A microbiota humana e
sua importância para a
saúde humana
Luis Caetano Martha Antunes, Ph.D.
Pesquisador em Saúde Pública
Escola Nacional de Saúde Pública Sergio Arouca
Fundação Oswaldo Cruz
[email protected]
2448-6886
Microrganismos:
amigos ou inimigos?
= ??
• Doenças
O Pulso
-Titãs
Peste bubônica Câncer, pneumonia Raiva,
rubéola Tuberculose e anemia
Rancor, cisticercose Caxumba,
difteria Encefalite, faringite Gripe e
leucemia…
Hepatite, escarlatina Estupidez,
paralisia Toxoplasmose,
sarampo Esquizofrenia
Úlcera, trombose Coqueluche,
hipocondria Sífilis, ciúmes Asma,
cleptomania...
Reumatismo, raquitismo Cistite,
disritmia Hérnia, pediculose Tétano,
hipocrisia
Brucelose, febre tifóide Arteriosclerose,
miopia Catapora, culpa, cárie Cãibra,
lepra, afasia...
E o pulso ainda pulsa…
• Infecções
• Mal-estar
• Sintomas
• Patogenicidade
Microrganismos são em sua grande
maioria inócuos ou benéficos
A microbiota humana
Conjunto de microrganismos que convive em
harmonia com o hospedeiro, não causando
nenhum malefício
• Bactérias, arqueas, vírus, protozoários
• Podem ser comensais ou simbióticos
• Microbiota, microflora, flora, flora normal, microbiota
anfibiôntica, microbioma
A microbiota humana
Um consórcio complexo de microrganismos
• 100.000.000.000.000 de células
• 1 Kg de bactérias
• 10x o número de células humanas
• 100x o número de genes humanos
• >200 gêneros, >1.000 espécies, >7.000 cepas
• Coletivamente a microbiota humana >35.000 espécies
A microbiota humana e sua diversidade
Kyrpides. 2009. Nat. Biotechnol. 27(7):627-632
Onde estão esses microrganismos?
• Cavidade oral
• Estômago
• Intestino delgado
• Intestino grosso
• Trato genito-urinário
• Trato respiratório
• Pele
• Olhos
Onde estão esses microrganismos?
• Cavidade oral
• Estômago
• Intestino delgado
Outros
30%
• Intestino grosso
• Trato genito-urinário
• Trato respiratório
• Pele
• Olhos
Trato gastrointestinal
70%
Onde estão esses microrganismos?
• Distribuição heterogênea latitudinal
Sekirov et al. 2010. Physiol. Rev. 90:859-904
Onde estão esses microrganismos?
• Distribuição heterogênea longitudinal
Sekirov et al. 2010. Physiol. Rev. 90:859-904
Fatores determinantes de colonização
• Distribuição de nutrientes
• Concentração de oxigênio
• pH
• Sítios de ligação
• Presença de substâncias inibitórias (por exemplo, bile)
• Temperatura
• Disponibilidade de água
• Outras espécies (ou moléculas) presentes
De onde vem esses microrganismos?
• Colonização ocorre durante o parto
• Microbiota vaginal ≈ microbiota do
recém nascido
• Cesariana x parto normal 
recém-nascidos tem microbiota
distinta
• Estudos com gêmeos fraternos e
idênticos  microbiota da mãe é
um fator determinante
Estabilidade da microbiota
• Primeiro ano de vida  microbiota simples e “instável”
• Após primeiro ano  estabilização, semelhante ao adulto
Sekirov et al. 2010. Physiol. Rev. 90:859-904
Microbiota x hospedeiro: co-evolução
• Microbiota e hospedeiro conviveram por milhões de anos
 adaptação mútua
• Microbiota evoluiu para exercer efeitos no hospedeiro
• Hospedeiro evoluiu para manipular a microbiota
• Transplante entre microbiotas de camundongos e peixes
 microbiota retorna à sua composição natural
• Estudos com animais “germ-free”  vários efeitos de
componentes da microbiota na fisiologia do hospedeiro
Quem são esses microrganismos?
Costello et al. 2009. Science. 326(5960):1694-1697.
Quem são esses microrganismos?
Costello et al. 2009. Science. 326(5960):1694-1697.
Quem são esses microrganismos?
Costello et al. 2009. Science. 326(5960):1694-1697.
Quem são esses microrganismos?
Costello et al. 2009. Science. 326(5960):1694-1697.
Fatores que influenciam a
microbiota
Idade
Microbiota
materna
Exercício
Dieta
Higiene
Genética
Estado
hormonal
Remédios
Microbiota
Consequências
Estado nutricional
Comportamento
Susceptibilidade a doenças
Doenças locais
Doenças sistêmicas
Modelos de estudo da microbiota
• Animais com microbiota manipulada
• Tratamento com antibióticos, prebióticos ou probióticos
• Introdução de espécies ou moléculas
• Monitoramento dos efeitos
Sekirov et al. 2008. Infect. Immun. 76(10):4726-4736.
Modelos de estudo da microbiota
• Animais “germ-free”
• Obtidos através de cesariana
• Mantidos em ambiente estéril
• Microbiota completamente ausente
• Introdução de espécies
(uma, duas, várias)
• Inoculação com moléculas
• Monitoramento dos efeitos
Papéis fundamentais da microbiota
• Desenvolvimento do sistema imune
• Regulação energética
• Degradação de carboidratos complexos
• Ativação da assimilação de nutrientes
• Síntese de vitaminas
• Proteção contra patógenos invasores
•
•
•
•
Competição por nutrientes
Competição por sítios de ligação
Produção de antibióticos
Produção de bacteriocinas
Desenvolvimento do sistema imune
• Estudos com camundongos “germ-free”, sem microbiota
• Animais “germ-free”:
•
•
•
•
•
•
•
Número alterado de diversas células do sistema imune
Estruturas linfóides alteradas
Baço, linfonodos e Placas de Peyer mal desenvolvidos
Número de células B produtoras de IgA reduzido
Níveis de IgA e IgG secretadas reduzido
Perfil de citocinas alterado
Desenvolvimento de tolerância oral reduzido
• Efeito da microbiota é drástico mas não surpreende 
maior fonte de antígenos para o sistema imune
Regulação energética
• Observação de que animais “germ-free” precisam
consumir mais calorias
• Microbiota  metabolismo de fibras da dieta 
transformação em ácidos graxos  fontes de energia
• Modulação da expressão de lipases importantes para o
metabolismo de lipídios
• Modulação da absorção de ácidos graxos em adipócitos
Proteção contra patógenos invasores
• Observações sobre o efeito de antibióticos na susceptibilidade a
infecções
• Colite pseudomembranosa:
• Causada por Clostridium difficile
• Tratamento com antibióticos de amplo espectro, clindamicina,
cefalosporinas
•
Modelos animais:
• Camundongos tratados com antibióticos
• Aumento da susceptibilidade a infecções entéricas
Doenças associadas à microbiota
• Doenças locais
• Doença inflamatória intestinal
• Câncer
• Colite pseudomembranosa
• Doenças sistêmicas
• Obesidade
• Diabetes
• Alergia
• Autismo
Doença Inflamatória Intestinal
• Inflamação descontrolada
• Lesões disseminadas pelo intestino
• Causa desconhecida
• Envolvimento da microbiota:
• Microbiota aberrante em DII
• Antibióticos  controle dos sintomas
• Reação imune excessiva a epítopos microbianos
• Alta incidência de E. coli, Mycobacterium avium
• Baixa incidência de Faecalibacterium prausnitzii
• Causa ou consequência?
Câncer
• Gastrite 
úlcera  carcinoma gástrico
• Originalmente  stress, genética
• Infecção por Helicobacter pylori
• Inflamação excessiva
• Efeitos citotóxicos diretos
• Metabolismo de nutrientes
• 50% da população mundial carreadora
• Carcinoma intestinal 
microbiota alterada
• Clostridium, Bacteroides, Bifidobacterium  causadores
• Lactobacillus, Eubacterium  protetores
Obesidade
• Importância da microbiota para nutrição
• Camundongos geneticamente obesos 
redução de Bacteroidetes e aumento de
Firmicutes
• Microbiota de humanos obesos e magros 
composição semelhante
• Camundongos obesos  dieta 
microbiota “magra”
• Transplante de microbiota, animais “germfree”:
• Microbiota “obesa”  animal obeso
• Microbiota “magra”  animal magro
• Microbiota “obesa”  aumento de enzimas
de degradação de carboidratos complexos
Autismo
• Uso excessivo de antibióticos  autismo tardio
• Anormalidades gastrointestinais comuns em pacientes autistas
• Sintomas de autismo reduzidos após tratamento com
antibióticos e probióticos  retornam após tratamento
• Clostridium spp.  abundância 10X maior em autistas
• Antibióticos que não afetam Clostridium  correlação doença
• Antibióticos que afetam Clostridium 
• Mecanismos em potencial:
• Produção de neurotoxinas
• Autoimunidade
• Metabólitos tóxicos
correlação cura
Interações microbianas na
microbiota humana
• Mecanismos pouco elucidados
• Uso de moléculas para modular outros componentes do
sistema
• Uso de moléculas pequenas em sinalização intercelular
•
•
•
•
•
•
Hospedeiro  microbiota
Microbiota  hospedeiro
Microbiota  patógenos
Patógenos  microbiota
Patógeno  hospedeiro
Hospedeiro  Patógeno
Interações microbianas na
microbiota humana
Sekirov et al. 2010. Physiol. Rev. 90:859-904
Técnicas de estudo da microbiota
• Métodos de cultivo e isolamento de microrganismos:
•
•
•
•
•
•
•
Plaqueamento de amostras em meio rico
Uso de meios seletivos
Uso de meios indicadores
Método mais clássico
Simples
Barato
Não diferencia espécies ou cepas
>80% da microbiota intestinal não pode
ser cultivada!!!
Técnicas de estudo da microbiota
• Cultivo de comunidades microbianas:
• Estudo do consórcio como um todo
• Permite a manipulação da comunidade
• Permite crescimento de alguns “não-cultiváveis”
Técnicas de estudo da microbiota
• Métodos moleculares independentes de cultivo:
•
•
•
•
•
•
Análise de DNA, RNA, proteínas ou metabólitos
Modernos
Podem ser complexos
Mais caros
Diferenciam espécies e cepas
Teoricamente 100% da microbiota pode ser analisada
• Sequenciamento total de rDNA 16S
• Denaturing Gradient Gel Electrophoresis
• Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism
• Ribosomal Intergenic Spacer Analysis
• Fluorescence In Situ Hibridization
• Microarrays
• PCR quantitativo
• Metagenômica
• Metabolômica
• Metaproteômica
• Metatranscriptômica
Metagenômica
Comunidade
microbiana
•
•
•
•
Loman et al. 2012. Nat. Rev. Microbiol. 10:599-606
Simples
Custo total alto
Custo por base baixo
Cobertura “ilimitada”
Curiosidades:
Controle hormonal
• Pílula contraceptiva  uso de
antibióticos  diminuição da
eficácia
• Mecanismos desconhecidos
• Uso de antibióticos 
destruição da microbiota 
desregulação hormonal
Antunes et al. 2011. Antimicrob. Agents
Chemother. 55(4):1494-1503
antibióticos
Curiosidades:
Transplante fecal
• Uso de antibióticos 
destruição da microbiota 
infecções oportunistas
• Infecção por Clostridium difficile
 colite pseudomembranosa
• Difícil de tratar
• Recorrente
O estudo da microbiota continua
crescendo
Sekirov et al. 2010. Physiol. Rev. 90:859-904
O estudo da microbiota continua
crescendo
• Novos microrganismos
• Novas moléculas: drogas anti-infecciosas,
antibióticos, drogas imunomodulatórias…
• Novas curas!
Entendimento de SAÚDE e DOENÇA
COMMENSALS
HOST
PATHOGENS
Immune responses
Disease