Resumen
Se sabe que aun pequeñas dosis de antibióticos reducen la diversidad del microbioma intestinal. Sin embargo, sólo existen modelos matemáticos limitados de la dinámica relacionada tiempo-respuesta. Aquí, nos inspiramos de un esquema de un horizonte de estabilidad y desarrollamos un modelo de impulso-respuesta de la perturbación de los antibióticos. Ajustamos este modelo a datos anteriormente publicados donde algunos individuos tomaron un tratamiento de antibióticos durante 10 días (clindamicina o ciprofloxacino) y se les tomaron muestras durante un periodo de hasta un año posteriormente. Ajustando un modelo extendido que permite una transición a un estado estable alternativo, hallamos respaldo para una transición a largo plazo a un estado comunitario alternativo un año después de tomar antibióticos. Esto implica que un solo tratamiento de antibióticos no sólo reduce la diversidad de la flora intestinal durante un periodo de hasta un año, sino que también altera su composición, posiblemente de manera indefinida. Nuestros resultados proporcionan un respaldo cuantitativo para una imagen conceptual del microbioma intestinal y demuestran que los modelos sencillos pueden proporcionar nuevos conocimientos biológicos.
Respaldo para la transición del estado inducido por antibióticos
Para probar la hipótesis de que el tratamiento con antibióticos pudo haber desplazado el microbioma intestinal de los individuos a estados alternativos, ajustamos una versión extendida de nuestro modelo que permitió un valor asintótico potencial diferente de cero (modelo 2; eq. 7), que representa un nuevo valor de la diversidad a largo plazo. Asumimos una distribución normal anteriormente para el parámetro asintótico A centrado en cero (es decir, de vuelta al equilibrio original) con una varianza dada por la varianza del desplazamiento de las muestras de placebo con referencia al punto de origen año tras año.
Cualitativamente, este modelo ligeramente más complejo dio un ajuste similar (Figura 3) pero con un desplazamiento positivo desde el equilibrio, correspondiendo a un estado de equilibrio alternativo con menos diversidad. Comparamos modelos con el factor de Bayes BF, donde BF > 1 indica respaldo de un modelo sobre el otro. No hubo respaldo para el modelo 2 sobre el modelo 1 para el grupo de placebo (BF = 0.96), sino respaldo para el ciprofloxacino (BF = 3.36) y la clindamicina (BF = 3.99). Los cálculos posteriores para el parámetro asintótico de la clindamicina y el ciprofloxacino presentaron un sesgo positivo considerable (Figura 4), lo que proporciona evidencia de una transición a un estado con menor diversidad filogenética que la línea de base.
Figura 3: Un modelo con una posible transición de estado mejora el ajuste a datos empíricos. Los ajustes bayesianos con Stan para participantes que tomaban placebos (n=10), ciprofloxacino (n=9) o clindamycin (n=9). La diversidad filogenética media de 100 bootstraps para cada muestra (puntos negros) y su media y 95% de intervalo de confianza de la distribución posterior (líneas resaltadas y punteadas en colores, respectivamente). La línea gris indica el valor de la diversidad de equilibrio, definido en base a cada individuo en relación con la diversidad media de la línea de base. El sesgo positivo de los residuos después de un año sugiere la posibilidad de una transición a un estado estable alternativo con una diversidad reducida persistentemente. La asíntota no centrada en cero indica el respaldo para una transición de estado.
Comparación de parámetros entre antibióticos
Comparando la distribución posterior de parámetros para los ajustes del modelo 2 entre grupos de tratamiento (Figura 4), la fuerza del parámetro de perturbación D no fue sustancialmente diferente entre antibióticos. El parámetro de equilibrio asintótico A tuvo sesgo positivo para ambos antibióticos (media (IC 95%): Aclinda = 0.66 (-0.13-1.41); Acipro = 0.58 (-0.14-1.27), lo que sugiere fuertemente efectos perjudiciales persistentes en la diversidad y una transición a un estado estable alternativo.
Los parámetros b y k fueron mayores en la clindamicina en comparación con el ciprofloxacino. El factor de amortiguamiento ζ = b/2√k resume cómo decaen las perturbaciones en el tiempo, y es una propiedad inherente del sistema, independientemente de la propia perturbación. Por lo tanto, si nuestro marco de modelación y los supuestos ecológicos fueran válidos, esperaríamos hallar un factor consistente de amortiguamiento tanto para el grupo de clindamicina como para el de ciprofloxacino. Esto es exactamente lo que observamos, con factores medios (IC 95%) de amortiguamiento de ζclinda = 1.07 (1.00-1.65) y ζcipro =1.07 (1.00-1.66), sustancialmente diferentes tanto de la distribución anterior como la posterior en el grupo de Placebo de ζplacebo = 1.21(1.00-3.00), respaldando la visión del microbioma intestinal como un oscilador armónico amortiguado.
Figura 4: Cálculos de parámetros posteriores para el modelo con una posible transición a un estado estable alternativo. Las distribuciones posteriores de ajustes bayesianos del modelo 2 (eq. 7) a datos empíricos para el ciprofloxacino (verde) y la clindamicina (rojo). Cada distribución posterior representa 400,000 iteraciones en total.
Una respuesta compleja e individualizada a los antibióticos no impide la creación del modelo
Aunque no es nuestra intención repetir una descripción exhaustiva de la naturaleza precisa de la respuesta para los diferentes antibióticos, realizamos algunas observaciones cualitativas interesantes a partir de nuestro re análisis, que subrayan la complejidad de la respuesta a los antibióticos a fin de establecer el punto de que, aunque modelar estas interacciones está mucho más allá del alcance de nuestro modelo, nuestro enfoque no resulta afectado por esta complejidad subyacente. Analizamos aquí observaciones a nivel de familias taxonómicas (Figura suplementaria 1).
A pesar de sus diferentes mecanismos de acción, tanto la clindamicina como el ciprofloxacino causaron un incremento asombroso en las bacterias anaerobias Gram negativas Rikenellaceae, lo cual se vio más marcado un mes después del término del tratamiento. No obstante, para el ciprofloxacino este decremento había comenzado inmediatamente después del tratamiento, mientras que para la clindamicina, la abundancia después del tratamiento no se vio modificada en la mayoría de los participantes.
La diferente naturaleza temporal de esta respuesta refleja tal vez la naturaleza bactericida del ciprofloxacino (Mustaev et al. 2014), en comparación con el efecto bacteriostático de la clindamicina, aunque concentraciones in vivo pueden producir efectos bactericidas (Spížek & Řezanka 2004).
Hubo claras diferencias en la respuesta entre ambos antibióticos. Por ejemplo, la clindamicina causó un decremento en las bacterias anaerobias Gram positivas Ruminococcaceae después de un mes, mientras que el ciprofloxacino no tuvo efectos.
Por el contrario, el ciprofloxacino causó niveles bajos de Barnesiellaceae, la cual quedó prácticamente sin afectaciones por la clindamicina.
Algunas familias resultaron sin afectaciones por los antibióticos: las Bacteroidaceae permanecieron prácticamente sin afectaciones en la mayoría de los individuos. Por otra parte, aunque la diversidad general decreció, esto todavía puede ser consistente con incrementos en la abundancia relativa de ciertos taxones. Por ejemplo, el ciprofloxacino dio como resultado incrementos de Erysipelotrichaceae, los cuales fueron muy grandes en ciertos individuos. Resulta interesante que para estos individuos, esos incrementos coincidieron con decrementos marcados de Bacteroidaceae, lo que sugiere la relevancia de interacciones inter familiares (Figura suplementaria 1). La naturaleza individualizada de la respuesta al ciprofloxacino también fue notable en las Lachnospiraceae – que prácticamente no fueron afectadas por la clindamicina – ya que su abundancia disminuyó por debajo de niveles detectables en algunos individuos después de un mes, pero permanece sin cambios en otros.
Comparando las abundancias relativas a nivel familiar, hubo pocas diferencias entre estados comunitarios de diferentes grupos de tratamiento año tras año. Una diversidad filogenética equitativa puede ser producida por una composición comunitaria diferente, y esto sugiere contra tendencias consistentes en la disbiosis relacionada con cada antibiótico. Sin embargo, hallamos que las Peptostreptococcaceae, miembros del orden Clostridiales, eran considerablemente más abundantes en el grupo de clindamicina en comparación tanto con el grupo de ciprofloxacino como el de placebo, independientemente (p < 0.05, prueba de los rangos con signo de Wilcoxon). En un entorno clínico, se establece bien que la clindamicina da como resultado un mayor riesgo de infección potencialmente letal causada por otro miembro de las Clostridiales: Clostridium difficile (Thomas et al. 2003). La reducción a largo plazo de la diversidad podría incrementar de manera similar el riesgo de colonización y sobre crecimiento de especies patógenas.
Fuente: www.biorxiv.org
Link: https://www.biorxiv.org/content/early/2017/11/20/222398
Liam P. Shaw1,2,3, Chris P. Barnes4,5, A. Sarah Walker6, Nigel Klein3, Francois Balloux1
1: Instituto Genético de la UCL, UCL, Londres
2: CoMPLEX, UCL, Londres
3: Instituto de Salud Infantil de la UCL, UCL, Londres
4: Biología de la Célula y el Desarrollo, UCL, Londres
5: Departamento de Genética Evolución y Medio Ambiente (GEE), UCL, Londres
6: Unidad de Pruebas Clínicas MRC de la UCL, UCL, Londres
Nota: Instituto Nutrigenómica no se hace responsable de las opiniones expresadas en el presente artículo.
Agradecimientos
Contribuciones de los autores
LPS concibió el modelo, desarrolló los análisis y escribió el trabajo de investigación. Todos los autores contribuyeron al debate del modelo e hicieron comentarios sobre el trabajo de investigación.
Declaración de accesibilidad de datos
Los conjuntos de datos y los códigos necesarios para reproducir los resultados y las cifras están disponibles como información de respaldo. Todos los datos de secuencia presentados en este trabajo de investigación fueron depositados previamente en el Archivo de Lectura de Secuencia del NCBI como parte de otra publicación (SRA accession SRP057504).
Financiación
LPS tiene respaldo del Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas [EP/F500351/1] y del Centro Reuben para Virología y Metagenómica Pediátrica. CBP tiene el respaldo del Fondo Wellcome 097319/Z/11/Z].
Figura suplementaria 1
