Microorganismos y humanos en un mundo cambiante (I)

"No estamos solos" y "La flora microbiana normal"

por  Nuria Serrano Vinagre
 

“No estamos solos”

De acuerdo con las últimas estimaciones, el 90% de las células presentes en el cuerpo humano no son, precisamente, humanas: bacterias, hongos y otros microorganismos pueblan nuestro organismo. Sólo el intestino humano contiene de media 40.000 especies de bacterias y se estima que posee 9 millones de genes únicos pertenecientes a células bacterianas, que podrían superar en 10 veces al número de células humanas. Sin embargo, sólo aproximadamente el 1% de la microbiota humana ha sido caracterizada e identificada. Así, en 2007, el Instituto Nacional de la Salud de Estados Unidos (U. S. National Institutes of Health) lanzó el Proyecto Microbioma Humano (Human Microbiome Project), con el objetivo principal de financiar investigaciones que nos permitan conocer los componentes microbianos genéticos y metabólicos en el ser humano, así como entender cómo contribuyen al funcionamiento normal  fisiológico del organismo y su relación con la predisposición a enfermedades. Porque, como apuntan algunos autores, los seres humanos deben ser considerados como “superorganismos” cuyo metabolismo representa un amalgama de atributos microbianos y humanos.

La flora microbiana normal o la microbiota humana nativa

Se entiende por flora microbiana normal aquella que coloniza el cuerpo humano tras el nacimiento, permaneciendo en el organismo en condiciones normales de salud a lo largo de su vida. Esta también llamada microbiota nativa, se basa en interacciones entre humanos y microorganismos  que son en su mayoría o bien relaciones comensales, donde el organismo se beneficia sin causar daño al hospedador; o bien relaciones simbióticas o mutualistas donde ambos obtienen beneficios. Estas relaciones, cuyo origen debe ser antiguo en la historia evolutiva, implican co-evolución, co-adaptación y co-dependencia entre los seres humanos y su microbiota nativa. Se ha demostrado que sólo 4 filos de los 50 bacterianos  dominan en los hábitats mucosos y cutáneos humanos, sugiriendo la acción de fuertes presiones selectivas de co-evolución.

Si bien la única fase en la que el ser humano es estéril es la prenatal dentro del útero, adquiere su microbiota tempranamente tras el nacimiento, en un proceso dinámico influenciado por factores ambientales (principalmente a través de la madre) y también del azar, que posteriormente evolucionará según la dieta, otros factores ambientales y en función de la propia genética del organismo. Así, a pesar de que existan comunidades microbianas típicas más o menos conservadas a lo largo de todo Homo sapiens (Fig. 1) cada individuo tiene una composición microbiana nativa prácticamente única. Así, por ejemplo, Fierer et al. (2008) llevaron a cabo un estudio sobre el microbioma presente en las manos de 51 individuos,  observando diferencias  en función del sexo, la lateridad en el uso de las manos y el tiempo transcurrido desde el último lavado de manos. Los datos más sorprendentes obtenidos por estos investigadores fueron sin embargo que de las 150 especies bacterianas identificadas que encontraron en las muestras, sólo 5 especies fueron encontradas en todos los individuos, y únicamente se observó un máximo del 13% de especies comunes entre dos manos (17 % si  pertenecía a la misma la misma persona).

La microbiota nativa se encuentra en múltiples partes del cuerpo (Fig. 1) como la piel (especialmente en zonas húmedas como las ingles o entre los dedos), el tracto urinario, el tracto respiratorio (fundamentalmente en la nariz) y el tracto digestivo (boca y colon, principalmente). En cambio, otras áreas del cuerpo tales como el cerebro, el sistema circulatorio o los pulmones tratan de permanecer estériles.

Fig. 1: Microbiota natural en algunas de las principales regiones del cuerpo humano. Pincha en el enlace para acceder al gráfico interactivo desarrollado por Scientific American, con información de cada uno de los microorganismos representados. Fuente: Explore the Human Microbiome (Interactive). Scientific American, 2012.

 A continuación se presenta un repaso de la microbiota nativa humana en las principales partes del cuerpo donde se encuentran:

• Piel

Se trata de una región escasamente poblada en comparación con el resto del cuerpo, si bien en determinadas regiones se encuentra dominada por especies Gram-positivas (Fig. 1) que se han adaptado a vivir en la superficie de nuestro cuerpo, donde las condiciones de sequedad y acidez, junto con el hecho de que la única fuente de nutrición sea células muertas; supone un medio poco atractivo para la mayoría de los microorganismos. Entre las especies más comunes se encuentra Propionibacterium acnes, bacteria anaerobia que vive en los poros y glándulas de la piel, donde los niveles de oxígeno son bajos.  El desarrollo de la enfermedad inflamatoria que da nombre a la bacteria, se produce como resultado de una sobreproducción de sebo en las glándulas sebáceas (posiblemente debido a desajustes hormonales) que permiten a P. acnes proliferar, inflamándose y colapsándose el poro.

• Tracto urinario

Estéril excepto en la región de la uretra, donde se concentran un escaso número de especies presentes en ambos sexos, así como en la zona externa y el perineo (Fig. 1).

• Vagina

Densamente poblada, la microbiota está dominada por Lactobacillus  (Fig. 2) que supone una barrera natural frente a las infecciones por hongos, posiblemente por la formación de peróxido de hidrógeno (H₂0₂, agua oxigenada) como subproducto de su metabolismo, que inhibe la proliferación de hongos como Candida.

Fig. 2: Lactobacillus, por sage_anne en Flickr. Algunos derechos reservados (CC).

• Tracto respiratorio superior

Con una compleja microbiota, cuya composición depende de la región en concreto (narinas anteriores, naso-faringe, oro-faringe); entre las bacterias más conocidas en la zona de la nariz se encuentra Staphylococcus aureus. S. aureus es un habitante normal de las mucosas y especialmente las fosas nasales, de tal manera que el 40% de la población adulta es portadora de dicha bacteria, con mayor prevalencia en personal hospitalario en contacto con enfermos. Las infecciones por S. aureus se produce tras lesiones que permiten la penetración del microorganismo hasta los tejidos más profundos.

• Cavidad oral

Muy poblada por microorganismos, que forman distintos comunidades bacterianas muy complejas según la región (dientes, lengua, etc.). Entre las más comunes se encuentra Streptococcus mutans, que forma biofilms o biopelículas en la superficie de los dientes, la llamada “placa bacteriana”. S. mutans consume azúcar produciendo ácido láctico, que puede erosionar la superficie del diente formando cavidades y conducir a la caries.

• Tracto gastrointestinal

La densidad de microorganismos varía según la región, de manera que el estómago es la zona menos poblada siendo el colon la zona con mayor diversidad y densidad de microorganismos. En el estómago se encuentra Helicobacter pylori (Fig. 1, 3), capaz de vivir en un ambiente tan ácido debido a que crea su propio microambiente excavando en la mucosa del estómago hasta una profundidad donde el pH es neutro, además de ayudarse de su acción ureasa. Es la responsable de las úlceras gástricas, y posiblemente tenga relación con el cáncer de estómago. En el colon se concentra la mayor parte de la microbiota humana, formando una comunidad muy compleja (Fig. 1) y densa (10¹²-10¹³ bacterias/ml) con muchas especies aún sin identificar. Entre el 96-99% de las bacterias presentes son anaerobias y se encargan de la digestión de los polisacáridos mediante la fermentación.

Fig. 3: Helicobacter pylori, By Hpylori.jpg: * Photo Credit: Janice Carr Content Providers(s): CDC/ Dr. Patricia Fields, Dr. Collette Fitzgerald derivative work: F. Lamiot (Hpylori.jpg) [Public domain], via Wikimedia Commons.

Si bien los seres humanos compartimos una serie de comunidades de microorganismos "típicas" en nuestra flora microbiana natural, éstas han ido cambiando a lo largo de la historia, especialmente en los últimos tiempos con el cambio de nuestra dieta, estilos de de vida y desarrollo de la medicina, por ejemplo. ¿Cómo afecta estos cambios a nuestra flora microbiana?

 En el próximo post sobre "Microorganismos y humanos en un mundo cambiante", trataremos el concepto de "anfibiosis", analizaremos los posibles efectos asociados a la desaparición de la microbiota natural y nos centraremos en el caso de Helicobacter pylori, que nos conducirá a una reflexión final y a "la pregunta del millón": ¿cómo evolucionará la microbiota humana en un mundo cambiante?

... Mientras, te recomendamos el Especial sobre Microbiota Humana de Nature.

Bibliografía. (*) Publicaciones recomendadas

1.      Introducción: “No estamos solos”

• Frank D.N. y Pace N.R. 2008. Gastrointestinal microbiology enters themetagenomics era. Curr. Opin. Gastroenterol. 2008;24:4-10.
• Gill S.R., Pop M., Deboy R.T., Eckburg P.B., Turnbaugh P.J., Samuel B.S., Gordon J.I., Relman D.A., Fraser-Liggett C.M. y Nelson K.E. 2006. Metagenomic analysis of the human distal gut microbiome. Science, 312: 1355-9.
• Rappé M.S. y Giovannoni S.J. 2003. The uncultured microbial majority. Annu. Rev. Microbiol., 57: 369–394.
• (*) Turnbaugh P.J., Ley R.E., Hamady M., Fraser-Liggett C.M., Knight R. y Gordon J.I. 2007. The human microbiome project. Nature, 449: 804-10.
• Yang X., Xie L., Li Y. y Wei C. 2009. More than 9,000,000 unique genes in humangut bacterial community: estimating gene numbers inside a human body. PLoS One, 4: e6074.

2.      La flora microbiana normal o la microbiota humana nativa

• Brooks G.F., Carroll K.C., Butel J.S. y Morse S.A. 2007. Jawetz, Melnick, & Adelberg'sMedical Microbiology, 24th edition. McGraw-Hill, USA.
• Costello E.K., Lauber C.L., Hamady M., Fierer N., Gordon J.I., Knight R. 2009. Bacterial community variation in humanbody habitats across space and time. Science, 326: 1694-1697.
• de Filippoa, C., Cavalieria, D., Di Paola, M., Ramazzottic, M., Poullet, M, Massartd, S., Collini, S., Pieraccinie, G. y Lionetti, P. 2010. Impact of diet in shaping gut microbiotarevealed by a comparative study in children from Europe and rural Africa. PNAS 107: 14691-14696.
• de la Rosa M. y Prieto J. 2003. Microbiología en Ciencias de la Salud:Conceptos y aplicaciones. Elsevier España, Madrid.
• (*) Dethlefsen, L., McFall-Ngai, M. y Relman, D. A. 2007. An ecological and evolutionary perspectiveon human microbe mutualism and disease. Nature 449, 811–818.
• (*) Fierer N., Hamady M., Lauber C.L. y Knight R. 2008. The influence of sex, handedness,andwashing on the diversity of hand surface bacteria. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 105: 17994-9.
• (*) Ley, R. E., Lozupone, C. A., Hamady, M., Knight, R. y Gordon, J. I. 2008. Worlds within worlds: evolution of thevertebrate gut microbiota. Nature Rev. Microbiol., 6: 776–788.
• Palmer, C., Bik, E. M., Digiulio, D. B., Relman, D. A. y Brown, P. O. 2007. Development of the human infant intestinalmicrobiota. PLoS Biol. 5, e177.
• (*) Salyers A. A. y Whitt D. D. 2000. Microbiology:Diversity, Disease and theEnvironment. Bethesda Maryland, Fitzgerald Science Press.
• (*) Wilson M., McNab R. y Henderson B. 2002. Bacterial disease mechanisms: anintroduction to cellular microbiology. Cambridge University Press, USA.