Un modelo de cultivo por lotes In Vitro para estimar los efectos de los regímenes intervencionistas en la microbiota fecal humana

La microbiota humana es una comunidad compleja que consiste en bacterias, arqueas, virus y microbios eucariotas^1,que habitan el cuerpo humano interna y externamente. Las pruebas recientes han establecido el papel fundamental de la microbiota intestinal y el microbioma intestinal (toda la colección de microbios y sus genes que se encuentran en el tracto gastrointestinal humano) en diversas enfermedades humanas, incluyendo obesidad, diabetes, enfermedades cardiovasculares, y el cáncer^1,2,3. Además, los microorganismos que viven en nuestro intestino producen un amplio espectro de metabolitos que afectan significativamente a nuestra salud y también pueden contribuir a la fisiopatología de varias enfermedades, así como una variedad de funciones metabólicas^{4, 5}. Los cambios anormales (perturbaciones) en la composición y función de esta población microbiana intestinal se denominan generalmente “disbiosis intestinal”. La disbiosis generalmente se asocia con un estado incorrecto del huésped y, por lo tanto, se puede diferenciar de la comunidad microbiana normal (homeostática) asociada con un estado de control saludable del huésped. Patrones específicos de disbiosis del microbioma intestinal se encuentran a menudo en varias enfermedades diferentes^1,2,3,6,7.

La fermentación de alimentos no digeridos, en particular los carbohidratos/fibras fermentables, por la microbiota intestinal no sólo produce energía, sino que también produce metabolitos divergentes, incluidos los ácidos grasos de cadena corta (SCFAs), lactato, formate, dióxido de carbono, metano, hidrógeno y etanol⁶. Además, la microbiota intestinal también produce un número de otras sustancias bioactivas como folato, biotina, trimetilamina-N-óxido, serotonina, triptófano, ácido gamma-aminobutírico, dopamina, noradrenalina, acetilcolina, histamina, ácido desoxicólico, y sulfato de 4-etilfenilo. Esto ocurre principalmente a través de la utilización de flujos metabólicos intrínsecos dentro del nicho huésped-microbio, que contribuye en varios procesos corporales, funciones metabólicas y cambios epigenéticos^{1,8,9, 10}. Sin embargo, los efectos de diversas intervenciones en estos productos microbianos siguen sin ser kójeos o poco claros debido a la falta de protocolos fáciles, eficientes y reproducibles. La composición de la microbiota intestinal humana es un ecosistema extremadamente complejo y diverso, y por lo tanto, muchas preguntas sobre su papel en la salud humana y la patología de la enfermedad siguen sin respuesta. Los efectos de muchos moduladores de microbioma intestinal comunes (por ejemplo, probióticos, prebióticos, antibióticos, trasplante fecal e infecciones) en la composición y las funciones metabólicas de la microbiota intestinal siguen siendo en gran medida esquivas. Además, el examen y validación de estos efectos in vivo es difícil, sobre todo porque la mayoría de los nutrientes y metabolitos producidos por la microbiota intestinal se absorben o eliminan simultáneamente y rápidamente en el intestino; por lo tanto, la medición de la producción, la cantidad y la transformación de estos metabolitos (por ejemplo, los sCFA) in vivo sigue siendo un desafío práctico. De hecho, los modelos fisiológicos como los animales y los sujetos humanos son fundamentales para determinar el papel del microbioma intestinal y su modulación en la salud del huésped, pero estos pueden no ser adecuados para el cribado a gran escala de diferentes tipos de moduladores de microbioma debido a limitaciones éticas, monetarias o de tiempo. Con este fin, los modelos in vitro y/o ex vivo, como el cultivo de microbiota intestinal in vitro y luego intervenir con diferentes moduladores de microbiota, pueden ofrecer oportunidades de ahorro de tiempo y dinero y, por lo tanto, pueden permitir un cribado preliminar o a gran escala de diversos componentes (como probióticos, prebióticos, y otros compuestos de intervención) para examinar / predecir sus efectos sobre la diversidad de la microbiota fecal, composición y perfiles metabólicos. Los estudios que utilizan estos sistemas in vitro y ex vivo del microbioma intestinal pueden facilitar una mayor comprensión de las interacciones huésped-microbioma que contribuyen a la salud y la enfermedad del huésped, y también podrían conducir a la búsqueda de nuevas terapias dirigidas al microbioma mejorar la salud del huésped y prevenir y tratar diversas enfermedades¹.

Aunque los sistemas in vitro de cultivo de microbiota intestinal no pueden replicar realmente las condiciones intestinales reales, varios laboratorios se han esforzado por desarrollar tales modelos, algunos de los cuales se han encontrado practicables en cierta medida y se han utilizado con éxito para diferentes propósitos. Uno de los modelos intestinales recientes es el Simulador del Ecosistema Microbiano Intestinal Humano, que imita todo el tracto gastrointestinal humano, incluyendo el estómago, intestino delgado, y diferentes regiones del colon. Sin embargo, es posible que otros modelos de investigación de todo el mundo no puedan acceder a estos modelos técnicamente complejos. Por lo tanto, todavía existe una necesidad crítica para el desarrollo de nuevos modelos alternativos que sean relativamente simples, asequibles y prácticos para los laboratorios que estudian los moduladores de microbioma y sus efectos sobre la microbiota intestinal y la salud del huésped. Por lo tanto, el uso de un sistema de cultivo de microbiota fecal in vitro (o ex vivo) sería útil para estudiar los efectos de tales intervenciones^11,12. Específicamente, el efecto de diferentes prebióticos en la capacidad de fermentación de la microbiota en términos de cambios periódicos en la diversidad y composición de la microbiota intestinal, el pH fecal, y los niveles de metabolitos microbianos incluyendo SCFAs y lactato pueden ser estudiados ¹³. En este documento, utilizando la inulina (uno de los componentes prebióticos más estudiados) como ejemplo del modulador de microbioma, se describe un protocolo paso a paso de este sencillo sistema de cultivo por lotes de microbiota ex vivo para demostrar su uso cambios en la microbiota fecal y metabolitos microbianos después de la intervención con los moduladores de microbioma.