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The microbiota-gut-brain axis and its great projections

M. Gómez-Eguílaz, J.L. Ramón-Trapero, L. Pérez-Martínez, J.R. Blanco [REV NEUROL 2019;68:111-117] PMID: 30687918 DOI: https://doi.org/10.33588/rn.6803.2018223

OPEN ACCESS

Volumen 68 | Number 03 | Nº of views of the article 360.300 | Nº of PDF downloads 3.821 | Article publication date 01/02/2019

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Introducción Composición de la microbiota Funciones de la microbiota Eje intestino-cerebro Vías del eje intestino-cerebro Nervio vago Sistema circulatorio [13] Sistema inmune Microbiota: posible patogenia y solución de enfermedades neurodegenerativas Conclusiones

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ABSTRACT

INTRODUCTION The microbiota is the set of millions of microorganisms that coexist in a symbiotic way in our body. It is mainly located in the digestive tract, being distributed in function of the chemical properties and the functions of the different organs. The factors that influence its composition are multiple (diet, individual habits, diseases or drugs). It also participates in several functions of the organism such as metabolism, immunity or even the function of the central nervous system. DEVELOPMENT. This last interrelationship is called: gut-brain axis. For years the relationship between the microbiota and the central nervous system has been known and how they influence one over the other. It is postulated that communication occurs through three systems: the vagus nerve, the systemic pathway (with the release of hormones, metabolites and neurotransmitters) and the immune system (by the action of cytokines).

CONCLUSIONS There are still many unknowns to be clarified in this field, but this microbiota-intestine-brain relationship is postulated as a possible pathogenic basis for neurological diseases of great health impact such as Alzheimer, Parkinson or multiple sclerosis. There are currently studies with probiotics with hopeful results in patients with Alzheimers disease. KeywordsAlzheimers disease Epilepsy Gut-brain axis Microbiota Multiple sclerosis Parkinsons disease CategoriesDemencia Epilepsias y síndromes epilépticos Esclerosis múltiple Neurodegeneración Trastornos del movimiento

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Introducción

Se denomina microbiota al conjunto de millones de microorganismos que conviven en simbiosis, principalmente en nuestro tracto digestivo [1]. Su importancia recae en las funciones que desempeñan, algunas vitales, y muchas, aún desconocidas. Una de ellas es el papel que desempeña en la relación entre el intestino y el cerebro (eje intestino-cerebro). Esta conexión, bidireccional y cada vez más estudiada, se está postulando como una posible explicación a algunos de los más frecuentes trastornos neurológicos de nuestro entorno, como la enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de Parkinson o la esclerosis múltiple. El mayor conocimiento sobre la microbiota puede ayudar, por un lado, a abrir nuevas líneas de investigación que ayuden a mejorar su patogenia y, por otra, a establecer futuras estrategias terapéuticas.

Composición de la microbiota

Se calcula que el número total de microorganismos que componen la microbiota es de 10 × 10¹⁴ [2], lo que supone una cantidad diez veces mayor que el número total de nuestras células. La composición de la microbiota no es estática y debe adaptarse al lugar donde reside y a las funciones que desarrolla [3]. Además, esta composición se verá afectada por la dieta, los estilos de vida o el consumo de antibióticos, entre otros factores.

La microbiota de un individuo varía a lo largo de su vida. Así, en los primeros años, la microbiota se ve condicionada por el tipo de parto o de lactancia (artificial o materna) (Fig. 1). En este momento predominan las bacterias del filo Actinobacterias (género Bifidobacterias). Ya en la edad adulta, los estilos de vida, los hábitos dietéticos, etc., contribuyen a su sustitución por bacterias del filo Bacteroidetes y Firmicutes.

Figura 1. Resumen de la evolución de la microbiota a lo largo de la vida (modificado de [3]).

La composición de la microbiota se modifica además según el órgano donde se encuentra. A ello contribuyen las variaciones en función de las condiciones del pH gástrico, lo que hace que en esta región haya apenas unos cientos de microorganismos en comparación con la diversidad del recto (de 10¹¹ a 10¹²) [4] (Fig. 2).

Figura 2. Evolución de la cantidad y de la variedad de la microbiota a lo largo del tracto digestivo (modificado de [4]).

Funciones de la microbiota

En el momento actual son muchos los aspectos que se desconocen sobre el funcionamiento de la microbiota. Sin embargo, está establecido su papel crucial en el sistema inmunitario, metabólico y hormonal, así como en la relación eje intestino-cerebro [5]. Precisamente en este eje es donde vamos a centrarnos.

Eje intestino-cerebro

Este eje está formado por la microbiota, el sistema nervioso entérico, el sistema nervioso autónomo, el sistema neuroendocrino, el sistema neuroinmune y el sistema nervioso central [6]. El sistema nervioso entérico se encarga del funcionamiento básico gastrointestinal (motilidad, secreción mucosa, flujo sanguíneo), y el control central de las funciones del intestino se lleva a cabo gracias al nervio vago [7]. Este complejo eje conforma un sistema de comunicación neurohumoral bidireccional conocido desde hace tiempo. Son muchos los trabajos que apoyan su existencia. Así, existe una correlación entre las alteraciones de la microbiota y la encefalopatía hepática, la ansiedad, el autismo o el colon irritable [8]. En estas enfermedades existe una disbiosis (cambios en la composición normal de la microbiota) que genera cambios en la motilidad gastrointestinal, afecta a las secreciones y produce una hipersensibilidad visceral. En estas circunstancias se ven alteradas las células neuroendocrinas y las del sistema inmune, modificando la liberación de neurotransmisores, lo que se podría traducir en las diferentes manifestaciones psiquiátricas. A su vez, estudios en modelos animales expuestos a diferentes situaciones de estrés han evidenciado variaciones en la composición de la microbiota [9]. De esta manera se puede postular la comunicación bidireccional en este eje; la microbiota afecta al comportamiento humano y, a su vez, alteraciones en él producen cambios en la microbiota [10].

Vías del eje intestino-cerebro

La relación entre ambas partes del eje parece que se ejerce a través de diversas vías de comunicación (Fig. 3), como el nervio vago, el sistema circulatorio y el sistema inmune.

Figura 3. Las señales que llegan al sistema nervioso central procedentes de la microbiota pueden ser: a través de la estimulación directa del vago desde el sistema nervioso entérico; gracias a la producción de metabolitos, como pueden ser neurotransmisores, hormonas o metabolitos como los ácidos grasos de cadena corta; o a través del sistema inmune, que se activa por la microbiota y libera citocinas que pueden actuar sobre el sistema nervioso central.

Nervio vago

El nervio vago constituye una de las principales vías para transmitir la información desde la microbiota al sistema nervioso central. En este sentido, la administración a ratones de Lactobacillus rhamnosus favorecía la transcripción de ácido γ-aminobutírico (GABA), lo que se tradujo en una modificación de su comportamiento dependiendo de la integridad vagal [11], ya que, al realizar ese mismo estudio en ratones vagotomizados, no se lograron estos resultados, identificando así el nervio vago como la principal vía de comunicación constitutiva moduladora entre la microbiota y el cerebro [12].

Sistema circulatorio [13]

Neurohormonas

Las neurohormonas (serotonina, catecolaminas, dopamina...) se liberan desde las células neuroendocrinas del intestino y actúan, directa e indirectamente, en la modulación del comportamiento. La serotonina (5-HT), producida en un 90% en el intestino, se ve regulada por la microbiota [14]. Si bien la relación con la microbiota puede parecer dudosa, ya que la 5-HT generada por las células intestinales no atraviesa la barrera hematoencefálica (BHE), esta interconexión también existe, aunque de manera indirecta. Esto se debe a que la microbiota actúa sobre los niveles de los precursores serotoninérgicos y del transportador de 5-HT, que participan en la activación y la modulación de la serotonina central [15]. Del mismo modo, el triptófano [16], que es un precursor de la síntesis de 5-HT central, también interviene en esta interconexión indirecta. En este caso su producción se ve regulada por enzimas metabolizadas por la microbiota intestinal, y es capaz de atravesar la BHE para formar parte de la síntesis de serotonina central [17].

La dopamina también se ve favorecida por la acción de la microbiota [13]. En un modelo de ratón carente de microbiota, los denominados germ free, se ha detectado menor cantidad de dopamina, lo que ha abierto interesantes líneas de investigación en la búsqueda de la patogenia de la enfermedad de Parkinson [18].

La microbiota interviene en la liberación de GABA. Esta liberación se produce gracias a las propiedades de algunas bacterias que contienen la enzima glutamato descarboxilasa y que degradan el glutamato presente en ciertos alimentos facilitando su transformación en GABA. Este neurotransmisor es fundamental en la modulación del comportamiento. Tanto es así que ya hay estudios que demuestran que la administración de probióticos y, por tanto, un aumento de la disponibilidad de GABA, mejora el control de la ansiedad [7,19].

La mayoría de autores están de acuerdo en que de manera directa ni el GABA ni la serotonina atraviesan la BHE, sino que su acción es indirecta, gracias a la acción sobre el sistema nervioso entérico [20]. En contra de esta única acción indirecta, otros autores demostraron la existencia de un transportador de GABA en la BHE [21]. Estos resultados explicarían cómo el GABA puede penetrar en el sistema nervioso central y la modulación de la microbiota sobre la función del GABA en el cerebro [22].

Ácidos grasos de cadena corta

La microbiota también participa en la hidrólisis de los distintos polisacáridos en ácidos grasos de cadena corta, como el propionato, el butirato y el acetato [23]. Estos ácidos grasos de cadena corta producidos en el intestino sí atraviesan la BHE y llegan al hipotálamo, donde regulan los niveles de GABA, glutamato o glutamina, además de aumentar la expresión de péptidos anorexígenos [24]; a su vez, contribuyen a mantener la integridad de la BHE, lo que supone otro nexo entre la microbiota y el sistema nervioso central [25,26].

Eje hipotálamo-pituitario-adrenal [26]

Las acciones de la microbiota también afectan al eje hipotálamo-pituitario-adrenal, regulando la liberación de cortisol. En los ratones libres de gérmenes se han observado respuestas exageradas de citocinas inflamatorias ante situaciones de estrés. En esta línea, existen estudios que demuestran que niveles altos de Lactobacillus rhamnosus se correlacionan con menores niveles de corticosterona, mejor control del estrés, menor depresión y menor liberación de citocinas inflamatorias [11]. Y, viceversa, otros estudios demuestran que pequeñas exposiciones a estrés pueden impactar en el perfil de la microbiota, la respuesta al estrés y la activación del eje hipotálamo-pituitario-adrenal [27].

Sistema inmune

Los patrones moleculares asociados a diferentes patógenos son la forma de presentación de la microbiota frente al sistema inmune. Uno de ellos son los lipopolisacáridos. Estos lipopolisacáridos activan las células del sistema inmune, particularmente las del sistema innato (macrófagos, neutrófilos y células dendríticas). Una vez activadas, producen citocinas inflamatorias (interleucina-1a, interleucina-1b, factor de necrosis tumoral alfa e interleucina-6) que atraviesan la BHE. En el cerebro, estas citocinas actúan sobre los receptores expresados en las neuronas y las células gliales, concretamente en la microglía, alterando su estado de activación y función. A su vez, las citocinas son capaces de actuar sobre los receptores de diferentes nervios aferentes promoviendo alteraciones de las señales desde el tubo digestivo hasta el sistema nervioso central [28]. Del mismo modo, la microbiota también es capaz de facilitar la liberación de citocinas no inflamatorias, como pueden ser las producidas por el factor estimulante de colonias de granulocitos, que son capaces de atravesar la BHE y de estimular la neurogenia en el cerebro [29], lo que se ha visto como un factor protector tras una lesión isquémica.

Microbiota: posible patogenia y solución de enfermedades neurodegenerativas

Conforme se ahonda en el entendimiento del eje intestino-cerebro empiezan a establecerse ciertos postulados que hacen creer que existe una relación entre la microbiota y las enfermedades neurodegenerativas [30]. Estudios en ratones germ free demuestran que la microbiota es fundamental para un desarrollo cognitivo normal [31,32]. En esta línea, un estudio español realizado con ratones in vivo [33] relaciona la ingesta de un oligosacárido de la leche materna (2-fucosil-lactosa) con una mejora cognitiva. Los autores demuestran que la ingestión de este oligosacárido, a través de la leche materna, tiene una acción sobre el hipocampo que mejora los patrones de memoria, las habilidades de aprendizaje y los diferentes marcadores de plasticidad sináptica cerebral. Esto estaría en relación con la acción del oligosacárido sobre el eje microbiota-intestino-cerebro y su medicación por el nervio vago. Asimismo, la microbiota también participa en la generación de GABA, del factor neurotrófico derivado del cerebro, de la serotonina y de otras moléculas necesarias para el correcto funcionamiento del sistema nervioso central [34]. Cuando se produce una disbiosis, pueden verse alteradas las concentraciones de estas moléculas, lo que podría justificar en parte la aparición de diferentes enfermedades, como pueden ser trastornos del comportamiento, ansiedad [35], enfermedad de Alzheimer [36] o autismo [37]. Además, la microbiota interviene en la síntesis de péptidos que servirán como moléculas de adhesión para las células del huésped [38]. A veces estas moléculas serán las que generen autorreactividad y creen una reacción que dañe las propias estructuras nerviosas [25].

Estas razones llevan a pensar que la microbiota puede llegar a postularse como una de las causas responsables de diferentes enfermedades neurológicas, como la esclerosis múltiple [39], el trastorno por déficit de atención/hiperactividad [40], la enfermedad de Parkinson [41,42] o incluso la enfermedad de Alzheimer, y a que los probióticos se conviertan en una herramienta terapéutica, pero aún queda mucho por aclarar; por ejemplo, el hecho de que la mayoría de los estudios citados estén realizados en animales, con una composición de la microbiota diferente a la humana. Por ello, una de las principales dudas que surge es si estos resultados serán similares en los humanos. Para esclarecer esta hipótesis se han revisado varios estudios realizados con pacientes que presentaban patología neurológica en los cuales la administración de probióticos ha producido mejoras objetivas. Así, recientemente se ha publicado un estudio de pacientes con enfermedad de Alzheimer que, tras haber sido tratados con probióticos durante tres meses, presentaron una mejora cognitiva [43]. Nosotros hemos tenido la oportunidad de llevar a cabo un estudio piloto en el que, tras la administración de probióticos a pacientes con epilepsia farmacorresistente, se observó una efectividad (reducción del 50% o más de sus crisis) del 28,9% [44]. Estos resultados apoyan la idea de que los probióticos podrían ser en un futuro otro tratamiento para enfermedades neurológicas [45]. En la tabla se definen los conceptos de probióticos [46], prebióticos [47] o simbióticos [48], y se resumen los ensayos clínicos registrados con su uso en patología neurológica en la actualidad. Sin embargo, también hay publicado otro estudio en el que la administración de probióticos en voluntarios sanos no produce cambios en el rendimiento cognitivo [49].

Tabla. Registro de ensayos clínicos en los que se utilicen prebióticos, probióticos o simbióticos en enfermedades neurológicas.
	Producto utilizado	Tiempo de administración	Enfermedad	Estado del estudio	Objetivo principal
NCT02342262	B. bifidum W23, B. lactis W52, L. acidophilus W37, L. brevis W63, L. casei W56, L. salivarius W24, L. lactis W19, L. lactis W58	12 semanas	Migraña	Desconocido	Efecto en la frecuencia e intensidad de los ataques de migraña y la permeabilidad intestinal
NCT03259971	Lactobacillus plantarum PS128	4 meses	Síndrome de Rett	Reclutamiento	Efecto en la mejora de los movimientos, comportamiento y situación cognitiva
NCT03324399	Probiótico (no especificado)	24 semanas	Esclerosis lateral amiotrófica	En marcha	Mejora de la fuerza, espasticidad y calidad de vida
NCT01110447	Lactobacillus (L. paracasei, L. plantarum, L. acidophilus, L. delbrueckii subsp. bulgaricus), tres cepas de Bifidobacteria (B. longum, B. infantis, B. breve), una cepa de Streptococcus thermophilus	24 semanas	Profilaxis secundaria de encefalopatía hepática	Finalizado	Valoración de recurrencia y necesidad de hospitalización por encefalopatía hepática
NCT02459717	125 mg de leche fermentada con múltiples probióticos (no especificados) y fibra prebiótica	4 semanas	Estreñimiento en Parkinson	Finalizado	Cambio en el número de deposiciones espontáneas completas
NCT01008293	Lactobacillus (L. casei, L. plantarum, L. acidophilus, L. delbrueckii subsp. bulgaricus), tres cepas de Bifidobacterium (B. longum, B. breve, B. infantis) y una cepa de Streptococcus salivarius subsp. thermophilus	2 meses	Encefalopatía hepática leve	Finalizado	Comparar el efecto de la lactulosa frente a los probióticos en el tratamiento de la encefalopatía hepática y valorar la mejora en la calidad de vida
NCT00992290	Lactobacillus GG	8 semanas	Encefalopatía hepática	Finalizado	Valorar la seguridad del probiótico en estos pacientes
NCT01798329	Lactobacillus (L. casei, L. plantarum, L. acidophilus, L. delbrueckii subsp. bulgaricus), tres cepas de Bifidobacterium (B. longum, B. breve, B. infantis) y una cepa de Streptococcus salivarius subsp. thermophilus	15 semanas	Encefalopatía hepática	Desconocido	Mejora neurocognitiva y neuropsicológica
NCT02723344	Lactobacillus reuteri	8 semanas	TCE leve y síndrome de estrés postraumático	Reclutando	Disminución de la inflamación encontrada en los TCE
NCT01413243	Trichuris suis ova	12 meses	Esclerosis múltiple y SCA	Finalizado	Número de lesiones hiperintensas en T₂ tras un año de tratamiento
NCT03117322	Agave inulina, Lactobacillus reuteri DSM 17938	4 semanas	Estreñimiento en niños con parálisis cerebral	Reclutando	Cambio en las heces, en la composición de la microbiota, en el pH fecal y cambio en la frecuencia de las deposiciones
NCT03403907	Streptococcus thermophilus, Lactobacillus acidophilus, L. plantarum, L. paracasei, L. delbrueckii subsp. bulgaricus, Bifidobacterium breve, B. longus, B. infantis y CD2	4 meses	Epilepsia farmacorresistente	Completado	Reducir el número de crisis, mejorar la calidad de vida de los pacientes, valorar la evolución antiinflamatoria de las citocinas, seguridad de los probióticos
Prebiótico: sustrato utilizado selectivamente por los microorganismos del huésped y que confiere un beneficio para la salud. Probiótico: microorganismos vivos que, cuando se ingieren en las cantidades adecuadas, pueden aportar beneficios para la salud de quien los consume. Simbiótico: compuesto que combina prebiótico y probiótico en el que el prebiótico favorece selectivamente al probiótico. SCA: síndrome clínico aislado; TCE: traumatismo craneoencefálico.

Las investigaciones son alentadoras, pero todavía queda mucho por aclarar: ¿cuál es el mecanismo por el cual los probióticos realmente funcionan?, ¿se debe sólo a una cepa o a la simbiosis de ellas?, ¿qué dosis usamos?, ¿durante cuánto tiempo? Hay muchas preguntas sin respuesta, pero lo que está claro es que se abre un campo de investigación con muchas posibilidades.

Conclusiones

Aunque existen evidencias que apoyan la relación entre la microbiota y el sistema nervioso central, queda por establecer su papel en la patogenia de algunas de las más prevalentes enfermedades neurológicas. Asimismo, el empleo de probióticos constituye una importante herramienta terapéutica en los tratamientos empleados. La respuesta a muchos de estos interrogantes vendrá de la mano de ensayos clínicos que aborden el papel de la microbiota.

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The microbiota-gut-brain axis and its great projections

Introduction. The microbiota is the set of millions of microorganisms that coexist in a symbiotic way in our body. It is mainly located in the digestive tract, being distributed in function of the chemical properties and the functions of the different organs. The factors that influence its composition are multiple (diet, individual habits, diseases or drugs). It also participates in several functions of the organism such as metabolism, immunity or even the function of the central nervous system.

Development. This last interrelationship is called: gut-brain axis. For years the relationship between the microbiota and the central nervous system has been known and how they influence one over the other. It is postulated that communication occurs through three systems: the vagus nerve, the systemic pathway (with the release of hormones, metabolites and neurotransmitters) and the immune system (by the action of cytokines).

Conclusions. There are still many unknowns to be clarified in this field, but this microbiota-intestine-brain relationship is postulated as a possible pathogenic basis for neurological diseases of great health impact such as Alzheimer, Parkinson or multiple sclerosis. There are currently studies with probiotics with hopeful results in patients with Alzheimer’s disease.

Key words. Alzheimer’s disease. Epilepsy. Gut-brain axis. Microbiota. Multiple sclerosis. Parkinson’s disease.

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