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Investigación del microbioma y aplicaciones en enfermedades
Descubra los secretos del microbioma a través del poder de la metabolómica. Descubra nuevos conocimientos sobre las interacciones microbianas y su impacto en la salud.
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Metabolómica en la investigación del microbioma
La investigación de los microbiomas puede resultar difícil debido a su enorme diversidad y complejidad, así como a la falta de metodologías estandarizadas, lo que puede contribuir a la variabilidad de los resultados. El análisis de los datos del microbioma, que a menudo requiere herramientas bioinformáticas especializadas, plantea retos informáticos. La variabilidad en la composición del microbioma entre individuos y a lo largo del tiempo complica el establecimiento de claras relaciones causa-efecto. Comprender las funciones e interacciones de los microorganismos con el huésped es un objetivo clave de la investigación. Además, traducir los resultados de la investigación en terapias y desentrañar las intrincadas interacciones entre el microbioma y el huésped, así como las influencias ambientales, plantean retos constantes. No obstante, la investigación del microbioma aporta valiosos conocimientos sobre la salud, las enfermedades y los ecosistemas, y fomenta la colaboración interdisciplinar y la innovación metodológica.
La metabolómica contribuye a la investigación del microbioma ofreciendo valiosos conocimientos sobre las características funcionales de los microbiomas y su impacto en la salud del huésped. Este campo complementa la genómica, la transcriptómica y la proteómica al centrarse en el análisis exhaustivo de los metabolitos, las pequeñas moléculas de un sistema biológico. La metabolómica identifica y cuantifica los metabolitos producidos por los microorganismos del microbioma, arrojando luz sobre sus actividades metabólicas. Ayuda a los investigadores a comprender las vías metabólicas dinámicas, los procesos activos y las sustancias bioquímicas específicas producidas, salvando la distancia entre el potencial genético y las contribuciones reales. Además, la metabolómica ayuda a descifrar el modo en que los metabolitos producidos por los microbios influyen en la fisiología del huésped, aportando una perspectiva funcional de las interacciones entre microbios y huéspedes. Esta información es muy valiosa para identificar biomarcadores, dianas terapéuticas y comprender el impacto de la dieta, los fármacos y las enfermedades en el microbioma y la salud en general.
Descubra información funcional y práctica con la metabolómica
Para comprender plenamente la multitud de formas en que el microbioma influye en la salud y la enfermedad humanas es necesario conectar los puntos genómicos y metabolómicos entre el huésped y el microbio.Metabolon puede ayudar a los investigadores a avanzar en su investigación del microbioma con paneles de metabolómica globales y específicos diseñados para desentrañar las asociaciones entre el huésped y el microbioma con el fin de acelerar la medicina de precisión.
Perspectivas funcionales
La metabolómica proporciona información directa sobre las actividades metabólicas de los microorganismos del microbioma. Revela los metabolitos específicos que se producen y las vías metabólicas que están activas. Esta información funcional es crucial para comprender cómo los microorganismos interactúan con el huésped, influyen en la salud y contribuyen a los estados patológicos. La metabolómica tiende un puente entre el potencial genómico y los procesos metabólicos reales, mejorando nuestra comprensión de la funcionalidad del microbioma. Un estudio publicado en Nature Genetics utilizó la secuenciación del genoma completo combinada con la metabolómica para estudiar el equilibrio energético. Los resultados del ensayo clínico aleatorizado mostraron exactamente cómo la dieta modulaba el microbioma y cómo respondían los participantes a la intervención dietética.
Corbin, K.D., Carnero, E.A., Dirks, B. et al. Host-diet-gut microbiome interactions influence human energy balance: a randomized clinical trial. Nat Commun 14, 3161 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-38778-x
Descubrimiento de biomarcadores
La metabolómica facilita el descubrimiento de biomarcadores asociados a enfermedades o afecciones relacionadas con el microbioma. Mediante la identificación de metabolitos específicos que se correlacionan con estados de salud o enfermedad, los investigadores pueden desarrollar herramientas de diagnóstico y biomarcadores para la detección precoz de enfermedades, el seguimiento de las respuestas al tratamiento y la predicción del riesgo de enfermedad. Estos biomarcadores pueden revolucionar la asistencia sanitaria y la medicina personalizada. Un estudio multiómico de la enfermedad arterial coronaria descubrió que el metaboloma sérico y las firmas microbianas intestinales estaban claramente asociados. Los investigadores se dispusieron a utilizar los datos para entrenar un modelo basado en la metabolómica que predijera el IMC cuando se aplicara a los pacientes. El modelo fue capaz de predecir la diabetes mellitus y la gravedad de la EAC, lo que pone de relieve la utilidad de la metabolómica para la identificación y predicción de riesgos.
Talmor-Barkan, Y., Bar, N., Shaul, A.A. et al. Metabolomic and microbiome profiling reveals personalized risk factors for coronary artery disease. Nat Med 28, 295-302 (2022). https://doi.org/10.1038/s41591-022-01686-6
Identificación de dianas terapéuticas
La metabolómica ayuda a identificar posibles dianas terapéuticas para enfermedades relacionadas con el microbioma. Al descubrir vías metabólicas alteradas o metabolitos asociados a enfermedades, los investigadores pueden desarrollar intervenciones dirigidas a restablecer un equilibrio saludable en el microbioma. Esto tiene importantes implicaciones para el desarrollo de terapias basadas en el microbioma, como probióticos, prebióticos, intervenciones dietéticas, suplementos y medicación para mejorar los resultados de salud y tratar diversas afecciones. Un estudio publicado en Nature Medicine evaluó las comunidades microbianas en muestras de lavado cervicovaginal de pacientes con vaginosis bacteriana (VB), resultado de un crecimiento excesivo de bacterias en la vagina. Los resultados de la metabolómica condujeron a un tratamiento que combinaba un inhibidor de la captación de cistina con metronidazol para reducir la probabilidad de recaída tras el tratamiento y sugirieron tratamientos para mejorar la salud reproductiva de las mujeres.
Bloom, S.M., Mafunda, N.A., Woolston, B.M. et al. Cysteine dependence of Lactobacillus iners is a potential therapeutic target for vaginal microbiota modulation. Nat Microbiol 7, 434-450 (2022). https://doi.org/10.1038/s41564-022-01070-7
"La microbiota intestinal establece relaciones complejas con su organismo huésped, modulando amplios aspectos de la fisiología de éste, incluidos el metabolismo y la neurobiología. A menudo, las conexiones entre la microbiota intestinal y la fisiología del huésped son más fáciles de descifrar a través de la presencia/ausencia de grandes sectores de la comunidad microbiana, pero en algunos casos, características y/o taxones microbianos específicos desempeñan funciones importantes en la biología del huésped."
Lynch, J.B., Gonzalez, E.L., Choy, K. et al.
Gut microbiota Turicibacter strains differentially modify bile acids and host lipids. Nat Commun 14, 3669 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-39403-7 Disponible bajo CC BY 4.0
Una firma metabólica explica los cambios intestinales en el balance energético humano
El equilibrio energético humano es un factor crucial para mantener la salud y el bienestar general. Se refiere al equilibrio entre la ingesta de energía (calorías consumidas), el gasto energético (calorías quemadas a través de procesos metabólicos) y la producción de energía (energía excretada a través de las heces y la orina de los alimentos no digeridos). Mantener un equilibrio energético saludable es esencial en varios aspectos de la salud, como el control del peso, la salud cardiovascular y la función inmunitaria. El microbioma intestinal se perfila como un modulador clave del equilibrio energético humano. A pesar de este conocimiento, los estudios realizados hasta la fecha carecen de una evaluación cuantitativa exhaustiva de la contribución del microbioma intestinal a toda la ecuación del equilibrio energético. El conocimiento de los factores modificables del microbioma podría ayudar a tratar las afecciones relacionadas con el equilibrio energético. Para ayudar a llenar este vacío de conocimiento, este estudio utilizó un enfoque multiómico para perfilar muestras fecales y sueros de individuos en una sala metabólica. Los resultados de este estudio revelan la compleja intersección entre los factores del microbioma intestinal, la dieta y el huésped que modulan el equilibrio energético y, posiblemente, la salud humana.
El grupo de investigación utilizó el panel específico de ácidos grasos de cadena corta de Metabolonpara analizar muestras fecales y de suero de individuos que seguían una dieta occidental (WD) o una dieta mejorada con microbiomas (MBD).1 Gracias a los resultados de la tecnología de Metabolon, los investigadores pudieron comprender mejor la relación entre el microbioma intestinal y el equilibrio energético humano.
Este equipo de investigación llevó a cabo un estudio de alimentación controlada para detectar cambios en el balance energético en respuesta a la intervención dietética. Utilizaron una MBD, una dieta diseñada para alimentar y modular el microbioma intestinal colónico. Descubrieron que, en comparación con la WD, la MBD aumentaba la producción diaria de energía fecal consistente en alimentos no digeridos. Por lo tanto, la MBD produjo una disminución significativa de la energía metabolizable del huésped en comparación con la WD, reduciendo en consecuencia la energía disponible para el huésped.
Figura 1. Depósitos de energía del huésped y gasto energético en respuesta a las interacciones dieta-microbioma intestinal.
a-c Cambios en el peso, la masa grasa y la masa magra en la DM frente a la DMB; n= 16 por dieta. d Gasto energético (tasa metabólica del sueño extrapolada a 24 h); e, f Tiempo de tránsito colónico y pH colónico medio; n= 17 por dieta para todos los paneles. Los valores P proceden de modelos de regresión lineal de efectos mixtos y denotan un efecto estadísticamente significativo de la dieta sobre cada parámetro. Los datos de origen se proporcionan como archivo de datos de origen.
A continuación, evaluaron el fenotipo microbiano asociado al equilibrio energético del huésped. La secuenciación del ARNr 16S del microbioma intestinal de los participantes reveló que la MDB modificó la composición del microbioma, aumentando la abundancia de bacterias productoras de AGCC. Descubrieron que el aumento del contenido fecal y sérico de AGCC, incluidos el ácido acético, el ácido propiónico y el ácido butírico, era paralelo a los cambios inducidos por la dieta en la composición microbiana. A la inversa, la DT hizo pasar hambre a los microbios intestinales porque el huésped había digerido y absorbido más energía metabolizable en el tracto gastrointestinal. Los cambios en el microbioma debidos a la MBD fueron acompañados de un modesto cambio de peso/composición corporal y de cambios significativos en el sistema enteroendocrino del huésped.
Este estudio integró la metabolómica y el perfil del microbioma intestinal para comprender cómo éste modula el equilibrio energético. Metabolon ayudó a dilucidar la compleja interacción huésped-dieta-microbioma que modula el equilibrio energético humano. El equipo de investigación descubrió que el microbioma intestinal puede servir de diana para la medicina personalizada. En este caso, la optimización de la producción de AGCC a través de la dieta podría promover un balance energético favorable y mejorar la salud en general.
Corbin, K.D., Carnero, E.A., Dirks, B. et al. Host-diet-gut microbiome interactions influence human energy balance: a randomized clinical trial. Nat Commun 14, 3161 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-38778-x
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