Modelo porcino de estrés prolongado para el estudio de la influencia del eje microbiota-intestino-cerebro en la cognición
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La interrelación conocida como el eje microbiota-intestino-cerebro se ha estudiado ampliamente, revelando cómo los microorganismos intestinales influyen en la salud mental y el comportamiento. Recientes investigaciones en modelos animales, como los cerdos, demuestran cómo el estrés prolongado puede alterar significativamente la microbiota intestinal y afectar la cognición, abriendo nuevas vías para tratamientos innovadores.
EL EJE MICROBIOTA-INTESTINO-CEREBRO
La relación entre el intestino y el cerebro ha sido ampliamente discutida a lo largo de la historia. Tanto es así que, si nos remontamos a 460-370 a.C., ya se le atribuía polémicamente al médico griego Hipócrates de Kos la siguiente frase: “Todas las enfermedades tienen origen en el intestino”, refiriéndose a la importancia de cuidar nuestro intestino para una buena salud (Cryan et al., 2019).
Progresivamente, gracias a la contribución del cirujano William Beaumont estudiando la digestión y los estados emocionales de Alexis St. Martin (un herido de bala reconvertido en paciente de fístula intestinal) y de Walter Cannon, padre fundador del estudio de la motilidad gastrointestinal y defensor de la prioridad del procesamiento cerebral en la modulación intestinal, pudieron asentarse las bases del papel que juega el eje intestino-cerebro en los procesos homeostáticos (Cryan & Dinan, 2012; Cryan et al., 2020).
A partir de 1980, con la implementación de la tecnología de imagen cerebral, se empezó a apreciar claramente la bidireccionalidad de este eje.
| Los estudios mostraban que la distensión del intestino resultaba en la activación de diferentes rutas cerebrales que se veían exacerbadas en determinadas patologías como el síndrome del intestino irritable, un trastorno funcional gastrointestinal con desregulación de este eje (Cryan et al., 2020). |
Finalmente, en los últimos años, ha tenido lugar una revolución en el mundo de la biomedicina gracias al descubrimiento de un tercer elemento, el rol de los microorganismos que conforman la microbiota intestinal, pasando a hablar en la actualidad del eje microbiota-intestino-cerebro (Cryan et al., 2019).
En la actualidad sabemos que esta comunicación incluye cuatro vías principales:
 Además, se encuentran implicados metabolitos microbianos capaces de cruzar la barrera hematoencefálica y modificar la función neuronal, impactando en el comportamiento y en el estado de ánimo del individuo (Principi & Esposito, 2016; Gonzalez-Santana & Diaz Heijtz, 2020; Salami, 2021). |
Se han descrito distintos factores que pueden influenciar a la composición de la microbiota a lo largo de la vida (Tognini, 2017; Cryan et al., 2019; Gonzalez-Santana & Diaz Heijtz, 2020):
IMPACTO DE LA DISBIOSIS SOBRE LA COGNICIÓN
Estudios recientes destacan un nexo entre la desregulación de la microbiota, conocida como disbiosis, con diversas condiciones como la depresión, el autismo, la ansiedad, la esquizofrenia, el Parkinson y el Alzheimer, entre otros (Cryan & Dinan, 2012; Tognini, 2017; Cryan et al., 2019). Estas investigaciones destacan [registrados]cómo la microbiota puede afectar a la actividad mental, también conocida como cognición (Smith & Kosslyn, 1998).
| La cognición en su sentido más amplio incluye diversas actividades mentales como la memoria, el aprendizaje, la formación de conceptos, el lenguaje y la atención, entre otras. Es decir, es la forma en que el cerebro se relaciona y entiende su entorno. |
IMPACTO DEL ESTRÉS SOBRE EL EJE MICROBIOTA-INTESTINO-CEREBRO
| El estrés, como respuesta inespecífica a desafíos que podrían amenazar la integridad del organismo, provoca cambios fisiológicos que pueden influir en el rendimiento cognitivo (James et al., 2023). |
Factores sociales como el aislamiento, el hacinamiento y la inestabilidad social inducen respuestas de estrés fisiológicas y conductuales en los animales de granja, incluyendo los cerdos (Proudfoot & Habing, 2015).
| El cerdo es una especie social con una inteligencia parecida a la del perro, con unas capacidades cognitivas comparables a las de otros mamíferos superiores y del que conocemos una muy pequeña parte de sus capacidades y particularidades en cuanto a capacidad cerebral. |
El impacto del estrés puede observarse a diferentes niveles del eje microbiota-intestino-cerebro, ya que no solo pueden detectarse efectos cognitivos, sino que además el estrés crónico afecta a la integridad de la barrera intestinal y a la microbiota presente, perjudicando el funcionamiento normal del tracto digestivo (Galley et al., 2014; Kiecolt-Glaser et al., 2018; Madison & Kiecolt-Glaser, 2019).
IMPORTANCIA DEL MODELO ANIMAL PORCINO
El uso de diferentes modelos animales ha contribuido a identificar los perfiles de microbiota característicos y los cambios de estos asociados a efectos en las funciones cognitivas (Arnoriaga-Rodríguez & Fernández-Real, 2019).
Los ratones libres de gérmenes y la disbiosis intestinal inducida por antibióticos, también en ratones, son dos de los enfoques más utilizados para establecer la causalidad en las relaciones entre la microbiota intestinal y el cerebro. Sin embargo, ambos modelos presentan limitaciones (Braniste et al., 2014; Fröhlich et al., 2016; Principi & Esposito, 2016):
| Para sortear estos inconvenientes, puede emplearse un modelo porcino de estrés prolongado que aprovecha las similitudes del sistema nervioso, sistema gastrointestinal y microbioma del cerdo con los del ser humano para, así, generar un modelo ideal de traslación para investigar trastornos relacionados con el estrés en humanos, como, por ejemplo, la depresión (Heinritz et al., 2013; Menneson et al., 2019; Lunney et al., 2021; Rose et al., 2022; Nguyen et al., 2023). |
2021; Rose et al., 2022; Nguyen et al., 2023).
Los estudios mostraban que la distensión del intestino resultaba en la activación de diferentes rutas cerebrales que se veían exacerbadas en determinadas patologías como el síndrome del intestino irritable, un trastorno funcional gastrointestinal con desregulación de este eje (Cryan et al., 2020).
ESTUDIO DEL EJE MICROBIOTA-INTESTINO-CEREBRO EN UN MODELO PORCINO DE ESTRÉS PROLONGADO
Con el propósito de estudiar el efecto del eje microbiota-intestino-cerebro en el comportamiento y el estado de ánimo del cerdo como modelo animal para trastornos relacionados con el estrés, como el trastorno depresivo mayor en humanos, los grupos de bienestar y mejora genética animal del Instituto de Investigación y Tecnologías Agroalimentarias (IRTA) propone un diseño experimental de inducción de estrés prolongado.
DISEÑO EXPERIMENTAL
GRUPOS DE ESTUDIO
Se parte de una cohorte de 60 cerdos Duroc de dos meses de edad, 30 machos y 30 hembras, que se reparten equitativa y aleatoriamente en grupo control y grupo estrés durante el periodo de engorde de aproximadamente seis meses. El estrés se basa en:
| 1 Reducción del 50% del espacio disponible en el corral Este tipo de estrés tiene una finalidad crónica, ya que genera una mayor competencia por el espacio en los individuos del corral, que se acrecienta conforme aumenta el tamaño de los individuos. |
| 2 Dos periodos de mezclas (primero de hembras y después de machos) El segundo tipo de estrés pretende romper abruptamente las jerarquías que se establecen en los corrales, induciendo picos de estrés agudo, ya que los cerdos están adaptados a vivir en complejas redes de interacción social.
|
A lo largo de la fase de engorde, se toman muestras de heces con el fin de llevar a cabo un estudio longitudinal de la microbiota y poder observar los cambios en las abundancias bacterianas intestinales de los cerdos estresados en comparación con los cerdos control. Además, se registra el crecimiento de los cerdos, su consumo y su comportamiento.
PRUEBAS DE COGNICIÓN
El comportamiento se evalúa mediante diferentes pruebas de cognición:
| Una vez entrenados ante los dos estímulos, se coloca el comedero en una zona central y se evalúa el tiempo de acercamiento de los cerdos, evaluando si el sesgo es positivo (se acercan rápido pensando que la experiencia será positiva) o es negativo (se acercan lentamente o no se acercan pensando que tal vez la experiencia será negativa). |
MUESTREO
Al final del estudio los cerdos son sacrificados en condiciones experimentales y se les toman muestras de pelo, sangre, cerebro, mucosa intestinal y heces.
En el pelo, a largo plazo, y en la sangre y la saliva, a corto, pueden evaluarse los niveles de corticosteroides, como indicadores de estrés.
En el cerebro puede estudiarse la macroestructura de áreas relacionadas con el desempeño cognitivo, como el hipocampo, y medir distintos indicadores neurotróficos y neurotransmisores.
En las heces, aunque también en el cerebro, el abanico de posibilidades es muy amplio, ya que las mejoras en las tecnologías de secuenciación y la integración de las ómicas permite analizar desde el perfil de abundancias bacterianas de cada individuo a los genes presentes en las heces (metagenómica), su expresión (metatranscriptómica), perfil de metabolitos (metabolómica) y también de proteínas (metaproteómica).
| FIGURA 1. Muestras y análisis útiles para caracterizar los efectos del estrés sobre el microbioma y la cognición de los cerdos (Creado con BioRender.com). |
RESULTADOS PRELIMINARES
IMPACTO DEL ESTRÉS SOBRE EL RENDIMIENTO PRODUCTIVO
Nuestros resultados confirman que el estrés prolongado durante el periodo de engorde impacta negativamente en el rendimiento productivo, ya que, en comparación con el grupo control, los cerdos estresados mostraron menor rendimiento y eficiencia alimentaria
| Se observan además diferencias en el comportamiento alimentario, con una menor frecuencia de visitas al comedero y mayor duración por comida en los cerdos estresados. |
IMPACTO DEL ESTRÉS SOBRE LA MICROBIOTA
En relación a la microbiota, los índices de diversidad sugieren que los cerdos del grupo control mantienen un ecosistema más uniforme, sin que existan diferencias en el número de especies entre grupos, pero si en la abundancia de algunas bacterias.
Al tratarse de un estudio longitudinal, observamos patrones de resiliencia, mostrando mayores diferencias entre grupos cuando la toma de muestras se realiza próxima a la exposición a las mezclas como factor de estrés.
En comparación con el grupo control, los cerdos sometidos a estrés muestran una reducción en la abundancia de bacterias productoras de ácidos grasos de cadena corta, especialmente el propionato y el butirato, seguido de un incremento de géneros oportunistas (Estreptococos, Treponema y varios miembros de la familia Erysipelotrichaceae).
IMPACTO DEL ESTRÉS SOBRE EL METABOLISMO
Se evidencia que el estrés prolongado en los cerdos conlleva cambios en la composición del metaboloma fecal, reflejando algunos indicadores metabólicos de depresión en humanos que involucran rutas metabólicas relacionadas con el transporte de neurotransmisores (disminuida en los cerdos del grupo estrés), seguido de un incremento en la abundancia de la xantina como indicadora de estrés.
PERSPECTIVAS DE FUTURO
En conjunto, los datos presentados demuestran el impacto de la microbiota intestinal en los déficits cognitivos y muestran un paralelismo con los indicadores bacterianos y metabólicos identificados en nuestro modelo porcino que son comparables con los reportados en humanos.
Si bien, los mecanismos subyacentes a tal acción siguen siendo en gran parte desconocidos, estas revelaciones abren una nueva senda para el tratamiento de enfermedades psiquiátricas mediante el uso de psicobióticos.
Complementariamente, el modelo porcino de estrés prolongado se contrasta rá en ratones libres de gérmenes y, con el objetivo de validar observaciones previas, se les administrará oralmente heces provenientes de cerdos control o de cerdos estresados.
Cabe destacar el valor del cerdo como modelo traslacional, contribuyendo al avance de la investigación biomédica.
| Bajo nuestra perspectiva, este modelo también beneficia a la industria porcina por su potencial en la mejora del bienestar animal, actuando sobre el lugar donde se originan todos los problemas de comportamiento: su cerebro y estado mental. A su vez, impacta positivamente en la resiliencia de los animales y optimiza su rendimiento productivo, lo que permite reducir costes, entre otros, derivados de comportamientos anormales y enfermedades gastrointestinales. Asimismo, fomenta prácticas sostenibles al disminuir el uso de antibióticos. |
| Arnoriaga-Rodríguez, M., & Fernández-Real, J. M. (2019). Microbiota impacts on chronic inflammation and metabolic syndrome—Related cognitive dysfunction. Reviews in Endocrine & Metabolic Disorders, 20(4), 473-480. https://doi.org/10.1007/s11154-019-09537-5 Braniste, V., Al-Asmakh, M., Kowal, C., Anuar, F., Abbaspour, A., Tóth, M., Korecka, A., Bakocevic, N., Ng, L. G., Kundu, P., Gulyás, B., Halldin, C., Hultenby, K., Nilsson, H., Hebert, H., Volpe, B. T., Diamond, B., & Pettersson, S. (2014). The gut microbiota influences blood-brain barrier permeability in mice. Science Translational Medicine, 6(263), 263ra158. https://doi.org/10.1126/scitranslmed.3009759 Cryan, J. F., & Dinan, T. G. (2012). Mind-altering microorganisms: The impact of the gut microbiota on brain and behaviour. Nature Reviews. Neuroscience, 13(10), 701-712. https://doi.org/10.1038/nrn3346 Cryan, J. F., O’Riordan, K. J., Cowan, C. S. M., Sandhu, K. V., Bastiaanssen, T. F. S., Boehme, M., Codagnone, M. G., Cussotto, S., Fulling, C., Golubeva, A. V., Guzzetta, K. E., Jaggar, M., Long-Smith, C. M., Lyte, J. M., Martin, J. A., Molinero-Perez, A., Moloney, G., Morelli, E., Morillas, E., … Dinan, T. G. (2019). The Microbiota-Gut-Brain Axis. Physiological Reviews, 99(4), 1877-2013. https://doi.org/10.1152/physrev.00018.2018 Cryan, J. F., O’Riordan, K. J., Sandhu, K., Peterson, V., & Dinan, T. G. (2020). The gut microbiome in neurological disorders. The Lancet. Neurology, 19(2), 179-194. https://doi.org/10.1016/S1474-4422(19)30356-4 Fröhlich, E. E., Farzi, A., Mayerhofer, R., Reichmann, F., Jačan, A., Wagner, B., Zinser, E., Bordag, N., Magnes, C., Fröhlich, E., Kashofer, K., Gorkiewicz, G., & Holzer, P. (2016). Cognitive impairment by antibiotic-induced gut dysbiosis: Analysis of gut microbiota-brain communication. Brain, Behavior, and Immunity, 56, 140-155. https://doi.org/10.1016/j.bbi.2016.02.020 Galley, J. D., Nelson, M. C., Yu, Z., Dowd, S. E., Walter, J., Kumar, P. S., Lyte, M., & Bailey, M. T. (2014). Exposure to a social stressor disrupts the community structure of the colonic mucosa-associated microbiota. BMC Microbiology, 14, 189. https://doi.org/10.1186/1471-2180-14-189 Gonzalez-Santana, A., & Diaz Heijtz, R. (2020). Bacterial Peptidoglycans from Microbiota in Neurodevelopment and Behavior. Trends in Molecular Medicine, 26(8), 729-743. https://doi.org/10.1016/j.molmed.2020.05.003 Heinritz, S. N., Mosenthin, R., & Weiss, E. (2013). Use of pigs as a potential model for research into dietary modulation of the human gut microbiota. Nutrition Research Reviews, 26(2), 191-209. https://doi.org/10.1017/S0954422413000152 James, K. A., Stromin, J. I., Steenkamp, N., & Combrinck, M. I. (2023). Understanding the relationships between physiological and psychosocial stress, cortisol and cognition. Frontiers in Endocrinology, 14, 1085950. https://doi.org/10.3389/fendo.2023.1085950 Kiecolt-Glaser, J. K., Wilson, S. J., Bailey, M. L., Andridge, R., Peng, J., Jaremka, L. M., Fagundes, C. P., Malarkey, W. B., Laskowski, B., & Belury, M. A. (2018). Marital distress, depression, and a leaky gut: Translocation of bacterial endotoxin as a pathway to inflammation. Psychoneuroendocrinology, 98, 52-60. https://doi.org/10.1016/j.psyneuen.2018.08.007 Lunney, J. K., Van Goor, A., Walker, K. E., Hailstock, T., Franklin, J., & Dai, C. (2021). Importance of the pig as a human biomedical model. Science Translational Medicine, 13(621), eabd5758. https://doi.org/10.1126/scitranslmed.abd5758 Madison, A., & Kiecolt-Glaser, J. K. (2019). Stress, depression, diet, and the gut microbiota: Human-bacteria interactions at the core of psychoneuroimmunology and nutrition. Current Opinion in Behavioral Sciences, 28, 105-110. https://doi.org/10.1016/j.cobeha.2019.01.011 Menneson, S., Ménicot, S., Ferret-Bernard, S., Guérin, S., Romé, V., Le Normand, L., Randuineau, G., Gambarota, G., Noirot, V., Etienne, P., Coquery, N., & Val-Laillet, D. 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