Interacciones parásito-hospedero-microbioma en infecciones causadas por protozoos y helmintos (2024)
El microbioma intestinal cumple un rol esencial en diversas actividades metabólicas, fisiológicas e inmunológicas en el hospedero, las cuales, en equilibrio, promueven un adecuado funcionamiento y salud intestinal, ofreciendo adicionalmente, una barrera de protección frente a la colonización e infección por agentes patógenos virales, bacterianos y eucariotas. Dentro de estos organismos, diferentes parásitos, protozoos y helmintos, tienen una importante interacción con este microbioma y se ha propuesto que esta interacción puede tener una gran relevancia con aspectos asociados a la dinámica de la infección, progresión, persistencia, heterogeneidad clínica, entre otros. Una amplia variedad de parásitos pueden ser agentes etiológicos de diversas infecciones y enfermedades tanto a nivel intestinal como sistémico y es claro que a diferencia de los principales patógenos bacterianos y virales, no existen vacunas disponibles para prevenir estas infecciones y por ello su manejo se fundamenta en aspectos de prevención y tratamiento. Actualmente se conoce que las infecciones parasitarias tienen una interacción con el microbioma intestinal del hospedero influyendo en aspectos de salud y enfermedad, establecimiento, progresión y persistencia de la infección e incluso se ha considerado que estos cambios pueden predisponer al hospedero a diferentes enfermedades intestinales, cardiovasculares, cáncer, obesidad y algunos desórdenes del sistema nervioso central. Diversos estudios han revelado hallazgos de gran interés relacionados con, como el microbioma intestinal puede verse alterado por la presencia de parásitos, tanto protozoos como helmintos, los cuales principalmente han sido desarrollados bajo enfoques descriptivos en seres humanos y de manera complementaria, implementando modelos animales para comprender estos cambios. Sin embargo, estos estudios han usado principalmente la estrategia de metabarcoding (usando marcador 16S rRNA), las cuales brindan información asociada a la composición y estructura de la microbiota, pero que no permiten obtener información referente a predicciones funcionales que brinden un panorama general de cómo los cambios en el microbioma también pueden verse reflejados en cambios en la abundancia de ciertos genes y vías metabólicas claves en estas interacciones. Es por lo anterior, que se requieren estudios como el presente, enfocados en determinar las interacciones parásito-hospedero-microbioma a partir de la integración de una aproximación descriptiva en seres humanos y otro experimental en modelos animales utilizando complementariamente aproximaciones basadas en metabarcoding y metagenómica que permitan un visión más completa de los aspectos vinculados a esta interacción. Los cambios en la estructura y composición del microbioma intestinal en respuesta a infecciones y colonizaciones por protozoos y helmintos, tanto en seres humanos como en modelos animales facilita la correlación de estos hallazgos con distintas variables de interés que pueden representar factores de riesgo asociados a la infección, permitiendo así un mejor entendimiento de los procesos fisiopatológicos y epidemiológicos relacionados con estas infecciones. Esto adquiere mayor relevancia en países en vía de desarrollo donde la prevalencia de infecciones parasitarias es mayor y donde información relevante en el campo de la biología del parásito y de la fisiopatología de la infección y enfermedad, puede brindar un insumo esencial para el desarrollo de nuevas estrategias de manejo, prevención, profilaxis, tratamiento y diagnóstico en el marco de las políticas de salud pública dirigidas a la mitigación de este tipo de eventos. Teniendo en cuenta lo anterior, el presente estudio tuvo como objetivo, evaluar cambios en los perfiles de microbioma en humanos y modelos animales infectados por protozoos y helmintos y sus potenciales implicaciones en las interacciones parásito-hospedero-microbioma. Como objetivos específicos, los cuales son abordados en cada uno de los capítulos que serán descritos a continuación, se establecieron, (1) Determinar la frecuencia de protozoos intestinales (Blastocystis, Giardia, Cryptosporidium, complejo Entamoeba histolytica/dispar/moshkovskii) y helmintos (Ascaris lumbricoides, Trichuris trichiura, Uncinarias) en una población rural del departamento del Cauca, Colombia, mediante la aplicación de técnicas moleculares (PCR - qPCR) y convencionales (microscopía). (2) Describir los cambios en la microbiota intestinal en una población rural del departamento del Cauca, Colombia con presencia de Blastocystis a partir de un enfoque de metabarcoding usando simultáneamente los marcadores 16S y 18S rRNA. (3) Caracterizar los cambios en el microbioma intestinal del hospedero asociados a la infección por el protozoo Trypanosoma cruzi en un modelo animal a partir de un enfoque metagenómico. (4) Evaluar los cambios en la microbiota del hospedero y del helminto asociados a la infección por Ascaris suum en un modelo animal a partir de un enfoque de metabarcoding. (5) Identificar el proteoma de los productos de excreción-secreción (ES) de diferentes etapas larvales de Ascaris suum (L3-huevo, L3-pulmón, L3-tráquea) a partir de un enfoque proteómico. En el primer capítulo, en relación con el primer objetivo, se encontraron altas frecuencias de protozoos y helmintos intestinales en muestras de humanos, animales y agua, siendo Blastocystis el protozoo más frecuente. La detección en animales domésticos sugiere la posibilidad de transmisión zoonótica. Se identificaron múltiples especies de protozoos y helmintos conocidas por presentar frecuencias relevantes en humanos y animales, tales como Blastocystis, Giardia, Cryptosporidium, Entamoeba hystolitica, Ancylostoma duodenale, Taenia solium, y por primera vez en Colombia, se reportó la presencia de Ancylostoma ceylanicum. Lo anterior resalta la importancia de utilizar técnicas moleculares para la detección de estos en comunidades rurales. Los resultados indican una alta frecuencia de protozoos y helmintos intestinales y subrayan la necesidad de implementar medidas de salud pública para prevenir su transmisión, especialmente en áreas con riesgo de transmisión zoonótica y ambiental. Respecto al segundo objetivo de este primer capítulo, teniendo en cuenta que se identificó que Blastocystis fue el protozoo más prevalente, se describieron los cambios en la microbiota intestinal de los hospederos humanos colonizados por este eucariota. Se observó que la presencia de Blastocystis se relacionó con una mayor diversidad de la microbiota, tanto bacteriana como eucariota. Además, se identificaron taxones diferencialmente abundantes relacionados no solo con la presencia del protozoo, sino también con su carga. Se identificó que géneros tales como Bacteroides, Prevotella, Oscillibacter, Faecalibacterium y Alistipes fueron diferencialmente abundantes en los individuos positivos para Blastocystis, encontrando adicionalmente, una relación entre la carga de Blastocystis y la abundancia de géneros como Alistipes y Lachnospira. En el segundo capítulo, en relación con el objetivo 3, se caracterizó el efecto de la infección por Trypanosoma cruzi en el microbioma intestinal de un modelo murino utilizando dos cepas distintas de ratón, mediante un enfoque metagenómico. Los resultados mostraron cambios significativos en el microbioma intestinal de ambos modelos tras la infección, siendo estos cambios más pronunciados en el modelo BALB/c. Se identificaron bacterias cuya abundancia se vio alterada, incluyendo miembros de los géneros Lactobacillus, Bacteroides y Alistipes, entre otros. Además, los análisis de predicción funcional y ensamblaje de genomas permitieron determinar el impacto de la infección en diversos procesos metabólicos, tales como la síntesis de ácidos grasos de cadena corta, aminoácidos y procesos energéticos. Este estudio demuestra que la infección por T. cruzi puede alterar significativamente el microbioma intestinal, con efectos dependientes del modelo de hospedero, lo que sugiere una compleja interacción entre el parásito, el hospedero y el microbioma. Estos hallazgos podrían tener implicaciones para el desarrollo de nuevas estrategias profilácticas e incluso terapéuticas contra la enfermedad de Chagas, basadas en la modulación del microbioma. En el tercer capítulo, para el cumplimiento del objetivo 4, se evaluó la microbiota asociada con diferentes etapas de desarrollo de Ascaris y su impacto en la microbiota del hospedero durante la migración larval en un modelo murino. Se evaluaron muestras de heces, intestino, hígado y pulmones en los días 4, 8 y 14 post-infección. El análisis de la diversidad bacteriana mediante secuenciación del 16S rRNA identificó 8,040 variantes de secuencias de amplicones (ASVs), siendo la microbiota asociada a Ascaris la más diversa y distinta en comparación con la del hospedero. Se encontraron géneros específicos en Ascaris, como Bradyrhizobium, Achromobacter y Pseudomonas, lo que sugiere un posible intercambio de bacterias con el hospedero durante la migración larval. Estos hallazgos proporcionan una base para investigar las dinámicas ecológicas y funcionales de las interacciones helminto-microbiota, con potenciales aplicaciones terapéuticas. Complementariamente, para el desarrollo de objetivo 5, se realizó la identificación del proteoma de los productos excretores-secretores (ESPs) de Ascaris suum durante sus diferentes etapas de desarrollo larval. Los ESPs son fundamentales para la interacción del parásito con su hospedero y representan posibles blancos para el desarrollo de nuevas estrategias de control. Se identificaron un total de 1,738 proteínas en los ESPs de A. suum, observándose variaciones en la composición proteica a lo largo del desarrollo larval. Las proteínas identificadas participan en diversas funciones biológicas, incluyendo metabolismo, señalización celular, inmunomodulación y protección contra el sistema inmunitario del hospedero. Este análisis proporciona una visión global del proteoma de los ESPs de A. suum durante su desarrollo larval y podría contribuir a una mejor comprensión de la biología del parásito y de su interacción con el hospedero y su microbiota, así como al desarrollo de nuevas estrategias de control y tratamiento. En conclusión, los resultados presentados en esta tesis doctoral subrayan la complejidad y relevancia de las interacciones entre parásitos, microbioma y huésped en diferentes escenarios biológicos y geográficos. Se evidenció una alta frecuencia de protozoos y helmintos intestinales, principalmente Blastocystis, ligada a condiciones deficientes de saneamiento y calidad del agua. La colonización por Blastocystis se asoció con una mayor diversidad bacteriana intestinal y la presencia de taxones beneficiosos para el hospedero, lo que sugiere posibles efectos protectores en la salud intestinal. Las diferencias en la composición del microbioma entre individuos con diferentes cargas de Blastocystis y aquellos no colonizados subrayan una relación dosis-dependiente que, en conjunto con factores ambientales y dietéticos, puede influir en la regulación del microbioma, abriendo la posibilidad de usar Blastocystis como un marcador de salud intestinal en poblaciones rurales no-occidentalizadas. Los modelos murinos infectados con Trypanosoma cruzi evidenciaron alteraciones significativas en el microbioma y respuestas inmunológicas específicas, destacando el papel de ciertas bacterias como en la respuesta inflamatoria del hospedero y en cambios funcionales en diversas vías metabólicas como la síntesis de ácidos grasos, vitaminas y nucleótidos esenciales para el hospedero. Asimismo, el análisis de la microbiota del helminto y del hospedero durante el ciclo migratorio de Ascaris sugirió una potencial transferencia de bacterias desde el huésped al parásito, lo que podría influir en la supervivencia y patogenicidad del nemátodo. Estos hallazgos no solo enfatizan la necesidad de estudios longitudinales para comprender mejor las interacciones entre parásitos, microbioma y huésped, sino que también plantean nuevas perspectivas en la modulación microbiana como estrategia terapéutica para mejorar la salud de poblaciones vulnerables. Finalmente, de manera complementaria, este proyecto doctoral buscó contribuir con las diferentes estrategias establecidas por el gobierno nacional y territorial en el marco de los lineamientos estratégicos de políticas públicas, así como también aquellas relacionadas con ciencia, tecnología e innovación. Como se ha especificado para Colombia en el Plan Nacional de Desarrollo, una de las metas es el fortalecimiento de las IES públicas, motivo por el que el trabajo conjunto y colaborativo llevado a cabo en el presente proyecto representa un aporte fundamental para el alcance y cumplimiento de esta meta. A nivel departamental el Plan Estratégico de Ciencia, Tecnología e Innovación para el Departamento del Cauca (PEDCTi) en el marco la propuesta “Visión Cauca 2020”, constituye el referente sobre el cual se estructura el desarrollo de la ciencia, la tecnología y la innovación para beneficio de la sociedad en el departamento del Cauca y en general en el país. Con base en lo anterior, es claro como la contribución desde el punto de vista de la generación del conocimiento y del fortalecimiento de la educación en IES en el departamento, representa un aspecto clave en el cual el presente proyecto aporta en el avance de la innovación y desarrollo tecnológico del Cauca y en la adecuación de la sociedad a los cambios que conlleva el desarrollo científico.