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«El cuerpo humano se parece, en muchos aspectos, más a un arrecife de coral que a un organismo individual», explica el Dr. Frederic Bushman, catedrático de Microbiología en la Universidad de Pensilvania. Al igual que los coloridos ecosistemas subacuáticos, somos el hogar de miles de millones de microorganismos que viven en armonía con nosotros. Llamados conjuntamente microbioma humano, estos microbios —en su mayoría bacterias, virus y hongos— revisten nuestras cavidades oral y nasal, nuestro tracto digestivo e incluso nuestra piel.

De la misma manera que las abejas obreras protegen su colmena, nuestros microbios desempeñan numerosas funciones que contribuyen a nuestra supervivencia, desde mejorar nuestra digestión hasta protegernos contra los patógenos invasores. Algunas especies son tan importantes que eliminarlas con los antibióticos puede dejarnos vulnerables frente a infecciones potencialmente mortales.

En el otro extremo del espectro se encuentran muchos microorganismos que se asocian a la mala salud. De hecho, la mayoría de las enfermedades más mortales del mundo —como las enfermedades cardiovasculares, el cáncer, la diabetes y la obesidad— se han asociado a una composición alterada del microbioma. En el caso de la obesidad, afección relacionada con el 8 % de las muertes en el mundo en 2017, «existen indicios de que el microbioma podría estar implicado, al menos parcialmente, en la enfermedad», señala la Dra. Mireia Vallès-Colomer, investigadora posdoctoral en metagenómica computacional en la Universidad de Trento. 

Esta información podría ayudarnos a desentrañar los secretos biológicos que dan lugar a estas enfermedades, e incluso podrían llegar a ayudarnos a diseñar tratamientos más efectivos dirigidos al microbioma. Para desbloquear este potencial, necesitamos comprender de dónde procede nuestro microbioma. Dado que la mayoría de las bacterias que lo componen son anaeróbicas (es decir, mueren en presencia de oxígeno), muchas no crecerán de manera eficiente fuera del cuerpo humano. Cada vez más evidencias sugieren que, en realidad, son las personas que nos rodean —nuestras madres, las personas con las que compartimos casa e incluso nuestros vecinos— quienes más influyen en la composición de nuestro microbioma.

 

El papel de la socialización

Un estudio de 2019 descubrió que el 63 % del microbioma bacteriano de un recién nacido se puede rastrear hasta la microbiota intestinal de su madre, independientemente de la vía del parto. No obstante, la transmisión de madres a hijos, también denominada transmisión vertical, solo es una parte de todo el conjunto. «En los bebés, no detectamos muchas de las especies bacterianas que son habituales en los adultos, por lo que debemos obtenerlas más tarde», explica Vallès-Colomer. 

Dra. Mireia Vallès-Colomer. Investigadora posdoctoral en metagenómica computacional en la Universidad de Trento.

 

Los adultos que tienen un contacto estrecho tienden a compartir muchas cepas bacterianas. Cuando los microorganismos se propagan entre personas que no son madre e hijo, se denomina transmisión horizontal. El objetivo de la investigación de Vallès-Colomer es obtener un conocimiento más profundo de ambas vías de transmisión, y su papel en la salud de los individuos, las familias y las poblaciones.

Ella y sus colegas han realizado recientemente el más amplio y diverso estudio de la transmisión del microbioma hasta la fecha, en el que han evaluado la transmisión de más de 800 especies microbianas en los microbiomas intestinal y oral de participantes procedentes de 20 países diferentes de los 5 continentes. Han analizado la transmisión vertical de madres a hijos y la transmisión horizontal entre gemelos, individuos que comparten vivienda y personas que viven en la misma ciudad.

Han hallado evidencias de una extensa transmisión del microbioma, y han identificado patrones específicos para cada tipo de microbioma, relación y estilo de vida. «¡Parece ser que las interacciones sociales dan forma a la composición de nuestros microbiomas!», afirma Vallès-Colomer. La implicación de estos descubrimientos es enorme para la ciencia médica. «Es posible que tengamos que reevaluar enfermedades que durante mucho tiempo hemos considerado no transmisibles y tener en cuenta un componente transmisible relacionado con el microbioma», añade.

Los investigadores también han calculado con qué frecuencia se ha propagado cada especie de un huésped a otro. Resulta que los microbios que se transmiten con mayor facilidad también son aquellos que más desconocemos, lo que pone de manifiesto la necesidad de seguir investigando en este ámbito. Está claro que nuestras redes sociales son fundamentales para la composición de nuestro microbioma, hasta el punto de que incluso las medidas de aislamiento social por la COVID-19 parecen haber alterado su diversidad. «Seguimos teniendo muchas preguntas sin respuesta sobre los mecanismos de transmisión del microbioma persona a persona y cómo afecta a nuestra salud, aunque nuestra investigación nos ha aportado algunos indicios consistentes», afirma.

 

El microbioma pulmonar

Aunque tener abundancia de microbios diferentes normalmente es fundamental para nuestra salud, existe una importante excepción: los pulmones. «En nuestros pulmones, un microbioma de baja biomasa es un signo de salud y una gran cantidad de microbios tiende a correlacionarse con la gravedad de la enfermedad», explica el Dr. Bushman.

Dr. Frederic Bushman, catedrático de Microbiología en la Universidad de Pensilvania.

A menudo inhalamos microbios a través de la boca —que contiene la segunda comunidad microbiana más importante del cuerpo después del intestino—, sin embargo nuestros pulmones disponen de muchos mecanismos que los mantienen limpios y sin bacterias. Si un microorganismo supera el acto reflejo de la tos o el estornudo, generalmente es expulsado por el mecanismo de autolimpieza del sistema respiratorio.

No obstante, cuando una persona enferma, sobre todo debido a una enfermedad infecciosa respiratoria, muchas especies diferentes de microorganismos tienden a colonizar los pulmones, y no solo las especies responsables de la infección inicial. De hecho, el número de bacterias halladas en los pulmones de pacientes con una gripe grave suele ser tan elevado que los médicos piensan a menudo que la enfermedad ha sido causada por una bacteria, en lugar de un virus.

El microbioma pulmonar es algo que solo aparece en abundancia cuando el sistema respiratorio se encuentra gravemente afectado, pero tiene el potencial de darnos información vital sobre los estados patológicos. Los investigadores han estudiado las comunidades microbianas que proliferan durante una infección gripal y han hallado que determinadas firmas del microbioma pulmonar están relacionadas con un mejor o peor evolución de la enfermedad.

Durante la pandemia, Bushman empezó a estudiar este fenómeno en la COVID-19. El investigador de la Universidad de Pensilvania y sus colegas hicieron un seguimiento de pacientes hospitalizados con COVID-19 de distinta gravedad y diferentes evoluciones. Midieron la presencia de otros virus y bacterias en los pulmones de estos pacientes para ver si podían descubrir alguna asociación con la gravedad de la enfermedad. Sus resultados indicaron que, efectivamente, existe una relación. De hecho, pudieron utilizar la información que recopilaron sobre cada microbio para crear un modelo de aprendizaje automático que podía indicar de forma precisa la gravedad de la enfermedad, y si el paciente estaba o no intubado.

Curiosamente, incluso los virus inofensivos que normalmente se encuentran en los seres humanos estaban presentes en grandes cantidades en condiciones adversas. La dirección causal de esta relación todavía no se conoce completamente. «Es posible que el microbioma pulmonar cause una enfermedad grave; que una enfermedad grave altere el microbioma pulmonar; o que exista algún tercer factor desconocido responsable de ambas cosas», dice Bushman.

«A medida que sepamos más sobre esta relación, seremos capaces de desarrollar herramientas que puedan predecir el pronóstico de un paciente basándose en la firma de su microbioma», añade. Esto podría ayudar a los médicos a determinar de manera rápida y precisa qué pacientes necesitan intervenciones más agresivas. En el punto álgido de la pandemia, cuando escaseaban los respiradores de emergencia, este tipo de información hubiera podido salvado vidas, ya que hubiera sido posible dirigir atención urgente a los pacientes que más la necesitaban.

El estudio del microbioma humano todavía está en sus comienzos. A pesar de los fascinantes descubrimientos que se hacen en este campo todos los días, estamos repletos de microbios de los que todavía sabemos muy poco: formas de vida que están esperando para revelarnos sus secretos.

 

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El Dr. Bushman y la Dra. Vallès-Colomer son ponentes en The Barcelona Debates on the Human Microbiome 2022, organizado por IrsiCaixa con el apoyo de la Fundación ”la Caixa”. La octava edición anual de esta conferencia, que se celebrará los días 30 de junio y 1 de julio en CosmoCaixa Barcelona, reunirá a expertos de renombre internacional para debatir sobre los últimos hallazgos en este campo. Inscripciones aquí.

 

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Delving into the human microbiome

“The human body is in many ways more like a coral reef than a single organism”, explains Dr. Frederic Bushman, Professor in Microbiology at the University of Pennsylvania. Just like these colorful underwater ecosystems, we are home to billions of microorganisms that live in harmony with us. Collectively known as the human microbiome, these microbes – which are mostly bacteria, viruses and fungi – line our oral and nasal cavities, our digestive tract, and even our skin. 

Like worker bees protecting their hive, our microbes perform a number of functions to aid our survival, from enhancing our digestion, to protecting us against invading pathogens. Certain species are so important that erasing them with antibiotics can leave us vulnerable to potentially fatal infections. 

At the other end of the spectrum are the many microorganisms that are associated with poor health. In fact, most of the world’s deadliest health conditions – such as cardiovascular diseases, cancer, diabetes, and obesity – have been associated with an altered microbiome composition. In the case of obesity, a condition linked to 8% of global deaths in 2017, “there are even hints that the microbiome might be at least partially causally involved in the disease”, points out Dr. Mireia Valles-Colomer, a postdoctoral researcher in computational biology at the University of Trento.

This insight could help us unravel the biological secrets that drive these illnesses, and may even eventually help us design more effective treatments that target the microbiome. To unlock this potential, we need to understand where our microbiome comes from. Since most of the bacteria that make it up are anaerobic (that is, they die in the presence of oxygen) it is unlikely that we simply pick them up from our environment. Growing evidence suggests that it’s actually the people around us – our mothers, the people we share a household with, and even our neighbors – who most influence the composition of our microbiome. 

 

The role of socializing

A 2019 study found that 63% of a newborn baby’s bacterial microbiome can be traced to their mother’s gut microbiota, regardless of delivery route. However, transmission from mothers to their children, also known as “vertical transmission”, is only part of the picture. “We do not detect in babies many of the bacterial species that are common in adults, so we must pick them up later on”, explains Valles-Colomer. 

Dr. Mireia Vallès-Colomer. Postdoctoral researcher in computational metagenomics at the University of Trento.

Adults who are in close contact tend to share many bacterial strains. When microorganisms are spread between people who aren’t mother and child, it’s called “horizontal transmission”. Valles-Colomer’s research aims to more deeply understand both routes of transmission, and their role in the health of individuals, families, and populations. 

She and her colleagues recently performed the largest and most diverse study of microbiome transmission to date, by assessing transmission of more than 800 microbial species in the gut and oral microbiomes of participants from 20 different countries across 5 continents. They analyzed both vertical transmission from mothers to infants, and horizontal transmission between twins, individuals sharing a household, and people living in the same town. 

They found evidence of extensive microbiome transmission, and identified patterns specific to each kind of microbiome, relationship, and lifestyle. “It seems that social interactions shape the composition of our microbiomes!” Valles-Colomer says. The implication of this is huge for medical science. “We may need to reevaluate diseases that we’ve long regarded as non-communicable by considering the transmissible microbiome-linked component”, she adds.

The researchers also calculated how often each species was spread from one host to another. It turns out that the most readily transmitted microbes also happen to be the ones which we know the least about, highlighting the need for further investigation in this area. It’s clear that our social networks are fundamental to our microbiome composition, to the extent that even COVID-19 social isolation measures appear to have altered their diversity. “We still have many unanswered questions on the mechanisms of person-to-person microbiome transmission and how it affects our health, but our research has given us some consistent indications”, she says. 

 

The lung microbiome

Although an abundance of diverse microbes is often key for our health, there is one important exception to this: the lungs. “In our respiratory organs, sterility is a sign of health, and a high quantity of microbes tends to correlate with severity of disease state”, explains Dr. Bushman. 

Dr. Frederic Bushman. Professor in Microbiology at the University of Pennsylvania.

We often inhale microbes from our mouth – which contains the body’s second largest microbial community after the gut – but our lungs have many mechanisms to keep themselves clean and free from bacteria. If a microorganism makes it past the cough or sneeze reflex, it’s usually expelled by the respiratory system’s self-cleaning mechanism before reaching the lungs. 

However, when a person becomes ill, particularly with an infectious respiratory disease, many different species of microorganisms tend to colonize the lungs – not just the species responsible for initial infection. In fact, there are often so many bacteria found in the lungs of patients with severe influenza that doctors used to think the disease was caused by a bacteria, rather than a virus. 

The lung microbiome is something that only appears when the respiratory system is in severe distress, but it has the potential to give us life-saving information about disease states. Researchers have studied the microbial communities that thrive during an influenza infection, and have found that certain lung microbiome signatures are linked to better or worse disease outcomes. 

When the pandemic hit, Bushman began studying this phenomenon in COVID-19. The University of Pennsylvania researcher and his colleagues monitored patients hospitalized with varying degrees of COVID-19 severity, and varying outcomes. They measured the presence of other viruses and bacteria in the lungs of these patients to see if they could uncover any association with disease severity. Their results indicated that there is indeed a correlation. In fact, they were able to use the information they gathered about each microbe to create a machine learning model that could accurately report disease severity, and whether the patient was intubated or not.

Interestingly, even harmless viruses that are commonly found in humans were present in high numbers under adverse conditions. The causal direction of this relationship still isn’t fully understood. “It could be that the lung microbiome causes severe disease. It could be that severe disease alters the lung microbiome. Or there could be some unknown third factor responsible for both of them”, says Bushman.

“As we learn more about this relationship, we’ll be able to open up the possibility of developing tools that can predict patient prognosis based on their microbiome signature”, he adds. This could help doctors quickly and accurately determine which patients need more aggressive interventions. At the height of the pandemic when emergency ventilation resources were in short supply, this kind of information could have saved lifes by directing urgent care to the patients who needed it the most. 

The study of the human microbiome is still in its infancy. Despite the fascinating discoveries being made in this field every day, we are teeming with microbes that we still know little about – life forms that are just waiting to reveal their secrets to us. 

 

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Dr. Bushman and Dr. Valles-Colomer are both speakers at The Barcelona Debates on the Human Microbiome 2022, organized by IrsiCaixa with the support of the “la Caixa” Foundation. The eighth annual edition of this conference,  held on 30 June and 1 July at CosmoCaixa Barcelona, will bring together world renowned experts to discuss their latest findings in the field. Sign up here.