Mecanismos patogénicos del microbioma en la enfermedad inflamatoria intestinal: rol de la actividad proteolítica bacteriana

Emerging Pathogenic Mechanisms in Inflammatory Bowel Disease: Role of Bacterial Proteolytic Activity

Alba Santiago Badenas santiaga@mcmaster.ca

McMaster University, Canadá

Elena F Verdu

McMaster University, Canadá

Esta obra está bajo una Licencia Creative Commons Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional.

La enfermedad inflamatoria intestinal (EII) incluye la colitis ulcerosa (CU) y la enfermedad de Crohn (EC), ambas caracterizadas por inflamación crónica del tracto digestivo, con períodos de exacerbación y de etiopatogenia compleja.¹ Aunque en las últimas décadas la incidencia de la EII en el mundo occidental se ha estabilizado, oscilando entre 10-30 por cada 100.000, la prevalencia sigue siendo elevada, afectando hasta a un 0,5% de la población global.² Se ha observado una tendencia al alza de la incidencia en aquellos países recientemente industrializados. Estas observaciones sugieren que a medida que los países en desarrollo se occidentalicen, las tasas de prevalencia e incidencia de la EII deberían crecer en paralelo a las del mundo occidental. Además, también se ha evidenciado cómo la descendencia de inmigrantes provenientes de países con baja incidencia acaba teniendo un riesgo similar a desarrollar EII que la población base del país desarrollado, pudiendo estar relacionado con la adopción de un nuevo estilo de vida y hábitos alimentarios.^{2, 3}

Aunque ambas formas principales de EII muestran características clínicas y patológicas similares, la CU se caracteriza por una inflamación difusa y continua que puede afectar a la mucosa del recto y colon, mientras que la EC se caracteriza por inflamación transmural, de forma discontinua, o en forma de parches, que puede afectar a todo el tracto gastrointestinal, siendo más común en el colon y el íleon terminal.⁴ Se desconoce la causa exacta de la EII, pero existe consenso para describirla como una enfermedad de etiología multifactorial en la que factores genéticos, inmunológicos y ambientales, incluyendo alteraciones de la microbiota intestinal, estarían involucrados en su patogénesis (Figura 1).^{1, 5}

Figura 1
Factores involucrados en el desarrollo de la EII

La EII es una enfermedad de etiopatogenia compleja y multifactorial. Existe una clara base genética en la que genes implicados en la homeostasis intestinal se han visto afectados, como NOD2, ATG16L1 o XBP1. Sin embargo, estos factores genéticos no son suficientes y se necesitan factores ambientales adicionales, como la dieta, el estilo de vida o determinados medicamentos y alteraciones de las interacciones entre la microbiota intestinal y el sistema inmunológico, para desencadenar un proceso inflamatorio intestinal crónico.

A lo largo de todos estos años se han enfatizado las alteraciones que ocurren una vez desarrollada la enfermedad; sin embargo, aún no están claras las causas que la desencadenan. Por ello, esta revisión trata de destacar los hallazgos mostrados en los diferentes estudios transversales y longitudinales publicados hasta el momento, para poder esclarecer los factores que podrían llevar a la prevención de la EII, con particular enfoque en el microbioma intestinal y su actividad proteolítica.

La susceptibilidad a la EII posee una clara base genética, fundamentada en estudios poblacionales en los que se ha demostrado que existe una elevada agregación familiar en la enfermedad; donde el riesgo de padecer CU o EC en familiares de probandos está aumentado de 8 a 10 veces.⁶ Además, estudios de concordancia gemelar también proporcionan evidencia de la predisposición genética, jugando un papel menor en CU en comparación con EC.⁷ Tras la descripción del primer gen de susceptibilidad, el NOD2 en la EC,⁸ y gracias a los estudios de asociación de todo el genoma (GWAS), hasta la fecha, se han podido identificar más de 230 loci de riesgo genético de la EII.^{5, 9} El análisis de los genes y los loci genéticos implicados en la EII han ayudado a comprender la importancia de ciertas vías en la homeostasis intestinal, incluidas la función de barrera epitelial, la defensa frente a microorganismos, la regulación inmunitaria, la migración celular, la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS), la autofagia y vías metabólicas asociadas con la homeostasis celular, entre otras.^{10, 11}

Se sabe que la barrera intestinal es una importante interfaz física, química e inmunológica entre la microbiota intestinal y el huésped; así, cualquier desregulación de esta barrera podría contribuir al desarrollo de la enfermedad. Entre algunos de los genes descritos asociados al riesgo de EII se encuentran DLG5, MUC19, PTGER4 e ITLN1.^{5, 11,12,13,14} Entre los genes implicados en el reconocimiento de antígenos microbianos, encontramos el NOD2, descrito como el loci de riesgo más fuerte en la EII,^{5, 15} aunque también podemos encontrar otros involucrados como CARD9.¹⁰ Otros de los genes importantes descritos gracias a los estudios genéticos han sido ATG16L1¹⁶ e IRGM,¹⁷ ambos relacionados con la autofagia, y XBP1, componente clave del estrés del retículo endoplasmático;¹⁸ dos procesos que han demostrado tener también un papel importante en las respuestas inmunitarias en la EII. Cabe destacar también la identificación de diversos polimorfismos de nucleótido único (SNPs) en IL-23R, con alta asociación para la EII, debido a su papel en la activación de linfocitos y la producción de citoquinas. El gen IL23R codifica una subunidad del receptor de la citoquina IL-23 involucrada en la diferenciación de la línea celular Th17, encargada de la producción y liberación de citoquinas proinflamatorias como IL17.¹⁹

Sin embargo, dado que los factores genéticos representan solo una parte de la variación general de la enfermedad, se requieren factores ambientales adicionales y alteraciones de las interacciones entre la microbiota intestinal y el sistema inmunológico para el desarrollo de la EII. Precisamente, de los genes mejor caracterizados con relación a EII, el NOD2, que es un receptor de reconocimiento de patrones (PRR) intracelular, desempeña un papel esencial en el mantenimiento del equilibrio entre la microbiota y las respuestas inmunitarias del huésped. Se expresa tanto en células del sistema inmune innato como en células epiteliales y reconoce componentes de la pared celular bacteriana. Su activación promueve la eliminación de patógenos mediante la activación de un programa transcripcional proinflamatorio y de otras vías inmunitarias innatas.^{20, 21} Este descubrimiento llevó a un cambio de enfoque, desde estudios centrados en el sistema inmunitario adaptativo hacia la importancia del sistema inmunitario innato y, más específicamente, su rol en la detección de componentes microbianos en el lumen intestinal.²²

La barrera epitelial intestinal representa la primera línea de defensa contra una infección. Defectos en esta barrera se han descrito en la EII, destacando un aumento de la permeabilidad debido a una alteración en la expresión de las uniones estrechas, facilitando así una mayor exposición antigénica y, con ello, una activación inmunitaria.^{23, 24} Además, se ha demostrado la importancia de la capa mucosa, compuesta principalmente de glicoproteínas ramificadas, incluidas las mucinas (MUC), en la prevención de la penetración bacteriana y la inflamación intestinal. Este rol se ha puesto de manifiesto mayoritariamente en estudios llevados a cabo en modelos de ratones knock out para MUC2 (MUC2−/−) con colitis.^25,26,27

Una segunda capa crucial de protección inmunológica intestinal se basa en una respuesta rápida y eficaz contra los microorganismos que logran penetrar más allá de las células epiteliales. Esto ocurre a través del sistema inmune innato y mediado por una gran variedad de tipos de células, incluidos los neutrófilos, macrófagos, monocitos, células dendríticas y células natural killer (NK). Esta respuesta puede estar mediada por mecanismos dependientes de células, como fagocitosis, o por factores secretados.²⁸ Esta respuesta se inicia cuando los PRR, expresados no solo en macrófagos y células dendríticas (DC) sino también en diversas células no inmunes, permiten el reconocimiento de estructuras conservadas entre las especies microbianas, denominadas patrones moleculares asociados a patógenos (PAMP). Estos PRR activan una cascada que resulta en la transcripción de genes implicados en la respuesta inflamatoria, que codifican citoquinas proinflamatorias, interferones tipo I (IFN), proteínas antimicrobianas y quimiocinas, y que además permiten el reclutamiento de neutrófilos al lugar de la inflamación.²⁹ Sin embargo, alteraciones en el reconocimiento de patógenos intracelulares, como las asociadas a polimorfismos de NOD2, podrían conllevar a respuestas inmunológicas innatas inadecuadas, al alterar el reconocimiento de PAMPs y disminuir el aclaramiento de patógenos, conduciendo así a una inflamación aberrante.^{21, 30} Además, también se ha descrito que variantes de NOD2 podrían influir en una producción defectuosa de péptidos antimicrobianos, como las α-defensinas, por parte de las células de Paneth.^{31, 32} Pero aparte de su papel principal en la inmunidad innata, también es capaz de activar el sistema inmunitario adaptativo. Por lo tanto, estos polimorfismos podrían producir un defecto en la inmunidad innata impidiendo generar una respuesta inflamatoria adecuada para controlar la microbiota y coordinar la respuesta inmunitaria adaptativa, favoreciendo así un proceso inflamatorio crónico.^{20, 23}

Mientras que el sistema inmune innato induce inicialmente la respuesta inflamatoria, el sistema inmune adaptativo es el que juega un papel central en la progresión de los eventos inflamatorios crónicos observados en la EII.³³ Los principales efectores del sistema inmune adaptativo son los linfocitos B y T, que confieren respuestas inmunes específicas y que pueden tardar varios días en responder. Los linfocitos B, efectores de la respuesta humoral, son los encargados de secretar inmunoglobulinas, como la IgA o IgG.³³ No obstante, los linfocitos T son la población de células clave de esta inmunidad adaptativa.³⁴ Estos son activados una vez que reciben señales derivadas de las células presentadoras de antígeno, como las DC, a través del complejo mayor de histocompatibilidad (CMH) y diferenciados en una subpoblación de células T diferente en función de la presencia de distintas citoquinas.³⁵ Inicialmente, se pensaba que la EC se caracterizaba por una respuesta inmune mediada por las células Th1, que secretan IFNg e IL-2, mientras que la CU se consideraba una enfermedad mediada por células Th2, que secretan IL-4, IL-5 e IL-13, entre otras.^{34, 36} En las últimas décadas, se ha descubierto que otro tipo celular, las células Th17, también están implicadas en la patogénesis de la EII. Estas células, que producen IL17A, IL-17F, TNFα e IL-22, entre otras, parece ser que jugarían un papel importante durante la inflamación intestinal crónica, ya que se ha visto que están involucradas en el daño tisular.^36,37,38

El importante papel que juegan los factores ambientales en la patogenia de la EII está respaldado por el patrón epidemiológico de esta, en el que se ha observado un aumento de la prevalencia en países desarrollados, con una tendencia al alza en la incidencia de la enfermedad en países recientemente industrializados.^{2, 3} Por tanto, existe una serie de factores medioambientales que van desde la concepción, pasando por la infancia y la posterior exposición asociados a la vida moderna, como la dieta, el uso de antibióticos, tabaquismo, los cambios en la exposición a microorganismos ambientales, el estrés social, etc., que influyen en el riesgo de desarrollar la enfermedad.^{22, 39, 40} El tabaquismo se considera uno de los factores más significativos que alteran el curso clínico de la EII. Mientras que el tabaco empeora muchos aspectos de la EC, en la CU parece tener efectos protectores.⁴¹ La dieta también es considerada un factor ambiental importante que afecta el desarrollo de la EII. Los estudios han demostrado que la ingesta de frutas y verduras está asociada con una disminución del riesgo de EII, mientras que la ingesta de comidas rápidas, ricas en grasa, sobre todo animal, y azúcares podría aumentarlo. Los niveles bajos de vitamina D también parecen ser un factor de riesgo para la EII. Además, últimamente, se está señalando a los aditivos alimentarios artificiales como posibles promotores de inflamación intestinal, al interferir con la función de barrera en el intestino y la interacción huésped-microbiota.^42,43,44 El uso de medicamentos como los AINEs o los antibióticos también son un factor a tener en cuenta, siendo estos últimos un factor que puede afectar desde la infancia. Varios estudios han demostrado que el uso de antibióticos en niños parece aumentar el riesgo de desarrollar EII en población pediátrica.⁴⁰

Muchos de estos factores actúan en conjunto modificando no solo la composición de la microbiota intestinal, sino también su función. La microbiota intestinal, que podría sumar hasta cien billones de células, diez veces el número de células humanas, es esencial para la salud del huésped y desempeña un rol importante en muchos aspectos de la fisiología humana, desde procesos simples hasta complejos, como metabolismo, resistencia a patógenos o en la maduración y regulación del sistema inmunitario, entre otros.^45,46,47,48 Así, las implicaciones funcionales de la disbiosis, descrita como una desviación en la composición y función de la microbiota intestinal,⁴⁹ pueden afectar la fisiología humana, el estado de salud y la susceptibilidad a enfermedades, entre ellas la EII. Sin embargo, queda mucho para determinar si la disbiosis es un factor contribuyente o una consecuencia de la enfermedad.⁵⁰

Como se ha descrito anteriormente, la EII es una enfermedad de etiología compleja en la que individuos genéticamente predispuestos y bajo la influencia de factores ambientales desencadenarían una respuesta inmune aberrante contra microbios intestinales, perpetuando una inflamación crónica del tracto gastrointestinal.⁵¹

En la EII se han descrito cambios microbianos tanto en su composición como funcionales.^{52, 53} A grandes rasgos, los cambios más consistentes observados en pacientes con EII han sido una diversidad microbiana más baja y una disminución en la abundancia relativa de Firmicutes. Además, también se ha descrito un aumento de proteobacteria, con predominio de Enterobacteriaceae.^{54, 55}Varios estudios coinciden en que existe una abundancia reducida de múltiples especies de bacterias productoras de butirato, entre ellas Faecalibacterium prausnitzii y Roseburia.^{56, 57} Otro de los hallazgos principales en esta forma de EII es el aumento de la Escherichia coli invasora-adherente (proteobacteria),^{58, 59} así como un aumento de bacterias mucolíticas, como Ruminococcus gnavus.^{60, 61} Se han descrito otros cambios taxonómicos específicos, pero la interpretación de estos es compleja y no siempre concordante, debido a la heterogeneidad de los estudios, con poblaciones, muestras y procesamiento de estas muy dispares. Un claro ejemplo es la controversia en la asociación de la abundancia relativa de bacteroides y la EII; mientras que varios estudios observan una disminución de esta población en enfermedad,^{56, 62, 63} otros estudios describen un aumento en pacientes con EII activa,^{52, 56} además del rol de B. vulgatus en la exacerbación de la colitis experimental.⁶⁴ Esto no es sorprendente teniendo en cuenta que Bacteroides es un taxón muy diverso y, precisamente, la controversia reafirma la importancia de entender mecanismos asociados a especies bacterianas.

Por otro lado, la CU se asocia también con una disminución de la diversidad microbiana; en cambio, parece ser que no habría una disbiosis tan marcada como en la EC, e incluso se habría observado una semejanza a nivel de composición taxonómica más similar a controles sanos que a EC.^{54, 65} Aun así, también se ha descrito una disminución de la abundancia relativa de bacterias productoras de butirato como F. prausnitzii tanto en pacientes con CU activa⁶⁶ como con CU en remisión, viéndose una recuperación gradual de estas bacterias en aquellos pacientes con remisión prolongada,⁶⁷ así como de Roseburia.⁶⁸ Varios estudios también han demostrado el posible efecto protector de Akkermansia muciniphila, cuya presencia se ve disminuida en pacientes con CU.^{61, 69}

Además de las variaciones en la composición microbiana, también se han observado cambios funcionales. De manera general, se ha observado una disminución de la "diversidad metabólica" entre los pacientes con EII, análoga a la disminución de diversidad en la composición.⁶⁰ Como cambios funcionales destacables en pacientes con EII, se han descrito concentraciones fecales reducidas de ácidos grasos de cadena corta (AGCC), como el butirato, cambios en las vías del estrés oxidativo, disminución del metabolismo de carbohidratos y disminución de la biosíntesis de aminoácidos.^{56, 70, 71}

La mayoría de los estudios han examinado a pacientes con enfermedad activa o tratada utilizando un diseño de casos y controles de corte transversal, es decir, después de que la inflamación y la lesión tisular ya se han desarrollado, lo que dificulta discernir si los cambios descritos son causa o consecuencia de la inflamación. Por otro lado, se sabe poco acerca de los cambios funcionales o de composición microbiana que ocurren antes del inicio de la enfermedad. Por ello, se llevó a cabo un estudio usando la cohorte GEM, una cohorte longitudinal de pacientes en riesgo de EC, diseñada para investigar las interacciones genéticas, ambientales y microbianas que podrían causar la enfermedad. Inesperadamente, algunos de los sujetos incluidos en el estudio desarrollaron CU en lugar de EC. Así, usando este subconjunto único de muestras, se investigó si funciones microbianas específicas podrían estar influyendo en el inicio de la enfermedad.⁵⁵

De acuerdo con los estudios transversales previamente descritos, en esta cohorte prospectiva también se observaron cambios en la composición microbiana, siendo más evidentes en aquellas muestras de pacientes una vez desarrollada la enfermedad (post-CU) en comparación con las muestras previas al desarrollo de la enfermedad (pre-CU) o las de los controles. Entre ellos, cabe destacar una disminución en la diversidad microbiana, así como de la abundancia de bacterias beneficiosas, como Adlercreutzia y Bifidobacterium, y mayor abundancia de patógenos, como Actinobacillus. En este estudio, además de las asociaciones basadas en anomalías estructurales de la microbiota con estados patológicos, también se quiso enfatizar la importancia de las contribuciones funcionales de la microbiota. De los más de 20.000 genes bacterianos que fueron significativamente diferentes entre los tres grupos, cabe destacar que un importante número de estos se relacionaron con proteasas y peptidasas, permitiendo una diferenciación clara entre pre-CU y controles.⁵⁵

El equilibrio proteolítico se ha descrito como una de las posibles contribuciones funcionales de la microbiota. El tracto gastrointestinal está expuesto a diferentes proteasas, que tienen funciones claves en procesos como la digestión, la inmunidad y la función de barrera. En la EII se ha descrito un desequilibrio en la función proteolítica caracterizado por un aumento de las proteasas y/o una disminución de las antiproteasas del huésped, como el inhibidor de serina proteasa (serpina), llamado elafina.^{72, 73} Sin embargo, las bacterias, incluidas las presentes en el intestino humano, también son una fuente conocida de proteasas, muchas de las cuales son proinflamatorias.⁷⁴ Teniendo en cuenta esto, y junto con los hallazgos en la expresión génica de la muestras pre-CU, se conjeturó que los cambios en la actividad proteolítica microbiana intestinal en pre-CU podrían representar un mecanismo por el cual las proteasas derivadas de la microbiota contribuyen al inicio espontáneo de la inflamación. Así, se observó que tanto la actividad proteolítica total como la actividad elastolítica estaba aumentada en aquellas muestras pre-CU, llegando a niveles similares a los observados en post-CU. Además, la actividad elastolítica se correlacionó inversamente con taxones bacterianos beneficiosos como Adlercreutzia o Akkermansia,^{69, 75} mientras que se correlacionó positivamente con Bacteroides vulgatus. Sugiriendo, así, un componente microbiano de la actividad proteolítica.

La colonización de ratones libres de gérmenes (germ free), tanto en adultos como en modelo neonatal, con heces de pacientes pre-CU y post-CU, permitió confirmar una transferencia del fenotipo proteolítico, con el consiguiente efecto proinflamatorio en los ratones.⁵⁵ Esta activación inmune a través de proteasas microbianas ya se había descrito previamente en el intestino delgado in vivo.⁷⁶

Como se ha descrito anteriormente, la EII es una enfermedad de fisiopatología compleja en la que hay una relación multidireccional entre los factores ambientales, genéticos, microbianos e inmunológicos. Entre ellos, la microbiota intestinal es la que ha adquirido un rol central en los últimos tiempos como principal desencadenante de una respuesta inmune aberrante. Hasta ahora se había descrito qué es lo que estaba sucediendo una vez establecida la enfermedad, pero los estudios longitudinales como el aquí descrito, llevado a cabo por Galipeau et al.,⁵⁵ nos permitirán ir más allá y ser capaces de describir qué sucede justo antes del inicio de la enfermedad, no solo a nivel composicional sino también funcional, y de esta manera poder desarrollar tanto nuevas técnicas no invasivas de diagnóstico como nuevos métodos de abordaje terapéutico.

La base microbiana en la EII se ha planteado desde principios del siglo xx⁷⁷ y tiene hoy en día un rol central en su fisiopatología, considerándose el principal factor ambiental desencadenante de inflamación crónica. Además del estudio de la composición microbiana, el estudio funcional, a través de la producción de metabolitos que interactúan con la barrera intestinal y el sistema inmune, y la digestión de productos de la dieta, han cobrado un interés central en los últimos años. El desafío consiste en establecer causalidad e identificar taxones bacterianos y vías patogénicas que permitan desarrollar nuevos enfoques terapéuticos. Para ello se requiere cooperación entre la investigación básica, clínica y traslacional.

EII: Enfermedad inflamatoria intestinal

EC: Enfermedad de Crohn

CU: Colitis ulcerosa

IBD: Inflammatory bowel disease

CD: Crohn's disease

UC: Ulcerative colitis

ROS: Especies reactivas de oxígeno

SNPs: Polimorfismos de nucleótido único

PRR: Receptor de reconocimiento de patrones

MUC: Mucinas

NK: Células natural killer

DC: Células dendríticas

PAMP: Patrones moleculares asociados a patógenos

IFN: Interferón

CMH: Complejo mayor de histocompatibilidad

AINEs: Analgésicos antinflamatorios no esteroideos

AGCC: Ácidos grasos de cadena corta

GWAS: Estudio de asociación de genoma completo