Obesidade e o microbioma intestinal humano: qual a relação ?

Obesidade e sobrepeso vem se tornando um problema de saúde pública cada vez mais frequente em países desenvolvidos e em desenvolvimento. Em alguns países, o problema já é tratado como epidemia. A obesidade pode levar a doenças cardiovasculares, diabetes e outros problemas graves. Muitos são os fatores que levam uma pessoa a desenvolver obesidade, sendo em geral genética e alimentação os que sempre foram considerados os maiores vilões. Mudanças no estilo de vida, com as pessoas se tornando muito mais sedentárias, certamente contribuem bastante.

Mapa do problema global da obesidade. Fonte: http://news.bbc.co.uk/2/hi/health/7151813.stm

Recentemente, estudos de metagenomica e microbioma tem demonstrado que possivelmente estes não são os únicos fatores.

Em um post anterior, falamos sobre como nós somos um verdadeiro ecossistema, com milhares de espécies de microrganismos habitando diversas partes do nosso corpo, mas principalmente, os intestinos. Como sabemos, é nesse lugar onde acontece a maior parte da digestão e absorção de nutrientes em nosso corpo.

Tubo digestivo humano. Fonte: http://calorierestrictiondietplan.com/tag/gut-microbiome/

Recentemente, estudos demonstraram que a composição desses microrganismos intestinais é bastante diferente entre indivíduos magros e obesos. Espécies e gêneros de bactérias bem diferentes estão presentes nesses dois grupos.

Evolução ou involução ?
Fonte:http://darwinian-medicine.com/wp-content/uploads/2013/12/Evolution-of-Obesity.jpg

Isso levou a comunidade cientifica a ficar em polvorosa, porém, restava uma grande dúvida: a microbiota dos obesos estava causando a obesidade ou era causada pela obesidade?

Em ciência, quando observamos uma correlação, devemos ser cuidadosos ao tirar conclusões. Uma associação pode não implicar relação de causalidade, ou seja, não é porque muitos dos ratinhos obesos tinham bactérias diferentes no seu intestino, que necessariamente essas bactérias estavam fazendo eles ficarem obesos. Poderia ser o contrário, por serem obesos, bactérias diferentes estariam mais felizes nos intestinos dos gordinhos.

Então, um estudo muito sagaz e elegante foi realizado para tentar elucidar essa questão. Camundongos alimentados exatamente igual, vivendo em situação exatamente igual, que apresentavam pesos diferentes, foram utilizados no estudo.  Os que engordavam mais, tiveram as bactérias de seus intestinos coletadas, e transplantadas para o intestino dos magrinhos. E para felicidade geral de todos, os magrinhos começaram a engordar. Isso demonstrou um forte indicio de que as bactérias sim, facilitam o ganho de peso (lembrando que os fatores dieta e estilo de vida permaneceram inalterados durante o estudo).

Podem os micróbios tornarem você gordo?
Fonte: http://pt.slideshare.net/soulfulpathways/feel-better-already-microbiome-health

Este estudo abriu um amplo leque de possibilidades e teorias, que foram sendo testadas uma a uma. A primeira hipótese seria de que esse grupo de bactérias do grupo obeso, estaria ajudando a digerir os alimentos, facilitando assim a absorção pelo hospedeiro (o camundongo). Com isso, a quantidade de nutrientes absorvidas aumenta e por isso se ganha mais peso. Isso pode ser facilmente comprovado estudando o genoma dessa comunidade microbiana, buscando genes funcionais de enzimas digestivas, o que foi pouco a pouco sendo comprovado. Pode-se por outro lado buscar se esses mesmo genes estão ausentes ou pelo menos em menor abundancia nas bactérias dos magrinhos, o que facilmente também pode ser verificado.

Dieta, balanco energético e microbioma intestinal.
Fonte: http://images.slideplayer.com/6/1622515/slides/slide_3.jpg

A partir daí o céu foi o limite. Outras hipóteses surgiram, como por exemplo: estariam algumas doenças relacionadas ao microbioma? E adivinhem? Bingo. Doenças inflamatórias, diabetes tipo 2 e muitas outras parecem ter forte relação com o microbioma. Muitas linhas de pesquisa estão abertas no momento, e o objetivo geral é descobrir como remediar o microbioma, com o uso por exemplo de pró bióticos para combater obesidade e essas doenças.

Uma grande questão a ser investigada é: o que causa essa alteração na microbiota? Seria a dieta moderna? Seriam fatores genéticos determinantes? Ou até mesmo o uso indiscriminado de antibióticos?

No futuro, poderemos ter como rotina, além do sequenciamento do genoma individual, também a analise de microbioma, para que sejam realizados procedimentos médicos e nutricionais personalizados.

Grande época para estar vivo!!!

Até a próxima!!

Para quem quiser ler mais sobre o assunto, uma revisão em inglês: http://www.medscape.com/viewarticle/714569_2

Alguns outros textos em inglês:

http://www.huffingtonpost.com/gerard-e-mullin-md/gut-microbiome_b_7548632.html

http://care.diabetesjournals.org/content/38/1/159

Um pouco mais sobre o mundo invisível dos microrganismos: metagenômica.

No post anterior, falamos sobre o mundo invisível dos microrganismos e da importância dos mesmos na nossa vida. Mencionamos uma técnica nova chamada de metagenômica (ou genômica ambiental) e agora vamos tentar aprofundar um pouco mais nesse assunto.

Metagenomica respondendo as perguntas: Quem está aí? Fazendo o que ? Como estão fazendo? Fonte: http://www.cbs.dtu.dk/researchgroups/metagenomics/mg.jpg

Como visto no post anterior, apenas um pequeno percentual (de 1 a 10%) dos microrganismos que existem por aí podem ser cultivados em laboratório. Mas em primeiro lugar, como se cultiva microrganismo em laboratório?

Bom, esse é um assunto da microbiologia clássica: você precisa conhecer os requisitos básicos que esses seres precisam, como por exemplo, quais nutrientes e em quais quantidades, qual a concentração de oxigênio (ou gás carbônico) ele precisa, qual a temperatura na qual ele se desenvolve melhor, e por aí vai.

Meios de cultura sólido. Fonte: http://econolab.com.br/v2/wp-content/uploads/2013/04/meio-1024x272.jpg

Com esse conhecimento em mente, é possível desenvolver uma “receita” de meio de cultura (que pode ser líquido ou sólido) e colocar esses microrganismos dentro para que ele “cresça”, ou seja, se multiplique através de divisão celular (mitose). Um exemplo é a bactéria intestinal E. coli, muito estudada e conhecida, que se colocada em um meio de cultura adequado, sob agitação e a 37 graus, consegue se dividir em 20 minutos, gerando duas células novas, iguais a que as originou. Isso significa que mesmo que você isole uma única célula viva de um intestino, você consegue em algumas horas obter milhões delas, pois o crescimento é exponencial (porém não indefinidamente, pois os nutrientes e oxigênio se esgotam no meio de cultura após algum tempo).

Divisao celular assexuada. Fonte: http://www.sobiologia.com.br/conteudos/Reinos/Cissiparidade.php

Mas, em geral, microbiologia clássica conhece muito das bactérias de importância clínica (que causam doenças em humanos ou animais), pragas agrícolas e etc. Pouco se sabe das bactérias inofensivas (ou até mesmo benéficas) presentes nos mais diversos ambientes do nosso planetinha azul.

Elas simplesmente não se desenvolvem nos meios de cultura que sabemos fazer até agora. Então essa falta de conhecimento a respeito delas, dificulta justamente que se possa cultiva-las e estuda-las para então saber mais sobre elas, fechando um ciclo.

Bactérias "não cultiváveis" - do que elas precisam? Fonte: http://jb.asm.org/content/194/16/4151/F3.large.jpg

Então o que poderíamos fazer para contornar isso? Aquilo que nunca fazemos com os aparelhos eletrônicos que não sabemos utilizar: ler o manual de instruções!!

Células são máquinas naturais, que seguem instruções codificadas (em sua maioria) em seu DNA. Hoje temos técnicas para extração e estudo de DNA mesmo em quantidades mínimas, então a solução é parar de tentar cultivar e apenas pegar o material ambiental (solo, água do mar, água de algum rio, etc), e extrair e estudar diretamente esse DNA ambiental.

A partir daí, podemos sequenciar o DNA para analisar com técnicas de bioinformática, onde se pode predizer a função de genes, estudar sua evolução, remontar as vias metabólicas, etc, ou até mesmo clonar esse DNA ambiental, inserindo em bactérias conhecidas, com a E. coli, forçando as mesmas a sintetizar a proteína “estrangeira” recém inserida, e assim estudarmos a sua função.

A partir do desenvolvimento dessa técnica, um novo mundo, antes invisível se descortinou para nós. Descobrimos que somos um ecossistema completo, com muito mais espécies de bactérias em nosso microbioma do que o estimado anteriormente. Descobrimos que muitos remédios naturais, extraídos de plantas por exemplo, são na verdade produzidos por bactérias e fungos que habitam essas plantas, e descobrimos até mesmo que o nosso microbioma intestinal pode nos tornar mais propensos a obesidade ou diabetes. A eficiência do nosso sistema imune e consequentemente nossa saúde dependem fortemente dessa comunidade microbiana que nos habita. 

Microbioma Humano. Fonte: http://www.fireboxmedia.com/illustration/

Diversas aplicações podem surgir daí, como por exemplo, usos mais focados de pró-bióticos, no lugar de antibióticos. Ou até mesmo “transplantes” de microbiomas.

Falaremos mais sobre essas descobertas em um post futuro.

O fascinante e invisível mundo microbiano e suas aplicações em biotecnologia.

O mundo em que vivemos é dominado pelos microrganismos. Bactérias, fungos, protozoários. Eles estão presentes em virtualmente todos os ambientes, inclusive os mais extremos, como em fontes termais onde a água pode atingir temperatura perto da ebulição, ou mesmo no fundo do mar, em extremos de pressão e ausência de nutrientes.

O mundo invisível das bactérias.

Bactérias em geral são vistas pelas pessoas como maléficas, causadoras de doenças, etc. Porém, as bactérias “do mal” são de longe, a minoria. 

Bactérias malvadas tramando a destruição da especie humana. Fonte: http://www.123rf.com/stock-photo/bacteria_ailment.html

O mundo no qual vivemos, foi “engenhado” basicamente por bactérias. Devemos o oxigênio em nossa atmosfera basicamente a algumas espécies desses seres tão desprezados (em sua maioria, as cianobactérias). Outras participam ainda no clico de micronutrientes como Enxofre e Nitrogênio ou degradam matéria orgânica, fixam o gás carbônico da atmosfera e etc.

 Cyanobacteria - Anabaena spp. Fonte:http://dkphoto.photoshelter.com

Nos animais (inclusive o homem), elas ajudam desde a absorção de nutrientes e até mesmo na defesa contra patógenos.

Em nosso corpo, temos provavelmente o mesmo número de células humanas e bacterianas. São milhares de espécies que habitam nosso corpo, desde a pele, cabelo, boca, nariz e intestino, constituindo nossa microbiota (antigamente chamada de flora). Sem elas, não sobreviveríamos.

Essas pequenas células são verdadeiras máquinas metabólicas, com uma diversidade de funções incrível.  

Microbioma humano. Fonte: http://milkiseki.jp/microbioma-humano/

Desde milhares de anos atrás, microrganismos são utilizados pelo homem, mesmo sem saber exatamente o que estávamos fazendo. Leveduras são utilizadas para produção de pão e bebidas alcoólicas, assim como lactobacilos para fermentação de leite, desde sempre, constituindo uma maneira rudimentar de biotecnologia desde então.

Fermentação da cerveja: agradeça as leveduras. Fonte: http://comprarbebida.com.br/bebidas-fermentadas/

De lá para cá, a ciência evoluiu e passamos a ter conhecimento mais aprofundado sobre esses seres “invisíveis”. Passamos a conseguir cultivar espécies isoladas em laboratório, estudar sua fisiologia, bioquímica, genética. Descobrimos que podemos controla-las e torna-as espécies de robôs, produzindo exatamente o que desejamos, através de engenharia genética e biologia molecular. 

Bactéria E. coli, geneticamente modificada para produção de biodiesel. Fonte: Diesel (Marian Littlejohn/VEJA)

Sequenciamos genomas de milhares desses organismos e com isso entendemos melhor a função de cada gene e via metabólica.

Foram desenvolvidos microrganismos geneticamente modificados para produção de antibióticos mais potentes, proteínas fluorescentes para estudos de imagem celular, e até mesmo insulina, tornando mais barato, prático e eficiente o processo e melhorando a vida de diabéticos, que antes dependiam de insulina retirada de porcos, por muitas vezes causando até alergias.

Ilustração de como foi possível inserir o gene da insulina humana no genoma de uma bactéria. Fonte: https://www.nlm.nih.gov

A principal limitação no estudo de microrganismos é que não sabemos exatamente como cultivar a maior parte deles em laboratório. Cada organismo tem necessidades especificas, por exemplo, de nutrientes, concentração de oxigênio e temperatura para que cresçam e se multipliquem de maneira saudável. Os microrganismos mais clássicos, como os chamados coliformes fecais por exemplo, são facilmente cultiváveis, porém cerca de 90 a 99% dos organismos ambientais simplesmente não crescem nos meios de cultura que temos disponíveis. Com isso, fica difícil obter células suficientes para estudos in vitro e para sequenciar genomas, por exemplo.

Meios de cultura para bactérias, podem ser líquidos ou sólidos (em placa). Fonte: http://phoneutria.com.br/site2/produto/meios-de-cultura

Muitos desses organismos produzem produtos naturais de grande interesse, como antibióticos ou compostos com atividade anticâncer por exemplo. Outros produzem enzimas que degradam celulose e poderiam ser utilizados para degradar melhor a cana de açúcar, aumentando a quantidade de álcool (etanol) obtido por cada quilograma de cana.

Só que se não conseguimos cultiva-los, não conseguimos obter seus produtos. Então para contornar isso, foi desenvolvida uma técnica chamada de metagenomica, ou genômica ambiental (falarei mais sobre isso em um próximo post). Com essa técnica é possível acessar o DNA da comunidade microbiana completa de determinado ambiente, sem se preocupar em saber de qual organismo veio cada trecho de DNA, nem isolar e cultivar nenhum deles. Busca-se genes ao invés de organismos. Com isso, podemos através de engenharia genética e biologia molecular, inserir esses genes ambientais em bactérias tradicionais e cultiváveis, como os coliformes fecais, clonando e expressando esses genes para obter seus produtos de interesse biotecnológico.

Metagenomica: tornou possível acessar DNA ambiental sem cultivo individual dos microrganismos. Fonte: http://assets.illumina.com/

Mais recentemente, com o advento da biologia sintética, podemos simplesmente utilizar uma célula de alguma bactéria cultivável, retirar todo o seu DNA e inserir um DNA sintético, gerado em laboratório, com genes de interesse. Esse tipo de experimento já vem sendo desenvolvido, como o realizado pelo Craig Venter, onde foi inserido um número mínimo de genes necessários para a vida de um organismo, sintetizados em laboratório, numa célula de bactéria do gênero Mycoplasma, gerando uma forma de vida artificial. Esse vídeo  explica de maneira didática como isso pode ser feito.

Explicarei melhor os avanços desse fascinante campo num próximo post.

Até a próxima.

Medicina Personalizada na era pós-genomica

No último post, falamos sobre genômica e como é importante avançar para a genômica individual e personalizada. Mencionamos sobre as possibilidades de se aplicar os conhecimentos de genômica à medicina personalizada, e nesse post iremos falar um pouco mais a fundo a respeito desse futuro que já bate a nossa porta.

Fonte:http://saude.ig.com.br/minhasaude/2013-04-28/a-corrida-pela-medicina-personalizada.html

Muitas pessoas já sofreram ou presenciaram algum amigo ou parente ter problemas com certas medicações, as vezes até as mais comuns, como Aspirina. Em alguns casos, são efeitos adversos leves, mas em outros, reações alérgicas graves. Também é possível que não ocorra nenhuma reação adversa, porém o tratamento que funciona tão bem para muitas pessoas, simplesmente não surte efeito para outras. Por que, mesmo após tantos estudos clínicos e pré-clínicos, com animais e humanos voluntários, isso ocorre?  Bom, é exatamente esta pergunta que os dados genômicos em larga escala, de muitos indivíduos de cada população, podem vir a responder.  

Fonte: https://stevebetz.files.wordpress.com/2012/02/img3.jpg

Falamos no post anterior sobre os polimorfismos (ou, em linguagem mais simples, variações genéticas) de base única (SNPs) e de como eles nos definem como indivíduos. Essas não são as únicas variações existentes entre os genomas individuais, existem algumas outras, as vezes mais drásticas, como variações em número de copias de cromossomos, como as trissomias, por exemplo, do cromossomo 21 (muito conhecida como síndrome de Down). 

Fonte: http://slideplayer.com.br/slide/286871/

Existem também as aberrações cromossômicas estruturais, onde não se altera o número de copias de determinado cromossomo, porem algum cromossomo se apresenta bastante alterado (como a síndrome do miado do gato), em que falta um fragmento do braço curto do cromossomo 5). Essas alterações geralmente são extensas e causam doenças já bem conhecidas, e o seu diagnóstico não depende do sequenciamento de genomas completos do paciente, pois essas alterações podem ser verificadas até mesmo pelo microscópio (com técnicas de cariotipagem).

Porém, as diferenças mais sutis, entre indivíduos considerados “normais”, são muito mais numerosas e difíceis de se detectar. Em muitos casos o polimorfismo do DNA vem sendo detectados com técnicas de laboratório trabalhosas, com enzimas de restrição (que picotam o DNA apenas onde se deseja) e posterior analise. O problema com essas técnicas além do custo e do tempo necessário, é que elas só podem ser aplicadas em trechos já conhecidos do genoma, onde se sabe que pode haver polimorfismo entre indivíduos. Isso limita estudos de alta vazão, com grandes populações, restando a genômica resolver esse impasse.

Falamos também no post anterior, a respeito de um projeto chamado 1000 genomes, que se encontra em estágio bem avançado.  Hoje, projetos muito mais ambiciosos encontram-se em andamento, como o projeto 100.000 (isso mesmo, cem mil) genomes. Esse projeto tem como meta sequenciar, obviamente, 100 mil genomas de 70 mil pacientes ingleses com doenças genéticas graves ou câncer. São pacientes do sistema nacional de saúde britânico, e que, portanto, apresentam todo o histórico médico disponível para os pesquisadores.  No site do projeto, é possível ver mais informações e um vídeo, em inglês, mostra uma introdução ao projeto.

Mas o que vai ser feito com essa “tonelada” de informação obtida? Bom, o primeiro passo é cruzar informações do histórico médico com informações genômicas de cada paciente, e comparar com cada outro paciente do estudo. Parece simples, porém estamos falando de centenas de milhares de pacientes, com bilhões de pares de bases sequenciadas para cada um deles, e mais “trocentas” informações medicas relevantes, como por exemplo, alergia a aspirina, ou câncer em fase terminal. Cruzar esses dados requer, primeiro um poder computacional (super computadores), depois algoritmos e programas eficientes e finalmente cientistas e médicos qualificados para interpretar esses resultados (que é no fim das contas a parte mais difícil). Mas e na pratica, o que podemos obter?

Vamos imaginar uma situação hipotética, bastante simplificada. Dentro do grupo de pacientes, 18 mil deles apresentam no histórico médico, altas taxas de colesterol e risco cardíaco elevado. Desses 18 mil, cerca de 90% possuem mutações de base única (SNP) em 10 genes. No outro grupo de pacientes, que não apresentam problemas de colesterol alto nem risco cardíaco, apenas 15% apresentam as mesmas mutações. O que isso nos tem a dizer? Bom, muitas técnicas estatísticas precisam ser aplicadas para se ter maior confiança nas conclusões, mas a grosso modo, isso é um forte indicio de que essas mutações nesses genes favorecem problemas de colesterol e cardíacos. Em muitos dos casos, alguns desses 10 genes terão funções conhecidas, então um pesquisador, ao olhar para esses genes, poderá formular hipóteses ou rejeita-las. Se esses genes são genes já conhecidos por sua função metabólica relacionada a colesterol, fica mais fácil ainda aceitar a hipótese. Porém, desses 10 genes, alguns podem ter inclusive função desconhecida, tornando-se alvos imediatos para mais estudos.

Esse cenário pode ser estendido para qualquer informação medica relevante relatada, desde alergias, intolerâncias alimentares, predisposição a certas doenças (como herpes labial ou bronquites), doenças autoimunes, diversos tipos de câncer, e etc.

Após essas extensivas analises, teremos em mãos ferramentas poderosas e poderá se tornar praxe, seu médico pedir seu genoma completo e com o resultado em mãos, adequar tratamentos (por exemplo, evitar medicações que possam potencialmente causar alergia ou resistência) ou mesmo prevenir doenças futuras.

Fonte:https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEiWjdOYicvOwWk1gzehd8tpspWfFxU-VS3tLeccE8T1p69giLfewJRzx6zcctBSdYeTd8WCgkm7r7vMHcME4_XyMDv3jPg6e18vibnCPPmw1I45OMZcMmutMLIx5BWJfPAgugx9N_KC7A/s1600/pharma-diseases.gif

Esse tipo de informação, porém, precisa ser mantida em sigilo e trará dilemas éticos, como por exemplo, seguros de saúde poderiam cobrar preços diferenciados de acordo com o genoma da pessoa. Mas esse é assunto para um outro post!