«Cada vez más estudios muestran que los ratones u otros organismos modelo con cambios en sus microbios intestinales presentan alteraciones del comportamiento», explica Elaine Hsiao, profesora adjunta de biología e ingeniería biológica y autora principal del estudio. «Nos interesa saber cómo se comunican los microbios con el sistema nervioso. Para empezar, exploramos la idea de que los microbios intestinales normales podrían influir en los niveles de neurotransmisores de sus huéspedes».
La serotonina periférica se produce en el tubo digestivo por células enterocromafines (EC) y también por ciertos tipos de células inmunitarias y neuronas. Hsiao y sus colegas primero querían saber si los microbios intestinales tienen algún efecto en la producción de serotonina en el intestino y, de ser así, en qué tipos de células. Comenzaron midiendo los niveles de serotonina periférica en ratones con poblaciones normales de bacterias intestinales y también en ratones libres de gérmenes, que carecen de estos microbios residentes.
Los investigadores descubrieron que las células EC de los ratones libres de gérmenes producían aproximadamente un 60 por ciento menos de serotonina que sus pares con colonias bacterianas convencionales. Cuando se recolonizó a estos ratones libres de gérmenes con microbios intestinales normales, los niveles de serotonina volvieron a aumentar, lo que demuestra que el déficit de serotonina puede revertirse.
«Las células EC son fuentes abundantes de serotonina en el intestino. Lo que vimos en este experimento es que parecen depender de los microbios para producir serotonina, o al menos una gran parte de ella», afirma Jessica Yano, autora principal del artículo y técnica de investigación que trabaja con Hsiao.
A continuación, los investigadores quisieron averiguar si determinadas especies bacterianas, entre la diversa población de microbios que habitan el intestino, interactúan con las células EC para producir serotonina.
Tras probar varias especies individuales y grupos de microbios intestinales conocidos, Yano, Hsiao y sus colegas observaron que una condición —la presencia de un grupo de aproximadamente 20 especies de bacterias formadoras de esporas— elevaba los niveles de serotonina en ratones libres de gérmenes. Los ratones tratados con este grupo también mostraron un aumento de la motilidad gastrointestinal en comparación con sus pares libres de gérmenes, así como cambios en la activación de las plaquetas sanguíneas, que, como se sabe, utilizan serotonina para favorecer la coagulación.
Con el objetivo de identificar los mecanismos que podrían intervenir en esta interesante colaboración entre microbios y huésped, los investigadores comenzaron a buscar moléculas que pudieran ser clave. Identificaron varios metabolitos específicos —productos del metabolismo de los microbios— regulados por las bacterias formadoras de esporas y que elevaban la serotonina de las células EC en cultivo. Además, al aumentar estos metabolitos en ratones libres de gérmenes, también aumentaron sus niveles de serotonina.
Trabajos anteriores en este campo indicaban que algunas bacterias pueden producir serotonina por sí solas. Sin embargo, este nuevo estudio sugiere que gran parte de la serotonina del organismo depende de determinadas bacterias que interactúan con el huésped para producir serotonina, afirma Yano. «Nuestro trabajo demuestra que los microbios que normalmente están presentes en el intestino estimulan las células intestinales del huésped para que produzcan serotonina», explica.
«Aunque las conexiones entre el microbioma y los sistemas inmunitario y metabólico son bien conocidas, investigar el papel de los microbios intestinales en la configuración del sistema nervioso constituye una apasionante frontera de las ciencias biológicas», afirma Sarkis K. Mazmanian, profesor Luis B. y Nelly Soux de microbiología y coautor del estudio. «Este trabajo amplía de manera elegante investigaciones seminales anteriores de Caltech en este campo emergente».
Rustem Ismagilov, profesor Ethel Wilson Bowles y Robert Bowles de química e ingeniería química y también coautor, añade: «Este trabajo ilustra tanto la riqueza de las interacciones químicas entre los huéspedes y sus comunidades microbianas como la amplitud y perspicacia científicas de la Dra. Hsiao al dirigir este trabajo».
La serotonina es importante para muchos aspectos de la salud humana, pero Hsiao advierte que se necesita mucha más investigación antes de que cualquiera de estos hallazgos pueda trasladarse a la práctica clínica.
«Identificamos un grupo de bacterias que, además de aumentar la serotonina, probablemente tiene otros efectos aún por explorar», afirma. «Además, hay afecciones en las que un exceso de serotonina periférica parece ser perjudicial».
Aunque este estudio se limitó a la serotonina en el intestino, Hsiao y su equipo investigan ahora cómo este mecanismo también podría ser importante para el cerebro en desarrollo. «La serotonina es un neurotransmisor y una hormona importantes que participan en diversos procesos biológicos. El hallazgo de que los microbios intestinales modulan los niveles de serotonina plantea la interesante posibilidad de utilizarlos para impulsar cambios en la biología», afirma Hsiao.
El trabajo se publicó en un artículo titulado «Indigenous Bacteria from the Gut Microbiota Regulate Host Serotonin Biosynthesis» . Además de Hsiao, Yano, Mazmanian e Ismagilov, entre los demás coautores de Caltech figuran las estudiantes de grado Kristie Yu, Gauri Shastri y Phoebe Ann; el estudiante de posgrado Gregory Donaldson; y el investigador posdoctoral Liang Ma. La coautora Cathryn Nagler pertenece a la Universidad de Chicago.
Este trabajo recibió financiación de una beca Early Independence Award del Director de los NIH y una beca del Caltech Center for Environmental Microbial Interactions, ambas concedidas a Hsiao. El estudio también contó con el apoyo de subvenciones de la NSF, el NIDDK y el NIMH concedidas a Mazmanian; subvenciones NSF EFRI y NHGRI concedidas a Ismagilov; y subvenciones del NIAID, Food Allergy Research and Education y el University of Chicago Digestive Diseases Center Core concedidas a Nagler.
Este artículo se publica en colaboración con Caltech. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
Para mantenerse al día con la Agenda, suscríbase a nuestro boletín semanal.
Autora: Jessica Stoller-Conrad es escritora científica en Caltech
Imagen: Se muestran bacterias intestinales bajo un microscopio. REUTERS.
