Role of gut commensal microbiota regulating colonic sensory-related systems

Abstract

La microbiota comensal del intestino se considera un factor clave en la homeostasis gastrointestinal. Las alteraciones funcionales gastrointestinales (síndrome del intestino irritable, SII) y las enfermedades inflamatorias intestinales (EII) se han relacionado con alteraciones de la microbiota comensal (disbiosis). Estos pacientes muestran una activación inmune local anormal, con respuestas motoras y sensoriales alteradas, que en el SII se traducen en estados de hipersensibilidad visceral. El papel causal de la microbiota no se conoce con exactitud, pero la presencia de disbiosis y los efectos positivos asociados al tratamiento con antibióticos o ciertos probióticos sugieren un papel destacado. Este trabajo explora la importancia de la microbiota intestinal modulando los sistemas sensoriales intestinales relacionados con el dolor visceral y sus efectos en respuestas nociceptivas viscerales. Para ello, se ha trabajado con ratas y ratones en los cuales se ha inducido un estado real (cambios adaptativos espontáneos, cambios inducidos por tratamiento con antibióticos) o simulado (estimulación directa de sistemas de interacción hospedador-microbiota) de disbiosis cólica. La microbiota (luminal y adherida al epitelio) se caracterizó usando hibridación in situ con sondas fluorescentes (FISH) y qPCR. La respuesta inmune local y los mecanismos de interacción hospedador-microbiota se valoraron determinando cambios en la expresión génica (RT-qPCR) de citoquinas, péptidos antimicrobianos, integrinas y receptores de tipo Toll (TLR), la producción de IgA secretora, alteraciones histopatológicas y el estado de la barrera de moco. Simultáneamente, se evaluaron cambios en la expresión de marcadores sensoriales. La sensibilidad visceral se valoró mediante el test de Writhing o la administración intracólica de capsaicina. La disbiosis cólica inducida por antibióticos, pero no la observada durante un proceso de adaptación espontánea al ambiente, se asoció a un estado de activación inmune local caracterizado por una regulación selectiva (tanto al alza como a la baja) de citoquinas pro-inflamatorias y de marcadores de interacción hospedador-microbiota y por cambios en los niveles luminales de IgA. Respuestas similares se observaron cuando se simuló al simular un estado de disbiosis mediante la estimulación local del TLR4 (lipopolisacárido) o del TLR7 (imiquimod). En ningún caso se observaron signos macroscópicos o microscópicos de colitis. Tanto en la rata como en el ratón, los estados de disbiosis cólica, real o simulada, se asociaron a una modulación local de la expresión de marcadores sensoriales (sistemas endocanabinoide, serotonérgico, opioide y vaniloide). Se observaron tanto regulaciones al alza como a la baja (RT-qPCR/inmunohistoquímica) dependiendo del modelo de disbiosis y del marcador sensorial considerado. Estos cambios moleculares se tradujeron en cambios funcionales relacionados con respuestas nociceptivas viscerales. Así, en ratones con disbiosis cólica inducida con antibióticos, las repuestas de dolor visceral determinadas con el test de Writhing o tras la administración intracólica de capsaicina mostraron una atenuación significativa con respecto a las observadas en animales control, sugiriendo un estado de hipoalgesia. Estos animales mostraron además una contractilidad cólica alterada (baño de órganos), indicativa de un estado de hipermotilidad. Estos resultados muestran que en estados de disbiosis intestinal se produce una activación inmune local, dirigida, probablemente, a la restauración de la composición de la microbiota. Se observa que la microbiota es capaz de modular la actividad de los sistemas sensoriales intestinales, generando cambios funcionales que se traducen, en las condiciones experimentales presentes, en una modificación de las respuestas de dolor visceral compatible con un estado de tipo analgésico. Mecanismos similares podrían explicar los efectos beneficiosos asociados al tratamiento con antibióticos o al uso de probióticos observados en pacientes con SII o EII. Estudios posteriores deberían centrarse en la caracterización de los grupos bacterianos específicamente responsables de estos efectos. Estos resultados muestran la importancia de la microbiota como factor patogénico en las alteraciones gastrointestinales y su interés como aproximación terapéutica para las mismas.

Gut commensal microbiota (GCM) is a key component of gastrointestinal homeostasis. Functional gastrointestinal disorders (mainly irritable bowel syndrome, IBS) and inflammatory bowel diseases (IBD) have been related to states of altered GCM (dysbiosis). Simultaneously, IBS and IBD patients show local states of abnormal immune activation with altered motor and sensory responses. In particular, in IBS patients sensory alterations lead to characteristic states of visceral hypersensitivity. The exact causal role of GCM remains unclear, but the presence of dysbiosis and the positive effects of antibiotics and some probiotics suggest a key role for the microbiota. The present work explores the potential role of gut microbiota affecting visceral pain-related sensory systems within the gut and the effects on nociceptive responses. For this purpose, states of real (spontaneous adaptive microbial changes, antibiotic treatment-derived microbial changes) or simulated (direct stimulation of host-bacterial interaction systems) colonic dysbiosis were generated in rats and mice. Colonic microbiota (luminal and wall-adhered) was characterized by fluorescent in situ hybridization (FISH) and qPCR. The immune status of the colon and bacterial-host interactions were determined assessing the expression (RT-qPCR) of pro- and anti-inflammatory cytokines; antimicrobial peptides, integrins and Toll-like receptors (TLRs), the production of secretory IgA (s-IgA), the presence of histopathological alterations and the state of the mucous barrier. Simultaneously, changes in sensory related markers were also assessed. Changes in viscerosensitivity were determined in conscious mice using the Writhing test or following the intracolonic administration of capsaicin. Overall, antibiotics-induced alterations of the GCM, but not spontaneous changes associated to environmental adaptation, generated a state of local immune activation within the colon. This state was characterized by selective up- and down-regulation of pro- and anti-inflammatory cytokines and host-bacterial interaction markers and changes in the amounts of s-IgA. Similar immune response was observed when a dysbiotic state was simulated in rats by the direct stimulation of colonic TLR4 with bacterial lipopolysaccharides (LPS) or TLR7 with the selective agonist imiquimod. Although these changes, and regardless the model considered, no macroscopical or microscopical signs of colonic inflammation were detected. In both, mice and rats, real or simulated colonic dysbiotic states were also associated to a local modulation of sensory-related markers (endocannabinoid, serotonergic, opioid and vanilloid systems), with specific treatment-related up- and down-regulatory responses (RT- qPCR and immunohistochemistry). These variations at the molecular level translated in functional changes as it relates to visceral pain-related responses. In mice with antibiotic-induced dysbiosis, visceral pain responses assessed using the Writhing test or the intracolonic administration of capsaicin were significantly attenuated when compared to non-dysbiotic animals; thus suggesting a hypoalgesic state. Moreover, colonic contractility assessed in vitro (organ bath) was also altered in dysbiotic mice, indicating a state of increased colonic motility. Generally, results obtained show that during states of dysbiosis of the GCM there is a complex host response that implies a local immune activation, probably directed towards the reshaping of the microbiota. Data obtained shows that the microbiota is able to influence gut sensory systems and that these changes translate at a functional level in the modulation of visceral pain, eliciting, at least in the present experimental conditions, analgesic-like responses. Similar underlying mechanisms might be responsible for the beneficial effects observed in IBD and, particularly, in IBS patients during antibiotic treatments or during the use of certain bacterial strains as probiotics. Further studies should address the characterization of the specific bacterial groups implicated in these effects. These results highlight the importance of the microbiota as pathogenic factor in gastrointestinal disorders and its potential as a therapeutic approach.