC Davis utilizó herramientas basadas en la espectrometría de masas junto con la microbiología para demostrar que B. infantis engulle HMO como única fuente de energía, mientras que otras especies de Bifidobacterium sólo consumen algunos HMO además de carbohidratos derivados de plantas, animales y del huésped.
Los HMO son una clase diversa de moléculas de carbohidratos complejos sintetizados por la glándula mamaria. Con aproximadamente 200 especies moleculares diferentes, representan el tercer componente sólido más abundante en la leche humana después de la lactosa y la grasa. Dado que los HMO son complejos y varían en su estructura, su fabricación es costosa. Las fórmulas infantiles actuales pueden contener una o dos estructuras simples de HMO, pero en una fracción de la concentración encontrada en la leche materna. Las fórmulas infantiles carecen de la abundancia y la complejidad de los HMO para alimentar selectivamente a los microbios intestinales beneficiosos y para unirse y neutralizar los patógenos del intestino.
Las especies bacterianas del intestino del lactante capaces de consumir HMO pueden considerarse el microbioma orientado a la leche (MOM). Aunque B. infantis parece ser el consumidor más eficiente de HMOs, otras especies de Bifidobacterium, en particular, B. breve y B. bifidum, pueden consumir y consumen algunos HMOs pero también consumen carbohidratos derivados de plantas, animales y del huésped. Las especies de Bifidobacterium que colonizan el intestino cambian a lo largo de la vida en respuesta a los carbohidratos disponibles en la dieta del huésped. Por ejemplo, B. infantis, B. breve y B. bifidum son bifidobacterias MOM que suelen encontrarse en las heces de los bebés alimentados exclusivamente con leche materna, mientras que B. longum y B. adolescentis, que consumen preferentemente carbohidratos de origen vegetal y animal, suelen encontrarse en las heces de los adultos. Sin embargo, existe una variación y un solapamiento en las especies presentes en las diferentes etapas de la vida.
Un factor importante para determinar qué bacterias prosperan en el intestino es la disponibilidad de su fuente de alimentación de carbohidratos.
De las bifidobacterias MOM que se encuentran en el microbioma intestinal de los bebés, las diferentes especies pueden tener diferentes implicaciones para el microbioma. Por ejemplo, cuando dimos a los bebés alimentados exclusivamente con leche materna un suplemento con el probiótico B. infantis EVC001, su intestino pasó a estar dominado por el género Bifidobacterium -más del 80 por ciento de la abundancia relativa del microbioma intestinal- y los patógenos potenciales representaron menos del 10 por ciento de la comunidad. Por otro lado, los microbiomas intestinales de los bebés alimentados exclusivamente con leche materna que no recibieron suplementos de B. infantis EVC001 tenían niveles mucho más bajos de Bifidobacterium, con sólo un 30 por ciento de abundancia relativa, y los patógenos potenciales constituían alrededor del 40 por ciento de los microbios en su intestino, hallazgos que son consistentes con trabajos anteriores de nuestro grupo y otros. Este casi monocultivo de Bifidobacterium parecía estar impulsado por B. infantis, que representaba alrededor del 90% del total de Bifidobacterium en los bebés alimentados con el probiótico. En cambio, B. longum fue la Bifidobacteria intestinal predominante en el grupo de control, seguida de B. breve y B. bifidum. Estos datos ponen de manifiesto la importancia vital de la especificidad de las cepas en los probióticos, y la combinación de la presencia de B. infantis y la lactancia materna para favorecer un entorno intestinal protector en los lactantes.
Para entender cómo el B. infantis suplementario puede superar con tanto éxito a otros microbios en el intestino del bebé, nos sumergimos en su estrategia de alimentación. Resulta que es un comedor exigente, que se alimenta exclusivamente de HMO, y cuando los HMO son abundantes, B. infantis los engulle vorazmente. A diferencia de otras bifidobacterias MOM, B. infantis posee todos los genes necesarios para la degradación completa e interna de los HMO y utiliza preferentemente los HMO sobre cualquier otra fuente de carbohidratos. Otras bifidobacterias MOM, como las cepas de B. bifidum y B. breve, presentan capacidades de crecimiento sólo con un subconjunto de HMO. Por tanto, B. infantis tiene una ventaja competitiva cuando la leche materna constituye la totalidad de la dieta.
Un estudio realizado en 2008 por colegas de la UC Davis y sus colaboradores demostró cómo B. infantis hace un uso rápido de los HMO: con proteínas de unión para agarrar los HMO del lumen intestinal y transportadores para llevarlos al citoplasma, descomponiéndolos en monosacáridos que luego se fermentan en lactato y el ácido graso de cadena corta acetato que se secretan de la célula. Estos productos finales mantienen un pH más bajo en el medio intestinal, lo que favorece el transporte de estos compuestos al epitelio intestinal para su uso por el huésped y crea un entorno indeseable para posibles patógenos. La producción de acetato también bloquea la infiltración de moléculas tóxicas producidas por bacterias patógenas al mejorar la función de barrera intestinal e inhibir las respuestas proinflamatorias y apoptóticas. Los recientes hallazgos de un estudio in vitro han demostrado que la cantidad de acetato y lactato producida por las diferentes especies de bifidobacterias depende de lo bien que consuman los hidratos de carbono de que disponen. Por lo tanto, si se alimenta a un microbio consumidor de carbohidratos con su carbohidrato preferido, tendrá un mayor potencial para producir más de sus productos finales protectores.
Otra razón por la que B. infantis supera a otras cepas de bifidobacterias en el intestino de los bebés amamantados es que toda su digestión de HMO se produce dentro de la célula bacteriana. B. bifidum, en cambio, digiere los HMO de forma externa. Esta digestión extracelular libera hidratos de carbono simples y puede alimentar de forma cruzada a otras especies de Bifidobacterium, pero también se alimenta de forma cruzada y abre así un nicho ecológico para otros microbios, quizá menos beneficiosos. La alimentación cruzada entre microbios diversifica el microbioma intestinal, lo que se considera generalmente beneficioso en los adultos.
¿Pero hay alguna ventaja en tener un casi monocultivo de Bifidobacterium en los bebés? Al plantear esta pregunta, nuestro interés se centró en el desarrollo inmunológico.
El microbioma orientado a la lecheLos oligosacáridos de la leche humana (HMO) son carbohidratos complejos que las especies microbianas del microbioma orientado a la leche (MOM) pueden utilizar como fuente de alimento. El Bifidobacterium infantis codifica muchas proteínas que se unen y transportan específicamente todos los tipos de HMO a su célula y los digieren internamente. Otras especies de Bifidobacterium sólo digieren algunos HMO y algunos lo hacen externamente. La digestión de los HMO por parte de las Bifidobacterium MOM da lugar a la producción de lactato y del ácido graso de cadena corta acetato, que se secretan en el lumen intestinal. Estas moléculas reducen el pH del medio intestinal, lo que mejora su transporte al epitelio para su uso por el huésped y crea un entorno indeseable para posibles patógenos como E. coli.  © laurie o’keefe
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B. infantis consume preferentemente todas las especies de HMO sobre cualquier otra fuente de carbohidratos.
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B. bifidum come sólo un subconjunto de HMOs.
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Beneficios de una Bifidobacterium
La disminución de Bifidobacterium en los microbiomas intestinales de los bebés y la desregulación asociada de la comunidad microbiana, con más numerosos patógenos potenciales, se ha sugerido como un posible contribuyente al aumento de la incidencia de las enfermedades autoinmunes que afectan a los residentes de las naciones ricas en recursos. Por el contrario, los estudios de observación han demostrado los efectos inmunológicos beneficiosos de tener un microbioma fecal dominado por Bifidobacterium. En dos estudios realizados en bebés y niños pequeños de Bangladesh, la abundancia de B. infantis y Bifidobacterium en las heces a los dos meses de edad estaba fuertemente correlacionada con una mejor respuesta a la vacuna a los seis meses y a los dos años de edad, en comparación con los bebés no colonizados por B. infantis o con bajas abundancias relativas de Bifidobacterium.
Además, las bifidobacterias son menos propensas que otros microbios, especialmente los patógenos potenciales, a portar y compartir genes de resistencia a los antimicrobianos, lo que puede conducir a un mayor riesgo de infecciones resistentes a los antibióticos. En un estudio observacional de bebés de Bangladesh y Suecia, el predominio de Bifidobacterium intestinal se asoció con una reducción significativa tanto del número como de la abundancia de genes de resistencia a los antibióticos. Además, en comparación con los lactantes alimentados con leche materna de control, la suplementación con B. infantis EVC001 condujo a una reducción de los genes de resistencia a los antibióticos en un 90 por ciento, un descenso impulsado en gran medida por la reducción de los niveles de Escherichia, Clostridium y Staphylococcus -bacterias potencialmente patógenas que desempeñan un papel importante en la evolución y difusión de los genes de resistencia a los antibióticos.
En un esfuerzo por restaurar el microbioma intestinal infantil dominado por Bifidobacterium que era típico de los bebés alimentados con leche materna hace 100 años, decidimos realizar un ensayo aleatorio y controlado utilizando el probiótico B. infantis EVC001. Dado que no todas las cepas de B. infantis consumen eficazmente todos los HMO, seleccionamos B. infantis EVC001 porque sabíamos que esta cepa tenía el casete completo de genes necesarios para digerir completamente todos los HMO. Los bebés sanos, a término y alimentados con leche materna, fueron aleatorizados para consumir B. infantis EVC001 durante 21 días consecutivos a partir del día 7 postnatal o para no recibir el probiótico.
En comparación con los lactantes de control alimentados con leche materna que no recibieron el probiótico, la suplementación dio lugar a un aumento medio de 10.000.000 de veces en los niveles de B. infantis fecal y aumentó el Bifidobacterium fecal en un 79 por ciento durante el período de suplementación, y esto seguía siendo así un mes después de la suplementación. Esto significa que la colonización de Bifidobacterium persistió sin la continuación de la suplementación probiótica. Además, la colonización de B. infantis persistió hasta el año de edad si los lactantes seguían consumiendo leche materna y no estaban expuestos a antibióticos. Es importante destacar que los lactantes suplementados mostraron una reducción del 80 por ciento de los patógenos intestinales potenciales pertenecientes a las familias Enterobacteriaceae y Clostridiaceae y una reducción de la endotoxina fecal. Además, se observó un aumento de 2 veces en el lactato y el acetato fecales y una disminución de 10 veces en el pH fecal. El microbioma intestinal y la bioquímica de los bebés suplementados se asemejaban a las normas observadas hace un siglo.
También identificamos algunas pistas sobre las consecuencias de la «modernización» del microbioma intestinal. Los lactantes amamantados con un nivel bajo de Bifidobacterium fecal habían excretado 10 veces más HMO en sus heces a lo largo del periodo de estudio de dos meses que los lactantes suplementados con B. infantis EVC001, lo que indica que los HMO -el tercer componente más abundante en la leche materna- se estaban desperdiciando. También descubrimos que los lactantes con un nivel bajo de Bifidobacterium fecal tenían niveles varias veces superiores de citoquinas proinflamatorias fecales en comparación con los lactantes cuyos microbiomas intestinales estaban dominados por Bifidobacterium tras la suplementación con B. infantis EVC001.
En conjunto, estos datos demuestran que esta cepa concreta de B. infantis, suministrada como probiótico a los lactantes alimentados con leche materna, colonizó drásticamente el microbioma intestinal del lactante durante y después de la suplementación, y remodeló de forma beneficiosa el entorno microbiano, bioquímico e inmunológico del intestino del lactante. Muchos lactantes de todo el mundo nunca adquieren B. infantis, pero la combinación de lactancia materna y suplementación probiótica con esta bacteria parece conducir a un entorno intestinal nutritivo y protector.
Muchos bebés de todo el mundo nunca adquieren B. infantis, pero la combinación de lactancia materna y suplementos probióticos con esta bacteria parece conducir a un entorno intestinal nutritivo y protector.
Nuestros hallazgos también apoyan la hipótesis de que la ineficacia de algunos probióticos en adultos se debe en parte a que están introduciendo una nueva especie en una comunidad establecida con pocos nichos ecológicos aún abiertos. Los probióticos pueden no funcionar en los lactantes cuando hay un desajuste entre las necesidades de hidratos de carbono del probiótico y la disponibilidad de hidratos de carbono altamente específicos como los HMO en la leche materna. Dado que B. infantis consume eficazmente casi todos los HMO que se encuentran en la leche materna, es probable que encuentre un nicho ecológico abierto y que luego supere a otros microbios, especialmente a los patógenos proinflamatorios.
Muchos científicos están trabajando para comprender qué significa realmente el microbioma intestinal infantil para la salud a lo largo de la vida. Mientras tanto, estamos centrando nuestra atención en otras cuestiones: ¿Cómo difieren los patrones de colonización de Bifidobacterium en las poblaciones infantiles de todo el mundo desde la infancia hasta el destete? ¿Y qué alimentos sólidos favorecen un intestino y un sistema inmunitario sanos? Gracias a la financiación de los Institutos Nacionales de la Salud, estamos llevando a cabo un estudio diseñado para entender cómo las estructuras de los carbohidratos de los alimentos complementarios influyen en la función microbiana que apoyará un microbioma intestinal saludable y el desarrollo del sistema inmunológico en la última etapa de la infancia y en los primeros años de vida. El objetivo final es identificar las estructuras específicas de los carbohidratos en la dieta que alimentan selectivamente los microbios intestinales beneficiosos en los niños durante la ventana crítica del desarrollo inmunológico para la salud de toda la vida.
Jennifer Smilowitz es directora asociada del Programa de Investigación de Estudios Humanos del Instituto de Alimentos para la Salud y científica investigadora del Departamento de Ciencia y Tecnología de los Alimentos de la Universidad de California, Davis. Diana Hazard Taft es investigadora postdoctoral en el laboratorio de David Mills en el Departamento de Ciencia y Tecnología de los Alimentos y miembro del Instituto de Alimentos para la Salud de la UC Davis.