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Importancia de la microbiota para la promoción de la salud intestinal

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La “salud intestinal” es una expresión que se usa cada vez más frecuentemente, tanto en el ámbito de los animales como de los seres humanos. Sin embargo, la misma carece de una definición clara en la bibliografía científica y parecería cambiar de significado dependiendo de la perspectiva -por ejemplo, de la industria, el medio académico y los marcos regulatorios-...

Importancia de la microbiota para la promoción de la salud intestinal

Matt Panasevich y Ryan Dilger

AMINONews (Evonik),198: 2, 1-8. 2015-12-04

Introducción

La “salud intestinal” es una expresión que se usa cada vez más frecuentemente, tanto en el ámbito de los animales como de los seres humanos. Sin embargo, la misma carece de una definición clara en la bibliografía científica y parecería cambiar de significado dependiendo de la perspectiva -por ejemplo, de la industria, el medio académico y los marcos regulatorios-. Para agravar aún más el problema, el desarrollo de tecnologías de ‘”grandes datos” que tiende a superar nuestra capacidad de interpretar enteramente los resultados, lleva a que sea un reto plantear perspectivas claras sobre los beneficios que le aporta al animal un intestino saludable. Asegurar una buena digestión y la consiguiente absorción de nutrientes, minimizando enfermedades gastrointestinales –EG-, estabilizando y/o modulando positivamente la ecología microbiana -es decir, la microbiota- y creando una respuesta inmune eficaz, son áreas que están directamente relacionadas con la salud intestinal. A pesar de que las preocupaciones por la salud intestinal parecerían diferir dependiendo de las especies involucradas -por ejemplo en los seres humanos y los animales de compañía, frente a cerdos y aves-, las implicaciones de los resultados de las investigaciones en dichas áreas son bastante similares. Las estrategias nutricionales aplicadas a los animales de producción se centran casi exclusivamente en el crecimiento como resultado primario, ya que éste está directamente relacionado con el beneficio económico de los productores. Sin embargo, se dejan de lado oportunidades para optimizar la salud del animal y ayudar a prevenir perjuicios patogénicos que podrían afectar directa o indirectamente al crecimiento.

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Con la prohibición del uso de antibióticos como aditivos del alimento en la Unión Europea, y una tendencia general al menor uso de los mismos en todo el mundo, existen nuevas oportunidades en la nutrición para promover la salud de los animales de producción. El uso de técnicas de secuenciación microbiana de última generación permite tener una visión amplia de la relación entre la ecología microbiana del intestino grueso y la salud general del huésped. Además, las alteraciones en la microbiota del intestino grueso que causan disbiosis o desequilibrio de la misma -Vyas y Ranganathan, 2012-, como el estrés debido al transporte de animales -Isaacson y Kim, 2012-, a menudo llevan al aumento del riesgo de infecciones patogénicas y, en última instancia, a problemas de salud que impactan negativamente sobre el crecimiento, por ejemplo, por mala consistencia de las heces, stress gastrointestinal, aumento de la inflamación, etc. El uso de intervenciones nutricionales, incluyendo prebióticos, probióticos y simbióticos ha sido estudiado en relación a la microbiota del colon, sus productos metabólicos y la salud del huésped en seres humanos y roedores -Vyas y Randanathan, 2012- y, hasta cierto punto, en animales de compañía -Middelbos y col., 2010; Gagné y col., 2013; Panasevich y col., 2013; Panasevich y col., 2014-. Entender cómo la alteración de la ecología microbiana impacta sobre la salud general del ser humano y los animales de compañía puede aportar perspectivas interesantes sobre lo que está ocurriendo en las aves -Yeoman y col., 2012– y los cerdos -Isaacson y Kim, 2012-. Por motivos que se justifican, uno de los principales focos de la producción animal ha estado en los nutrientes que pueden modificar la composición de la microbiota para asegurar un intestino saludable que proteja al animal contra perjuicios patogénicos que, de otro modo, irían en detrimento del crecimiento. Esta revisión apunta a destacar las oportunidades para mejorar la salud intestinal de los cerdos y las aves, desde la perspectiva de la nutrición del ser humano y los animales de compañía(*).

Microbiota gastrointestinal

Se estima que el tracto gastrointestinal de los mamíferos está colonizado, por lo menos, por 1014 bacterias -Isaacson y Bum Kim, 2012-, lo que representa unas 2,7 veces más bacterias que el número total de células del cuerpo humano -Bianconi y col., 2013-. La comunidad ecológica de microorganismos, comensales, simbióticos y patogénicos que residen en el tracto gastrointestinal se conoce colectivamente como microbiota -Lederberg y McCray, 2001- y tiene capacidad de sintetizar, metabolizar y convertir sustancias que están directamente relacionadas a la salud del huésped. De hecho, la capacidad metabólica de la microbiota ha sido comparada a la del hígado. Por consiguiente, no sorprende que la modulación de la microbiota residente principal tenga implicaciones significativas en la salud del huésped. La mucosa del tracto gastrointestinal de los no rumiantes está expuesta a un número de microorganismos entéricos potencialmente perjudiciales y el animal trata de evitar la entrada de estos patógenos en su cuerpo a través de una serie de mecanismos de defensa complementarios, incluyendo la síntesis de mucinas, células de Paneth, uniones de células intestinales -es decir, uniones de espacios, desmosomas, uniones adherentes y uniones estrechas-, así como tejido linfoide asociado al intestino –GALT-, incluyendo placas de Peyer y folículos linfoides aislados. La interacción entre la mucosa intestinal y la microbiota es importante para mantener la integridad de la barrera epitelial de tracto gastrointestinal. Cualquier alteración en la composición de la microbiota principal podría dañar la morfología intestinal y aumentar la respuesta inflamatoria -Brown y col., 2012-, originando una disminución del proceso digestivo, heces blandas, stress gastrointestinal y menor capacidad de absorción. Desde el punto de vista de la producción animal, estas consecuencias fisiológicas disminuyen el crecimiento. Con los recientes avances en las técnicas de secuenciación en cultivos independientes, en conjunto con el rápido descenso del costo de la secuenciación, estamos empezando a entender mejor las poblaciones microbianas diferentes que existen a lo largo del tracto gastrointestinal, y cómo contribuyen a la función normal del intestino.

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Microbiota de cerdos y aves

Los cambios en la microbiota principal pueden estar influidos por una variedad de factores, incluyendo el ambiente, el estado de salud, la genética y, el más importante de todos, la dieta -Turnbaugh y col., 2007-. Se ha planteado que la ausencia de una microbiota “normal” o “saludable” reduce el potencial de crecimiento del animal. Sin embargo, antes de evaluar los factores que afectan a la microbiota, es importante definir qué es lo que se considera un intestino “normal” o “saludable”. Las microbiotas intestinales de los cerdos y los pollos han sido revisadas exhaustivamente -Isaacson y Bum Kim, 2012; Yeoman y col., 2012-. Antes de las actuales técnicas moleculares se usaban procedimientos dependientes de cultivos para investigar la microbiota. Sin embargo, el empleo de diferentes técnicas de cultivo entre laboratorios creó dificultades para comparar los resultados. Además, es importante subrayar que hasta un 80 % de todas las especies bacterianas en la materia fecal no se pueden cultivar. El uso de tecnologías metagenómicas ha proporcionado una idea global sobre la diversidad y abundancia de las bacterias intestinales.

Los cambios en la microbiota principal pueden estar influidos por una variedad de factores, incluyendo el ambiente, el estado de salud, la genética y, el más importante de todos, la dieta

En las aves, el ciego es el lugar donde existe la mayor diversidad y abundancia de comunidades microbianas -Yeoman y col., 2012-. Sin embargo, otras áreas del tracto gastrointestinal, incluyendo el buche, el proventrículo y el intestino delgado, también presentan gran abundancia y diversidad de bacterias. Las Firmicutes, Bacteroidetes, Proteobacteria y Archaea son las familias de bacterias presentes en el ciego y el grado de diversidad dentro y entre estas familias depende de la composición de la dieta -Yeoman y col., 2012-. El análisis metagenómico de la microbiota del ciego indica importantes contribuciones al metabolismo de los carbohidratos. Además, la microbiota del ciego posee las enzimas necesarias para degradar los carbohidratos que, de lo contrario, son indigeribles por las enzimas hidrolíticas del huésped.

Al estudiar las microbiotas del ave y el cerdo es evidente que la abundancia bacteriana y la diversidad son mayores en aquellos órganos donde predomina la fermentación -ciego y colon del cerdo y ciegos de las aves-. Los microbios en estas secciones del tracto gastrointestinal producen una gran variedad de enzimas para fermentar los carbohidratos indigestibles y producir ácidos grasos de cadena corta –AGCC-. Revisiones recientes de las microbiotas de cerdos y aves -Isacsson y Bum Kim, 2012; Yeoman y col., 2012- destacan las oportunidades de investigación sobre nutrición para optimizar la composición bacteriana y mejorar las concentraciones de producto final fermentable, reduciendo así la pérdida de nitrógeno en estas especies.

Productos finales fermentativos de la microbiota

Como se ha mencionado, la microbiota posee una capacidad metabólica comparable a la del hígado -Possemiers y col., 2011-. La síntesis de las vitaminas B y K -Kau y col., 2011-, la producción de componentes bioactivos seleccionados -por ejemplo, equol de isoflavona, daidzeina- que son beneficiosos para las salud del huésped -Bowey y col., 2003-, y la producción de AGCC son solo unos ejemplos que destacan el potencial metabólico de la microbiota. Evidencias actuales sugieren que existe una fuerte conexión entre el metabolismo microbiano, el intestino y la salud sistémica del huésped, lo que ha sido atribuido, en parte, a la producción de SCFA -Ganapathy y col., 2013-. La fibra dietética y el almidón resistente tienen una gran influencia sobre la producción de AGCC en órganos fermentativos, y ambos componentes se han utilizado para potenciar la salud intestinal. Los AGCC producidos en el colon a partir de la fermentación de los carbohidratos son acetato, propionato y butirato. Por otra parte, las concentraciones de estos compuestos tienden a variar mucho a lo largo del tracto gastrointestinal. En general, el ciego y el colon proximal de los mamíferos presentan altas concentraciones de AGCC -70 a 140 milimolar- debido a la gran disponibilidad de sustratos de carbohidratos, en comparación con el colon distal -20 a 70 milimoles- donde la mayoría de los mismos ya han sido fermentados -Topping y Clifton, 2001-.

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En particular, el butirato se considera el AGCC más beneficioso para el control de la inflamación intestinal porque es la fuente de energía preferida para los colonocitos. Hay una evidencia clara que sugiere que el butirato en el colon ahorra la oxidación de la glucosa y la glutamina, por lo que estos compuestos pueden ser usados como sustratos energéticos en otros tejidos -Topping y Clifton, 2001-. El tracto gastrointestinal es responsable entre un 20 y un 35 % de la renovación proteica corporal y también del gasto de energía -Montagne y col., 2004-. Las teorías modernas sugieren que los productos fermentativos microbianos son particularmente importantes para mantener este alto nivel de renovación ya que son la fuente preferida de energía de los colonocitos -Andoh y col., 2003-. A pesar de que frecuentemente se deja de lado –aun con el debate existente-, la contribución energética de los AGCC puede llegar a ser de 2 kcal/g de pienso -Livesey, 1992- con del 2,4 al 29,5 % de la energía total aportada por la fermentación bacteriana -Anguita y col., 2006; Jensen, 2001-.

Uno de los mayores retos en la nutrición animal es asegurar un óptimo crecimiento, al mismo tiempo que mantener la salud. Estos objetivos a menudo son contradictorios, pero nuevas perspectivas sobre el metabolismo microbiano del intestino grueso y su importancia para la salud del huésped perecen haber superado estas preocupaciones. Además de suministrar energía al huésped, la producción de AGCC y en particular de butirato afecta la función inmune al alterar el mecanismo regulador de las células epiteliales del colon que están involucradas en la respuesta inflamatoria -Segain y col., 2000; Russo y col., 2012; Kinoshita y col., 2002-. Sin embargo, recientemente ha habido un aumento del interés sobre el papel de los AGCC de controlar la respuesta inflamatoria a través de la modulación del estímulo de células inmunes innatas. Ciertos receptores del gusto, incluyendo los de los ácidos grasos libres –FFA- 1 y 2, también conocidos como GPR43 y GPR41, están presentes en las células epiteliales del intestino y seleccionan células inmunes. Estos receptores se unen a los AGCC y afectan a los leucocitos -principalmente neutrófilos y monocitos- desplazándose hacia el sitio de la inflamación y, consecuentemente, ejerciendo un efecto terapéutico -Le Poul y col., 2003-. En hallazgos recientes se ha visto que la microbiota residente está implicada en la optimización de esta respuesta -Vinolo y col., 2011-. La manera más práctica de mantener o modular la microbiota principal para maximizar la producción de AGCC es a través de la dieta.

Nutrientes que afectan la microbiota

Los ingredientes como fibras fermentables de la dieta, almidones resistentes, prebióticos, probióticos y combinaciones de los dos –simbióticos- han sido ampliamente estudiados en nutrición humana -Vyas y Ranganathan, 2012- y están siendo investigados cada vez más en relación con la nutrición de los animales de compañía -Gagné y col., 2013; Middelbos y col., 2010; Panasevich y col., 2013; Panasevich y col., 2014-. Ciertas fibras y almidones resistentes pueden ser prebióticos in natura, lo que quiere decir que estimulan selectivamente el crecimiento, la actividad, o ambos, de uno o un número limitado de géneros o especies microbianas en la microbiota del colon, para beneficiar, en última instancia, la salud del huésped -Roberfroid y col., 2010-. Es importante remarcar que no todas las fibras producen los mismos resultados fermentativos. La capacidad de los microbios de fermentar sustratos fibrosos depende de varios factores, incluyendo las propiedades físico-químicas y moleculares del sustrato, la composición del nutriente y la microbiota del huésped. Las fibras dietéticas poseen diferentes concentraciones de componentes de la pared celular -por ejemplo, celulosa, hemicelulosa, lignina y pectina- que afectan la capacidad de la microbiota de fermentar estos sustratos. Esto también ocurre con los almidones resistentes, en los que los tipos –por ejemplo los RS1, RS2, RS3, o RS4- y los métodos de procesado -por ejemplo, la extrusión y la granulación- afectan cómo actuarán in vivo. Entender las cualidades fermentativas de los carbohidratos no digestibles es también muy importante para determinar una dosis tolerable. En la nutrición de los seres humanos y animales de compañía los objetivos primarios de aportar carbohidratos fermentables son mantener la integridad intestinal, reducir la fermentación proteica y reducir el olor de las heces, sin stress para el tracto gastrointestinal ni comprometer la consistencia fecal o la digestibilidad de los nutrientes de la dieta -Verdonk y col., 2005-.

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Los prebióticos como la inulina, los fructo-oligosacáridos –FOS-, la oligofructosa y el almidón resistente -Tomasik y Tomasik, 2003- han sido evaluados para establecer su eficacia en las dietas de animales de compañía, observando sus efectos sobre la fermentabilidad, la digestibilidad de nutrientes, la consistencia fecal y la modulación de la microbiota. Una revisión de Verdonk y col. –2005- destaca los estudios que examinan los diferentes fructanos tipo inulina -inulina y oligofructosa- en varias dosis en dietas caninas y sus efectos en los índices de salud intestinal. Todos estos estudios sugieren que las fibras altamente fermentables, como la oligofructosa y la inulina, deberían agregarse en bajas concentraciones a la dieta -1 a 10 g/kg- para promover la producción de SCFGA e inhibir el crecimiento de bacterias patogénicas -por ejemplo, Clostridium perfringens- sin por ello comprometer la digestibilidad de los nutrientes y la consistencia fecal.

El tracto gastrointestinal es responsable entre un 20 y un 35% de la renovación proteica corporal y también del gasto de energía

El empleo de tecnologías de secuenciación de última generación nos ha posibilitado definir nutrientes que pueden ejercer ciertos cambios en la microbiota, al estimular la fermentación bacteriana positiva. Un estudio de nuestro laboratorio realizado con perros en buen estado de salud reveló que el incremento de las concentraciones de una fibra de patata moderadamente fermentable aumentó los AGCC fecales al producir un cambio positivo de la microbiota -es decir, un incremento en Faecalibacterium, un productor de butirato-, pero sin ejercer efectos negativos sobre la digestibilidad de los nutrientes o la consistencia fecal -Panasevich y col., 2013; Panasevich y col., 2014-. Basándose en estudios con ingredientes funcionales novedosos que benefician la salud intestinal de los animales de compañía, también podrán lograrse efectos positivos en cerdos y aves.

Aplicación a la nutrición de cerdos y aves

La capacidad metabólica de la microbiota es importante para asegurar los procesos celulares normales en el intestino y para mantener los mecanismos de defensa inherentes que protegen contra perjuicios patógenos. Se sabe que los animales usan recursos para su propio mantenimiento, lo que implica defender a las células de daño, retirando moléculas y células deterioradas o que están en el lugar equivocado, y también defender a los tejidos de los patógenos -Klasing, 2007-. La capacidad metabólica de la microbiota forma parte de los recursos para el propio mantenimiento del intestino grueso. En cerdos y aves hay factores ambientales de estrés, como son unas condiciones sanitarias impropias y el transporte, que plantean vulnerabilidades significativas para el propio mantenimiento, y llevan a la activación inmune. En primer lugar y antes que nada, existe una conexión clara entre la activación inmunitaria y un consumo reducido de pienso en las especies de producción. Una oportunidad de controlar la activación inmunitaria sería a través de la producción de AGCC, como indican los cambios en la microbiota. Optimizar la misma a través de la dieta, es decir, a través del suministro de carbohidratos fermentables, para producir AGCC podría mitigar algunos efectos negativos para el crecimiento causados por la activación inmunitaria.

Con la caracterización de la microbiota de cerdos y aves han surgido claras oportunidades nutricionales para optimizar la ecología microbiana de estas especies. Los prebióticos, probióticos y simbióticos han sido exhaustivamente estudiados y existen beneficios para la salud, tanto en el ser humano como en los animales, sugiriendo al lector examinar la plétora de revisiones de actualidad que resumen este campo de investigación, con el entusiasmo que han provocado. Ha habido unos avances que inducen a emplear menos antibióticos y, por otra parte, a utilizar más aditivos nutricionales en las dietas de los animales. Por consiguiente, es necesario agregar nuevas fibras fermentables en concentraciones adecuadas a la dieta para equilibrar el mantenimiento de una microbiota saludable, sin que por ello se comprometa la digestibilidad de los nutrientes. Esto tal vez también permita que el animal se defienda mejor de la estimulación excesiva del sistema inmunitario, que conlleva una merma de la ingesta de pienso y de las ganancias de peso.

Uno de los mayores retos en la nutrición animal es asegurar un óptimo crecimiento al mismo tiempo que mantener la salud

Es posible derivar evidencias sobre el impacto de la nutrición sobre la respuesta inmunitaria a partir de un trabajo reciente sobre los efectos combinados de la pectina dietética, una fibra altamente fermentable, y la treonina suplementaria durante una infección aguda por parásitos, en este caso, coccidiosis -Wils-Plotz y col., 2013-. Los hallazgos de este estudio sobre la nutrición de las aves en relación con la salud, sugieren que la pectina es capaz de alterar la estructura de la barrera intestinal y ofrecer protección contra la coccidiosis. Sin embargo, los efectos más pronunciados son los de un suplemento de treonina, que influyó positivamente en la estructura intestinal y en la respuesta inmunitaria, al mismo tiempo en que en el mantenimiento de un crecimiento casi normal de pollos infectados con Eimeria maxima. Es posible encontrar en la bibliografía otros ejemplos sobre cómo la alimentación de pollos y cerdos con fibra dietética puede alterar la estructura y la función intestinal. En general, todo lleva a creer que existe un papel para las nuevas fibras fermentables y que éstas van a evolucionar a fin de convertirse en importantes herramientas para la modulación de la microbiota para lograr una salud ideal sin comprometer la digestibilidad de los nutrientes y el crecimiento. Esta posibilidad presenta, al mismo tiempo, grandes oportunidades y retos en el contexto de la nutrición aplicada de los cerdos y las aves.

Bibliografía

(Se enviará a los interesados que la soliciten). •

(*) (*) N. de la R.: El texto original se ha extractado ligeramente para eliminar todo lo referente exclusivamente al cerdo.

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