Desarrollan un atlas molecular que revela cómo el intestino responde a los alimentos ingeridos

Por Instituto Weizmann de Ciencias*

Si los órganos de nuestro cuerpo pudieran hablar, los intestinos serían los que revelarían las verdades más ocultas sobre nuestro estilo de vida y nuestra salud. De paso, sus “confesiones” podrían proporcionar información crucial para la investigación biomédica y clínica. Los investigadores del Instituto Weizmann de Ciencias han dado precisamente esa “voz” al intestino. En un estudio que se publica en Cell , los científicos presentan un método que puede identificar simultáneamente, mediante el análisis de una muestra de heces, todas las proteínas del intestino, incluidas las de los alimentos, las del propio cuerpo y las del microbioma intestinal. De este modo, el método permite descifrar las interacciones entre estas proteínas con una precisión y una resolución sin precedentes.

El microbioma fue el punto de partida de la investigación, codirigida por los doctores Rafael Valdés-Mas, Avner Leshem y Danping Zheng del laboratorio del profesor Eran Elinav, en colaboración con el doctor Alon Savidor del Centro Nacional de Medicina Personalizada Nancy y Stephen Grand Israel. “Queríamos ir más allá de la secuenciación del ADN, el método habitual para estudiar el microbioma”, dice Elinav, del Departamento de Inmunología de Sistemas de Weizmann. “El ADN puede decirnos qué bacterias están presentes en el intestino y señalar su actividad potencial. Las proteínas bacterianas, en cambio, pueden revelar directamente si estas bacterias están activas, qué actividad realizan y cómo su función afecta al cuerpo humano en la salud y la enfermedad”.

La identificación de proteínas es un desafío debido a su gran cantidad, a lo que se suman las similitudes entre proteínas de diferentes especies. Los aproximadamente 20.000 genes que producen proteínas en el genoma humano, por ejemplo, dan lugar a millones de variaciones proteínicas; identificarlas utilizando bases de datos proteínicas existentes puede ser complicado y requerir mucho tiempo. El nuevo método del Instituto Weizmann aborda este desafío, en parte combinando la secuenciación de ADN y la espectrometría de masas para generar un mapa proteínico más pequeño y personalizado para cada paciente.

El método, denominado IPHOMED (abreviatura de Integrated Proteo-genomics of HOst, MicrobiomE and Diet), permite descifrar toda la actividad del microbioma al mostrar qué proteínas de una muestra de heces proceden de qué cepas bacterianas y en qué cantidades. Además, identifica las proteínas secretadas por el intestino humano en respuesta a las señales procedentes del microbioma. En conjunto, las proteínas de estas dos fuentes generan un atlas de la comunicación del organismo con el microbioma, por ejemplo, durante la exposición a bacterias patógenas o a antibióticos.

Así, utilizando este método, los investigadores de Weizmann descubrieron que el intestino humano puede secretar docenas de péptidos antimicrobianos previamente desconocidos que actúan como antibióticos naturales, matando algunas de las bacterias del microbioma y, en última instancia, dando forma a su composición. Este hallazgo podría ayudar a explicar por qué la composición del microbioma de cada persona es única, lo que conduce a diferencias en la susceptibilidad a las enfermedades.

Cuando los investigadores pensaron que habían terminado de desarrollar el método, pudieron identificar el 97 por ciento de las proteínas en cada muestra de heces, lo que era un índice alto, pero el hecho de que no se pudiera caracterizar de manera consistente el 3 por ciento restante parecía desconcertante. Investigaciones posteriores aclararon que estas proteínas no se originaban ni en el microbioma ni en los tejidos corporales, sino que provenían de los alimentos.

Esta revelación sugirió que el método Weizmann podría ser capaz de satisfacer una necesidad urgente y de larga data de la ciencia nutricional: la de proporcionar un medio no invasivo para revelar los detalles exactos de la dieta de una persona. Para abordar este desafío, el equipo creó una base de datos de proteínas encontradas en cientos de productos alimenticios e identificó las que eran exclusivas de cada alimento. Estos avances permitieron saber con una precisión sin precedentes, a partir de muestras de heces, lo que las personas habían comido. Por ejemplo, cuando se aplicó a muestras recogidas de dos grupos de voluntarios sanos, uno en Alemania y el otro en Israel, el método identificó un nivel similar de consumo de trigo en ambas poblaciones, pero solo las muestras alemanas tenían grandes cantidades de proteínas de cerdo; en contraste, la mayoría de las proteínas de carne en las muestras israelíes provenían de aves de corral.

En uno de los experimentos realizados por el equipo, se pidió a los voluntarios que consumieran un repertorio cambiante de alimentos, incluidos los cacahuetes, en determinados días. El método no sólo determinó con precisión cuándo se consumían estos alimentos, sino que era tan sensible que podía indicar el consumo de tan solo cinco cacahuetes al día.

En otro experimento, los investigadores pudieron seguir con precisión los cambios en la dieta de personas con enfermedades gastrointestinales. En un caso, el método identificó correctamente a un niño con enfermedad celíaca recién diagnosticada que no había seguido la dieta sin gluten prescrita.

“Nuestro método podría utilizarse para determinar si alguien sigue una dieta kosher o si es tan estrictamente vegetariano como dice ser”, dice Elinav con una sonrisa. “Pero hablando más en serio, el método tradicional de seguimiento de la dieta, el autoinforme, es notoriamente inexacto. Saber con mayor precisión y detalle lo que come la gente, incluso cuando su comida es compleja y está compuesta de múltiples ingredientes, puede ayudar a establecer cuáles de los muchos componentes de una comida son beneficiosos para la salud y cuáles son problemáticos”.

Para explorar el uso de su nuevo método en el diagnóstico y tratamiento de enfermedades, los científicos lo aplicaron a muestras de heces de pacientes con enfermedad inflamatoria intestinal, que se caracteriza por una inflamación intestinal grave que se ve afectada por la dieta y el microbioma. El análisis de muestras de los participantes del estudio israelíes, alemanes y estadounidenses permitió descifrar, con gran detalle molecular, las interacciones alteradas entre el intestino humano y el microbioma intestinal que impulsan los orígenes de esta enfermedad. El estudio condujo al descubrimiento de docenas de nuevas proteínas que podrían servir como posibles objetivos futuros para los medicamentos para tratar esta enfermedad actualmente sin cura. 

Los investigadores también identificaron proteínas humanas y bacterianas que, utilizadas juntas, podrían convertirse en nuevos biomarcadores para diagnosticar el tipo de enfermedad, evaluar su gravedad y rastrear su progreso. Estas nuevas sondas prometen superar a la calprotectina, el único biomarcador clínicamente aprobado para la enfermedad inflamatoria intestinal.

Además, mediante un análisis de la dieta de los pacientes realizado con IPHOMED, ​​los investigadores pudieron cuantificar el cumplimiento de los pacientes con las terapias nutricionales para la enfermedad intestinal y relacionar el nivel de adherencia a dichas dietas con un mejor control de la inflamación. Además, lograron aplicar su método no invasivo para detectar enfermedades en el intestino delgado, el tubo largo y delgado que en las personas sanas absorbe la mayoría de las proteínas de los alimentos. Debido a que el intestino delgado es notoriamente difícil de visualizar y acceder, esta enfermedad no podría haberse detectado por medios convencionales.

“En conjunto, las proteínas de los intestinos son las ‘palabras’ que un día nos permitirán escuchar exactamente lo que nuestros intestinos nos dicen y así aprender a brindarles exactamente la ayuda que necesitan”, afirma Elinav. “Esta capacidad ayudará a los investigadores a diseñar intervenciones nutricionales y médicas personalizadas para una amplia variedad de trastornos, en particular aquellos afectados por el microbioma, incluidas las enfermedades inflamatorias, metabólicas, malignas y neurodegenerativas”.

El Dr. Leshem, que era estudiante de doctorado en medicina en el laboratorio de Elinav durante este estudio, ahora es residente de cirugía en el Centro Médico Sourasky de Tel Aviv (Ichilov). También participaron en el estudio Yotam Cohen, la Dra. Lara Kern, la Dra. Niv Zmora, el Dr. Yiming He, Shimrit Eliyahu Miller, Tal Yosef Hevroni, Liron Richman, Barbara Raykhel, Shira Allswang, Reut Better, Fernando Slamovitz, el Dr. Dragos Ciocan, Uria Mor, la Dra. Mally Dori-Bachash, Shahar Molina, el Dr. Jotham Suez, el Dr. Suhaib K. Abdeen y la Dra. Hagit Shapiro del laboratorio de Elinav; el Dr. Merav Shmueli y el Prof. Yifat Merbl del Departamento de Inmunología de Sistemas de Weizmann; el Dr. Yishai Levin y Corine Katina del Centro Nacional de Medicina Personalizada Nancy y Stephen Grand Israel en el Instituto Weizmann; el Dr. Ghil Jona del Departamento de Instalaciones Centrales de Ciencias Biológicas de Weizmann; el Prof. Alon Harmelin y la Dra. Noa Stettner del Departamento de Recursos Veterinarios de Weizmann; Dra. Aurelia Saftien, Dra. Nyssa Cullin, Kyanna S. Ouyang y Dr. Jens Puschhof de la División de Microbioma y Cáncer, Centro Alemán de Investigación del Cáncer (DKFZ), Alemania; Prof. Koji Atarashi y Prof. Kenya Honda del Centro RIKEN de Ciencias Médicas Integrativas (IMS) y la Universidad de Keio, Japón; Prof. Nitsan Maharshak, Prof. Oren Shibolet y Prof. Zamir Halpern del Centro Médico Tel Aviv Sourasky (Ichilov), Israel; Prof. Dror S. Shouval y Prof. Raanan Shamir del Centro Médico Infantil Schneider, Israel; Dr. Michal Kori del Centro Médico Kaplan, Israel; Prof. Minhu Chen del Primer Hospital Afiliado, Universidad Sun Yat-Sen, China; y el Dr. Wolfgang Lieb, la Dra. Corinna Bang y el Prof. Andre Franke del Hospital Universitario de Schleswig-Holstein, Universidad Christian-Albrechts, Alemania.

La investigación del profesor Eran Elinav cuenta con el apoyo del Premio Helen y Martin Kimmel a la Investigación Innovadora; el Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable Trust; Miel de Botton; Dan Andreae ; la Rising Tide Foundation; el Sagol Center for Research on the Aging Brain; y el Sagol Weizmann-MIT Bridge Program. El profesor Elinav es director del Belle S. and Irving E. Meller Center for the Biology of Aging y titular de la Cátedra de Inmunología Sir Marc and Lady Tania Feldmann. La Cátedra de Investigación Vera Rosenberg Schwartz apoya a un científico del personal en su laboratorio.

* Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel.

Fuente: infobae.com