La relación entre la función intestinal, inmunidad, y metabolismo en bovinos

Durante los últimos años, el entendimiento de las funciones intestinales ha alcanzado fronteras que trascienden ampliamente su rol de tracto digestivo. Además de aportar los elementos necesarios para la digestión y absorción de nutrientes, el epitelio intestinal, junto con el sistema inmune subyacente y las terminaciones nerviosas entéricas, tienen diversas responsabilidades que son esenciales para la vida. Actualmente, dichas tareas incluyen la protección contra agentes nocivos e infecciones, la regulación de la flora intestinal, la integración de señales provenientes de la dieta ingerida como de la actividad microbiana, y el mantenimiento de un intercambio contaste de información con el cerebro y otros órganos. Estas funciones son llevadas a cabo por mecanismos complejos, muchos de los cuales permanecen aun parcialmente desconocidos. A pesar de ello, un número creciente de investigaciones demuestran que las funciones no digestivas del intestino salvaguardan el mantenimiento de una relación mutualista entre microbiota y hospedante y además garantizan la homeostasis inmune y metabólica tanto a nivel local como sistémico. De hecho, perturbaciones que afectan la integridad de la mucosa intestinal, merman la capacidad del hospedante de regular la microflora residente (disbiosis) y limitar la entrada de antígenos, toxinas y microorganismos dentro de la lamina propia (función de barrera). Como resultado, un proceso inflamatorio se dispara a nivel local que, de no ser resuelto de forma rápida y efectiva (tolerancia inmune), genera hiperpermeabilidad epitelial. Esto agrava el goteo sistémico de endotoxinas y patógenos, lo cual amplifica la respuesta inflamatoria e impide su resolución. Eventualmente, este proceso fisiopatológico pude conllevar desregulaciones inmunometabólicas y/o enfermedades que afectan el intestino (enfermedades inflamatorias intestinales) u otros órganos (tejido adiposo, hígado, pulmones, etc.).

Si bien la mayoría del conocimiento existente sobre las funciones no digestivas del intestino deriva de estudios con animales monogástricos (incluyendo los humanos), datos científicos recientes, sumados a un gran número de evidencias indirectas en rumiantes, denotan la existencia de una relación causal entre la disfunción intestinal y varias (fisio)patologías asociadas a enfermedades entéricas y trastornos metabólicos que sufren los bovinos.

 

Dentro del contexto actual de los sistemas de producción bovina, caracterizados por los esfuerzos en reducir el uso de medicación (entre otros aspectos), un intestino funcional puede ser definido como aquel capaz de mantener o rápidamente restaurar el balance óptimo entre las funciones de digestión, absorción, y protección requerido para asegurar el desempeño, salud, y bienestar animal. Desde un punto de vista no digestivo, los factores que juegan un papel clave en garantizar la funcionalidad del intestino son su epitelio y sistema asociado de defensa (inmune), el sistema nervioso que lo irriga, y el conjunto de microrganismos que en el reside.

El epitelio intestinal tiene un área aproximada de 300- 400 m2 y representa la mayor interfaz entre el cuerpo y el ambiente exterior. El mismo consiste de una monocapa celular formada por varios tipos de células, entre los cuales predominan los enterocitos (90-95%) especializados en la absorción de nutrientes, electrólitos, y agua. Entre las células epiteliales restantes se encuentran las células goblet, encargadas de la síntesis y secreción del moco que recubre el epitelio; las células paneth, especializadas en la producción de un amplio repertorio de péptidos antimicrobianos; y las células enterocromafines, responsables de la producción de hormonas y otras sustancias. Las células epiteliales adyacentes se encuentran unidas entre si en su extremo apical (cara luminal de epitelio) por medio de las uniones intercelulares. Estas estructuras están compuestas por conglomerados de proteínas, los cuales forman, en el lado luminal de las células epiteliales, las uniones estrechas (claudinas, ocludinas, tricelulinas, etc.) seguidas en dirección basal por las uniones adherentes (E-cadherina, catenina, etc.) y finalmente por los desmosomas (desmocolina, desmogleina, etc.) (Salvo-Romero et al., 2015). Además de conferir la fuerza adhesiva necesaria para mantener la integridad del epitelio intestinal (y así servir como barrera física a la entrada de agente nocivos), las uniones intercelulares controlan la permeabilidad epitelial a través de la formación de poros o canales en el espacio intercelular (o ruta paracelular porosa) y la creación del gradiente electroquímico necesario para sustentar el transporte transepitelial (France and Turner, 2017). Es por esto por lo que las uniones intercelulares determinan en gran medida la capacidad del epitelio intestinal de formar una barrera selectiva que impide la entrada de antígenos, toxinas y patógenos, pero no la de agua y nutrientes.

Además de estar protegida por la barrera física que constituyen las células epiteliales y el moco que las cubre, la mucosa intestinal es defendida por el órgano inmunitario más grande del cuerpo denominado “tejido linfoide asociado al intestino” (TLAI). El TLAI esta compuesto por estructuras linfoides organizadas (placas de Peyer, folículos linfoides asilados, ganglios linfoides mesentéricos, crtypoparches) y células inmunitarias distribuidas dentro del epitelio (linfocitos intraepiteliales) o, debajo del mismo, en la lamina propia. Las células del TLAI incluyen linfocitos B, de los cuales la gran mayoría produce inmunoglobulina A, linfocitos T CD4+ (colaboradores/efectores) que predominan en la lamina propia, y linfocitos T CD8+ (supresores/citotóxicos) que se concentran dentro del epitelio (Peterson and Artis, 2014). Cuando la barrera epitelial falla en su cometido de protección de la mucosa (debido a estrés, infecciones, etc.), la integridad de esta es mantenida por el TLAI a través de una respuesta inespecífica, escalonada, rápida, y efectiva que previene la inflamación de la mucosa y septicemia. Dicha respuesta se inicia con el reconocimiento de moléculas asociadas a patógenos (ej., lipopolisacárido, ácido lipoteicoico, peptidoglicano) por medio de sensores (receptores de reconocimiento de patrones) localizados en las células epiteliales y células inmunitarias (ej., mastocitos, macrófagos, células dendríticas) que residen en el espacio subepitelial. Esto resulta en la liberación aguda de factores proinflamatorios (ej., citoquinas, prostaglandinas, etc.) y el reclutamiento de células efectoras (ej., neutrófilos) dentro de la mucosa, lo que eventualmente conlleva la eliminación del agente invasor y la resolución del proceso inflamatorio (Peterson and Artis, 2014). Otros mecanismos de defensa inespecíficos de la mucosa intestinal incluyen la secreción de moco, péptidos antimicrobianos, e inmunoglobulina A; la motilidad peristáltica; y la regeneración celular (SalvoRomero et al., 2015). Por otro lado, el TLAI también tiene la capacidad de desarrollar inmunidad adaptativa con la ayuda de células M y dendríticas ubicadas en el epitelio intestinal, las cuales se encargan de procesar y presentar antígenos a las poblaciones de linfocitos que se encuentran dentro de las estructuras de TLAI en el espacio subepitelial (Peterson and Artis, 2014).

Es importante notar que las mencionadas moléculas inflamatorias pueden inhibir la función absortiva del epitelio y causar hiperpermeabilidad paracelular vía la restructuración de las uniones estrechas (Turner, 2009; Turner et al., 2014). Además, la activación de las células inmunitarias acelera exponencialmente su metabolismo, lo que aumenta la demanda de glucosa y otros nutrientes por parte del TLAI (Buck et al., 2017). Por estos motivos, fallas temporales o crónicas en la función de barrera intestinal no solo pueden comprometer la salud animal sino también su potencial productivo.

El sistema nervioso entérico (SNE) contiene tantas neuronas como la médula espinal y contribuye a la regulación de las funciones absortivas, secretorias, y barrera del intestino. El mismo esta compuesto por dos grandes plexos, el miénterico y el submucoso, que se interconectan para regular la actividad de neuronas motoras y sensoriales, respectivamente.

El SNE produce un gran número de mediadores químicos, siendo acetilcolina (Ach) y el péptido vasoactivo intestinal (PVI) los neurotransmisores que típicamente estimulan la secreción epitelial y norepinefrina el que promueve procesos absortivos. Cuando la barrera intestinal es comprometida y las terminaciones sensoriales del SNE que irrigan la mucosa son activadas por endotoxinas, compuestos producidos por células infectadas, o moléculas inflamatorias se activa un arco reflejo que eventualmente induce la secreción de Ach y PVI por parte de los nervios motores. Este mecanismo, cuyo resultado final es un aumento en la secreción de fluidos, juega un papel importante en diversas enfermedades diarreicas que afectan a los animales de granja (Moeser and Blikslager, 2007).

Inmediatamente después de nacer, el intestino es rápidamente colonizado por una compleja comunidad de microorganismos que evoluciona hasta alcanzar la madurez (estabilidad) en algún momento después del destete, probablemente como consecuencia del cambio de dieta líquida a sólida. En humanos, y a nivel individual, dicha comunidad esta compuesta por al menos unas 150 especies de bacterias, hongos, virus, y arquea, que en conjunto suman entre 1 a 2 kg de biomasa y adicionan más de 3 millones de genes al genoma del hospedante (es decir, lo expande unas 150 veces) (Postler and Ghosh, 2017). Los bovinos también presentan una gran diversidad de microorganismos en el intestino, especialmente después del destete, con preponderancia de bacterias pertenecientes a los filos Bacteroidetes, Firmicutes, y Proteobacteria (composición similar al rumen) (Meale et al., 2017). Aunque los microorganismos intestinales son frecuentemente calificados como comensales (ni beneficiosos, ni dañinos), la relación con el hospedante es normalmente mutualista (beneficio mutuo). En otras palabras, la microbiota recibe nutrientes dentro de un ambiente (intestino) favorable para su establecimiento y proliferación mientras que al mismo tiempo el hospedante obtiene múltiples beneficios derivados de la actividad microbiana. Entre otros, estos incluyen el desarrollo del TLAI, la degradación de xenobióticos, la exclusión de patógenos, y la síntesis de vitaminas (Willing et al., 2010).

En la actualidad, una gran cantidad de datos científicos demuestran que un número incierto de compuestos bioactivos que son producidos por la actividad microbiana (en su conjunto llamado metaboloma microbiano), más que los microorganismos per se, son esenciales para la conservación de funciones vitales en el hospedante (incluida la funcionalidad intestinal). De hecho, alteraciones en las transformaciones bioquímicas a cargo de la flora intestinal (disbiosis) están involucradas en numerosas enfermedades inflamatorias, inmunitarias, y/o metabólicas (Schroeder and Bäckhed, 2016; Postler and Ghosh, 2017). Esta claro, por lo tanto, que el mantenimiento de una relación microbiota – animal saludable depende de la integridad de la mucosa intestinal y de su capacidad de preservar el mutualismo vía los mecanismos de defensa epitelial e integración de señales microbianas.

 

La visión del intestino como un mero órgano digestivo ha primado durante años, especialmente en el caso de los bovinos y otros rumiantes. Sin embargo, investigaciones recientes en terneros y, en menor medida, en vacas lecheras, sumadas a un conjunto importante de evidencias indirectas comienzan a descubrir un escenario donde el intestino de los bovinos juega un papel tan importante como el rumen en asegurar la homeotasis metabólica pero muy peculiar en determinar su estado inmunitario.

Un estudio focalizado en la fase neonatal de los bovinos ha evidenciado que las terneras que desarrollaran diarreas durante la segunda y tercera semana de vida presentan mayor permeabilidad intestinal que las que no son afectadas por esta enfermedad (Araujo et al., 2015). Si bien la coexistencia de ambas patologías es esperable, la observación de que las terneras diarreicas sufren hiperpermeabilidad gastrointestinal desde nacimiento sugiere que la desregulación de la barrera epitelial opera como agente etiológico en la presentación de diarrea neonatal. Coincidentemente, la abundancia de bacterias patogénicas asociadas al epitelio intestinal de los terneros es mayor durante la primer semana de vida (Song et al., 2018) y los tratamientos antibióticos parecen entorpecer el restablecimiento de una barrera efectiva (Yoon et al., 2018).

Independientemente de la veracidad de la relación sugerida, es esperable que la disfunción epitelial neonatal aumente el riesgo de infecciones en terneros. Es más, el estrés del destete también compromete la barrera epitelial y promueve cambios drásticos en la composición y actividad de la microbiota intestinal que conjuntamente pueden conllevar problemas sanitarios y/o mermas productivas (Mereu et al., 2015; Wood et al., 2015; Meale et al., 2016).

Aunque de forma indirecta, otros estudios sugieren que la disfunción intestinal esta también involucrada en el desarrollo o progresión de (fisio)patologías asociadas a la parición (en particular acetonemia e hígado graso), la acidosis ruminal, y el estrés calórico (Eckel and Ametaj, 2016; Garcia et al., 2017; Kvidera et al., 2017). Más notable aun, la pérdida intencional de la integridad intestinal en vacas lactantes generó inflamación sistémica, ineficiencias metabólicas (resistencia a insulina) y caídas marcadas tanto en el consumo de materia seca como en la producción de leche (Kvidera et al., 2017). Colectivamente, los datos científicos disponibles apuntan a que el mantenimiento de la función intestinal durante la lactancia es clave para asegurar la productividad, salud, y bienestar del ganado lechero.

 

Además de operar como tubo digestivo, el intestino lleva a cabo tareas de protección, regulación de la microbiota residente, y comunicación entre órganos que son vitales para conservar la homeostasis tanto inmune como metabólica. Durante el ciclo de producción bovina numerosas situaciones (manejo nutricional, estrés, infecciones, etc.) pueden generar fallas en la integridad funcional del intestino. Frecuentemente, dichas disfunciones acarrean la pérdida del mutualismo entre microbiota y hospedante (disbiosis), desregulan la entrada de agentes nocivos en el epitelio y en circulación sistémica, y disparan la activación de una respuesta inflamatoria.

De no ser resuelta de forma rápida y efectiva, esta fisiopatológica puede contribuir al desarrollo de enfermedades (entéricas o metabólicas) o ineficiencias inmunometabólicas que merman el potencial productivo y bienestar de los bovinos.