LABORATORIO DE URGENCIAS

Microbioma Revela Estabilidad Fundamental y Dinámica Individualizada Durante Salud y Enfermedad.

                                 Xin Zhou; Xiaotao Shen; Jethro Johnson; Erica Sodergren,George Weinstock; MichaelnSnyder et al
                                                               * Department of Genetics, Stanford University School of Medicine, Stanford, USA
                                                                          * Stanford Center for Genomics and Personalized Medicine, Stanford, USA
                                                                          * Stanford Diabetes Research Center, Stanford, CA, USA
                                                                          * The Jackson Laboratory for Genomic Medicine, Farmington,  USA
                                                                          * Oxford Centre for Microbiome Studies, University of Oxford, Headington, Oxford, ,UK
                                                                          * Division of Medical Oncology, Ohio State University Wexner Medical Center, Solove Research Institute,
                                                                             Columbus, ,USA
                                                                          * Medical Affairs, uBiome, San Francisco, USA
                                                                          * Stanford Healthcare Innovation Labs,Stanford University School Medicine, Stanford, USA
                                                                          * Department of Biomedical Engineering,Oregon Health & Science University,Portland, USA
                                                                          * Department of Immunobiology, Yale University School of Medicine, New Haven,USA
                                                                          * Shanghai Institute of Immunology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, PRC
                                                                          * Life Sciences Institute, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang, 310058, PR
                                                                          * Hunt School of Dental Medicine,Texas.University Health Science Center,El Paso, USA
                                                                          * Corporación Colombiana de Investig, Headquarters Mosquera,Colombia
                                                                          * Department of Medicine, University of Connecticut Health Center, FarmingtonUSA
                                                                          * Department of Laboratory Medicine, Yale University School of Medicine, New Haven,

                                                                                   CellHost and Microbe (April 2024), vol32; issue 4:506-26

El microbioma humano comprende comunidades microbianas altamente dinámicas que habitan diversos sitios del cuerpo y participan en intrincadas interacciones huésped-microbio que muestran una complejidad específica de cada territorio. Los avances en las tecnologías multiómicas han catalizado la elucidación de los mecanismos moleculares que subyacen a la ecología microbiana y sus interacciones con el huésped, revelando las funciones críticas del microbioma en procesos fisiológicos normales como el envejecimiento, así como en enfermedades como la enfermedad inflamatoria intestinal (EII), las enfermedades cardiovasculares y la diabetes mellitus tipo 2 (DM2). La etiología y la patogénesis de la resistencia a la insulina y la diabetes tipo 2 se han vinculado estrechamente con el microbioma humano. Los pacientes con homeostasis de insulina y glucosa alterada exhiben una composición del microbioma alterada en el intestino, la piel y otros sitios del cuerpo que reflejan una disbiosis ecológica caracterizada por una diversidad alfa microbiana alterada, una estabilidad compositiva disminuida y una mayor variabilidad interindividual. La integridad comprometida de la barrera mucosa y cutánea, a menudo asociada con la resistencia a la insulina, puede potenciar la translocación microbiana, exacerbando así la inflamación sistémica. Aunque los estudios del microbioma humano suelen ser, por necesidad, observacionales, se ha demostrado una relación causal entre la disbiosis del microbioma y la homeostasis de glucosa/insulina alterada a través de la manipulación del microbioma humano mientras que los estudios previos sobre el microbioma y la homeostasis de la glucosa han sido informativos, presentan ciertas limitaciones. Primero, estos estudios a menudo carecen de un muestreo longitudinal denso, esencial para capturar características de estabilidad, lo que limita las perspectivas fundamentales sobre las interacciones huésped-microbio. En segundo lugar, se centran principalmente en el microbioma de un único sitio del huésped, pasando por alto la importancia del muestreo simultáneo en múltiples regiones para evaluar la dinámica específica del microbioma en cada sitio y su interacción en diversos microambientes del huésped.
Por último, la mayoría de los estudios no miden simultáneamente los fenotipos clínicos y moleculares del huésped, lo que dificulta la exploración de las relaciones moleculares que subyacen a las interacciones huésped-microbioma relacionadas con la salud y la enfermedad. Iniciativas colaborativas como el Proyecto Integrador del Microbioma Humano (IHMP) y el Perfil Ómico Personal Integrador (IPOP) ofrecen vías para superar las limitaciones de estudios anteriores mediante la investigación de cohortes longitudinales humanas bien caracterizadas.
En este estudio, examinamos las relaciones entre los microbiomas de múltiples sitios y la salud del huésped en el contexto de la prediabetes, caracterizando el microbioma recolectado de cuatro sitios corporales en 86 adultos durante más de 6 años y analizando sus asociaciones con las características clínicas y ómicas del huésped.
Describimos trayectorias longitudinales únicas para los microbiomas en diferentes sitios corporales, demostrando su capacidad de respuesta tanto a factores específicos del huésped como ambientales.
Descubrimos que los microbiomas personalizados presentan mayor estabilidad que los microbiomas comunes, lo que subraya la resiliencia del microbioma individualizado.
No obstante, estos sistemas siguen siendo vulnerables a alteraciones como las infecciones virales, que pueden precipitar una disbiosis vinculada a disfunciones metabólicas. Además, nuestro análisis reveló asociaciones entre los microbiomas específicos de cada sitio y parámetros clínicos como los perfiles de citoquinas y la sensibilidad a la insulina, lo que resalta la interrelación entre la actividad inmunitaria y el bienestar metabólico.

RESULTADOS

Descripción del diseño del estudio
Analizamos el microbioma de heces, piel, cavidad oral y nariz de una cohorte humana de 86 participantes durante un período de hasta 6 años (1126,6 ± 455,8 días).
La ​​cohorte estaba compuesta por 41 hombres y 45 mujeres, con edades comprendidas entre los 29 y los 75 años (55 ± 9,8 años), y un IMC que oscilaba entre 19,1 y 40,8 kg/m² (28,31 ± 4,44 kg/m²). El muestreo se realizó trimestralmente, con 3 a 7 muestras adicionales recolectadas en un plazo de 5 semanas (12 % del total) durante períodos de estrés, como enfermedades respiratorias, vacunación o uso de antibióticos. El método de secuenciación del gen del ARN ribosomal 16S empleado en este estudio se centró en una región variable para facilitar la detección de variantes de secuencia de amplicones (ASV), lo que permitió la identificación y diferenciación de la mayoría de los taxones bacterianos a nivel de género y especie.
Una característica única de esta cohorte es el fenotipado multiómico de los participantes en cada punto temporal. Se realizaron proteómica no dirigida (302 proteínas), metabolómica no dirigida (724 características metabólicas anotadas), lipidómica dirigida (846 lípidos anotados) y 62 mediciones dirigidas de citocinas y factores de crecimiento, junto con 51 marcadores clínicos, incluyendo proteína C reactiva (PCR), glucosa en ayunas (GA), hemoglobina A1C (HbA1C), lipoproteína de baja densidad (LDL) y lipoproteína de alta densidad (HDL) de muestras de plasma. Las evaluaciones del control de la glucosa, que comprenden una prueba de tolerancia oral a la glucosa anual para todos los participantes y una medición estándar de oro de glucosa plasmática en estado estacionario (SSPG) para 58 individuos, clasificaron a 28 individuos como sensibles a la insulina (SI) y 30 como resistentes a la insulina (RI). En total, analizamos 3058 visitas y 5432 muestras biológicas (1467 de plasma, 926 de heces, 1116 de piel, 1001 orales y 922 nasales), generando un total de 118 124 374 mediciones.

Demografía microbiana y personalización en diferentes zonas del cuerpo: Desentrañando el impacto de la dieta y el entorno.
Inicialmente, examinamos la demografía general del microbioma en cada una de las cuatro zonas del cuerpo. Ampliando estudios previos, observamos una separación entre las zonas, incluyendo un límite claro entre las muestras de piel y nasales, lo que resalta la marcada especificidad territorial de cada microbioma. Los microbiotipos, como los enterotipos en el microbioma fecal, están presentes en todas las zonas del cuerpo, y su estructura comunitaria está influenciada principalmente por taxones específicos.
El microbioma fecal mostró principalmente un gradiente de distribución de abundancia entre Bacteroidetes y Firmicutes, excepto en algunas muestras con alta abundancia de Prevotella. El género central Phocaeicola, recientemente identificado, tuvo un impacto mínimo en el gradiente general de Bacteroidetes/Firmicutes, pero las muestras con alta presencia de Phocaeicola y Bacteroides se diferenciaron claramente.
El microbioma oral estaba compuesto principalmente por Prevotella, Streptococcus, Veillonella, Haemophilus, Neisseria y Leptotrichia, como se describió previamente.
Las muestras de microbioma cutáneo y nasal mostraron conjuntamente una distribución triangular, impulsada principalmente por tres géneros dominantes: Cutibacterium, Corynebacterium y Staphylococcus.
La distribución de los géneros microbianos se mantuvo consistente con los hallazgos de otras cohortes, independientemente de la diversidad de la sensibilidad a la insulina de los participantes en nuestro estudio. Sin embargo, nuestro estudio amplía estas observaciones al comparar longitudinalmente la covarianza interindividual e intraindividual en los cuatro sitios corporales dentro de la misma cohorte.
El análisis del coeficiente de correlación intraclase (intraindividual) (ICC) confirmó que la personalización microbiana es más pronunciada a nivel de ASV que en resoluciones taxonómicas más amplias, lo que destaca una mayor individualización con una resolución taxonómica más fina.
Cabe destacar que, a pesar de tener características ecológicas similares y componentes bacterianos dominantes, el microbioma nasal mostró una mayor personalización que el microbioma cutáneo, presumiblemente porque la dinámica del microbioma nasal depende más del huésped. Si bien factores ambientales como la estación del año y la dieta pueden influir en el microbioma humano, nuestros resultados sugieren que el impacto de la estacionalidad en el microbioma intestinal, a pesar de los resultados contradictorios de estudios previos, es relativamente modesto. Probablemente debido a su exposición externa directa, el microbioma cutáneo presentó la mayor dinámica estacional.
Le siguió el microbioma oral, que puede verse influenciado por los cambios dietéticos estacionales, ya que explicó una mayor variabilidad dietética que otros sitios.
También observamos una fluctuación significativa en la uniformidad del microbioma cutáneo y oral: estas dos comunidades se vuelven más uniformes durante el verano, con un mayor número de microbios diferentes, posiblemente desencadenado por cambios ambientales como la temperatura y la humedad. Basándonos en dos participantes con datos accesibles sobre exposición ambiental y química, encontramos una mayor covarianza entre el exposoma y el microbioma cutáneo que en otras zonas del cuerpo con impactos ambientales notables en sitios internos como el microbioma oral y el fecal, lo que respalda nuestra observación previa en un solo individuo. Al modelar la dinámica microbiana a lo largo de las estaciones, encontramos alteraciones más pronunciadas en el microbioma cutáneo y nasal que en el fecal y oral. Estos hallazgos no solo extienden nuestro conocimiento sobre la especificidad e individualidad del microbioma intestinal a otras zonas del cuerpo, sino que también amplían nuestra comprensión de las influencias ambientales sobre los microbiomas, donde la dieta moldea el microbioma oral y la exposición ambiental impacta el microbioma cutáneo y nasal.

El microbioma de distintas zonas del cuerpo es ecológicamente único y se altera en la resistencia a la insulina.
Más allá de la influencia de factores personales y ambientales, observamos atributos ecológicos distintos entre el microbioma en las cuatro zonas del cuerpo. El microbioma fecal exhibió la mayor riqueza y uniformidad, lo que subraya su complejidad esencial y su importancia funcional. En contraste, el microbioma cutáneo mostró una población más sesgada debido a su menor uniformidad en comparación con el microbioma nasal, a pesar de sus distribuciones de riqueza similares. Estas características ecológicas, que suelen variar con la progresión de la enfermedad, concuerdan con hallazgos previos de disbiosis intestinal relacionada con la IR, caracterizada por una disminución significativa en la diversidad alfa del microbioma fecal (t = 2,8462, p = 0,0067). Además, los cambios en los diagramas de dispersión de riqueza-uniformidad para los cuatro sitios corporales sugieren disbiosis sistémica en individuos con IR, evidenciada por una riqueza (t = −2,9102, p = 0,0057) y uniformidad (t = −2,4393, p = 0,019) significativamente mayores en el microbioma cutáneo. Estos cambios indican que la disbiosis asociada a la IR se extiende más allá del microbioma intestinal.
Es importante destacar que, al extender las observaciones longitudinales de sitios corporales individuales, definimos un "microbioma central" como los microbios presentes de forma constante a lo largo del tiempo, que representan géneros potencialmente indispensables en cada sitio corporal. Curiosamente, encontramos que los microbiomas de las heces y la cavidad oral mantienen más de 25 géneros centrales altamente prevalentes, mientras que los microbiomas nasales y cutáneos solo tenían tres. Es importante señalar que algunos géneros centrales tienen una baja abundancia relativa (es decir, Coprococcus prevalencia media = 80,75 %; abundancia relativa media = 0,544 %), lo que demuestra la importancia potencial de las cepas de baja abundancia. Curiosamente, la riqueza de géneros centrales en el microbioma de las heces y la cavidad oral está asociada negativamente con SSPG (Rho de Spearman = −0,52, p = 0,00047) y el IMC (Rho de Spearman = −0,40, p = 0,005), respectivamente, lo que indica que la IR y la obesidad pueden estar asociadas con una pérdida de microbiomas centrales en estos sitios.
Exploramos con mayor detalle las variaciones en la ecología del microbioma entre individuos con resistencia a la insulina (RI) y sin resistencia a la insulina (SI). Los sujetos con RI presentaron un número significativamente mayor de géneros centrales en la piel (t = −2,5856, p = 0,014) y un número menor de géneros centrales en las heces (t = 2,9659, p = 0,0051) en comparación con los individuos con SI. Cabe destacar que varias bacterias productoras de butirato (como Coprococcus, Parasutterella y Butyricicoccus) disminuyeron en los microbiomas centrales de las heces de los sujetos con RI, mientras que los patógenos cutáneos oportunistas relacionados con la diabetes (como Finegoldia y Acinetobacter) se enriquecieron en el microbioma central de la piel de estos individuos. Además, observamos una clara divergencia en las curvas de prevalencia relativa entre el microbioma de las heces y el de la piel, lo que demuestra un cambio global en la prevalencia microbiana en los sujetos con RI en estos dos sitios.
Asimismo, varios taxones mostraron diferencias significativas en su abundancia relativa entre los individuos con RI y los individuos con SI. El microbioma fecal de individuos con resistencia a la insulina mostró un aumento del género Phocaeicola (tamaño del efecto del análisis discriminante lineal [LEfSe]: 0,03; p ajustada por Benjamini-Hochberg [BH] = 0,017) y una reducción del género Ruminococcaceae no clasificado (LEfSe: 0,017; p ajustada por BH = 0,0039). Por otro lado, el microbioma cutáneo presentó una disminución del género Cutibacterium (LEfSe: 0,069; p ajustada por BH = 0,007) y un aumento del género Peptoniphilus (LEfSe: 0,0076; p ajustada por BH = 0,0022), previamente asociado con disbiosis cutánea relacionada con la diabetes e infecciones necrotizantes. No se observaron diferencias similares en los microbiomas oral y nasal.
Estos hallazgos indican, además, que la estabilidad del microbioma cutáneo y fecal se ve alterada en individuos con resistencia a la insulina. En general, nuestros resultados revelan que los participantes del grupo de intervención presentan un microbioma fecal con menor riqueza y bacterias productoras de butirato, y un microbioma cutáneo más susceptible a patógenos oportunistas. Estabilidad e individualidad taxonómica distintiva en los microbiomas de diferentes zonas corporales: una vía potencial para intervenciones personalizadas.

Demografía microbiana y personalización en diferentes zonas corporales: desentrañando el impacto de la dieta y el entorno.
Inicialmente, examinamos la demografía general del microbioma en cada una de las cuatro zonas corporales. Ampliando estudios previos, observamos una separación entre las zonas corporales, incluyendo un límite claro entre las muestras de piel y nasales, lo que subraya la marcada especificidad territorial de cada microbioma.
Los microbiotipos, como los enterotipos en el microbioma fecal, están presentes en todas las zonas corporales, y su estructura comunitaria está influenciada principalmente por taxones específicos. El microbioma fecal mostró principalmente un gradiente de distribución de abundancia entre Bacteroidetes y Firmicutes, excepto en algunas muestras con alta abundancia de Prevotella. El género central Phocaeicola, recientemente identificado, tuvo un impacto mínimo en el gradiente general de Bacteroidetes/Firmicutes, pero las muestras con alta presencia de Phocaeicola y vBacteroides se diferenciaron claramente. El microbioma oral estaba compuesto principalmente por Prevotella, Streptococcus, Veillonella, Haemophilus, Neisseria y Leptotrichia, como se describió previamente. Las muestras de microbioma cutáneo y nasal mostraron conjuntamente una distribución triangular, impulsada principalmente por tres géneros dominantes: Cutibacterium, Corynebacterium y Staphylococcus.
La distribución de los géneros microbianos se mantuvo consistente con los hallazgos de otras cohortes, independientemente de la diversidad de la sensibilidad a la insulina de los participantes en nuestro estudio. Nuestro estudio amplía estas observaciones al comparar longitudinalmente la covarianza interindividual e intraindividual en los cuatro sitios corporales dentro de la misma cohorte.
El análisis del coeficiente de correlación intraclase (CCI) confirmó que la personalización microbiana es más pronunciada a nivel de ASV que en resoluciones taxonómicas más amplias, lo que subraya una mayor individualización con una resolución taxonómica más fina.
Cabe destacar que, a pesar de tener características ecológicas similares y componentes bacterianos dominantes, el microbioma nasal mostró una mayor personalización que el microbioma cutáneo, presumiblemente porque la dinámica del microbioma nasal depende más del huésped.
Si bien factores ambientales como la estación del año y la dieta pueden influir en el microbioma humano, nuestros resultados sugieren que el impacto de la estacionalidad en el microbioma intestinal, a pesar de los resultados contradictorios de estudios previos, es relativamente modesto. Probablemente debido a su exposición externa directa, el microbioma de la piel mostró la mayor dinámica estacional. Le siguió el microbioma oral, que puede verse influenciado por los cambios dietéticos estacionales, ya que explicó una mayor varianza dietética que otros sitios. También observamos una fluctuación significativa en la uniformidad del microbioma de la piel y el oral: estas dos comunidades se vuelven más uniformes durante el verano, con un mayor número de microbios diferentes, posiblemente desencadenado por cambios ambientales como la temperatura y la humedad.
Basándonos en dos participantes con datos accesibles sobre exposición ambiental y química, encontramos una mayor covarianza entre el exposoma y el microbioma de la piel que en otros sitios corporales, con impactos ambientales notables en sitios internos como el microbioma oral y el fecal, lo que respalda nuestra observación previa en un solo individuo. Al modelar la dinámica microbiana a lo largo de las estaciones, encontramos alteraciones más pronunciadas en los microbiomas de la piel y la nariz que en los microbiomas fecal y oral. Los hallazgos no solo extienden nuestro conocimiento sobre la especificidad e individualidad del microbioma intestinal a otras zonas del cuerpo, sino que también amplían nuestra comprensión de las influencias ambientales sobre los microbiomas, donde la dieta moldea el microbioma oral y la exposición ambiental afecta al microbioma cutáneo y nasal.

El microbioma de distintas zonas del cuerpo es ecológicamente único y se altera en la resistencia a la insulina.
Más allá de la influencia de factores personales y ambientales, observamos atributos ecológicos distintos entre el microbioma de las cuatro zonas del cuerpo. El microbioma fecal presentó la mayor riqueza y uniformidad, lo que subraya su complejidad esencial y su importancia funcional. En contraste, el microbioma cutáneo mostró una población más sesgada debido a su menor uniformidad en comparación con el microbioma nasal, a pesar de sus distribuciones de riqueza similares. Estas características ecológicas, que a menudo cambian con la progresión de la enfermedad, coinciden con hallazgos previos de disbiosis intestinal relacionada con la resistencia a la insulina, caracterizada por una disminución significativa en la diversidad alfa del microbioma fecal (t = 2,8462, p = 0,0067).
Además, los cambios en los diagramas de dispersión de riqueza-uniformidad para los cuatro sitios corporales sugirieron disbiosis sistémica en individuos con IR, evidenciada por una riqueza (t = −2,9102, p = 0,0057) y una uniformidad (t = −2,4393, p = 0,019) significativamente mayores del microbioma cutáneo. Estos cambios indican que la disbiosis asociada a la IR se extiende más allá del microbioma intestinal.
Es importante destacar que, al extender las observaciones longitudinales de sitios corporales individuales, definimos un "microbioma central" como los microbios presentes de forma constante a lo largo del tiempo, que representan géneros potencialmente indispensables en cada sitio corporal. Curiosamente, encontramos que los microbiomas de las heces y la cavidad oral mantienen más de 25 géneros centrales de alta prevalencia, mientras que los microbiomas nasal y cutáneo solo tenían tres. Es importante señalar que algunos géneros centrales presentan una baja abundancia relativa (por ejemplo, la prevalencia media de Coprococcus es del 80,75 %; la abundancia relativa media es del 0,544 %), lo que demuestra la importancia potencial de las cepas de baja abundancia. Curiosamente, la riqueza de géneros centrales en el microbioma fecal y oral se asocia negativamente con el SSPG (coeficiente de correlación de Spearman = −0,52, p = 0,00047) y el IMC (coeficiente de correlación de Spearman = −0,40, p = 0,005), respectivamente, lo que indica que la resistencia a la insulina y la obesidad podrían estar asociadas con una pérdida de microbiomas centrales en estos sitios.
Exploramos además las variaciones en la ecología del microbioma entre individuos con resistencia a la insulina y con sensibilidad a la insulina. Los sujetos con resistencia a la insulina presentaron un número significativamente mayor de géneros centrales en la piel (t = −2,5856, p = 0,014) y un número menor de géneros centrales en las heces (t = 2,9659, p = 0,0051) en comparación con los individuos con sensibilidad a la insulina. Cabe destacar que varias bacterias productoras de butirato (como Coprococcus, Parasutterella y Butyricicoccus) disminuyeron en el microbioma central de las heces de individuos con resistencia a la insulina (RI), mientras que los patógenos cutáneos oportunistas relacionados con la diabetes (como Finegoldia y Acinetobacter) aumentaron en el microbioma central de la piel de estos individuos. Además, observamos una clara divergencia en las curvas de prevalencia relativa entre el microbioma de las heces y el de la piel, lo que demuestra un cambio global en la prevalencia microbiana en estos dos sitios en individuos con RI.
Varios taxones difirieron significativamente entre los individuos IR e IS en abundancia relativa. El microbioma fecal de los individuos IR mostró un aumento del género Phocaeicola (tamaño del efecto del análisis discriminante lineal [LEfSe]: 0,03; p ajustada de Benjamini-Hochberg [BH] = 0,017) y una reducción del género Ruminococcaceae no clasificado (LEfSe: 0,017; p ajustada de BH = 0,0039), mientras que el microbioma de la piel exhibió una disminución en el género Cutibacterium (LEfSe: 0,069; p ajustada de BH = 0,007) y un aumento del género Peptoniphilus (LEfSe: 0,0076; p ajustada de BH = 0,0022), que se ha asociado previamente con la disbiosis cutánea relacionada con la diabetes y las infecciones necrotizantes. No se observaron tales diferencias en los microbiomas oral y nasal.
Estos hallazgos indican además que la estabilidad del microbioma cutáneo y fecal se ve alterada en individuos con resistencia a la insulina (RI). En general, nuestros resultados revelan que los participantes con RI presentan un microbioma fecal con menor riqueza y bacterias productoras de butirato, y un microbioma cutáneo más susceptible a patógenos oportunistas.
Estabilidad e individualidad específicas de taxones en microbiomas de diferentes partes del cuerpo: Una vía potencial para intervenciones personalizadas.
A continuación, examinamos la estabilidad del microbioma a nivel de género en diferentes partes del cuerpo, planteando la hipótesis de que la estabilidad es específica de taxón y de sitio. Definimos una métrica, el "grado de individualidad microbiana" (DMI), para cada género, que cuantifica la similitud dentro de un individuo en relación con la población; un DMI alto significa que los taxones microbianos son altamente específicos de cada individuo. También calculamos una "puntuación familiar" para evaluar la disimilitud microbiana dentro de los hogares. Las observaciones ampliadas del microbioma fecal, cutáneo, oral y nasal también demostraron una variación intraindividual y familiar significativamente menor en comparación con la variación observada entre diferentes individuos. A nivel intraindividual, la tasa de recambio completo de ASV dentro de un género a lo largo del tiempo fue más alta en el microbioma nasal (35,5% de los casos), seguido de la piel (24,4%), las heces (24,2%) y la cavidad oral (2,7%).
Este hallazgo subraya la dinámica ecológica intraindividual significativa a nivel de subgénero dentro de los microbiomas, a pesar de la estabilidad general de la comunidad.

DISCUSIÓN

Este estudio presenta un análisis sistemático de la ecología del microbioma y la dinámica del huésped en múltiples sitios a lo largo del tiempo. Mediante datos ómicos del microbioma y del huésped con fechas coincidentes, no solo ampliamos nuestro conocimiento sobre la estabilidad e individualidad del microbioma en diversos sitios corporales, sino que también proporcionamos hipótesis generadoras de mecanismos sobre las interacciones huésped-microbioma en el contexto de la prediabetes.
Demostramos varias observaciones interesantes:
(1) existe un microbioma central altamente estable a lo largo del tiempo y un microbioma oportunista altamente variable y más potente para el sistema inmunitario; estos son específicos de cada nicho.
(2) Las correlaciones entre los microbiomas en diferentes partes del cuerpo y las extensas interacciones con factores del huésped indican una coordinación sistémica e interacciones en todo el organismo humano.
(3) Los microbiomas altamente individualizados se asocian con distintos factores ambientales (es decir, estación del año, dieta, exposoma químico y biológico) de manera específica para cada nicho. Sin embargo, estos efectos no anulan la variabilidad aportada por los individuos, lo que sugiere que el huésped sigue siendo el principal factor de confusión para la variación observada en el microbioma.
(4) Las personas con resistencia a la insulina presentan un microbioma menos estable con miembros más diversos en la piel, posiblemente asociado con infecciones de las vías respiratorias superiores, así como interacciones huésped-microbioma significativamente alteradas.
El estudio reveló que los microbiomas de las heces y la cavidad oral presentan el mayor grado de individualización, probablemente debido a la influencia única de los hábitos alimentarios personalizados y factores específicos del huésped, como la resistencia a la insulina, que afectan al sistema digestivo.
Los microbiomas de la piel y la nariz están menos individualizados, posiblemente debido a la exposición ambiental individual. Observamos un impacto específico de factores ambientales, como la estación del año, en los microbiomas de estas cuatro zonas corporales. Por ejemplo, una disminución en la riqueza del microbioma fecal a finales del verano coincidió con hallazgos previos de un empeoramiento de la sensibilidad a la insulina durante este periodo.
Oservamos una disminución en la riqueza y uniformidad del microbioma oral desde finales del verano hasta el invierno, lo que sugiere una posible influencia de factores ambientales como la disponibilidad de alimentos frescos y los cambios en la duración de la luz solar. Asimismo, los cambios en la humedad de enero a abril podrían explicar el aumento de la riqueza en el microbioma de la piel y la disminución en el microbioma nasal. Estas observaciones subrayan el papel fundamental del huésped en la modulación del microbioma en respuesta a las fluctuaciones ambientales.
Mediante un muestreo longitudinal denso, pudimos cuantificar la estabilidad y el grado de individualidad de los microbiomas en diferentes zonas del cuerpo. La fuerte correlación entre la estabilidad y la individualidad del microbioma sugiere un papel activo del huésped en el establecimiento de poblaciones bacterianas comensales. Cabe destacar que esta individualidad parece ser específica de cada taxón, lo que apunta a la posibilidad de que la estabilidad del microbioma de un individuo pueda estar influenciada por los taxones bacterianos dominantes que porta. Por ejemplo, el mayor índice de materia seca (IMS) en Bacteroidetes en las heces vincula la proporción tradicional de Bacteroidetes/Firmicutes o los enterotipos con nuevos conocimientos en el contexto de los trastornos metabólicos.
Además, los microbiotipos en diferentes zonas del cuerpo de un mismo individuo presentan correlaciones. Los individuos con altos niveles de Bacteroides en las heces también presentan altos niveles de Cutibacterium en la piel y de Prevotella en el microbioma oral. En combinación con nuestros hallazgos sobre la correlación entre la individualidad y la estabilidad del microbioma, la interacción de bajo nivel entre el microbioma central y las citoquinas, y los patrones moleculares específicos del huésped en el interactoma huésped-microbioma, proponemos que la colonización y adaptación de bacterias en múltiples sitios corporales no es aleatoria, sino que está regulada con precisión por factores del huésped.
Los rasgos específicos de nicho suelen surgir mediante comparaciones entre múltiples sitios; por ejemplo, identificamos características únicas del microbioma oral. La tasa de recurrencia de bacterias orales no aumenta con el índice de masa corporal (IMC), posiblemente debido a una estructura comunitaria estable y conservada dentro del microbioma oral. Esto, junto con la alta interdependencia intrasitio del microbioma oral y su mínima correlación con otros sitios corporales, subraya su especialización. El entorno oral único, moldeado por factores como la saliva, los dientes, las encías, la lengua y la disponibilidad de nutrientes específicos, probablemente contribuye a esta especialización.
La individualidad y la estabilidad microbiana están estrechamente relacionadas con el sistema inmunitario del huésped, que, como es bien sabido, interactúa con los microbios en múltiples sitios corporales. Esta interacción modula tanto la colonización de microbios como sus beneficios funcionales (p. ej., el mantenimiento de la integridad de la barrera epitelial). Nuestro modelo bayesiano revela que las interacciones entre el microbioma y las citoquinas, si bien existen, son sutiles. Ciertos géneros muestran un cambio aproximado de 1,5 veces en respuesta a las variaciones de las citoquinas. La interacción entre las citoquinas inflamatorias y el microbioma demostró que los géneros de baja prevalencia (es decir, Proteobacterias fecales) probablemente se reducen durante los eventos inflamatorios del huésped. También revelamos una relación sistemática entre las citoquinas y la complejidad de los géneros del microbioma en cada sitio corporal. Cabe destacar que la diversidad dentro de un subconjunto del microbioma de la piel se correlaciona positivamente, mientras que la del microbioma fecal se correlaciona negativamente con el mismo grupo de citoquinas. Dada la asociación establecida de la IR con la inflamación crónica de bajo grado, los cambios observados en la diversidad entre los individuos con IR podrían estar relacionados con sus perfiles de citoquinas únicos.
Identificamos una lista de interacciones entre biomoléculas plasmáticas del huésped y microbiomas. Algunas de estas relaciones, como la de los metabolitos del alcohol y el microbioma intestinal, ya han sido documentadas. Asimismo, encontramos numerosas correlaciones entre diferentes partes del cuerpo y factores del huésped; por ejemplo, las bacterias Bacteroides en las heces y Cutibacterium en la piel están estrechamente relacionadas con el metabolismo lipídico.
Los análisis multiómicos sugieren una posible causalidad de los factores del huésped en estas relaciones, lo que refuerza la idea de una coordinación microbiana sistemática impulsada por el huésped en diferentes partes del cuerpo, tal como se propone en las teorías del eje intestino-cerebro e intestino-pulmón. Dado que muchos de los metabolitos, lípidos y proteínas son moléculas de señalización (por ejemplo, quimiocinas, hormonas y péptidos), estas moléculas podrían desempeñar un papel importante en la comunicación del organismo a través de todo el ecosistema huésped-microbioma. Es importante destacar que esta interacción presumiblemente ocurre de forma individual y se ve significativamente alterada en la etapa de la enfermedad.
Curiosamente, encontramos que Klebsiella en la piel se asoció positivamente con los metabolitos del alcohol. Esto indica que la ingesta de alcohol puede transformar al huésped en un entorno tolerante a Klebsiella, lo que resulta en la adaptación y expansión de Klebsiella patógena, como se describió anteriormente. Esta observación respalda hallazgos previos en la neumonía asociada al alcohol, donde el consumo de alcohol y la mayor susceptibilidad a Klebsiella en los pulmones pueden ser consecuencia del secuestro intestinal de células T específicas de Klebsiella o del deterioro, relacionado con el alcohol, de la producción/procesamiento de catabolitos de triptófano en la microbiota intestinal, lo que restringe el tráfico de células inmunitarias pulmonares.
La resistencia a la insulina (RI) parece alterar el intrincado equilibrio entre el huésped y la microbiota, como lo demuestra la presencia de una microbiota inestable y disbiótica en individuos con RI. En nuestro estudio, descubrimos diferencias marcadas en la composición, diversidad y miembros principales de la microbiota fecal y cutánea en individuos con RI en comparación con aquellos sin RI. Cabe destacar que el cambio sistemático en la prevalencia de la microbiota indica la transformación de toda una comunidad microbiana, en lugar de la anomalía de unos pocos miembros aislados. Esta disbiosis puede alterar la compleja interacción huésped-microbioma en sujetos con IR. De hecho, detectamos una coordinación reducida entre el huésped y los microbios, así como la ausencia de asociación entre la estabilidad del microbioma oral y cutáneo. Además, nuestro análisis de mediación valida nuestro resultado sobre la interacción reducida entre el microbioma intestinal y las citoquinas en individuos con IR y revela señales proinflamatorias elevadas vinculadas a los microbiomas del tracto respiratorio superior (microbioma oral y nasal) en estos individuos. Nuestra exploración exhaustiva de los cambios agudos en el microbioma durante la infección proporciona evidencia adicional que respalda esta teoría. Observamos un aumento significativo de géneros cutáneos enriquecidos en IR, como Peptoniphilus e Intrasporangium, durante el curso de una infección viral respiratoria, mientras que se produjo una disminución de géneros específicos en el microbioma fecal conocidos por la producción de butirato, como Clostridium_IV, Lawsonibacter e Intestinimonas. Si bien estos hallazgos no validan explícitamente el vínculo hipotético entre la infección viral respiratoria, la desregulación metabólica crónica y las complicaciones relacionadas, sugieren que los cambios microbianos relacionados con la infección podrían estar asociados con, o incluso causar, la disbiosis y las complicaciones del síndrome metabólico, tal como se observa en modelos animales.

Limitaciones del estudio
Se recomienda precaución al interpretar nuestros resultados debido a limitaciones inherentes. Los cálculos de DMI y FS se basan principalmente en la disimilitud de Bray-Curtis (BC). Por lo tanto, el diseño del estudio, como el tamaño de la muestra, la representación de la población, la elección de la métrica de disimilitud y la complejidad interna del género, pueden afectar la precisión. Además, si bien el DMI puede proporcionar una medida cuantitativa de la individualidad del microbioma, comprender su significado biológico o ecológico puede resultar complicado debido a la posible influencia de la genética del huésped, los factores ambientales y la regulación del huésped.
Al inicio del estudio, la secuenciación del ARN ribosómico 16S era altamente eficiente para analizar microbiomas ricos en ADN humano, como los presentes en hisopos nasales y cutáneos. Sin embargo, nuestro equipo, junto con otros, identificó posteriormente sus limitaciones para capturar con precisión géneros bacterianos específicos en microbiomas de heces y piel al centrarse únicamente en ciertas regiones variables.
A diferencia de la secuenciación metagenómica, el análisis del 16S no proporciona información sobre virus y hongos dentro de una comunidad microbiana, ni revela el potencial funcional de los genes. Asimismo, nuestro estudio no captura un perfil colectivo de todo el microbioma cutáneo u oral, dadas las características distintivas de las especies en diferentes sitios. En cambio, representa el microbioma de un único hisopo tomado de cada sitio corporal indicado. Además, las limitaciones geográficas y de estilo de vida de nuestros participantes podrían restringir la aplicabilidad general de nuestras conclusiones a poblaciones más diversas y complejas. Cabe destacar que nuestros análisis determinan principalmente asociaciones o efectos de mediación estadística, utilizando valores p como umbrales. A pesar del mayor poder estadístico que proporciona un diseño longitudinal, algunas observaciones con muestras o tamaños del efecto más pequeños podrían pasar desapercibidas. El análisis de cohortes más grandes podría revelar información adicional. Además, el uso de valores p tiene limitaciones, independientemente del umbral, como su dependencia del tamaño de la muestra, la posibilidad de interpretaciones erróneas y una tasa de error de tipo I elevada con pruebas múltiples.
Finalmente, si bien nuestro estudio destaca asociaciones notables y sugiere posibles relaciones causales, no establece causalidad. Nuestro análisis de mediación busca inferir direccionalidad y causalidad potencial, pero factores no observados podrían influir en estos hallazgos. Para confirmar vínculos causales, son esenciales estudios de seguimiento más específicos.
A pesar de estas limitaciones, nuestros estudios proporcionan diversas observaciones sobre la individualidad y la estabilidad del microbioma en múltiples sitios del cuerpo durante la salud y la enfermedad, y en individuos con diferentes estados de resistencia a la insulina/insuficiencia intestinal. Estas observaciones tienen importantes implicaciones en la modulación de la salud molecular humana mediante prebióticos y probióticos personalizados. Nuestros datos también constituyen un recurso valioso y único para la comunidad científica en general.