La metformina es ampliamente usada en el tratamiento de la diabetes tipo 2 (DT2), sin embargo, su mecanismo de acción está definido de forma muy deficiente.
Evidencia reciente muestra a la microbiota intestinal como un sitio de acción de la metformina. En un estudio de doble ciego, aleatorizamos administraciones a individuos con DT2 sin tratamiento previo, de placebo o metformina durante 4 meses, y demostramos que la metformina tenía efectos fuertes en el microbioma intestinal.
Estos resultados fueron verificados en un subconjunto del grupo de placebos que fue cambiado a metformina 6 meses después del inicio de la prueba. La transferencia de las muestras fecales (obtenidas antes y 4 meses después del tratamiento) de donantes tratados con metformina, a ratones libres de gérmenes, mostró que la tolerancia a la glucosa mejoraba en ratones que recibieron microbiomas alterados por la metformina. Al investigar directamente las interacciones metformina-microbiota en un simulador del aparato intestinal, demostramos que la metformina afectaba las rutas con funciones biológicas comunes en especies de dos diferentes filos, y muchos de los genes regulados por la metformina en estas especies codificaban metaloproteínas o transportadores metálicos. Nuestros hallazgos respaldan la noción de que una microbiota intestinal alterada controla algunos de los efectos anti diabéticos de la metformina.
La metformina como farmacoterapia
La metformina es la farmacoterapia más prescrita para el tratamiento de individuos con diabetes tipo 2 (DT2) debido a su seguridad relativa, bajo coste, y efectos beneficiosos en la glucosa sanguínea y la mortalidad cardiovascular1,2. Sin embargo, su mecanismo de acción sigue siendo poco claro. Aunque se considera que la metformina controla sus efectos anti hiperglucémicos al suprimir la producción de glucosa hepática a través de la activación de rutas dependientes3-5 e independientes6-8 de proteína quinasa activada por AMP (AMPK) en el hígado, la evidencia acumulada implica que también podría actuar a través de rutas en los intestinos9,10. Por ejemplo, su efecto de disminución de glucosa es más pronunciado cuando se administra de forma oral que cuando se administra por vía intravenosa11. Además, un estudio que comparaba las formulaciones de metformina con una exposición reducida y normal en el plasma proporcionó evidencias para indicar que el intestino delgado es un sitio principal de acción para la metformina12. Por otra parte, estudios recientes tanto en roedores13-15 como en humanos16-18 sugieren que los cambios microbianos en el intestino podrían contribuir al efecto anti diabético de la metformina. Sin embargo, hasta ahora, no se sabe cómo la metformina afecta al microbioma intestinal de individuos con DT2 que nunca han recibido tratamiento, ni tampoco cómo la metformina interactúa con las bacterias intestinales.
El estudio de interacción microbioma – metformina
Aquí, hemos realizado un estudio aleatorizado, controlado y por placebos, de doble ciego, en individuos recién diagnosticados con DT2 que llevaban una dieta restringida en calorías, y combinamos la metagenómica y la metabolómica específicas para investigar el efecto de la metformina en la composición y función del microbioma intestinal. También transferimos muestras fecales humanas a ratones libres de gérmenes para estudiar los efectos de la microbiota alterada por la metformina en el metabolismo de la glucosa del huésped, y usamos un simulador in vitro del sistema intestinal para investigar directamente las interacciones metformina-microbiota.
Resultados: La metformina altera la composición de la microbiota intestinal.
Para investigar la forma en que la metformina afecta la composición de la microbiota intestinal, aleatorizamos administraciones a individuos recientemente diagnosticados con DT2 sin tratamiento previo, para recibir o un placebo (n = 18) o 1,700 mg/d, o metformina (n = 22) durante 4 meses en un estudio de doble ciego. Las características clínicas de estos individuos antes y después del tratamiento se presentan en la Tabla 1.
Tabla 1 Características clínicas de los 40 individuos con DT2 alistados en este estudio
ALT, alanine transaminase; CRP, C-reactive protein; GGT, γ-glutamyl transferase; HDL-C, high-density lipoprotein cholesterol; HOMA, homeostatic model assessment; LDL-C,
low-density lipoprotein cholesterol. *P < 0.05;
+
P < 0.01;
#
P < 0.001 versus P0 or M0. Wilcoxon signed–rank test; data are shown as means ± s.e.m
ALT, alanina transaminasa; CRP, proteína C reactiva; GGT, γ-glutamil transferasa; HDL-C, colesterol de lipoproteínas de alta densidad; HOMA, evaluación del modelo homeostático; LDL-C, colesterol de lipoproteínas de baja densidad. *P < 0.05; +P < 0.01; #P < 0.001 contra P0 o M0. Prueba de rangos con signo Wilcoxon; los datos son mostrados como medias ± e.e.m.
A ambos grupos se recomendó llevar una dieta restringida en calorías durante los 4 meses del periodo de estudio (Tabla suplementaria 1); el consumo de calorías fue reducido en una media de 342 kilocalorías/día, y no se observaron diferencias significativas entre los grupos (P = 0.90). A un subconjunto del grupo de placebos se cambió a metformina (850 o 1,700 mg/d; n = 13) 6 meses después del inicio del estudio; para validar nuestros hallazgos, a partir del estudio aleatorizado, analizamos muestras de este grupo después de otros 6 meses. Como se esperaba, dado el consumo reducido de calorías, el índice de masa corporal (IMC) disminuyó de forma significativa tanto en el grupo de placebos como en el grupo de metformina a lo largo del período inicial de estudio de 4 meses (Fig. 1a). Sin embargo, se observaron decrementos significativos en el porcentaje de hemoglobina A1c (HbA1c) y en la glucosa sanguínea en ayuno, solamente en el grupo aleatorizado del tratamiento de metformina (Fig. 1b, c). El IMC no decreció más en el subgrupo modificado después de 6 meses con metformina (Fig. 1a), sin embargo, el porcentaje de HbA1c y de glucosa sanguínea en ayuno se redujeron de forma significativa por la metformina en este subgrupo (Fig. 1b, c). Para caracterizar los efectos de la metformina en el microbioma intestinal, realizamos la secuenciación amplia del genoma completo de 131 muestras fecales. En promedio, obtuvimos 38 millones de lecturas de extremos emparejados para cada muestra (en un espectro de 15 millones a 116 millones; (Tabla Suplementaria 2). Los perfiles taxonómicos y génicos fueron estimados realizando el trazado de las lecturas de alta calidad en catálogos no redundantes de genomas y genes, implementados en el conducto metagenómico de utilización y análisis de datos (MEDUSA)19, respectivamente.
Solamente una cepa bacteriana fue alterada durante los 4 meses del periodo de estudio en el grupo de placebos (Fig. 1d), a pesar de la reducción del IMC. En contraste, el tratamiento de metformina para 2 y 4 meses dio como resultado alteraciones importantes en la abundancia relativa de 81 y 86 cepas bacterianas, respectivamente, la mayoría de las cuales pertenecían a lasγ-proteobacterias (por ejemplo, Escherichia coli) y Firmicutes (Fig. 1d y Tabla Suplementaria 3; tasa de falsos descubrimientos (FDR) < 0.05).
A nivel de géneros, observamos un incremento de Escherichia y un decremento de Intestinibacter en el grupo tratado con metformina (Tabla Suplementaria 3). De manera notable, los cambios microbianos observados después de los 2 y 4 meses del tratamiento de metformina en nuestro estudio aleatorizado se correlacionaban con los cambios bacterianos observados en el subgrupo modificado, después de 6 meses con metformina. (Fig. 1e).
También observamos un incremento de Bífidobacterias, inducido por la morfina, en este grupo (Tabla Suplementaria 3). Estudios anteriores han mostrado una relación entre la metformina y la abundancia de Akkermansia muciniphila13–15,18 y entre la A. muciniphila y mejores características metabólicas en ratones13,20,21 y humanos22. En un análisis específico de nuestros datos del metagenoma, demostramos una mayor abundancia de A. muciniphila en individuos que recibieron metformina durante 4 meses (Fig. 1 suplementaria). Sin embargo, no observamos ninguna correlación relevante entre el porcentaje de HbA1c y la abundancia de A. muciniphila en nuestro cohorte (P > 0.1; Fig. suplementaria 1). Para investigar la forma en que las diferentes bacterias intestinales interactúan entre sí, realizamos un análisis de coabundancia del sistema.
Demostramos que 2 meses de tratamiento con metformina fomentaban un mayor número de conexiones positivas entre géneros microbianos, especialmente entre Proteobacterias y Firmicutes (Fig. 1f). También identificamos algunas conexiones entre filos, como las de las Shewanella (Proteobacterias) y Blautia (Firmicutes), un género productor de ácidos grasos de cadena corta (SCFA por sus siglas en inglés).23
Para evaluar el efecto de la metformina en el crecimiento microbiano, realizamos el trazado de las lecturas amplias del genoma completo en los genomas de cepas comunes en los intestinos humanos para determinar la proporción entre número de copias de ADN cercanas al origen de replicación y número de copias de ADN cerca del final (denominado peak-to-trough ratio, PTR) de genomas bacterianos24.
Después de realizar una corrección para el FDR, hallamos que el PTR de sólo una especie bacteriana (Bifidobacterium adolescentis) se había incrementado de forma significativa por la metformina (Fig. 2a).
En concordancia, el PTR de la B. adolescentis también se incrementó en el subgrupo modificado después de 6 meses con metformina (Fig. 2a).
Por otra parte, en nuestro cohorte, observamos una correlación entre el PTR de la B. adolescentis y el porcentaje de HbA1c (Coeficiente de correlación Spearman rho = –0.28, P < 0.01). Consistentemente con esta observación, un análisis in vitro mostró que la metformina fomentaba de forma directa el crecimiento de la B. adolescentis en cultivos puros (Fig. 2b). También demostramos que la metformina fomentaba de forma directa el crecimiento de la A. muciniphila, aunque no de la E. coli, en cultivos puros (Fig. 2c, d).
Fecha: publicado en línea 22 de mayo de 2017
Autores: Hao Wu, Eduardo Esteve, Valentina Tremaroli, Muhammad Tanweer Khan, Robert Caesar, Louise Mannerås-Holm, Marcus Ståhlman, Lisa M Olsson, Matteo Serino, Mercè Planas-Fèlix, Gemma Xifra, Josep M Mercader, David Torrents, Rémy Burcelin, Wifredo Ricart, Rosie Perkins, José Manuel Fernàndez-Real & Fredrik Bäckhed
Nota: Instituto Nutrigenómica no se hace responsable de las opiniones expresadas en el presente artículo.
