Comunicado de prensa
Miércoles, 13 de junio de 2012
La secuenciación del genoma crea los primeros datos de referencia de los microbios que conviven con los adultos sanos.
Los microbios habitan en casi todas las partes del cuerpo humano, viviendo en la piel, en el intestino y en la nariz. A veces causan enfermedades, pero la mayor parte del tiempo, los microorganismos viven en armonía con sus huéspedes humanos, proporcionando funciones vitales esenciales para la supervivencia humana. Por primera vez, un consorcio de investigadores organizado por los Institutos Nacionales de la Salud ha trazado un mapa de la composición microbiana normal de los seres humanos sanos, lo que ha dado lugar a numerosos conocimientos e incluso a algunas sorpresas.
Los investigadores descubrieron, por ejemplo, que casi todo el mundo es portador habitual de patógenos, microorganismos conocidos por causar enfermedades. Sin embargo, en los individuos sanos, los patógenos no causan ninguna enfermedad; simplemente coexisten con su huésped y el resto del microbioma humano, el conjunto de todos los microorganismos que viven en el cuerpo humano. Los investigadores deben ahora averiguar por qué algunos patógenos se vuelven mortales y en qué condiciones, lo que probablemente revise los conceptos actuales sobre cómo los microorganismos causan enfermedades.
En una serie de informes científicos coordinados publicados el 14 de junio de 2012 en Nature y en varias revistas de la Public Library of Science (PLoS), unos 200 miembros del Consorcio del Proyecto del Microbioma Humano (HMP) de casi 80 universidades e instituciones científicas informan sobre cinco años de investigación. El HMP ha recibido 153 millones de dólares desde su puesta en marcha en el año fiscal 2007 del Fondo Común de los NIH, que invierte en investigación de alto impacto, innovadora y transfronteriza. Los institutos y centros individuales de los NIH han aportado otros 20 millones de dólares en cofinanciación para la investigación del consorcio HMP.
«Al igual que los exploradores del siglo XV que describen el contorno de un nuevo continente, los investigadores del HMP emplearon una nueva estrategia tecnológica para definir, por primera vez, la composición microbiana normal del cuerpo humano», dijo el director de los NIH, el doctor Francis S. Collins. Esto sienta las bases para acelerar la investigación de las enfermedades infecciosas, que antes era imposible sin este recurso comunitario.»
Métodos y resultados
El cuerpo humano contiene trillones de microorganismos -que superan en número a las células humanas en una proporción de 10 a 1-. Sin embargo, debido a su pequeño tamaño, los microorganismos sólo representan entre el 1 y el 3 por ciento de la masa corporal (en un adulto de 200 libras, eso supone entre 2 y 6 libras de bacterias), pero desempeñan un papel vital en la salud humana.
Para definir el microbioma humano normal, los investigadores del HMP tomaron muestras de 242 voluntarios estadounidenses sanos (129 hombres y 113 mujeres), recogiendo tejidos de 15 zonas del cuerpo en los hombres y de 18 zonas del cuerpo en las mujeres. Los investigadores recogieron hasta tres muestras de cada voluntario en lugares como la boca, la nariz, la piel (dos detrás de cada oreja y en la parte interna del codo) y la parte inferior del intestino (heces), y tres lugares vaginales en las mujeres; cada lugar del cuerpo puede estar habitado por organismos tan diferentes como los de la selva amazónica y los del desierto del Sáhara.
Históricamente, los médicos estudiaban los microorganismos de sus pacientes aislando los patógenos y cultivándolos. Este laborioso proceso suele identificar sólo unas pocas especies microbianas, ya que son difíciles de cultivar en el laboratorio. En el HMP, los investigadores purificaron todo el ADN humano y microbiano de cada una de las más de 5.000 muestras y lo analizaron con máquinas de secuenciación de ADN. Utilizando ordenadores, los investigadores clasificaron los 3,5 terabases de datos de la secuencia del genoma para identificar señales genéticas específicas que sólo se encuentran en las bacterias: los genes variables del ARN ribosómico bacteriano llamado ARNr 16S. El ARN ribosómico bacteriano ayuda a formar las estructuras celulares que fabrican proteínas y puede identificar la presencia de diferentes especies microbianas.
Centrarse en esta firma microbiana permitió a los investigadores del HMP ignorar las secuencias del genoma humano y analizar sólo el ADN bacteriano. Además, la secuenciación metagenómica, o la secuenciación de todo el ADN de una comunidad microbiana, permitió a los investigadores estudiar las capacidades metabólicas codificadas en los genes de estas comunidades microbianas.
«Los métodos de secuenciación del genoma desarrollados recientemente proporcionan ahora una potente lente para observar el microbioma humano», dijo el doctor Eric D. Green, director del Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano, que gestionó el HMP para los NIH. «El asombroso descenso del coste de la secuenciación del ADN ha hecho posible el tipo de estudio de gran envergadura realizado por el Proyecto del Microbioma Humano»
Cuando antes los médicos sólo habían aislado unos cientos de especies bacterianas del cuerpo, los investigadores del HMP calculan ahora que más de 10.000 especies microbianas ocupan el ecosistema humano. Además, los investigadores calculan que han identificado entre el 81 y el 99 por ciento de todos los géneros de microorganismos en adultos sanos.
«Hemos definido los límites de la variación microbiana normal en los seres humanos», dijo el doctor James M. Anderson, director de la División de Coordinación de Programas, Planificación e Iniciativas Estratégicas de los NIH, que incluye el Fondo Común de los NIH. «Ahora tenemos una muy buena idea de lo que es normal para una población occidental sana y estamos empezando a aprender cómo los cambios en el microbioma se correlacionan con la fisiología y la enfermedad.»
Los investigadores del HMP también informaron de que esta plétora de microbios contribuye con más genes responsables de la supervivencia humana que los humanos. Mientras que el genoma humano contiene unos 22.000 genes codificadores de proteínas, los investigadores calculan que el microbioma humano aporta unos 8 millones de genes codificadores de proteínas únicos, es decir, 360 veces más genes bacterianos que humanos.
Esta contribución genómica bacteriana es fundamental para la supervivencia humana. Los genes que portan las bacterias del tracto gastrointestinal, por ejemplo, permiten a los seres humanos digerir los alimentos y absorber nutrientes que, de otro modo, no estarían disponibles.
«Los seres humanos no tenemos todas las enzimas que necesitamos para digerir nuestra propia dieta», dijo la doctora Lita Proctor, directora del programa HMP del NHGRI. «Los microbios del intestino descomponen muchas de las proteínas, lípidos y carbohidratos de nuestra dieta en nutrientes que luego podemos absorber. Además, los microbios producen compuestos beneficiosos, como vitaminas y antiinflamatorios que nuestro genoma no puede producir.» Los antiinflamatorios son compuestos que regulan parte de la respuesta del sistema inmunitario a las enfermedades, como la hinchazón.
Los investigadores se sorprendieron al descubrir que la distribución de las actividades metabólicas microbianas importa más que las especies de microbios que las proporcionan. En un intestino sano, por ejemplo, siempre habrá una población de bacterias necesaria para ayudar a digerir las grasas, pero puede que no sean siempre las mismas especies bacterianas las que lleven a cabo este trabajo.
«Parece que las bacterias pueden sustituirse unas a otras», dijo el doctor Curtis Huttenhower, de la Escuela de Salud Pública de Harvard y coautor principal de uno de los artículos de HMP en Nature. «Importa si la función metabólica está presente, no qué especie microbiana la proporciona».
Además, los componentes del microbioma humano cambian claramente con el tiempo. Cuando un paciente está enfermo o toma antibióticos, las especies que componen el microbioma pueden cambiar sustancialmente al verse afectada una especie bacteriana u otra. Con el tiempo, sin embargo, el microbioma vuelve a un estado de equilibrio, aunque la composición anterior de los tipos bacterianos no lo haga.
Aplicaciones clínicas
Como parte del HMP, los NIH financiaron una serie de estudios para buscar asociaciones del microbioma con enfermedades y varios artículos de PLoS incluyen resultados médicos. Por ejemplo, los investigadores del Baylor College of Medicine de Houston compararon los cambios en el microbioma vaginal de 24 mujeres embarazadas con los de 60 mujeres que no estaban embarazadas y descubrieron que el microbioma vaginal experimenta un cambio drástico en las especies bacterianas en la preparación para el parto, caracterizado principalmente por la disminución de la diversidad de especies. Un recién nacido es una esponja bacteriana a medida que va poblando su propio microbioma tras abandonar el útero estéril; el paso por el canal del parto proporciona al bebé su primera dosis de microbios, por lo que puede no ser sorprendente que el microbioma vaginal haya evolucionado para convertirlo en un paso saludable.
Investigadores de la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington en San Luis examinaron el microbioma nasal de niños con fiebres inexplicables, un problema común en niños menores de 3 años. Las muestras nasales de los niños con fiebre contenían hasta cinco veces más ADN viral que los niños sin fiebre, y el ADN viral procedía de una gama más amplia de especies. Estudios anteriores demuestran que los virus tienen rangos de temperatura ideales para reproducirse. La fiebre forma parte de la defensa del organismo contra los virus patógenos, por lo que las pruebas rápidas de la carga vírica podrían ayudar a los niños a evitar un tratamiento inadecuado con antibióticos que no eliminan los virus pero pueden dañar el microbioma sano del niño.
Estos son algunos de los primeros estudios clínicos que utilizan datos del microbioma para estudiar su papel en enfermedades específicas. Los NIH han financiado muchos más estudios médicos en los que se utilizan datos y técnicas del HMP, como el papel del microbioma intestinal en la enfermedad de Crohn, la colitis ulcerosa y el cáncer de esófago; el microbioma de la piel en la psoriasis, la dermatitis atópica y la inmunodeficiencia; el microbioma urogenital en la historia reproductiva y sexual y la circuncisión; y una serie de trastornos infantiles, como el dolor abdominal pediátrico, la inflamación intestinal y una grave afección en bebés prematuros en la que el intestino realmente muere.
«Permitir estudios específicos de enfermedades es el objetivo del Proyecto del Microbioma Humano», dijo la doctora Barbara Methé, del Instituto J. Craig Venter, en Rockville, MD, y coautora principal del artículo de Nature sobre el marco de la investigación actual y futura del microbioma humano. «Ahora que entendemos cómo es el microbioma humano normal, deberíamos ser capaces de entender cómo los cambios en el microbioma están asociados con, o incluso causan, enfermedades».
El Fondo Común de los NIH también invirtió en una serie de estudios para evaluar las implicaciones éticas, legales y sociales de la investigación del microbioma. Aunque los resultados de estos estudios aún no se han publicado, ya se han identificado una serie de cuestiones importantes, que van desde cómo podrían regularse los productos diseñados para manipular el microbioma, como los brebajes probióticos que incluyen microorganismos vivos que se cree que benefician al organismo, hasta si las personas deberían empezar a considerar la posibilidad de almacenar su microbioma mientras están sanas.
Después de que los NIH pusieran en marcha el HMP en diciembre de 2007, el Consorcio Internacional del Microbioma Humano se formó en 2008 para representar a las organizaciones de financiación, incluidos los NIH, y a los científicos de todo el mundo interesados en estudiar el microbioma humano. El consorcio ha coordinado la investigación para evitar la duplicación de esfuerzos y ha asegurado la rápida publicación de conjuntos de datos moleculares y clínicos. También ha desarrollado normas comunes de calidad de datos y herramientas para compartir los resultados de la investigación.
Al igual que con otros esfuerzos de colaboración a gran escala, los NIH se aseguraron de que la comunidad investigadora pudiera acceder libremente a los datos del HMP a través de bases de datos públicas, como el Centro Nacional de Información Biotecnológica, parte de la Biblioteca Nacional de Medicina, y en el Centro de Coordinación y Análisis de Datos del HMP.
El Proyecto del Microbioma Humano está gestionado por el Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano, en colaboración con la Oficina del Director de los NIH, el Instituto Nacional de Alergias y Enfermedades Infecciosas, el Instituto Nacional de Artritis y Enfermedades Musculoesqueléticas y de la Piel, el Instituto Nacional del Cáncer, el Instituto Nacional de Investigación Dental y Craneofacial y el Instituto Nacional de Diabetes y Enfermedades Digestivas y Renales, todos ellos parte de los NIH.
Se puede encontrar más información sobre el HMP en http://commonfund.nih.gov/hmp/index.aspx. Una ilustración que muestra los lugares del cuerpo de los que se tomaron muestras como parte del estudio de cohorte saludable del Proyecto Microbioma Humano está disponible en: www.genome.gov/pressDisplay.cfm?photoID=20163.
Una imagen de alta resolución de la bacteria, Enterococcus faecalis, uno de los muchos microbios comensales que viven en el intestino humano, está disponible en color en www.genome.gov/pressDisplay.cfm?photoID=20023, o en blanco y negro en www.genome.gov/pressDisplay.cfm?photoID=20024.
Para más información, póngase en contacto con
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El NHGRI es uno de los 27 institutos y centros de los NIH, una agencia del Departamento de Salud y Servicios Humanos. La División de Investigación Extramuros del NHGRI apoya las subvenciones para la investigación y la formación y el desarrollo profesional en centros de todo el país. Puede encontrar más información sobre el NHGRI en su página web, www.genome.gov.
El Fondo Común de los NIH apoya una serie de programas de investigación de impacto excepcional que son ampliamente relevantes para la salud y la enfermedad. Los programas del Fondo Común están diseñados para superar los principales obstáculos a la investigación y buscar oportunidades emergentes en beneficio de la comunidad de investigación biomédica en general. Se espera que los productos de investigación de los programas del Fondo Común catalicen la investigación de enfermedades específicas apoyada por los Institutos y Centros de los NIH. Se puede encontrar información adicional sobre el Fondo Común de los NIH en http://commonfund.nih.gov.
Sobre los Institutos Nacionales de la Salud (NIH):Los NIH, la agencia de investigación médica del país, incluyen 27 Institutos y Centros y son un componente del Departamento de Salud y Servicios Humanos de Estados Unidos. Los NIH son la principal agencia federal que lleva a cabo y apoya la investigación médica básica, clínica y traslacional, e investiga las causas, los tratamientos y las curas de enfermedades tanto comunes como raras. Para más información sobre los NIH y sus programas, visite www.nih.gov.
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