Arxiu del Bloc

Un nou probiòtic activa la microbiota contra el càncer de fetge

Click here for the english version:  A new probiotic modulates gut microbiota against hepatocellular carcinoma

13 juliol 2016

Els darrers anys s’han anat desvetllant els efectes beneficiosos de la microbiota intestinal humana sobre diversos marcadors de la salut, com la inflamació, la resposta immune, les funcions metabòliques i el pes, així com la importància que tenen aquests bacteris simbiòtics nostres. En relació a la nostra microbiota vegeu per exemple aquests altres posts del meu blog: “Els clostridis bons ens eviten al·lèrgies“, “Bacteris controlant el que mengem” o “Bacteris de la llet materna“.

Al mateix temps s’ha vist que els probiòtics poden ser una bona solució per a moltes malalties amb la microbiota intestinal afectada. Efectivament, s’ha demostrat el paper beneficiós dels probiòtics per tal de reduir la inflamació gastrointestinal i prevenir el càncer colorectal.

Ara bé, recentment s’ha observat que els probiòtics poden tenir efectes beneficiosos en altres parts del cos més enllà del tracte gastrointestinal, en concret amb efectes immunomoduladors sobre un carcinoma hepatocel·lular (CHC). En efecte, investigadors de la Universitat de Hong Kong, juntament amb altres de la Universitat de Finlàndia Oriental, han publicat un estudi (Li et al, PNAS, 2016) en aquest sentit, en el qual han vist reduccions del 40% del pes i mida del tumor CHC del fetge de ratolins als que se’ls havia administrat un nou producte barreja de probiòtics, “Prohep”.

El carcinoma hepatocel·lular (CHC) és el tipus més usual de càncer de fetge, és el 2n càncer més mortal, i força abundant en llocs amb taxes altes d’hepatitis. A més, el fàrmac més utilitzat per reduir la proliferació del tumor, el sorafenib, és caríssim. El cost d’aquest inhibidor multiquinasa és de 3400€, per a les 112 pastilles de 200 mg del tractament recomanat de 4 pastilles al dia durant un mes. En canvi, qualsevol tractament amb probiòtics que s’arribés a demostrar que fos eficaç i pogués substituir aquest fàrmac, seria molt més econòmic.

La nova barreja de probiòtics Prohep està compost per diversos bacteris: Lactobacillus rhamnosus GG (LGG), Escherichia coli Nissle 1917 (EcN), i el conjunt inactivat pel calor VSL#3 (1:1:1), que conté Streptococcus thermophilus, Bifidobacterium breve, Bf. longum, Bf. infantis, Lb. acidophilus, Lb. plantarum, Lb. paracasei, i Lb. delbrueckii.

En el treball esmentat, Li et al. (2016) van alimentar ratolins amb el Prohep durant una setmana abans d’inocular-los un tumor al fetge, i van observar una reducció del 40% del pes i mida del tumor en comparació als animals control. Com veiem a la Figura 1, l’efecte és significatiu als 35 dies, i també per als que se’ls administra el Prohep el mateix dia de la inoculació del tumor. Lògicament, l’efecte de reducció és molt més manifest en administrar un compost antitumoral com Cisplatina.

Aquests investigadors van veure que la reducció del tumor era degut a la inhibició de l’angiogènesi, el procés que fa generar nous vasos sanguinis a partir dels existents, cosa essencial per al creixement tumoral. Relacionat amb la reducció tumoral, van trobar nivells alts del GLUT-1+ hipòxic, o sigui, que al tumor hi havia hipòxia causada pel menor flux sanguini, ja que aquest era un 54% menor, respecte als controls.

 

Fig 1 Li-Fig1B tumor size - days tumor

Figura 1. Variació de mida del tumor. ProPre: administració de Prohep 1 setmana abans d’inoculació del tumor; ProTreat: administració de Prohep el mateix dia d’inoculació del tumor; Cisplatin: administració d’aquest antitumoral. (Fig 1 B de Li et al, 2016).

 

També van determinar que hi havia una menor quantitat del factor angiogènic proinflamatori IL-17 i de les cèl·lules Th17 del sistema immune, que s’associen també al càncer. La menor inflamació i angiogènesi limiten el creixement del tumor.

I a més a més, aquests investigadors van establir que aquests efectes beneficiosos de l’administració dels probiòtics estava relacionats amb l’abundància de bacteris beneficiosos de la microbiota intestinal pròpia dels ratolins, que analitzaren per metagenòmica. O sigui, que els probiòtics modulen la microbiota, afavorint alguns bacteris propis, que són els que produeixen metabòlits antiinflamatoris com la citoquina IL-10 i que suprimeixen la diferenciació de les cèl·lules Th17.

 

Fig 2 gut microbiota Eye of Science

Figura 2. Bacteris de la microbiota intestinal humana al microscopi electrònic de rastreig (SEM) (Imatge colorejada, de Eye of Science / Science Source)

 

Alguns d’aquests bacteris de la microbiota identificats per metagenòmica als ratolins que se’ls havia administrat el Prohep són Prevotella i Oscillibacter. El primer és un bacteri gram-negatiu bacteroidal, que és abundant a la microbiota de nen africans rurals amb dietes riques en carbohidrats. Oscillibacter és un gram-positiu clostridial, que es coneix als humans com a productor del neurotransmissor GABA. Són un exemple més de la importància d’alguns bacteroidals i clostridials en la microbiota intestinal, ja que en són majoria, i malgrat que no són ni molt menys utilitzats com a probiòtics, cada cop se’ls troba més funcions positives, com per exemple evitant al·lèrgies (Els clostridis bons ens eviten al·lèrgies).

Se sap que aquests bacteris produeixen metabòlits antiinflamatoris i per tant serien els principals implicats en regular l’activitat de les cèl·lules immunes que propicien el creixement del tumor. La reducció del tumor observada en aquests experiments amb ratolins seria efecte de l’acció combinada dels mateixos bacteris probiòtics administrats junt amb la microbiota pròpia afavorida per aquests. Veiem un possible esquema d’aquestes accions a la Figura 3.

 

Fig 3 Sung fig 2

Figura 3. Diagrama simplificat dels possibles mecanismes dels bacteris intestinals influint sobre la polarització de les cèl·lules Th17 de la làmina pròpia de la mucosa intestinal. Els bacteris de la microbiota activarien les cèl·lules dendrítiques, les quals segreguen citoquines (IL-22, IL-23, IL-27). Els bacteris poden promoure la immunitat de Th17 induint IL-23, que pot estar involucrada mitjançant la senyal de lligands TLR, o ATP extracel·lular o l’amiloide A sèric (SAA). Mentrestant, algunes soques probiòtiques podrien inhibir el desenvolupament de Th17 per la via de la producció de IL-12 i IL-27, a banda d’afavorir el creixement i colonització dels bacteris propis que indueixen Th17 (Sung et al 2012, Fig. 2).

 

Encara que ja sabem que la progressió dels càncers és un procés molt complex, i que als microambients del tumor hi ha una infiltració de molts diversos tipus de cèl·lules del sistema immunitari com cèl·lules T, neutròfils, cèl·lules killer, macròfags, etc, la subpoblació de cèl·lules helper Th17 sembla que és prevalent en la progressió dels tumors, i per tant, aquests efectes dels probiòtics i la microbiota obren bones perspectives.

Encara és aviat per dir si aquests descobriments contribuiran a un tractament del càncer de fetge humà, i per tant calen investigacions en humans per veure si aquests probiòtics podrien ser utilitzats com a tal o en tàndem amb algun fàrmac, en funció del estadi i mida del tumor. En qualsevol cas, s’obre un nou ventall de possibilitats de recerca dels mecanismes moleculars dels efectes beneficiosos dels probiòtics més enllà del tracte intestinal.

 

Bibliografia

El-Nezami H (2016 april 27) HKU develops novel probiotic mixture “Prohep” that may offer potential therapeutic effects on liver cancer. The University of Hong Kong (HKU) 27 Apr 2016

El-Nezamy H, Lee PY, Huang J, Sung YJ (2015) Method and compositions for treating cancer using probiotics. Patent WO 2015021936 A1

Li J, Sung CYJ, Lee N, Ni Y, Pihlajamäki J, Panagiotou G, El-Nezami H (2016) Probiotics modulated gut microbiota suppresses hepatocellular carcinoma growth in mice. PNAS E1306-E1315

Oelschlaeger TA (2010) Mechanisms of probiotic actions – A review. Int J Med Microbiol 300, 57-62

Packham C (2016) Probiotics dramatically modulate liver cancer growth in mice. Medical Press, Med Research 23 Feb 2016

Silgailis M (2016) Treating some cancers with probiotics in the future ? Probiotic Prohep. Lacto Bacto: Health, Microbes and More 23 Feb 2016

Sung CYJ, Lee NP, El-Nezami H (2012) Regulation of T helper by bacteria: an approach for the treatment of hepatocellular carcinoma. Int J Hepatology ID439024, doi:10.1155/2012/439024

UEF News and Events (2016) A novel probiotic mixture may offer potential therapeutic effects on hepatocellular carcinoma. University of Eastern Finland 1 Mar 2016

 

Anuncis

Microbiota de la pell humana, en part compartida amb el gos de casa

Click here for the english version: Human skin microbiota partly shared with the dog

17 novembre 2015

Diversitat de la microbiota humana a les diferents parts del cos i entre individus

Com havia comentat en altres posts anteriors d’aquest blog (Clostridis bons del budell 1 març 2015; Bacteris controlant el que mengem 8 set 2014; Bacteris de la llet materna 26 gener 2013), cada cop es fa més patent la importància que té la microbiota del nostre cos, o sigui el conjunt de microorganismes, sobretot bacteris, amb els quals convivim.

La microbiota humana varia d’un individu a un altre, en relació a la dieta, l’edat i les característiques fenotípiques i genètiques de cadascú. I a més, com que no vivim aïllats, també hi influeix l’entorn, o sigui les altres persones amb les que interactuem, i és clar, els altres animals amb que convivim, com els gossos i altres animals domèstics. Tots plegats també tenen microbiota pròpia.

El cos humà és la llar de molts microorganismes diferents, amb bacteris (i arquees), fongs i virus que viuen a la pell, a l’intestí i en diversos altres llocs en el cos (Figura 1). Si bé molts d’aquests microbis són beneficiosos als seus hostes humans, sabem poc sobre la majoria d’ells. Les primeres investigacions es van centrar en la comparació dels microorganismes que es troben en individus sans amb els que es troben en les persones que pateixen d’una malaltia en particular. Més recentment els investigadors s’han interessat en les qüestions més generals, com entendre com s’estableix aquesta microbiota i conèixer les causes de les similituds i diferències entre la microbiota de diferents individus.

 

Fig 1 Marsland

Figura 1. Proporcions de tipus de microorganismes que habiten a les diferents parts del cos humà: bacteris (cercles grans), fongs (cercles petits dreta) i virus (cercles petits esquerra) (Marsland & Gollwitzer 2014)

 

Ara ja se sap que les comunitats de microorganismes que es troben en els intestins de les persones relacionades genèticament tendeixen a ser més similars que els de les persones que no estan relacionades. D’altra banda, les comunitats microbianes que es troben en els intestins dels adults no relacionats que viuen a la mateixa llar són més similars que les dels adults no relacionats que viuen en diferents llars (Yatsunenko et al 2012). No obstant això, tots aquests estudis s’han centrat en l’intestí, i poc se sap sobre l’efecte de la relació, la convivència i l’edat en la microbiota en altres parts del cos, com és el cas de la pell.

 

Microbiota de la pell humana

La pell és un ecosistema d’uns 1,8 m2 de diversos hàbitats, amb plecs, invaginacions i nínxols especialitzats que acullen molts tipus de microorganismes. La funció principal de la pell és com a barrera física, protegint el cos d’assalts potencials per part d’organismes estranys o substàncies tòxiques. Com que també és la interfase amb l’ambient extern, està colonitzat per diversos microorganismes, incloent bacteris, fongs, virus, així com àcars (Figura 2). A la superfície destaquen proteobacteris, propionibacteris i estafilococs i alguns fongs com Malassezia (un basidiomicet amb un estadi unicel·lular i un altre micelià). Els àcars (en anglès mites) com Demodex folliculorum viuen al voltant dels fol·licles pilosos. Molts d’aquests microorganismes són innocus i a vegades aporten funcions vitals que el genoma humà no ha adquirit evolutivament. Els microorganismes simbiòtics protegeixen front a altres microbis patogènics o nocius. (Grice & Segre 2011).

Fig 2 Grice

Figura 2. Esquema de secció de pell humana amb els diversos microorganismes presents (Grice & Segre 2011).

 

En conseqüència amb la comentada diversitat de la microbiota, aquesta també és molt variada segons la regió de la pell que considerem (Figura 3), i per tant segons els diversos microambients, que com veiem poden ser de 3 característiques diferents: sebacis o oliosos, humits i secs.

Fig 3 Grice

Figura 3. Distribució topogràfica dels tipus de bacteris en diferents llocs de la pell (Grice & Segre 2011)

 

La pell és un complex entramat estructural, hormonal, nerviós, immunològic i microbià i en aquest sentit s’ha comprovat que la microbiota resident col·labora amb el sistema immune, especialment en la reparació de les ferides (Figura 4). Com veiem, en concret l’àcid lipoteicoic (LTA), integrant de la paret cel·lular bacteriana, alliberat per Staphylococcus epidermidis, estimula els receptors tipus Toll (Toll-Like Receptor) TLR2, que indueixen la producció de pèptids antimicrobians, i també s’estimulen els queratinòcits de l’epidermis via els TLR3 per desencadenar l’inflamació, amb producció d’interleucina i atracció de leucòcits (Heath & Carbone 2013). Tot plegat per assegurar la protecció homeostàtica i la defensa enfront possibles patògens. Més informació també a la revisió de Belkaid & Segre (2014).

Fig 4 Heath Fig1 ni.2680-F1

Figura 4. Contribució de la microbiota resident a la immunitat i la reparació de ferides (Heath & Carbone 2013)

 

A casa compartim microbiota, i amb el gos

Com dèiem al principi, l’entorn influeix en la microbiota d’un individu, i per tant, individus que viuen junts tendeixen a compartir part de la microbiota. Efectivament, això fou recentment estudiat per Song et al (2013), amb 159 persones i 36 gossos de 60 famílies (unitats conjugals amb nens i/o gossos). Els van estudiar la microbiota intestinal, de la llengua i de la pell. Van extreure el DNA d’un total de 1076 mostres, amplificant-ne la regió V2 del gen 16S rRNA amb encebadors específics, i van procedir a una seqüenciació multiplex d’alt rendiment (High-Throughput Sequencing) amb un equip Illumina GA IIx. En van obtenir un total d’uns 58 milions de seqüències, amb una mitjana de 54.000 per mostra, que van ser analitzades contrastant amb les bases de dades per saber quins tipus bacterians i en quines proporcions.

Els resultats foren que les comunitats microbianes eren més similars entre sí en individus que viuen junts, i sobretot les de la pell, més que no les intestinals o de la llengua. Això era cert per a totes les comparacions, incloent parelles d’humans, i parelles gos-humà. Com veiem a la Figura 5, el nombre de tipus bacterians compartits és més gran entre diferents parts (front, palmells de les mans i polpes dels dits del gos) de la pell del l’humà i el seu propi gos (barres blaves), que no de l’humà amb gossos d’altres famílies (barres vermelles), o dels gossos amb persones que no en tenen (barres verdes). També veiem que el nombre de tipus bacterians compartits és molt menor en comparar mostres fecals o la llengua (Song et al 2013).

Fig 5 Song

Figura 5. Nombres de filotipus (tipus filogenètics) bacterians compartits entre adults i els seus gossos (blau), els adults amb gossos d’altres (vermell) i adults que no tenen gossos amb gossos. Es comparen (gos-humà) fronts, mans, polpes de les potes, i també mostres fecals (stool) i llengües. Significativitat de ser diferents: *p<0.05, **p<0.001 (Song et al 2013)

 

Això suggereix que els humans probablement adquireixen molts dels microorganismes en la pell per contacte directe amb el seu entorn, i que els éssers humans tendeixen a compartir més microbis amb els individus, incloent a les seves mascotes, amb els que estan en contacte freqüent. Song et al. (2013) també van descobrir que, a diferència del que passa a l’intestí, les comunitats microbianes en la pell i la llengua dels lactants i els nens eren relativament similars a les dels adults. En general, aquestes troballes suggereixen que les comunitats microbianes que es troben a l’intestí canvien amb l’edat d’una manera que difereix significativament dels que es troben a la pell i la llengua.

Encara que no és el motiu principal d’aquest post, breument es pot comentar que globalment la microbiota intestinal dels gossos no és molt diferent de la dels humans en nombres (1011 per gram) i diversitat, si bé amb més proporció de Gram-positius (aprox. 60% clostridials, 12% lactobacils, 3% bifidobacteris i 3% corinebacteris) i menys Gram-negatius (2% bacteroides, 2% proteobacteris) (García-Mazcorro & Minamoto 2013).

 

Menys asma als infants que conviuen amb gossos

I encara que no s’ha acabat de demostrat la relació amb el que hem comentat de la microbiota, darrerament s’han trobat evidències dels beneficis de tenir gos per a la salut física, i no només psíquica. Uns investigadors suecs (Fall et al 2015) han fet un estudi amb tots els nadons nascuts (1 milió) a Suècia de 2001 al 2010, comptant els que patien asma als 6 anys. Com que els suecs tenen registre de tots els gossos també des de 2001, aquests investigadors han pogut relacionar la presència de gos a casa durant el primer any del nadó amb l’aparició d’asma o no als infants, i han arribat a la conclusió que els nens tenen un risc menor d’asma (un 50% menys) si s’han criat en presència d’un gos.

Resultats semblants s’han obtingut per a nens criats en granges o en ambients rurals, i per tant amb contacte amb altres animals. Tot plegat estaria d’acord amb l’anomenada “hipòtesi de la higiene”, segons la qual la menor incidència d’infeccions als països occidentals, i sobretot als “urbanites”, seria la causa de l’augment de malalties autoimmunes i al·lèrgies (Okada et al 2010). En línia amb hipòtesi, es creu que el sistema immune humà es beneficia de la convivència amb gossos o altres animals degut al fet de compartir part de la microbiota. Tanmateix, en aquests nens suecs que convivien amb gossos i tenien menys risc d’asma es detectà un lleuger risc de malaltia pneumòccica, cosa que lliga amb la hipòtesi esmentada: més infeccions i menys al·lèrgies (Steward 2015), però amb l’avantatge de què les infeccions són més fàcils de tractar, o prevenir amb vacunes.

Fig 0 stray-dog-saves-baby

 

Bibliografia

Belkaid Y, Segre JA (2014) Dialogue between skin microbiota and immunity. Science 346, 954-959

Fall T, Lundholm C, Örtqvist AK, Fall K, Fang F, Hedhammar A et al (2015) Early exposure to dogs and farm animals and the risk of childhood asthma. JAMA Pediatrics 69, 11, e153219

García-Mazcorro JF, Minamoto Y (2013) Gastrointestinal microorganisms in cats and dogs: a brief review. Arch Med Vet 45, 111-124

Heath WR, Carbone FR (2013) The skin-resident and migratory immune system in steady state and memory: innate lymphocytes, dendritic cells and T cells. Nature Immunology 14, 978-985

Marsland BJ, Gollwitzer ES (2014) Host–microorganism interactions in lung diseases. Nature Reviews Immunology 14, 827-835

Okada H, Kuhn C, Feillet H, Bach JF (2010) The “hygiene hypothesis” for autoimmune and allergic diseases: an update. Clin Exp Immunol 160, 1-9

Song SJ, Lauber C, Costello EK, Lozupone, Humphrey G, Berg-Lyons D, et al (2013) Cohabiting family members share microbiota with one another and with their dogs. eLife 2, e00458, 1-22

Steward D (2015) Dogs, microbiomes, and asthma risk: do babies need a pet ? MD Magazine, Nov 03

Yatsunenko T, Rey FE, Manary MJ, Trehan I, Dominguez-Bello MG, Contreras M, et al. 2012. Human gut microbiome viewed across age and geography. Nature 486, 222–7

 

 

El panda gegant és herbívor però té una microbiota intestinal de carnívor

Click here for the english version: The giant panda is herbivore but has the gut microbiota of a carnivore

26 agost 2015

El panda gegant (Ailuropoda melanoleuca, literalment en grec “peu de gat negre i blanc”) és una de les espècies de mamífers més intrigants evolutivament. Malgrat la seva dieta exclusivament herbívora, filogenèticament és com un ós, ja que és de la família Úrsids, dins l’ordre Carnívors. La seva dieta és 99% de bambú i l’altre 1% és mel, ous, peix, taronges, plàtans, nyams i fulles d’arbusts.

Viu en algunes serralades de la Xina central, principalment a la província de Sichuan, i també a les províncies de Shaanxi i Gansu. Degut a la construcció de granges, desforestació i altres desenvolupaments, el panda ha estat foragitat de les terres baixes on havia viscut. És una espècie en perill d’extinció que necessita protecció. Hi han uns 300 en captivitat i uns 3000 en llibertat. Malgrat que els nombres estan augmentant, segueix en perill d’extinció, sobretot pel seu espai limitat (uns 20.000 km2) i l’hàbitat molt específic (boscos de bambú).

Fig0 panda bamboo

Així doncs, el panda gegant té una dieta quasi exclusiva de diferents espècies de bambú, sobretot de fulles i tiges, molt fibroses, i els brots tendres a la primavera i estiu. És per tant una dieta de poca qualitat digestiva, amb poca proteïna i molta fibra i contingut de lignina. Es passen unes 14 h al dia menjant, i poden arribar a ingerir uns 12 kg de bambú al dia.

La majoria d’herbívors tenen modificacions del tracte digestiu que ajuden a la retenció de l’aliment en procés de digestió, i contenen poblacions microbianes que els permeten utilitzar com a menja exclusiva els materials vegetals rics en polisacàrids complexos, com la cel·lulosa i hemicel·lulosa. Aquestes especialitzacions poden ser la compartimentació de l’estómac, típica dels remugants i altres no remugants (cangurs, hàmster, hipopòtams i alguns primats) o bé l’engrandiment de l’intestí gros, característic dels èquids, alguns rosegadors i els lagomorfs (conills i llebres).

En canvi, i malgrat el seu règim exclusivament herbívor, sorprenentment el panda gegant té un tracte gastrointestinal típic dels carnívors, anatòmicament similar als del gos, el gat o l’ós rentador, amb un estómac simple, té el cec degenerat i el còlon és molt curt. El tracte gastrointestinal dels pandes és unes 4 vegades la mida del cós, com altres carnívors, mentre que als herbívors és unes 10-20 vegades el cós, per tal de digerir eficientment grans quantitats de farratge. Amb això, el temps del trànsit intestinal del panda és molt curt, menys de 12 h. Tot això limita molt la capacitat de possibilitats fermentatives dels materials vegetals (Williams et al. 2013).

Per aquests motius, la digestió del bambú per al panda és molt ineficient, malgrat la seva dependència. Els pandes consumeixen l’equivalent al 6% del seu pes corporal per dia, amb una digestibilitat de la matèria seca del bambú del 20%. D’aquest, un 10% correspon a la poca proteïna que conté el bambú, i la resta és dels polisacàrids, en concret amb uns coeficients de digestió del 27% per a les hemicel·luloses i del 8% per a la cel·lulosa.

Sembla com si el panda gegant s’hagués especialitzat en el consum d’una planta amb alt contingut en fibra, sense haver modificat l’aparell digestiu, a base d’una masticació eficient, ingerint-ne grans quantitats, digerint els continguts cel·lulars enlloc de les parets cel·lulars vegetals, i excretant ràpidament els residus no digerits (Dierenfield et al. 1982).

A més a més, tenir una dependència d’un sol tipus de planta com és el bambú pot comportar mancances nutricionals segons els cicles estacionals de la planta. En aquest sentit, recentment (Nie et al. 2015) s’han estudiat les concentracions de calci, fòsfor i nitrogen de les diferents parts del bambú que mengen una població de pandes lliures. Han vist que els pandes dins del seu hàbitat fan una migració estacional en dues zones de diferent alçada al llarg de l’any i que s’alimenten de dues espècies diferents de bambú. Ambdues espècies tenen més calci a les fulles i més fòsfor i nitrogen a les tiges. Com que la variació estacional d’aparició i caiguda de fulles de les 2 espècies és diferent a causa de la diferent alçada, quan els pandes són en una de les zones mengen les fulles d’una de les espècies i les tiges de l’altre, mentre que ho fan al revés quan són a l’altra zona. O sigui, que els pandes sincronitzen les seves migracions estacionals per tal de treure’n el màxim rendiment nutricional d’ambdues especies de bambú.

Un altre inconvenient de la dependència del bambú és la seva floració. És un fenomen natural que passa cada 40-100 anys, i quan el bambú floreix, es mor, reduint la disponibilitat de menjar per als pandes. Pels anys 1970-1980 hi hagués dues floracions a gran escala a l’hàbitat dels pandes, i hi van haver més de 200 morts per aquesta raó. Tanmateix, i donat que segurament els pandes s’han trobat en la seva evolució amb moltes altres floracions massives, quan s’hi troben cerquen altres espècies de bambú o recorren llargues distàncies per cobrir les seves necessitats alimentàries (Wei et al. 2015).

En compensació, i com a adaptació a aquest menjar tant específic, el panda gegant té una sèrie de característiques morfològiques úniques, com unes fortes mandíbules i molars molt poderosos, i sobretot un pseudo-polze, com si tingués 6 dits, que és l’ós sesamoide radial engrandit, fent com un polze oposable, que li serveix per agafar millor les canyes de bambú (Figura 1).

Fig1 panda's thumb

Figura 1. El pseudo-polze del panda gegant. Imatge treta de Herron & Freeman (2014).


I cóm és que el panda va passar a ser herbívor ?

S’ha estimat que el precursor del panda gegant, omnívor com altres úrsids, va començar a menjar bambú com a mínim fa 7 milions d’anys (Ma), i va esdevenir completament dependent del bambú entre 2 i 2,4 Ma. Aquest canvi de dieta probablement va anar lligat a diverses mutacions al seu genoma, donant lloc a defectes del metabolisme de la dopamina en relació a l’apetència per la carn, i sobretot de la pseudogenització del gen Tas1r1 (Figura 2), del receptor del gust d’umami (Jin et al. 2011). L’umami és un dels 5 gustos bàsics, junt amb el dolç, salat, àcid i amarg, i ve a ser com el gust “saborós”, que normalment recorda la carn, i està relacionat amb el L-glutàmic, abundant a la carn. Aquesta mutació que feia prescindir al panda del gust umami afavorí la pèrdua d’apetit del panda per la carn i reforçà el seu estil de vida herbívor. Tanmateix, probablement altres factors addicionals devien estar implicats, ja que el gen Tas1r1 està intacte en herbívors com el cavall i la vaca (Zhao et al. 2010).

Fig2 Zhao F1 large

Figura 2. Arbre filogenètic d’alguns carnívors amb les dates per al panda gegant deduïdes dels fòssils (en blau) i de l’estudi molecular del gen TasTr1 fet per Zhao et al. (2010).


La microbiota intestinal del panda

Com era d’esperar, en fer la seqüenciació del genoma complet del panda gegant (Li et al. 2010) no s’han trobat gens específics responsables de la digestió de la cel·lulosa i hemicel·luloses. Lògicament, la possible digestió d’aquests polisacàrids complexos de les fibres del bambú aniria a càrrec dels microorganismes cel·lulolítics del tracte intestinal. Cal estudiar per tant si hi són al panda.

En estudiar les seqüències del 16S ribosomal de les microbiotes fecals dels diversos mamífers s’observa en general un augment de la diversitat bacteriana en sentit carnívors – omnívors – herbívors (Ley et al. 2008). Aquesta diversitat és menor en els pandes que als herbívors, i com veiem a la Figura 3, els pandes queden agrupats amb els carnívors (cercles vermells) malgrat ser herbívors del punt de vista de dieta.

Fig3 Ley

Figura 3. Anàlisi de components principals (PC) de les comunitats bacterianes fecals de mamífers amb diferents colors segons la dieta predominant (Ley et al. 2008)


La microbiota intestinal de la majoria dels herbívors conté sobretot bacteris anaerobis dels grups de Bacteroides, Clostridials, Fibrobacterals i Espiroquetals, que tenen les capacitats enzimàtiques per degradar els materials fibrosos vegetals i així proveeixen de nutrients als seus hostes. Al contrari, els omnívors i sobretot els carnívors tenen una microbiota predominant d’anaerobis facultatius, com les Enterobacteriaceae, a banda d’alguns Firmicutes, que inclouen Clostridials i alguns Lactobacil als, i Bacteroides.

En quant al panda gegant, els primers estudis fets amb mètodes tradicionals dependents de cultiu i anàlisi dels gens 16S rRNA amplificats (Wii et al. 2007) van identificar les Enterobacteriaceae i Streptococcus com a predominants en la microbiota intestinal. Per tant, aquest estudi suggeria que la microbiota del panda és molt semblant a la dels carnívors, com veiem en l’estudi comentat comparatiu de diversos mamífers (Ley et al. 2008), i per tant amb molt poca capacitat d’utilitzar cel·lulosa o hemicel·lulosa.

Tanmateix, un estudi posterior fet amb tècniques de seqüenciació del 16S (Zhu et al. 2011) a partir de mostres fecals de 15 pandes gegants va arribar a unes conclusions ben diferents i semblava que van trobar per primer cop proves de la digestió de cel·lulosa per la microbiota del panda gegant. En analitzar 5500 seqüències, van trobar 85 tàxons diferents, dels quals el 83% eren Firmicutes (Figura 4), i entre aquests n’hi havia 13 tàxons de Clostridium (7 d’ells exclusius dels pandes), i alguns d’aquests amb capacitat de digestió de cel·lulosa. A més, amb anàlisi metagenòmica d’alguns dels pandes van trobar alguns gens putatius per a enzims per digerir cel·lulosa, beta-glucosidasa i xilan-1,4-beta-xilosidasa per a aquests Clostridium. Tot plegat, van concloure que la microbiota del panda gegant tenia una moderada capacitat de degradació dels materials cel·lulòsics.

Fig4 Zhu 2011-Fig1C

Figura 4. Percentatges de seqüències dels principals grups bacterians trobats a les mostres fecals d’individus de panda gegant salvatges (W1-W7) i en captivitat (C1-C8) segons Zhu et al. (2011). Sota cada individu s’indica el n. de seqüències analitzades.


Però, tot just fa dos mesos s’ha publicat un treball (Xue et al. 2015) que sembla tornar enrere, concloent que la microbiota intestinal del panda gegant és molt semblant a la dels carnívors i poca cosa té d’herbívora. És un treball exhaustiu de seqüenciació massiva d’última generació del 16S rDNA amb mostres fecals de 121 pandes de diferents edats al llarg de tres estacions de l’any. Han obtingut unes 93000 seqüències, corresponents a 781 tàxons diferents.

Han trobat una predominança de Enterobacteriaceae i de Streptococcus (vermell fosc i blau fosc respectivament, Figura 5 A), i molts pocs representants dels probables cel·lulolítics com els Clostridials. A més, aquests no es veuen augmentats quan hi ha més fulles i tiges de bambú disponibles (fase T3). Aquests resultats es corresponen amb el que ja se sabia del baix nombre de gens de cel·lulases i hemicel·lulases, un 2%, fins i tot menor que al microbioma dels humans. Aquesta negligible contribució de la microbiota a la digestió de la cel·lulosa, junt amb el fet comentat que el panda és força ineficient digerint el bambú, contradiu la hipotètica importància de la digestió per part de la microbiota que s’havia suggerit pocs anys abans, com hem vist abans.

A més, en aquest treball s’ha vist molta varietat de composició de microbiota entre individus (Figura 5 B).

Fig5 Xue F1 large

Figura 5. Composició de la microbiota intestinal de 121 pandes gegants, amb (A) els gèneres dominants a totes les mostres i (B) la contribució relativa dels gèneres dominants a cada individu, agrupats per edat i temps de mostreig (Xue et al. 2015).


En aquest treball, quan han fet l’anàlisi comparativa entre la composició de la microbiota intestinal del panda gegant amb la d’altres mamífers de les diferents dietes, han confirmat que el panda s’agrupa altre cop amb els carnívors i queda ben lluny dels herbívors (Figura 6).

Fig6 Xue Fig4

Figura 6. Anàlisi de components principals de les comunitats de les microbiotes de mostres fecals de 121 pandes gegants (formes en blanc), en comparació amb les d’altres herbívors (verd), omnívors (blau) i carnívors (vermell). Les diferents formes corresponen a diferents treballs: els cercles són de Xue et al. (2015), el treball d’on s’ha tret la Figura.


Tot plegat, les característiques peculiars de la microbiota del panda gegant contribueixen al perill d’extinció que pateix. Al contrari que la majoria d’altres espècies de mamífers que han evolucionat les seves microbiotes i anatomies digestives optimitzant-les per a les seves dietes específiques, l’aberrant coevolució del panda, la seva microbiota i la seva dieta particular, és ben bé enigmàtica. Per aclarir-ho i saber com preservar aquest animal amenaçat, caldrà seguir estudiant-ho combinant metagenòmica, metatranscriptòmica, metaproteòmica i meta-metabolòmica per conèixer bé la estructura i el metabolisme de la microbiota intestinal i la seva relació amb les funcions digestives i l’estatus nutritiu del panda gegant (Xue et al. 2015).

Referències

Dierenfield ES, Hintz HF, Robertson JB, Van Soest PJ, Oftedal OT (1982) Utilization of bamboo by the giant panda. J Nutr 112, 636-641

Herron JC, Freeman S (2014) Evolutionary Analysis, 5th ed. Benjamin Cummings

Jin K, Xue C, Wu X, Qian J, Zhu Y et al. (2011) Why Does the Giant Panda Eat Bamboo? A Comparative Analysis of Appetite-Reward-Related Genes among Mammals. PLos One 6, e22602

Ley RE, Hamady M, Lozupone C, Turnbaugh PJ, Ramey RR et al. (2008) Evolution of Mammals and Their Gut Microbes. Science 320, 1647-1651

Li R, Fan W, Tian G, Zhu H, He L et 117 al. (2010) The sequence and de novo assembly of the giant panda genome. Nature 463, 311–317

Nie Y, Zhang Z, Raubenheimer D, Elser JJ, Wei W, Wei F (2015) Obligate herbivory in an ancestrally carnivorous lineage: the giant panda and bamboo from the perspective of nutritional geometry. Functional Ecology 29, 26–34

Rosen M (2015) Pandas’ gut bacteria resemble carnivores. Science News 19/05/2015

Wei G, Lu H, Zhou Z, Xie H, Wang A, Nelson K, Zhao L (2007) The microbial community in the feces of the giant panda (Ailuropoda melanoleuca) as determined by PCR-TGGE profiling and clone library analysis. Microb Ecol 54, 194–202

Wei F, Hu Y, Yan L, Nie Y, Wu Q, Zhang Z (2014) Giant Pandas Are Not an Evolutionary cul-de-sac: Evidence from Multidisciplinary Research. Mol Biol Evol 32, 4-12

Williams CL, Willard S, Kouba A, Sparks D, Holmes W et al. (2013) Dietary shifts affect the gastrointestinal microflora of the giant panda (Ailuropoda melanoleuca). J Anim Physiol Anim Nutr 97, 577-585

Xue Z, Zhang W, Wang L, Hou R, Zhang M et al. (2015) The bamboo-eating giant panda harbors a carnivore-like gut microbiota, with excessive seasonal variations. mBio 6(3), e00022-15

Zhao H, Yang JR, Xu H, Zhang J (2010) Pseudogenization of the Umami Taste Receptor Gene Tas1r1 in the Giant Panda Coincided with its Dietary Switch to Bamboo. Mol Biol Evol 27(12), 2669–2673

Zhu LF, Wu Q, Dai JY, Zhang SN, Wei FW (2011) Evidence of cellulose metabolism by the giant panda gut microbiome. Proc Natl Acad Sci USA 108, 17714–17719.

Els bacteris de l’intestí ens controlen el què mengem

Click here for the english version: Bacteria in the gut are controlling what we eat

Sembla que és així: els microbis del nostre tracte gastrointestinal (TGI) influeixen en la nostra tria de menjar. No és estrany: els microbis, bacteris bàsicament, són presents al TGI en quantitats importants, més de 10 cèl.lules bacterianes per cadascuna de les nostres, un total de 1014 (el cós humà té unes 1013 cèl.lules). Això equival a uns 1-1.5 kg de pes. I aquest bacteris conviuen amb nosaltres des de sempre, ja que tots els mamífers en tenen, amb la qual cosa han anat evolucionant amb els nostres precursors i per tant estan molt ben adaptats al nostre ambient intern. Com que per a ells els nostres cossos són el seu hàbitat, doncs millor si poden controlar el que els arriba a l’intestí. I cóm ho poden fer ? Doncs donant ordres al cervell per menjar tal cosa o tal altra que els vagin bé als microbis.

 

Fig 1 comandament

Figura 1. “Centre de comandament del tracte gastro-intestinal” (muntatge propi, Albert Bordons)

 

Bé, doncs anat seriosament, hi ha alguns treballs previs en aquest sentit, d’una relació entre les preferències per una dieta determinada i la composició microbiana del TGI (Norris et al 2013). De fet, és una interacció bidireccional, una més dels molts aspectes de mutualisme simbiòtic entre nosaltres i la microbiota que ens habita (Dethlefsen et al 2007).

Hi ha moltes proves que la dieta influeix en la microbiota. Un dels exemples més vistosos és que s’ha vist que els nens africans alimentats quasi exclusivament en sorgo tenen més microbis cel.lulolítics que altres nens (De Filippo et al 2010).

El cervell també pot influir indirectament en la microbiota entèrica per canvis en la motilitat, secreció i permeabilitat gastrointestinals, o directament alliberant molècules al lumen del digestiu des de cèl.lules (del sistema immune o neurones) subepitelials (Rhee et al 2009).

El TGI és un ecosistema complex on diferent espècies de bacteris i altres microorganismes han de competir i col.laborar entre ells i amb les cèl.lules de l’hoste. El menjar ingerit per l’hoste (humà o altres mamífers) és un factor important en la selecció contínua d’aquests microbis i la naturalesa d’aquest menjar està sovint determinada per les preferències de l’hoste. Els bacteris que puguin manipular aquestes preferències tindran avantatges sobre els que no ho facin (Norris et al 2013).

Recentment Alcock et al (2014) han recollit en una revisió les evidències en aquest sentit. Els microbis poden manipular la conducta alimentària de l’hoste en benefici propi a través de diverses estratègies possibles. Veiem-ne a continuació alguns exemples relacionats amb l’esquema de la Figura 2.

 

Fig 2 human microbiome behaviour appetite

Figura 2. Com si els microbis fossin titellaires i els humans fóssim les titelles, els microbis poden controlar el que volem menjar mitjançant una sèrie de mecanismes senyalats. Adaptat de Alcock et al 2014.

 

Les persones que tenen “desitjos” de xocolata tenen diferents metabòlits microbians a l’orina que les persones indiferents per a la xocolata, malgrat tenir la mateixa dieta.

La disfòria, o sigui, el malestar en l’humà fins que mengem aliments que milloren el “benestar” microbià, pot ser deguda a l’expressió de gens bacterians de virulència i la percepció de dolor per l’hoste. Això és perquè la producció de toxines sovint és desencadenada per una baixa concentració de nutrients limitants del creixement. La detecció de sucres i altres nutrients regula la virulència i el creixement de diversos microbis. Aquests lesionen directament l’epiteli intestinal quan alguns nutrients són absents. D’acord amb aquesta hipòtesi, s’ha demostrat que proteïnes de virulència bacteriana activen els receptors de dolor. S’ha vist que el dejuni en ratolins augmenta la percepció del dolor per un mecanisme del nervi vagal.

Els microbis també poden alterar les preferències alimentàries dels hostes canviant l’expressió dels receptors del gust a l’hoste. En efecte, per exemple s’ha vist que ratolins lliures de microbis prefereixen més els dolços i tenen un major nombre de receptors del dolç a la llengua i a l’intestí que els ratolins amb una microbiota normal.

La conducta alimentària de l’hoste també pot ser manipulada pels microbis mitjançant el sistema nerviós, pel nervi vague, que conecta les 100 milions de neurones del sistema nerviós entèric des de l’intestí a la base del cervell via medul.la. Els nervis entèrics tenen receptors que reaccionen amb la presència de determinats bacteris i dels metabòlits bacterians, com els àcids grassos de cadena curta. El nervi vague regula la conducta alimentària i el pes corporal. S’ha vist que l’activitat del nervi vague de rates estimulades amb norepinefrina fa que malgrat estar saciades segueixin menjant. Això suggereix que els microbis del TGI produeixen neurotransmissors que poden contribuir a la sobrealimentació.

Els neurotransmissors produïts pels microbis són anàlegs de les hormones dels mamífers relacionades amb l’estat d’ànim i el comportament. Més del 50% de la dopamina i la majoria de serotonina del cos tenen un origen intestinal. Molts habitants transitoris i persistents de l’intestí, incloent E. coli, diversos Bacillus, Proteus i Staphylococcus secreten dopamina. A la Taula 1 veiem un resum dels diversos neurotransmissors produïts per microbis del TGI. Al mateix temps, s’ha vist que enzims de l’hoste com l’amino-oxidasa poden degradar neurotransmissors produïts pels microorganismes, la qual cosa demostra les interaccions evolutives entre microbis i hostes.

 

Taula 1. Diversitat de neurotransmissors aïllats de diverses espècies microbianes (Roschchina 2010)

Neurotransmissor Gènere
GABA (àcid gamma-amino-butíric) Lactobacillus, Bifidobacterium
Norepinefrina Escherichia, Bacillus, Saccharomyces
Serotonina Candida, Streptococcus, Escherichia, Enterococcus
Dopamina Bacillus, Serratia
Acetilcolina Lactobacillus

 

 

 

 

 

 

 

Alguns bacteris indueixen a què els seus hostes els proveeixin els seus nutrients preferits. Per exemple, Bacteroides thetaiotaomicron es troba al mucus intestinal, on s’alimenta dels oligosacàrids secretats per les cèl.lules caliciformes de l’intestí, i aquest bacteri indueix el seu hoste mamífer a augmentar la secreció d’aquests oligosacàrids. Al contrari, Faecalibacterium prausnitzii, un no degradador de mucus, que es troba associat amb B. thetaiotaomicron, inhibeix la producció de mucus. Per tant, ens trobem en un ecosistema amb múltiples agents que interaccionen entre sí i amb l’hoste.

Com que la microbiota és fàcilment manipulable pels prebiòtics, probiòtics, antibiòtics, trasplantaments fecals, i canvis en la dieta, el control i l’alteració de la nostra microbiota ofereix un mètode viable als problemes altrament insolubles de l’obesitat i la mala alimentació.

 

Bibliografia

Alcock J, Maley CC, Aktipis CA (2014) Is eating behavior manipulated by the gastrointestinal microbiota? Evolutionary pressures and potential mechanisms. BioEssays 36, DOI: 10.1002/bies.201400071

De Filippo C, Cavalieri D, Di Paola M, Ramazzotti M, et al (2010) Impact of diet in shaping gut microbiota revealed by a comparative study in children from Europe and rural Africa. Proc Natl Acad Sci USA 107:14691–6

Dethlefsen L, McFall-Ngai M, Relman DA (2007) An ecological and evolutionary perspective on human-microbe mutualism and disease. Nature 449:811-818

Lyte M (2011) Probiotics function mechanistically as delivery for neuroactive compounds: Microbial endocrinology in teh design and use of probiotics. BioEssays 33:574-581

Norris V, Molina F, Gewirtz AT (2013) Hypothesis: bacteria control host appetites. J Bacteriol 195:411–416

Rhee SH, Pothoulakis C, Mayer EA (2009) Principles and clinical implications of the brain–gut–enteric microbiota axis. Nature Reviews Gastroenterology and Hepatology 6:306-314

Roschchina VV (2010) Evolutionary considerations of neurotransmitters in microbial, plant, and animal cells. In Lyte M, Freestone PPE, eds; Microbial Endocrinology: Interkingdom Signaling in Infectious Disease and Health. New York: Springer. pp. 17–52

 

 

No sé ni cómo te atreves

Fotografía y esas pequeñas cosas de cada día

Pols d'estels

El bloc d'Enric Marco

Life Secrets

For my students

All you need is Biology

Blog professional sobre Biologia · Blog profesional sobre Biología · A professional blog about Biology

Rambles of a PA student

Caffeinated forays into biological imaginings.

Horitzons llunyans

Mirades distants

#4wine

Los vinos son pequeñas historias dentro de una botella y nosotras queremos contarte las nuestras

Vi·moments·persones

Un maridatge a tres bandes

SciLogs: Artificial, naturalmente

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

microBIO

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

RealClimate

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

Quèquicom

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

Dionís de viatge a Ítaca

Experiències enoturístiques

%d bloggers like this: