Las bacterias intestinales desempeñan un papel importante en la salud humana, influyendo en todos los aspectos, desde la digestión hasta el sistema inmunitario y el estado de ánimo. Sin embargo, la complejidad del microbioma es asombrosa. El ingente número de especies bacterianas y sus interacciones con la química humana han dificultado a los científicos comprender plenamente sus efectos. En una iniciativa innovadora, investigadores de la Universidad de Tokio aplicaron un tipo de inteligencia artificial conocida como red neuronal bayesiana al estudio de las bacterias intestinales. Su objetivo era descubrir correlaciones que los métodos convencionales de análisis de datos suelen pasar por alto.
Una red neuronal analiza un enorme conjunto de datos sobre microbios intestinales para dar pistas sobre la salud
Mientras que el cuerpo humano contiene entre 30 y 40 billones de células humanas, sólo el intestino alberga unos 100 billones de células bacterianas. Dicho de otro modo: Llevamos dentro más células bacterianas que nuestras propias células. Los microbios intest inales son microorganismos como bacterias, hongos, virus y arqueas que viven en el tracto digestivo humano y juntos forman el llamado microbioma intestinal. La mayoría de ellos se encuentran en el intestino grueso. A pesar de su diminuto tamaño, desempeñan un papel crucial en nuestra salud. Favorecen la digestión descomponiendo los componentes de los alimentos que nuestro organismo no puede utilizar, especialmente la fibra alimentaria. De este modo se obtienen importantes productos metabólicos, como los ácidos grasos de cadena corta, que refuerzan la pared intestinal y aportan energía al organismo. Muchas bacterias intestinales también producen sustancias vitales, por ejemplo vitamina K o ciertas vitaminas del grupo B. Los microbios también producen y modifican miles de compuestos conocidos como metabolitos.
Estas pequeñas moléculas actúan como mensajeros químicos, circulan por el organismo e influyen en el metabolismo, el sistema inmunitario e incluso la función cerebral. Además de su papel en la digestión, los microbios intestinales también protegen contra los patógenos negando a los gérmenes nocivos su hábitat y reforzando la barrera intestinal. Una gran parte del sistema inmunitario se encuentra en el intestino y los microbios contribuyen a entrenarlo y mantenerlo en equilibrio. De este modo, ayudan a regular la inflamación y a prevenir reacciones adversas como las alergias. Además, los microbios intestinales están en estrecho contacto con el sistema nervioso. Influyen en nuestro estado de ánimo, nuestro comportamiento ante el estrés y posiblemente incluso en los procesos cognitivos a través del llamado eje intestino-cerebro. También son importantes para nuestro metabolismo: ayudan a determinar cuántas calorías absorbemos de los alimentos, cómo funciona nuestro metabolismo del azúcar y qué probabilidades hay de que suframos sobrepeso. Entender cómo ciertas bacterias producen determinados metabolitos podría abrir nuevas vías para promover la salud general.
“El problema es que apenas estamos empezando a comprender qué bacterias producen qué metabolitos humanos y cómo cambian estas relaciones en diferentes enfermedades”, explica el investigador del proyecto Tung Dang, del laboratorio Tsunoda del Departamento de Biociencias. “Si trazamos con precisión estas relaciones entre bacterias y sustancias químicas, podremos desarrollar tratamientos personalizados. Imagínese poder cultivar una bacteria específica para que produzca metabolitos beneficiosos para el ser humano, o desarrollar terapias dirigidas que modifiquen estos metabolitos para tratar enfermedades.” El mayor reto reside en el enorme volumen de datos. Con innumerables bacterias y metabolitos que interactúan entre sí de forma compleja, resulta extremadamente difícil identificar patrones significativos. Para abordar este problema, Dang y su equipo recurrieron a métodos avanzados de inteligencia artificial (IA).
Su sistema, denominado VBayesMM, utiliza un enfoque bayesiano para reconocer qué grupos de bacterias afectan significativamente a determinados metabolitos. También mide la incertidumbre de sus predicciones, lo que ayuda a evitar conclusiones exageradas pero incorrectas. “Cuando se probó con datos reales de estudios sobre trastornos del sueño, obesidad y cáncer, nuestro enfoque superó sistemáticamente a los métodos existentes e identificó familias bacterianas específicas que coinciden con procesos biológicos conocidos”, afirma Dang. “Esto nos da confianza en que está detectando relaciones biológicas reales y no sólo patrones estadísticos sin sentido”.
Comprender los puntos fuertes y las limitaciones del sistema
Dado que VBayesMM puede reconocer y comunicar la incertidumbre, proporciona a los investigadores perspectivas más fiables que las herramientas anteriores. Aunque está optimizado para grandes conjuntos de datos, el análisis de grandes conjuntos de datos sobre el microbioma sigue siendo exigente desde el punto de vista informático. Con el tiempo, sin embargo, estos costes deberían disminuir a medida que mejore la potencia de cálculo. El sistema también funciona mejor cuando se dispone de datos bacterianos de gran tamaño en comparación con los datos de metabolitos; de lo contrario, la precisión puede disminuir. Otra limitación es que VBayesMM trata a las bacterias como actores independientes, a pesar de que a menudo interactúan en redes complejas e interdependientes.
Los investigadores tienen previsto trabajar con conjuntos de datos químicos más completos que recojan toda la gama de productos bacterianos, aunque esto plantea nuevos retos a la hora de determinar si las sustancias químicas proceden de bacterias, del cuerpo humano o de fuentes externas como los alimentos. Los expertos también quieren que VBayesMM sea más robusto a la hora de analizar distintos grupos de pacientes incorporando relaciones de “pedigrí” bacteriano para hacer mejores predicciones y reducir aún más el tiempo computacional necesario para el análisis. En cuanto a las aplicaciones clínicas, el objetivo último es identificar dianas bacterianas específicas para tratamientos o intervenciones nutricionales que puedan ayudar realmente a los pacientes, pasando de la investigación básica a las aplicaciones médicas prácticas. Al utilizar la IA para explorar el vasto y complejo mundo de los microbios intestinales, los investigadores están cada vez más cerca de liberar el potencial del microbioma para transformar la medicina personalizada.
Los microbios intestinales también podrían ser la clave de nuevas formas de prevenir y tratar las cardiopatías.
Las enfermedades cardiovasculares se cobran casi 20 millones de vidas cada año, lo que las convierte en la principal causa de muerte en todo el mundo. Aunque los factores genéticos y el estilo de vida influyen claramente en la salud cardiaca de una persona, los científicos están descubriendo ahora que los microorganismos que viven en el intestino también pueden tener una influencia importante. Estos microbios parecen estar significativamente implicados en el desarrollo de la cardiopatía coronaria, aunque su papel exacto no está claro desde hace tiempo.
Investigaciones recientes sugieren que el microbioma intestinal puede favorecer la cardiopatía coronaria a través de diversas vías biológicas e influir en la inflamación y los procesos metabólicos de forma que afecte a las arterias. Sin embargo, aún no se sabe a ciencia cierta cuáles son las bacterias responsables y cómo contribuyen a la progresión de la enfermedad.
Mapa microbiano de las cardiopatías coronarias
Investigadores de Seúl están empezando a desvelar este misterio. En un artículo publicado en mSystems, un equipo dirigido por la doctora Han-Na Kim, del Instituto Avanzado Samsung de Ciencias de la Salud y Tecnología de la Universidad de Sungkyunkwan, investiga cómo interactúan los microbios intestinales con el sistema cardiovascular. “Fuimos más allá de identificar ‘qué bacterias viven allí’ y averiguamos qué hacen realmente en la conexión corazón-intestino”, explicó Kim.
La cardiopatía coronaria es una enfermedad de las arterias coronarias, los vasos sanguíneos que suministran oxígeno y nutrientes al músculo cardiaco. En esta enfermedad, los vasos se estrechan debido a depósitos de grasa, colesterol y calcio, conocidos como placas. Este proceso gradual se denomina arteriosclerosis o calcificación vascular. El estrechamiento hace que llegue menos sangre al músculo cardiaco, sobre todo cuando el corazón tiene que trabajar más, por ejemplo durante un esfuerzo físico o estrés. El resultado suele ser una sensación de presión, opresión o dolor en el pecho, conocida como angina de pecho. Si una arteria coronaria está completamente obstruida, una parte del músculo cardiaco deja de recibir oxígeno, lo que provoca un infarto de miocardio.
La cardiopatía coronaria no aparece de repente, sino que se desarrolla a lo largo de muchos años. Los factores de riesgo más importantes son el tabaquismo, la hipertensión, la diabetes, los niveles elevados de colesterol LDL, la falta de ejercicio, una dieta poco saludable, la obesidad, la predisposición genética y el estrés crónico. Además del dolor torácico, los síntomas típicos son dificultad para respirar, fatiga rápida al hacer esfuerzos y dolor que puede irradiarse al brazo, el hombro, la mandíbula o la espalda. La cardiopatía coronaria es peligrosa porque suele pasar desapercibida durante mucho tiempo y aumenta considerablemente el riesgo de infarto, insuficiencia cardiaca y muerte súbita cardiaca.
El equipo analizó muestras de heces de 14 personas con cardiopatía coronaria y las comparó con muestras de 28 participantes sanos mediante secuenciación del metagenoma, una potente técnica que permite identificar todo el ADN de una muestra. Este método les permitió reconstruir la composición genética de los microbios individuales. A partir de este análisis, los investigadores identificaron 15 especies bacterianas asociadas a la cardiopatía coronaria y trazaron las vías que relacionan estos microbios con la gravedad de la enfermedad.
Inflamación, desequilibrio y cambios microbianos
Según Kim, “nuestro mapa metagenómico de alta resolución muestra un cambio funcional drástico hacia la inflamación y los desequilibrios metabólicos, una pérdida de productores protectores de ácidos grasos de cadena corta, como Faecalibacterium prausnitzii, y una sobreactivación de vías metabólicas como el ciclo de la urea, que están relacionadas con la gravedad de la enfermedad”. Los resultados sugieren que el ecosistema intestinal de las personas con EAC experimenta cambios significativos que favorecen la inflamación y alteran los procesos metabólicos normales. Estos cambios podrían explicar por qué el microbioma intest inal desempeña un papel tan importante en las enfermedades cardiovasculares.
Sorprendentemente, el estudio también demostró que bacterias que normalmente se consideran beneficiosas a veces pueden volverse perjudiciales. Microbios como Akkermansia muciniphila y F. prausnitzii, que suelen considerarse especies “amistosas”, parecen actuar de forma diferente según procedan de un intestino sano o enfermo. Esta doble naturaleza, afirma Kim, ilustra cómo el contexto puede convertir incluso microbios protectores en agentes causantes de enfermedades.
Los resultados también mostraron lo complejo que es relacionar bacterias específicas con la progresión de la enfermedad. Investigaciones anteriores habían informado de que ciertas especies de la familia Lachnospiraceae disminuyen en personas con cardiopatía coronaria. Sin embargo, el equipo de Kim descubrió que otras especies de Lachnospiraceae eran más abundantes. “Las Lachnospiraceae pueden ser como el Dr. Jekyll y el Sr. Hyde del intestino”, afirma Kim. Algunas especies parecen ser beneficiosas, mientras que otras pueden agravar la enfermedad. La gran pregunta sin respuesta ahora es qué cepas son beneficiosas y cuáles causan problemas.
Hacia una medicina microbiana precisa
Los investigadores planean combinar los datos microbianos con información genética y metabólica para comprender mejor cómo afectan los microbios intestinales a las cardiopatías a nivel mecanicista. Su objetivo a largo plazo es desarrollar tratamientos de precisión que utilicen la información microbiana para prevenir las enfermedades cardiovasculares antes de que se desarrollen.
Kim subrayó que la prevención es el enfoque más prometedor para reducir el impacto global de las cardiopatías. Entre las posibles estrategias se encuentran las terapias microbianas, como las pruebas de diagnóstico en heces, o las intervenciones dietéticas destinadas a restablecer las bacterias beneficiosas o inhibir los procesos perjudiciales. Al descubrir las especies bacterianas y los mecanismos biológicos específicos, los científicos están un paso más cerca de utilizar el microbioma intestinal como herramienta eficaz para mantener la salud del corazón.