Influencia del ambiente sobre la microbiota comensal del intestino de la rata: Implicaciones en la inflamación y en mecanismos sensoriales

Abstract

Evidencias recientes sugieren que la microbiota comensal del intestino constituye un factor dinámico que se relaciona activamente con el hospedador, mediante sistemas específicos de reconocimiento bacteriano, y participa en la regulación de funciones sensoriales, motoras y secretoras gastrointestinales. En particular, la microbiota comensal del intestino se ha implicado en los mecanismos fisiopatológicos de la enfermedad inflamatoria intestinal. <br/>Este trabajo de investigación tiene como objetivo principal demostrar como variaciones en las condiciones ambientales llevan a cambios adaptativos espontáneos de la microbiota comensal del intestino de la rata, y como estos cambios afectan a los mecanismos intestinales de reconocimiento de la microbiota y modulan las respuestas inflamatorias y la expresión de sistemas endógenos sensoriales (en particular del sistema canabinoide).<br/>En primer lugar se ha caracterízado de la microbiota cecal comensal en ratas criadas en condiciones de barrera (SPF) y en ratas criadas en condiciones convencionales y los cambios espontáneos que se producen en el proceso de adaptación de uno a otro ambiente (ratas criadas en barrera adaptadas a condiciones convencionales). Para ello, se emplearon técnicas de hibridación in situ fluorescente (FISH) para los principales grupos bacterianos descritos en la microbiot intestinal y análisis de polimorfismos de fragmentos terminales de restricción (t-RFLP). Con la intención de correlacionar la microbiota con los sistemas de reconocimiento bacteriano se determinó también la expresión de los receptores de tipo Toll (Toll like receptors) 2 (TLR-2) y 4 (TLR-4); para ello se emplearon técnicas de RT-PCR. Los resultados obtenidos demuestran que las ratas criadas en barrera tienen mayor cantidad de Bacteroides spp y Clostridium spp y menor cantidad de bifidobacterias y lactobacilos que las ratas criadas en condiciones convencionales. Las ratas adaptadas a un ambiente convencional tienen las mismas poblaciones bacterianas pero en cantidades intermedias. Según el análisis de t-RFLP, la biodiversidad de las poblaciones bacterianas fue similar los tres grupos de animales. En particular, se observo una alta homogeneidad en el tiempo de las poblaciones bacterianas en el grupo barrera. La expresión de TLR-2 fue similar en los tres grupos, mientras que el TLR-4 mostró una clara tendencia a la sobre-expresión en condiciones de barrera y una reducción progresiva en la adaptación a condiciones convencionales. En general, los niveles de expresión no se correlacionaron con ninguno de los grupos bacterianos cuantificados.<br/>A continuación, se ha empleado un modelo de enteritis (íleitis) aguda inducida por indometacina para valorar variaciones de la microbiota comensal asociadas a la inflamación así como diferencias en la susceptibilidad a la inflamación entre ratas criadas en condiciones extremas de higiene (SPF) adaptadas a un ambiente convencional y ratas criadas en condiciones convencionales. Los resultados obtenidos muestran, que durante la inflamación aguda la microbiota comensal, tanto del ileon como del ciego, varía cualitativa y cuantitativamente. Además, se afectan los sistemas intestinales de reconocimiento bacteriano, con una sobre-expresión de los receptores TLR-2 y TLR-4 durante la inflamación. Con respecto a la respuesta inflamatoria propiamente dicha, las ratas criadas en condiciones convencionales mostraron, en general, una mayor susceptibilidad a la inflamación aguda que los animales SPF adaptados, tal y como mostró la evaluación clínica, histológica y bioquímica de la inflamación. <br/>Finalmente, se ha evaluado como la microbiota comensal del intestino puede afectar otros mecanismos sensoriales intestinales; en particular, mecanismos dependientes de receptores canabinoides. Para ello, se ha determinado la expresión intestinal de receptores canabinoides, CB1 y CB2, en ratas mantenidas en condiciones de barrera (SPF), ratas mantenidas en condiciones convencionales y animales criados en barrera y adaptados a condiciones convencionales. En general, los dos receptores se expresaron en tejido cecal, aunque los niveles de CB2 fueron mayores a los de CB1. Además, independientemente del receptor considerado, la expresión se reduce en el paso de un ambiente de barrera a un ambiente convencional. Estas variaciones en la expresión se correlacionaron positivamente con los cambios espontáneos en las poblaciones de Bacteroides spp y Clostridium spp y negativamente con la población de Bifidobacterium spp.<br/>En su conjunto, estos resultados muestran que la microbiota intestinal es un sistema dinámico, que varía y se adapta espontáneamente a las condiciones ambientales en las cuales se mantienen los animales de experimentación. Estos cambios implican variaciones en la homeostasis intestinal que afecta a la expresión de receptores de reconocimiento bacteriano (TLR-2 y TLR-4) o de receptores canabinoides, así como a la susceptibilidad a la inflamación, al menos en su fase aguda. Estas observaciones indican que la microbiota intestinal es un factor de variabilidad que puede afectar a los resultados experimentales y debe tenerse en cuenta en la interpretación de resultados experimentales, particularmente en el área de gastrointestinal.

Recent data suggest that gut commensal microbiota is a dynamic factor with an active relationship with the host, through the interaction with specific bacterial recognition systems, and directly involved in the regulation of gastrointestinal sensory, motor and secretory responses. In particular, gut commensal microbiota has been implicated in the pathophysiology of inflammatory bowel disease (IBD). <br/>This work aims to demonstrate how environmental variations lead to spontaneous adaptive changes of gut commensal microbiota in rats, and how these changes affect the expression of bacterial recognition systems and modulate gut inflammation and the expression of endogenous sensory systems (in particular the cannabinoid system).<br/>First, we determined changes in cecal commensal microbiota and expression of Toll Like Receptors (TLR), (TLR-2) and (TLR-4) in rats bred under microbiologically-controlled conditions (barrier), under standard conditions (conventional) and in barrier animals adapted to standard conditions (barrier/conventional). In these groups, cecal microbiota was analyzed by fluorescence in situ hybridization (FISH) and microbial profiles were assessed by terminal restriction fragment length polymorphism (t-RFLP). As to correlate microbiota and bacterial recognition systems within the gut, cecal expression of TLR-2 and TLR-4 was also determined by RT-PCR. Total number of cecal bacteria was similar in the three groups. However, the barrier group showed a higher number of strict anaerobic bacteria, namely Bacteroides spp and Clostridium spp, while Bifidobacterium spp and Lactobacillus spp were scarce. Re-housing the barrier-bred rats into conventional conditions led to a microbiota with intermediate characteristics between the barrier and the conventional groups. Richness of the cecal microbial ecosystem was similar in the three groups. Although a relative time-dependent variation was observed in microbiota composition, the barrier group showed high consistency over time. Expression levels of TLR-2 and TLR-4 were relatively low, without clear correlation with the microbiota. Only TLR-4 showed a tendency to be over-expressed in the barrier group.<br/>Thereafter, a model of indomethacin-induced acute enteritis (ileitis) in rats was used to assess inflammation-induced changes in gut commensal microbiota as well as differences in the susceptibility to inflammation between rats bred under high hygienic conditions (SPF) adapted to conventional conditions and rats bred and maintained under conventional conditions. Results obtained show specific, inflammation-induced, qualitative and quantitative changes of ileal and cecal comensal microbiota. Moreover, gut bacterial recognition systems are also affected by acute inflammation, with an over-expression of both TLR-2 and TLR-4. As it relates to inflammation per se, rats breds under conventional conditions showed, in general, higher susceptibility to inflammation than SPF animals adapted to the conventional environment; as demonstrated using clinical histological and biochemical parameters.<br/>Finally, we assessed how gut comensal microbiota affects other intestinal sensory mechanisms, in particular cannabinoid receptor-dependent mechanisms. For this, we determined the cecal expression of cannabinoid receptors 1 (CB1) and 2 (CB2) in the same groups of rats described above: 1) maintained under barrier conditions (SPF); 2) maintained under conventional conditions; and 3) bred under barrier conditions but adapted to a conventional environment. In general, both receptors were expressed in cecal tissues, although levels of expression of CB2 were higher than those of CB1. Moreover, independently of the receptor subtype considered expression levels diminished with the change from barrier to conventional conditions. These variations correlated positively with spontaneous changes in the counts of Bacteroides spp and Clostridium spp and negatively with the counts of Bifidobacterium spp.<br/>As a whole, these results show that gut commensal microbiota is a dynamic system, which varies and adapts spontaneously to the environmental conditions of maintenance of laboratory animals. These changes involve variations in gut homeostasis and affect the expression of bacterial recognition receptors, namely TLR-2 and TLR-4, and cannabinoid receptors (CB1 and CB2) and the susceptibility to acute intestinal inflammation. These observations suggest that gut commensal microbiota is a variable factor that can affect the experimental output and that, therefore, must be considered in the interpretation of studies, particularly in the field of gastrointestinal.