Tránsito gastrointestinal y colonización de los probióticos

PUNTOS CLAVE:

-La administración oral de probióticos tiene una amplia gama de aplicaciones y es considerablemente más conveniente y segura que el trasplante de microbiota fecal.

-Existen varias condiciones desfavorables que influyen en la viabilidad y mucoadhesión de los probióticos durante el tránsito GI.  conocerlo, puede mejorar la eficacia de la administración vía oral de los probióticos.

-Su colonización en la capa de moco puede lograrse cuando las proteínas adhesivas de los probióticos cada lado se unen, superando la resistencia a la colonización. 

-La mayoría de las investigaciones actuales se limitan solo a la mucoadhesión de las bacterias del ácido láctico. 

        -También es de gran interés conocer cómo los probióticos se comunican con las bacterias comensales y cómo algunos se introducen con éxito en la microbiota intestinal. 

Los probióticos son definidos por la OMS como “microorganismos vivos que, cuando se administran en cantidades adecuadas, confieren un beneficio para la salud del huésped”.

Un creciente cuerpo de evidencia sugiere que los probióticos desempeñan un papel activo en la mejora de una variedad de afecciones que incluyen enfermedades crónicas, infecciosas, autoinmunes y pediátricas. Clínicamente, las terapias para modular la microbiota intestinal incluyen la administración oral de probióticos y el trasplante de microbiota fecal (TMF). Se ha demostrado que el TMF es un tratamiento eficaz para pacientes con infecciones por Clostridium difficile (CDI), enfermedad inflamatoria intestinal (EII) y encefalopatía hepática recurrente, pero las aplicaciones de TMF son relativamente limitadas en comparación con la administración oral de probióticos. Además, el TMF sigue siendo controvertido debido al riesgo de transmisión de microorganismos farmacorresistentes que podrían conducir a eventos infecciosos adversos.

En comparación con el TMF, la administración oral de probióticos tiene una gama más amplia de aplicaciones y es considerablemente más conveniente y segura. Sin embargo, la viabilidad de los probióticos administrados por vía oral se ve seriamente afectada por diferentes condiciones que incluyen la cantidad de ácido gástrico, sales biliares y enzimas, antes de que lleguen a su lugar funcional en el tracto gastrointestinal (TGI). Además, los probióticos viables que llegan al colon también deben lograr colonizar la mucosa intestinal en competencia con las bacterias autóctonas. Curiosamente, varios informes demostraron que muchos de los efectos obtenidos de las células viables de los probióticos también se pueden realizar a partir de los probióticos muertos.  

El propósito de esta revisión es ilustrar de manera integral el viaje de los probióticos desde su administración oral, pasando por el TGI seguido finalmente de la colonización del intestino, con un enfoque particular en el proceso de adhesión de probióticos en la mucosa o células epiteliales intestinales. 

TRÁNSITO DE PROBIÓTICOS A TRAVÉS DEL TRACTO GASTROINTESTINAL

Después de la administración oral, los probióticos pasan a través del tubo digestivo, desde la boca, al estómago, hasta el intestino delgado y el colon. En esta sección, encontramos una serie de factores fisicoquímicos, que pueden afectar la viabilidad de los probióticos.

Boca: los probióticos se exponen a la saliva que es una secreción exocrina levemente ácida, que consta de componentes inmunológicos y no inmunológicos como proteínas, mucinas, péptidos y enzimas. La saliva tiene un efecto antibacteriano, sin embargo, es selectiva y puede favorecer el crecimiento de la microbiota no cariogénica. Los estudios in vitro sobre múltiples cepas de Lactobacillus, Pediococcus y Bifidobacteria no han mostrado una pérdida significativa del recuento celular cuando se exponen a la saliva, en comparación con el grupo de control. Si bien el tránsito de los probióticos por la boca y su exposición a la saliva es transitorio después de la administración oral, la influencia de la saliva en las tasas de supervivencia de los probióticos parece ser mínima.

Estómago: después de pasar por el esófago, los probióticos llegan al estómago donde quedan expuestos al ácido gástrico que es extremadamente letal para la mayoría de las bacterias, especialmente para las bacterias no resistentes al ácido. El tránsito a través del estómago dura entre 5 minutos y 2 horas y la exposición prolongada al ambiente ácido es un gran desafío para los probióticos. Además, se ha demostrado que otras condiciones adversas presentes en el estómago, incluida la fuerza iónica, la actividad enzimática (pepsina) y el batido mecánico, tienen un impacto en la viabilidad de los probióticos. Por ejemplo, las células viables de Bifidobacterium longum y Bifidobacterium breve se volvieron indetectables en jugo gástrico simulado en una hora.

Intestino delgado: después de atravesar el píloro, los probióticos llegarán al intestino delgado donde están presentes en abundancia el jugo pancreático y la bilis. Bajo el efecto neutralizador del líquido intestinal, el pH en el intestino delgado es de aproximadamente 6,0 a 7,0, mucho más suave que el líquido gástrico. Sin embargo, los ácidos biliares y las enzimas digestivas (incluidas las lipasas, proteasas y amilasas) también pueden afectar la viabilidad de los probióticos a través de la alteración de la membrana celular y el daño del ADN. Para mejorar la tolerancia de los probióticos al jugo gástrico y la bilis en el tracto gastrointestinal, los probióticos pueden recubrirse con una capa protectora, una técnica conocida como microencapsulación. En los últimos años, se ha avanzado mucho en el aumento de la tasa de supervivencia y en garantizar que una cantidad suficiente de probióticos viables llegue al colon a través de métodos basados en la microencapsulación.

Colon:  es donde existe la mayor densidad bacteriana (1011 a 1012 UFC / ml) donde los probióticos encontrarán resistencia a la colonización de bacterias comensales. Los probióticos deben competir con la microbiota del huésped por los nutrientes y los sitios de adhesión para poder colonizar la mucosa colónica y proliferar. Debido a la resistencia a la colonización, la mayoría de los probióticos se excretan del colon con las heces después de la administración oral y poco después de que cesa el consumo, por lo que los probióticos no pueden detectarse. 

LA MICROBIOTA INTESTINAL Y LA RESISTENCIA A LA COLONIZACIÓN

Composición de la microbiota intestinal

La microbiota intestinal humana consta de más de 1.000 filotipos. En individuos sanos, la mayoría de los filotipos de bacterias se pueden clasificar en Bacteroidetes, Firmicutes, Actinobacteria, Proteobacteria y Verrucomicrobia. Entre ellos, Bacteroidetes y Firmicutes suelen dominar la microbiota, mientras que Actinobacteria, Proteobacteria y Verrucomicrobia suelen ser componentes menores. La distribución de bacterias en la mucosa intestinal tiene ciertas características ecológicas. A lo largo del eje longitudinal del intestino y el colon, la concentración de oxígeno disminuye gradualmente. Más anaerobios como Clostridium y Faecalibacterium residen en el tracto gastrointestinal inferior, mientras que el tracto gastrointestinal superior está enriquecido en cocos grampositivos (p. ej., Gemella, Streptococcus). A lo largo del eje horizontal del intestino y el colon, las moléculas antimicrobianas y el oxígeno secretado por las células del epitelio se acumulan en altas concentraciones locales dentro de la capa mucosa interna, donde pocos habitantes microbianos pueden colonizar. La capa de moco en el colon tiene dos estructuras diferentes: una capa externa suelta y una capa interna apretada. La primera está colonizada por Bacteroides acidifaciens, Bacteroides fragilis, Bifidobacteriaceae y Akkermansia muciniphila, que pueden degradar la mucina. Este último es penetrado a baja densidad por una comunidad más restringida que incluye Bacteroides fragilis y Acinetobacter spp.

La composición de la microbiota intestinal no es estática. En cambio, es muy variable y su variación normal en diversidad, se ve afectada por factores como la edad, la genética, el medio ambiente y la dieta. En los primeros años de vida, especialmente durante los primeros tres años, la composición y función de los microbios colonizados en el intestino cambian continuamente hasta que se establece una comunidad microbiana relativamente estable. 

Resistencia a la colonización

La microbiota intestinal normal forma una comunidad bacteriana estable que resiste la invasión de bacterias extrañas y la expansión de patógenos. Este fenómeno, descubierto en la década de 1950, se conoce como “resistencia a la colonización”. Los probióticos se ven afectados negativamente por este fenómeno ejercido por la microbiota intestinal comensal. Algunos estudios demuestran que los probióticos que ingieren los seres humanos se eliminan globalmente en las heces en el período limitado al momento de la administración y poco tiempo después. Los experimentos relacionados demuestran además que los probióticos no pueden cambiar la estructura o diversidad de la comunidad de la microbiota intestinal. La resistencia a la colonización puede ser una de las razones importantes de la limitación de los efectos a largo plazo de los probióticos. Cabe destacar que la eficacia de la colonización probiótica varía entre diferentes personas, se puede ser "permisivos" o "resistentes". 

COLONIZACIÓN PROBIÓTICA DE LA MUCOSA INTESTINAL

La colonización exitosa del tracto gastrointestinal es un factor clave para que los probióticos puedan ejercer una interacción con el huésped suficiente para conferir beneficios para la salud. La adhesión de la mucosa se considera un paso crítico en la colonización probiótica; sin embargo, todavía es necesario explorar los mecanismos de adhesión.

Mucosa intestinal y capa de moco

Las vellosidades del intestino delgado, que están formadas por el epitelio y la lámina propia que sobresalen hacia la cavidad intestinal, cubren la superficie de la mucosa y son responsables de la absorción de nutrientes en el intestino. Las células epiteliales están compuestas por células absorbentes, células caliciformes y células endocrinas. Las células caliciformes se encuentran dispersas entre las células absorbentes y secretan moco que cubre toda la cavidad del intestino delgado, compuesto de carbohidratos, lípidos, sales, proteínas, bacterias y desechos celulares. El grosor del moco varía aproximadamente de 30 a 300 mm; el grosor aumenta desde el intestino hasta el recto. Las principales proteínas son glicoproteínas llamadas mucinas que polimerizan para formar una matriz continua de gel, proporcionando una base estructural para la capa mucosa, protegiendo el intestino de patógenos, enzimas, toxinas, deshidratación y abrasión. Al mismo tiempo, los nutrientes exógenos como las vitaminas y los minerales están presentes en el moco intestinal, lo que proporciona una enorme ventaja de crecimiento ecológico para las bacterias colonizadas en el moco intestinal. Se puede decir que el moco es un nicho excelente tanto para los probióticos como para los patógenos.

Adhesión

Los probióticos se unen a la mucosa a través de un contacto físico no específico, incluido el reconocimiento espacial e hidrofóbico, estableciendo una unión física reversible y débil. Posteriormente, con las interacciones específicas entre las adhesinas (generalmente proteínas ancladas en la superficie celular) y los receptores complementarios, los probióticos establecen una unión estable al moco o las células epiteliales intestinales (CEI), colonizando con éxito el TGI.

Los probióticos pueden codificar numerosos factores de la superficie celular que intervienen en la adherencia a la mucina o CEI. Además de las proteínas, también hay moléculas no proteicas presentes en los probióticos, incluidos los ácidos teicoicos (TA) y los exopolisacáridos (EPS) que pueden interactuar con las células huésped para influir en la adhesión. De las publicaciones actuales se puede inferir que no existe una molécula fija que pueda aplicarse a todas las cepas de probióticos, a pesar de la amplia gama de moléculas relacionadas con la adhesión (ver Tabla 1). 

Proteínas que se unen al moco

Las proteínas de unión al moco (MUB) son proteínas de la superficie celular que establecen una unión covalente a la pared celular bacteriana. Se encuentran generalmente en las bacterias del ácido láctico, especialmente en Lactobacillus reuteri, que es una de las bacterias probióticas más dominantes en el tracto gastrointestinal humano. 

Proteínas de unión a la fibronectina

La matriz extracelular es una red compleja de moléculas grandes fuera de las células en las que la glucoproteína extracelular fibronectina está presente de forma ubicua. 

Tabla 1.- Proteínas relacionadas con la adhesión de los probióticos.

Proteínas de las capas superficiales

Los estratos más externos de la pared celular bacteriana consisten en las capas superficiales compuestos por subunidades proteicas autoensambladas llamadas proteínas de la capa S. Se ha demostrado que las capas S están involucradas en varios procesos, incluido el mantenimiento de la forma celular, la protección del sacculus de mureína del ataque de la lisozima, actuando como tamices moleculares y recubrimiento antiincrustante, sirviendo como sitios de unión y promoviendo la adhesión bacteriana. Las SLP de probióticos también tienen muchos beneficios para el anfitrión. Estudios recientes encontraron que las SLP purificadas de Lactobacillus ejercen efectos inmunomoduladores, que atenúan la disfunción de la barrera intestinal y la inflamación, y protegen la barrera epitelial intestinal.

Enolasa

La enolasa es una proteína multifuncional que juega un papel clave en una variedad de procesos fisiopatológicos como la glucólisis, la fibrinólisis y la transcripción del ADN. Como proteína multifuncional, se descubrió enolasa en la superficie celular de L. plantarum LM3 y B. bifidum S17 y se demostró que la proteína podía unirse específicamente a la matriz extracelular, facilitando así la adhesión de las células bacterianas al huésped.

Chaperonas moleculares

Las chaperonas moleculares son una gran clase de proteínas que facilitan la unión y estabilización de conformaciones inestables de otras proteínas y promueven el plegamiento correcto de proteínas intracelulares. La GroEL es una acompañante molecular que ayuda al plegamiento de polipéptidos nacientes o desnaturalizados por estrés a través de la unión y encapsulación, y además ha mostrado multifunciionalidad, incluida la actividad de unión a mucinas e CEI.

Factores promotores de la agregación

Los factores promotores de la agregación (Apf) son proteínas secretadas que inducen la autoagregación y facilitan el mantenimiento de la forma celular. Estas proteínas se han encontrado principalmente entre el Lactobacillus spp.

Pili 

Los pili son estructuras cortas, rectas y filamentosas que se extienden desde la superficie celular de las bacterias. Los pili se caracterizan principalmente entre las bacterias gran negativas. Sin embargo, las estructuras similares a los pili también se encuentran en probióticos como el Bifidobacterium spp. y el Lactobacillus spp. 

Exopolisacáridos

Los exopolisacáridos (EPS) son polímeros de carbohidratos de superficie que existen en la mayoría de las bacterias y hongos. Tienen varias funciones de bioactividad, que incluyen la reducción del colesterol, inmunomodulador, antioxidante, antiviral y contrarrestar la colonización de enteropatógenos. Sin embargo, hasta ahora no ha habido conclusiones concluyentes sobre si el EPS puede promover la adhesión. Según las referencias existentes, el EPS no solo puede participar en el proceso de adhesión, sino también reducir la eficiencia de adhesión de los probióticos.

Ácidos teicoicos

Los ácidos teicoicos (TA) son componentes importantes de la pared celular bacteriana gran positiva, que están compuestos por unidades repetidas de fosfato de alditol que contribuyen al carácter hidrofóbico y la carga electrostática de la superficie celular bacteriana. 

Existen varias condiciones desfavorables que influyen en la viabilidad y mucoadhesión de los probióticos durante el tránsito GI y conocerlo, puede mejorar la eficacia de la administración vía oral de los probióticos. Su colonización en la capa de moco podría lograrse cuando las proteínas adhesivas de cada lado se unen, con la premisa de superar la resistencia a la colonización. Sin embargo, la mayoría de las investigaciones actuales sobre moléculas de relacionadas con la mucoadhesión se limitan solo a las bacterias del ácido láctico. Las proteínas adhesivas y los mecanismos de mucoadhesión de los probióticos como el Bifidobacterium, Enterococcus, Pediococcus todavía están a la espera de ser explorados. Además, también es de gran interés cómo los probióticos se comunican con las bacterias comensales y cómo algunos se introducen con éxito en la microbiota intestinal. La comprensión de estos factores facilitará el empleo de estrategias de administración eficaces diseñadas para que los probióticos superen la resistencia a la colonización y obtengan beneficios para la salud.

Han S, Lu Y, Xie J, Fei Y, Zheng G, Wang Z, Liu J, Lv L, Ling Z, Berglund B, Yao M, Li L. Probiotic Gastrointestinal Transit and Colonization After Oral Administration: A Long Journey. Front Cell Infect Microbiol. 2021 Mar 10;11:609722. doi: 10.3389/fcimb.2021.609722. PMID: 33791234; PMCID: PMC8006270.