El secreto de los Microbiomas Oculares

La plácida superficie ocular que está llena de vida podría guardar el secreto para el tratamiento de enfermedades oftamológicas

El proyecto del microbioma humano, hijo del anterior y más grande proyecto del genoma humano, finalmente está empezando a hacerse un nombre propio. Más allá del éxito notable de la terapia de bacterias, hay estudios sugiriendo complejas interacciones fisiológicas entre los seres humanos y nuestros pasajeros microbianos en todo el cuerpo. A pesar de que  los primeros intentos de catalogar y caracterizar el microbioma humano, pasan por alto el ojo, ahora hay un esfuerzo conjunto para obtener una descripción completa de los microbios conjuntivales y corneales. En temas terapéuticos de este mes nos fijamos en lo que hemos aprendido sobre el microbioma ocular, y entender cómo las comunidades microbianas en la superficie ocular pueden ser la clave para futuras terapias oftalmológicas.

Mapeando el microbioma

Las comunidades microbianas que habitan en nuestro cuerpo son mucho más extensas de lo que previamente se apreció, superando a nuestras propias células por un factor estimado de al menos 10 a uno. Aunque durante mucho tiempo se ha reconocido que muchos de estos microbios son participantes críticos en una variedad de enfermedades humanas, su posible papel en el mantenimiento de la salud humana como especie comensal o simbiótica no ha sido claro.

En 2008, el National Institutes of Health puso en marcha el proyecto del microbioma humano con el objetivo de cartografiar la diversidad de especies microbianas que cohabitan el cuerpo humano y, al hacerlo así sentó las bases para comprender la importancia de estas comunidades en la salud humana. Un objetivo clave de este proyecto fue la identificación de un «núcleo» microbioma en individuos sanos, para establecer un punto de referencia en  que variantes podrían ser identificadas y correlacionadas con enfermedades específicas. Se recogieron muestras de 300 sujetos sanos en cinco áreas de cuerpo: cutáneo; urogenitales, gastrointestinales; oral; y nasal. Estudios posteriores revelaron que en individuos sanos los microbios que forman parte de sus cuerpos, difieren notablemente. Sin embargo, identificaron muchas especialidades, dando lugar al concepto de microbiomas específicos según el área. Gran parte de esta diversidad permanece inexplicable, aunque la dieta, el medio ambiente, la genética del anfitrión y la exposición microbiana temprana, sean partes implicadas.

Estudios del proyecto microbioma humano, muestran una gran variedad de microbios en cada una de las zonas del cuerpo examinadas. Además, la huella microbiana dentro de un cuerpo determinado, o la diversidad y abundancia de diferentes tipos de organismos, parece tener algún valor predictivo cuando se mira en relación con varias enfermedades.  Por ejemplo, la baja diversidad de organismos en el intestino está asociada a la obesidad y  enfermedades inflamatorias intestinales. Los biomas locales también cumplen funciones que son indispensables para el bienestar del huésped, tales como educar el sistema inmunitario en tolerancia hacia microorganismos comensales. La mala regulación de este proceso se ha demostrado estar asociada a enfermedades gastrointestinales tales como colitis y síndrome de intestino irritable. A destacar terapias que utilizan trasplantes fecales que están proporcionando buenos resultados, siendo un buen ejemplo de la manipulación terapéutica de micro biomas existentes para el alivio de la enfermedad.

¿Y los ojos?

Estudios del proyecto microbioma humano dieron lugar a la pregunta de si las mucosas como las de la superficie ocular,  también poseían una microbiota residente y si es así, ¿estos también desempeñan un papel en la fisiología de la enfermedad?. El epitelio conjuntival forma una barrera a la infección ocular y representa una interfaz entre la microbiota diversa y abundante de la piel y la superficie ocular. La comunicación entre la flora microbiana comensal y el epitelio conjuntival puede ser fundamental para la homeostasis de la superficie ocular y la inducción de tolerancia inmune. Por lo tanto, es concebible, como ocurre en el intestino, que la desregulación de una comunidad microbiana de la superficial ocular pueda contribuir a trastornos oculares. Además, como en el caso de trasplantes fecales, puede ser posible intervenir en enfermedades de superficie oculares mediante la introducción de una flora microbiana comensal apropiada.

El primer estudio que documenta la presencia de microbios en la superficie ocular remonta a 1930, cuando los investigadores utilizaron técnicas de cultivo convencional para identificar microorganismos.  Estos métodos han sido muy valiosos desde una perspectiva histórica, pero están limitados por los requisitos de crecimiento de los microorganismos, teniendo como resultado una tendencia hacia las especies de crecimiento más rápido o menos temperamental, que pueden cultivarse fácilmente en medios estándar. Es probable que muchos microbios permanecieran sin ser detectados utilizando estos métodos. Hoy en día, la secuenciación de genes se ha convertido en el estándar para estudios filogenéticos de las comunidades microbianas y para asignar taxonomías a las bacterias. Los métodos de secuenciación se centran en  pequeñas diferencias, propias de cada especie en las secuencias del ARN ribosómico bacteriano usando las mismas tecnologías de gran alcance y alta fidelidad, desarrolladas para el proyecto del genoma humano. Con este criterio podemos medir qué bacterias son residentes y no sólo residentes que pueden crecer en una placa de agar. Aunque las técnicas basadas en la secuencia proporcionan mejoras en la sensibilidad, es importante tener en cuenta que carecen de la relevancia clínica que proporcionan los cultivos. En caso de infección microbiana, no se puede probar la sensibilidad a antibióticos con productos de reacción en cadena de polimerasa. Además, la identificación de especies concretas de ARN  no puede, por sí mismo, confirmar que las especies son residentes viables de la superficie ocular.

Debido a las diferencias fisiológicas entre el ojo y otras partes del cuerpo humano, aparecen retos adicionales para caracterizar el bioma ocular. La función de cubierta limpiadora y los péptidos bactericidas en la película del lagrimal, ejercen una constante presión sobre la superficie ocular de desinfección. Un proyecto reciente estima que  el número de bacterias en la superficie ocular es mucho menor que en otras superficies mucosas; la película lagrimal puede albergar ~ 100 unidades formadoras de colonias por ml, mientras que la oral o gastrointestinal contiene entre 107 y 108 UFC/ml. Además, la superficie ocular está  próxima a otras comunidades microbianas, incluyendo la piel del margen del párpado o la piel de las manos (con el frotamiento de los ojos), y todo ello puede contribuir a la contaminación de muestras oculares. Este hecho plantea la posibilidad de que el ruido de los contaminantes puede encubrir fácilmente las señales de microbioma real. Estas variables, entre otras, hacen difícil distinguir la diferencia entre colonizadores estables y especies transitorias o contaminantes.

A pesar de estos retos, estudios recientes han identificado una microbiota superficial ocular que representa un grupo de organismos viables en la superficie ocular persistente y estable y evalúan cómo esta población varía en salud y enfermedad. Uno de los primeros ejemplos de estos esfuerzos se remonta a un estudio de 2002 que muestra que tanto el número de unidades formadoras de colonias como la diversidad de las especies bacterianas aumentan en personas que usan lentes de contacto. En 2007,  investigadores estudiaron la flora bacteriana superficial ocular normal, comparando pacientes sanos a los que tienen ojo seco. Estos investigadores reportaron que el 97 por ciento de los pacientes con ojo seco tenía cultivos bacterianos positivos, mientras que sólo el 75 por ciento fueron positivo entre los sujetos sanos. Sin embargo, tanto los cultivos como las técnicas de secuenciación de ADN revelaron géneros comunes entre los sujetos con ojo seco y los sujetos sanos, identificando un microbioma ocular específico en la enfermedad pero no concluyente.
En 2009, científicos del Instituto Bascom Palmer Eye iniciaron el proyecto microbioma Ocular, y en 2010, publicaron los resultados iniciales clasificando especies de cuatro sujetos sanos a nivel de phylum utilizando 16 secuencias RNA basadas en genes. Este estudio identificó 59 géneros bacterianos diferentes; 42 de estos no habían sido encontrados en ojos sanos, demostrando el poder de la secuenciación del RNA para revelar un microbioma ocular más diverso de lo que había sido divulgado previamente. Mientras que los resultados mostraron una gran  variabilidad  entre los sujetos analizados, se identificó una aparente base ocular superficial microbioma, con 12 de los 59 géneros identificados en todos los sujetos examinados. Este análisis se realizó a una pequeña muestra, por lo que se necesitan estudios adicionales para confirmar la identificación del núcleo.

Ventajas del microbioma

Basado en las lecciones de otros microbiomas, una característica clave parece ser la diversidad de poblaciones bacterianas que se asocian a estados de enfermedad. Por ejemplo, pacientes con rinosinusitis crónica, mostraron los mismos tipos de bacteria nasal que los pacientes no afectados, pero sus bacterias estaban alteradas, ya que se reduce la diversidad de la especie. Estas reducciones en la diversidad del microbioma se observan en diferentes enfermedades. La alteración de la diversidad bacteriana y/o número de bacterias, puede tener efectos perjudiciales sobre la función de anfitrión a través de mecanismos de detección conjunta, o sistemas de señalización de célula a célula bacterianos a través del cual se regula la expresión del gen. La detención conjunta, se utilizada por  un número de bacterias para coordinar la expresión de genes implicados en la virulencia, formación de biopelículas y patogenicidad. Actualmente hay estudios en curso que exploran la posible relación entre los mecanismos de detección grupal poblaciones bacterianas y trastornos oculares tales como ojo seco.

Un ejemplo alternativo de la importancia potencial del bioma ocular, proviene de un estudio de 2002 y del papel de las bacterias comensales en el metabolismo de mucina. Este estudio mostró que individuos sanos tenían niveles más altos de enzimas derivadas de bacterias mucinolytic, las cuales  probablemente funcionan para separar mucinas de la superficie epitelial, liberándolas en la película lagrimal. Estas mucinas solubles, a su vez, reducen el crecimiento de bacterias oculares, creando un circuito de retroalimentación reguladora que actúa para controlar la carga bacteriana de la película lagrimal. Es fácil imaginar cómo un cambio de las bacterias podría interrumpir este ciclo y potencialmente permitir crecimiento de bacterias patógenas.

¿Cómo afecta la identificación de un bioma ocular en futuras terapias? Un estudio reciente exploró la posibilidad de terapias basadas en el microbioma para el tratamiento de trastornos oculares mediante el uso de gotas probióticas. Un tratamiento de cuatro semanas con un probiótico de Lactobacillus en gotas produjo una reducción moderada de signos y síntomas en pacientes con un a queratoconjuntivitis vernal de leve a moderadoa. El tratamiento no tuvo efectos secundarios y se toleró bien. Este nuevo uso de los probióticos tópicos, sugiere un papel potencial de las bacterias de superficie oculares en la regulación de las respuestas inmunes en el ojo y confirma la necesidad de más exploración de la terapia probiótica para la inflamación ocular en humanos.

Hasta que la  flora ocular de base se defina con mayor precisión, será difícil identificar bacterias como symbiotics, comensales, patógenos o alguna combinación de estos.  Tal vez lo más importante será darese cuenta que no va a ser algo simple. Así pués, tenemos un largo camino por recorrer antes de entender los microbiomos que cohabitan en nuestros cuerpos. A pesar de ello, es cada vez más evidente que en lugar de considerar los microbios que están en nuestro interior como parásitos o silenciosos pasajeros,  son parte de una comunicación continua, un intercambio que puede ser parte de nuestra fisiología como los impulsos autónomos que nos indican cuando respirar y parpadear. Es posible que muchos de los trastornos que ahora no entendemos sean explicables en el contexto de una simbiosis entre el bioma ocular y la superficie ocular.

Dr. Abelson es profesor clínico de Oftalmología en la Harvard Medical School. El Sr. Lane es director de investigación y desarrollo en Ora Inc. Dr. Slocum es un escritor médico Ora Inc.

Fuente original Review Ofophthalmology
Mark B. Abelson, MD, CM, DSc, FRCSC, FARVO, Keith Lane, and Connie Slocum, PhD, Andover, Mass. 8 Junio de 2015

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Fuentes:

1. Rupnik M. Toward a True Bacteriotherapy for Clostridium difficile Infection. N Engl J Med 2015;372:1566-1568.
2. Morgan XC, Segata N, and Huttenhower C. Biodiversity and functional genomics in the human microbiome. Trends Genetics 2013;29:51-58.
3. Alcock J, Maley CC, Aktipis CA. Is eating behavior manipulated by the gastrointestinal microbiota? Evolutionary pressures and potential mechanisms. Bioessays 2014;36:940–949.
4. Turnbaugh PJ, Ley RE, Hamady M, Fraser-Liggett C, Knight R, Gordon JI. The human microbiome project: Exploring the microbial part of ourselves in a changing world. Nature 2007;449:7164:804-810.
5. Zegans ME, Van Gelder RN. Considerations in understanding the ocular surface microbiome. Am J Ophthalmol 2014;158:3:420-2.
6. Huse SM, Ye Y, Zhou Y, Fodor AA. A core human microbiome as viewed through 16s rRNA sequence clusters. PLoS One. 2012;7:6:e34242.
7. The human microbiome project consortium. Structure, function, and diversity of the healthy human microbiome. Nature 2012;486:7402:207-214.
8. Zaura E, Keijser BJ, Huse SM, Crielaard W. Defining the healthy “core microbiome” of oral microbial communities. BMC Microbiology 2009;9:259.
9. Dong Q, Brulc JM, lovieno A, et al. Diversity of bacteria at healthy human conjunctiva. Invest Ophthalmol Vis Sci 2011;52:8:5408-5413.
10. Miller D, Lovieno A. The role of microbial flora on the ocular surface. Curr Opin Allergy Clin Immunol 2009;9:5:466-70.
11. Keilty RA. The bacterial flora of the normal conjunctiva with comparative nasal culture study. Am J Ophthalmol 1930;13:10:876-879.
12. Graham JE, Moore JE, Jiru X, et al. Ocular pathogen or commensal: A PCR-based study of surface bacterial flora in normal and dry eyes. Invest Ophthalmol Vis Sci 2007;48:12:5616.
13. Hanage, W. Microbiome science needs a healthy dose of skepticism. Nature 2014;512:247-8.
14. Berry M, Harris A, Lumb R, Powell K. Commensal ocular bacteria degrade mucins. Br J Ophthalmol 2002;86:1412–1416.
15. Biswas K, Hoggard M, Jain R, Taylor MW, Douglas RG. The nasal microbiota in health and disease: variation within and between subjects. Front Microbiol 2015;9:134.
16. Reading N, Sperandio V. Quorum sensing: The many languages of bacteria. FEMS 2006;254:1-11.
17. Brackman G, Coenye T. Inhibition of Quorum Sensing in Staphylococcus spp. Curr Pharm Des 2015;21:16:2101-8.
18. Lovieno A, Lambiase A, Sacchetti M, et al. Preliminary evidence of the efficacy of probiotic eye-drop treatment in patients with vernal keratoconjunctivitis. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol 2008;246:3:435-41.