¿Las células nerviosas se desarrollaron para hablar con los microbios?
El equipo de investigación de la CAU descubre que un antiguo sistema nervioso y microorganismos simbióticos se comunican entre sí
Diversas enfermedades del aparato digestivo, por ejemplo, las graves inflamaciones intestinales en los seres humanos, están estrechamente relacionadas con las alteraciones de la movilidad natural del intestino. El papel del microbioma, es decir, la colonización microbiana natural del tracto digestivo, en estas contracciones rítmicas del intestino, también conocidas como peristalsis, es actualmente objeto de intensas investigaciones. En particular, no está claro cómo se controlan las contracciones y cómo las células del sistema nervioso, que actúan como marcapasos, trabajan junto con los microorganismos. Un equipo de investigación del grupo de Biología Celular y del Desarrollo de la Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ha logrado demostrar por primera vez, utilizando como ejemplo el pólipo de agua dulce Hydra, que las neuronas y bacterias filogenéticamente viejas se comunican directamente entre sí. Sorprendentemente, los investigadores descubrieron que las células nerviosas se intercambian con los microorganismos a través de receptores inmunes, es decir, en cierta medida con la ayuda de los mecanismos del sistema inmunológico. Sobre esta base, los investigadores del Centro de Investigación Colectiva de la CAU (SFB) 1182 "Origen y funcionamiento de los metaorganismos" formularon la hipótesis de que el sistema nervioso no sólo se encarga de las funciones sensoriales y motoras desde el comienzo mismo de la evolución, sino que también es responsable conjuntamente de la comunicación con los microbios. Los investigadores de Kiel en torno al profesor Thomas Bosch publicaron sus resultados junto con colegas internacionales en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).
Una población de neuronas en el sistema nervioso difuso de Hydra expresa neuropéptidos (en verde), que se hacen visibles por medio de anticuerpos específicos. Los núcleos celulares están teñidos de magenta.
Dr. Alexander Klimovich
Observaciones sobre un sistema nervioso simple y antiguo
El equipo de investigación estudió la red nerviosa simple del filogenéticamente antiguo pólipo de agua dulce Hydra. Su función es similar a la del llamado sistema nervioso entérico de los vertebrados, que controla la funcionalidad del tracto digestivo. Los investigadores del SFB 1182 hicieron dos observaciones importantes. En primer lugar, lograron por primera vez identificar las células del sistema nervioso de la Hidra que son responsables de las contracciones rítmicas del pólipo. La clave de este descubrimiento fue la estrecha colaboración con un grupo de medicina humana dirigido por el profesor Mauro D'Amato de la Universidad de Monash en Melbourne (Australia). En un estudio a gran escala con material de muestra de pacientes que padecen el síndrome de intestino irritable (SII), los investigadores australianos descubrieron genes que pueden ser responsables de las alteraciones del peristaltismo humano. Sobre esta base, el equipo de investigación de Thomas Bosch también buscó en Hydra las células en las que estos genes están activos. Sorprendentemente, los investigadores de Kiel los encontraron en un pequeño grupo de células nerviosas de este antiguo sistema nervioso. Cuando apagaron estos genes en la Hydra, desactivando así las proteínas que codificaban, esto condujo inmediatamente a una drástica reducción de las contracciones intestinales rítmicas. Los investigadores de la UAC pudieron así demostrar que estas eran de hecho las células marcapasos que controlan las contracciones intestinales. Dado que estas variantes genéticas fueron descubiertas originalmente en muestras humanas de enfermos de SII, los investigadores de Kiel sospechan que estas neuronas son unidades centrales de control que se desarrollaron en los primeros tiempos de la evolución de los animales para regular funciones corporales complejas.
El estudio del equipo de investigación de la UAC también produjo un segundo resultado igualmente sorprendente. El detallado análisis genético molecular de las neuronas individuales de Hydra mostró que ejercen una influencia directa en la densidad y composición de las bacterias simbióticas utilizando las herramientas del sistema inmunológico innato. Ya se sabía que la ausencia o la perturbación del microbioma ejercen una influencia significativa en la frecuencia y la regularidad de las contracciones. Además, el nuevo estudio deja claro que se trata de un sistema regulador filogenéticamente antiguo en el que la comunicación entre ciertas neuronas y la bacteria simbiótica desempeña un papel central.
"Nuestras observaciones indican que las células nerviosas son capaces de percibir los microorganismos y reaccionar ante ellos", explica el Dr. Alexander Klimovich, científico en biología celular y del desarrollo y miembro del SFB 1182. "Para ello, las neuronas utilizan receptores que se encuentran en otros animales en las células del sistema inmunológico", continúa el primer autor. Las células marcapasos activadas liberan entonces ciertas moléculas como los péptidos antimicrobianos, que a su vez tienen una fuerte influencia en la presencia o ausencia de ciertos microbios.
En investigaciones posteriores, el equipo de investigación de Kiel comparó los mecanismos de control de las hidras con los de los nematodos y los ratones. Descubrieron que la cooperación de las células de marcapasos y los microbios también puede ocurrir en ellos. Análisis más detallados mostraron que, por ejemplo, las células marcapasos en el intestino del ratón también poseen receptores inmunes que se comunican con los microorganismos de manera similar. "Por lo tanto, asumimos que la comunicación entre las neuronas y los microbios a través de los receptores inmunes es una propiedad evolutivamente muy conservada", enfatiza Klimovich. "Es posible que esta conexión entre el sistema nervioso y el microbioma se haya desarrollado por primera vez en las hidras hace unos 650 millones de años", dice Klimovich.
Una nueva hipótesis
Los hallazgos del equipo de investigación de Kiel proporcionan así pruebas de que el sistema nervioso probablemente estuvo estrechamente vinculado a los microorganismos simbióticos desde el principio. "Puede que tengamos que replantearnos la evolución de los sistemas inmunológico y nervioso", subraya el profesor Thomas Bosch, jefe del Departamento de Células y Biología del Desarrollo de Kiel y portavoz del SFB 1182, "Las investigaciones sobre la Hidra muestran que incluso los sistemas nerviosos evolutivos más antiguos de la naturaleza interactuaban con microorganismos. Es posible que las células nerviosas se hayan inventado para permitir la comunicación con los microbios que son tan importantes para el cuerpo", continúa Bosch.
Si esta hipótesis es correcta, también abre perspectivas completamente nuevas sobre el desarrollo y el futuro tratamiento de las enfermedades intestinales humanas basadas en el deterioro de la movilidad intestinal. Esto se debe a que es muy probable que exista una correlación entre el estado del microbioma y los trastornos de la movilidad intestinal también en los humanos. "En el futuro, por lo tanto, también debemos considerar el papel de las células nerviosas en el desarrollo y tratamiento de las enfermedades inflamatorias del intestino", predice Bosch. Cuanto mejor comprendan los investigadores su participación en el desarrollo de la enfermedad, más se acercarán las intervenciones terapéuticas en el microbioma que podrían permitir una movilidad intestinal sana y, por tanto, el tratamiento de las enfermedades intestinales crónicas.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Alemán se puede encontrar aquí.
Publicación original
Alexander Klimovich, Stefania Giacomello, Åsa Björklund, Louis Faure, Marketa Kaucka, Christoph Giez, Andrea P. Murillo-Rincon, Ann-Sophie Matt, Doris Willoweit-Ohl, Gabriele Crupi, Jaime de Anda, Gerard C.L. Wong, Mauro D’Amato, Igor Adameyko, Thomas C.G. Bosch (2020): Prototypical pacemaker neurons interact with the resident microbiota PNAS First published on 09 July 2020
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