A microbiota humana e sua importância para a saúde humana

1. A microbiota humana e sua importância para a saúde humana Luis Caetano Martha Antunes, Ph.D. PesquisadoremSaúdePública EscolaNacional de SaúdePública Sergio Arouca FundaçãoOswaldo Cruz antunes@ensp.fiocruz.br 2448-6886

2. Microrganismos: amigos ouinimigos? O Pulso -Titãs PestebubônicaCâncer, pneumoniaRaiva, rubéolaTuberculosee anemia Rancor, cisticercoseCaxumba, difteriaEncefalite, faringite
Gripe e leucemia… Hepatite, escarlatinaEstupidez, paralisiaToxoplasmose, sarampoEsquizofrenia Úlcera, tromboseCoqueluche, hipocondriaSífilis, ciúmesAsma, cleptomania... Reumatismo, raquitismoCistite, disritmiaHérnia, pediculoseTétano, hipocrisia Brucelose, febretifóideArteriosclerose, miopiaCatapora, culpa, cárieCãibra, lepra, afasia... E o pulsoaindapulsa… = ?? • Doenças • Infecções • Mal-estar • Sintomas • Patogenicidade

3. Microrganismossãoemsuagrandemaioriainócuosoubenéficos

4. A microbiota humana Conjunto de microrganismosqueconviveemharmonia com o hospedeiro, nãocausandonenhummalefício • Bactérias, arqueas, vírus, protozoários • Podemsercomensaisousimbióticos • Microbiota, microflora, flora, flora normal, microbiota anfibiôntica, microbioma

5. A microbiota humana Um consórciocomplexo de microrganismos • 100.000.000.000.000 de células • 1 Kg de bactérias • 10x o número de célulashumanas • 100x o número de genes humanos • >200 gêneros, >1.000 espécies, >7.000 cepas • Coletivamente a microbiota humana >35.000 espécies

6. A microbiota humana e suadiversidade Kyrpides. 2009. Nat. Biotechnol. 27(7):627-632

7. Ondeestãoessesmicrorganismos? • Cavidade oral • Estômago • Intestinodelgado • Intestinogrosso • Tratogenito-urinário • Tratorespiratório • Pele • Olhos

8. Ondeestãoessesmicrorganismos? • Cavidade oral • Estômago • Intestinodelgado • Intestinogrosso • Tratogenito-urinário • Tratorespiratório • Pele • Olhos Outros 30% Trato gastrointestinal 70%

9. Ondeestãoessesmicrorganismos? • Distribuiçãoheterogênea latitudinal Sekirov et al. 2010. Physiol. Rev. 90:859-904

10. Ondeestãoessesmicrorganismos? • Distribuiçãoheterogênea longitudinal Sekirov et al. 2010. Physiol. Rev. 90:859-904

11. Fatoresdeterminantes de colonização • Distribuição de nutrientes • Concentração de oxigênio • pH • Sítios de ligação • Presença de substânciasinibitórias (porexemplo, bile) • Temperatura • Disponibilidade de água • Outrasespécies (oumoléculas) presentes

12. De ondevemessesmicrorganismos? • Colonizaçãoocorredurante o parto • Microbiota vaginal ≈ microbiota do recémnascido • Cesariana x parto normal recém-nascidos tem microbiota distinta • Estudos com gêmeosfraternos e idênticos microbiota da mãeé um fatordeterminante

13. Estabilidade da microbiota • Primeiroano de vida microbiota simples e “instável” • Apósprimeiroanoestabilização, semelhanteaoadulto Sekirov et al. 2010. Physiol. Rev. 90:859-904

14. Microbiota x hospedeiro: co-evolução • Microbiota e hospedeiroconviverampormilhões de anos adaptaçãomútua • Microbiota evoluiuparaexercerefeitos no hospedeiro • Hospedeiroevoluiuparamanipular a microbiota • Transplante entre microbiotas de camundongos e peixes microbiota retornaàsuacomposição natural • Estudos com animais “germ-free” váriosefeitos de componentes da microbiota nafisiologia do hospedeiro

15. Quemsãoessesmicrorganismos? Costello et al. 2009. Science. 326(5960):1694-1697.

16. Quemsãoessesmicrorganismos? Costello et al. 2009. Science. 326(5960):1694-1697.

17. Quemsãoessesmicrorganismos? Costello et al. 2009. Science. 326(5960):1694-1697.

18. Quemsãoessesmicrorganismos? Costello et al. 2009. Science. 326(5960):1694-1697.

19. Fatoresqueinfluenciam a microbiota Microbiota materna Estado hormonal Higiene Idade Exercício Dieta Remédios Genética Microbiota Consequências Doençaslocais Doençassistêmicas Estado nutricional Comportamento Susceptibilidade a doenças

20. Modelos de estudo da microbiota Animais com microbiota manipulada Tratamento com antibióticos, prebióticosouprobióticos Introdução de espéciesoumoléculas Monitoramento dos efeitos Sekirov et al. 2008. Infect. Immun. 76(10):4726-4736.

21. Modelos de estudo da microbiota Animais “germ-free” • Obtidosatravés de cesariana • Mantidosemambienteestéril • Microbiota completamenteausente Introdução de espécies (uma, duas, várias) Inoculação com moléculas Monitoramento dos efeitos

22. Papéisfundamentais da microbiota Desenvolvimento do sistemaimune Regulaçãoenergética • Degradação de carboidratoscomplexos • Ativação da assimilação de nutrientes • Síntese de vitaminas Proteção contra patógenos invasores • Competiçãopornutrientes • Competiçãoporsítios de ligação • Produção de antibióticos • Produção de bacteriocinas

23. Desenvolvimento do sistemaimune Estudos com camundongos “germ-free”, sem microbiota Animais“germ-free”: • Númeroalterado de diversascélulas do sistemaimune • Estruturaslinfóidesalteradas • Baço, linfonodos e Placas de Peyer mal desenvolvidos • Número de células B produtoras de IgA reduzido • Níveis de IgA e IgGsecretadasreduzido • Perfil de citocinasalterado • Desenvolvimento de tolerância oral reduzido Efeito da microbiota édrástico mas nãosurpreende maiorfonte de antígenospara o sistemaimune

24. Regulaçãoenergética Observação de queanimais“germ-free” precisamconsumirmaiscalorias Microbiota metabolismo de fibras da dieta transformaçãoemácidosgraxosfontes de energia Modulação da expressão de lipases importantespara o metabolismo de lipídios Modulação da absorção de ácidosgraxosemadipócitos

25. Proteção contra patógenos invasores Observaçõessobre o efeito de antibióticosnasusceptibilidade a infecções Colitepseudomembranosa: • CausadaporClostridium difficile • Tratamento com antibióticos de amploespectro, clindamicina, cefalosporinas Modelosanimais: • Camundongostratados com antibióticos • Aumento da susceptibilidade a infecçõesentéricas

26. Doençasassociadasà microbiota Doençaslocais • Doençainflamatória intestinal • Câncer • Colitepseudomembranosa Doençassistêmicas • Obesidade • Diabetes • Alergia • Autismo

27. DoençaInflamatória Intestinal Inflamaçãodescontrolada Lesõesdisseminadaspelointestino Causadesconhecida Envolvimento da microbiota: • Microbiota aberranteem DII • Antibióticoscontrole dos sintomas • Reaçãoimuneexcessiva a epítoposmicrobianos • Alta incidência de E. coli, Mycobacterium avium • Baixaincidência de Faecalibacteriumprausnitzii Causaouconsequência?

28. Câncer Gastrite úlcera carcinoma gástrico Originalmente stress, genética InfecçãoporHelicobacter pylori • Inflamaçãoexcessiva • Efeitoscitotóxicosdiretos • Metabolismo de nutrientes 50% da populaçãomundialcarreadora Carcinoma intestinal  microbiota alterada Clostridium, Bacteroides, Bifidobacterium causadores Lactobacillus, Eubacteriumprotetores

29. Obesidade Importância da microbiota paranutrição Camundongosgeneticamenteobesosredução de Bacteroidetes e aumento de Firmicutes Microbiota de humanosobesos e magros composiçãosemelhante Camundongosobesos dieta microbiota “magra” Transplante de microbiota, animais “germ-free”: • Microbiota “obesa”  animal obeso • Microbiota “magra”  animal magro Microbiota “obesa”  aumento de enzimas de degradação de carboidratoscomplexos

30. Autismo Usoexcessivo de antibióticos autismotardio Anormalidadesgastrointestinaiscomunsempacientesautistas Sintomas de autismoreduzidosapóstratamento com antibióticos e probióticos retornamapóstratamento Clostridium spp. abundância 10X maioremautistas AntibióticosquenãoafetamClostridiumcorrelaçãodoença AntibióticosqueafetamClostridium  correlaçãocura Mecanismosempotencial: • Produção de neurotoxinas • Autoimunidade • Metabólitostóxicos

31. Interaçõesmicrobianasna microbiota humana Mecanismospoucoelucidados Uso de moléculaspara modular outros componentes do sistema Uso de moléculaspequenasemsinalizaçãointercelular • Hospedeiro microbiota • Microbiota hospedeiro • Microbiota  patógenos • Patógenos microbiota • Patógenohospedeiro • HospedeiroPatógeno

32. Interaçõesmicrobianasna microbiota humana Sekirov et al. 2010. Physiol. Rev. 90:859-904

33. Técnicas de estudo da microbiota Métodos de cultivo e isolamento de microrganismos: • Plaqueamentode amostrasemmeiorico • Uso de meiosseletivos • Uso de meiosindicadores • Métodomaisclássico • Simples • Barato • Nãodiferenciaespéciesoucepas • >80% da microbiota intestinal nãopodesercultivada!!!

34. Técnicas de estudo da microbiota Cultivo de comunidadesmicrobianas: • Estudo do consórciocomo um todo • Permite a manipulação da comunidade • Permitecrescimento de alguns “não-cultiváveis”

35. Técnicas de estudo da microbiota Métodosmolecularesindependentes de cultivo: • Análise de DNA, RNA, proteínasoumetabólitos • Modernos • Podemsercomplexos • Maiscaros • Diferenciamespéciese cepas • Teoricamente 100% da microbiota podeseranalisada • Sequenciamento total de rDNA 16S • Denaturing Gradient Gel Electrophoresis • Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism • Ribosomal Intergenic Spacer Analysis • Fluorescence In Situ Hibridization • Microarrays • PCR quantitativo • Metagenômica • Metabolômica • Metaproteômica • Metatranscriptômica

36. Metagenômica Comunidade microbiana • Simples • Custo total alto • Custopor base baixo • Cobertura “ilimitada” Loman et al. 2012. Nat. Rev. Microbiol. 10:599-606

37. Curiosidades: Controle hormonal antibióticos Pílulacontraceptiva uso de antibióticosdiminuição da eficácia Mecanismosdesconhecidos Uso de antibióticos destruição da microbiota desregulação hormonal Antunes et al. 2011. Antimicrob. Agents Chemother. 55(4):1494-1503

38. Curiosidades: Transplante fecal Uso de antibióticos destruição da microbiota infecçõesoportunistas InfecçãoporClostridium difficilecolitepseudomembranosa • Difícil de tratar • Recorrente

39. O estudo da microbiota continua crescendo Sekirov et al. 2010. Physiol. Rev. 90:859-904

40. O estudo da microbiota continua crescendo Novosmicrorganismos Novasmoléculas: drogas anti-infecciosas, antibióticos, drogasimunomodulatórias… Novascuras!

41. Entendimento de SAÚDE e DOENÇA COMMENSALS Immune development Metabolism Protection Competition HOST PATHOGENS Immune responses Disease