Proyecto del Microbioma Humano

El Proyecto del Microbioma Humano (PMH) fue una iniciativa de investigación de los Institutos Nacionales de la Salud (NIH) de Estados Unidos para comprender mejor la microbiota que influye en la salud y la enfermedad humanas. Iniciada en 2007, la primera fase (PMH1) se centró en la identificación y caracterización de la microbiota humana. La segunda fase, conocida como el Proyecto Integrativo del Microbioma Humano (iHMP), se lanzó en 2014 con el objetivo de generar recursos para caracterizar el microbioma y dilucidar el papel de los microbios en la salud y la enfermedad. El programa recibió 170 millones de dólares en financiación del Fondo Común de los NIH entre 2007 y 2016.Componentes importantes del HMP fueron los métodos de caracterización de comunidades microbianas independientes del cultivo, como la metagenómica (que proporciona una perspectiva genética amplia de una sola comunidad microbiana), así como la secuenciación exhaustiva del genoma completo (que proporciona una perspectiva genética profunda sobre ciertos aspectos de una comunidad microbiana dada, es decir, de especies bacterianas individuales). Esta última sirvió como secuencias genómicas de referencia (actualmente se planean 3000 secuencias de este tipo de aislados bacterianos individuales) para fines de comparación durante análisis metagenómicos posteriores. El proyecto también financió la secuenciación profunda de secuencias de ARNr 16S bacteriano amplificadas mediante reacción en cadena de la polimerasa en sujetos humanos.

Antes del lanzamiento del HMP, se reportaba con frecuencia en los medios de comunicación y la literatura científica que el cuerpo humano contiene aproximadamente 10 veces más células microbianas y 100 veces más genes microbianos que células humanas. Esta cifra se basaba en estimaciones de que el microbioma humano incluye alrededor de 100 billones de células bacterianas, y que un adulto humano suele tener alrededor de 10 billones de células humanas. En 2014, la Academia Americana de Microbiología publicó una sección de preguntas frecuentes que enfatizaba que tanto el número de células microbianas como el de células humanas son estimaciones, y señalaba que investigaciones recientes habían llegado a una nueva estimación del número de células humanas en alrededor de 37 billones de células, lo que significa que la proporción de células microbianas a humanas es probablemente de 3:1. En 2016, otro grupo publicó una nueva estimación de la proporción, que se situaba aproximadamente en 1:1 (1,3:1, con una incertidumbre del 25 % y una variación del 53 % en la población de machos estándar de 70 kg).A pesar de la asombrosa cantidad de microbios presentes en el cuerpo humano, se sabía poco sobre su papel en la salud y las enfermedades. Muchos de los organismos que conforman el microbioma no se han cultivado, identificado ni caracterizado con éxito. Sin embargo, los organismos que se cree que se encuentran en el microbioma humano pueden clasificarse generalmente como bacterias, miembros del dominio Archaea, levaduras y eucariotas unicelulares, así como diversos parásitos helmintos y virus; estos últimos incluyen virus que infectan a los organismos del microbioma celular (p. ej., bacteriófagos). El HMP se propuso descubrir y caracterizar el microbioma humano, con énfasis en las zonas oral, cutánea, vaginal, gastrointestinal y respiratoria.

El HMP abordará algunas de las cuestiones científicas más inspiradoras, inquietantes y fundamentales de hoy. Importantemente, también tiene el potencial de romper las barreras artificiales entre la microbiología médica y la microbiología ambiental. Se espera que el HMP no solo identifique nuevas formas de determinar la salud y la predisposición a las enfermedades, sino que también defina los parámetros necesarios para diseñar, implementar y supervisar estrategias para manipular intencionalmente la microbiota humana, optimizar su rendimiento en el contexto de la fisiología de un individuo.

El HMP se ha descrito como "una extensión conceptual y experimental lógica del Proyecto Genoma Humano". En 2007, el HMP se incluyó en la Hoja de Ruta para la Investigación Médica de los NIH como una de las "Nuevas Vías para el Descubrimiento". La caracterización organizada del microbioma humano también se está realizando a nivel internacional bajo los auspicios del Consorcio Internacional del Microbioma Humano. Los Institutos Canadienses de Investigación en Salud, a través del Instituto de Infecciones e Inmunidad de los CIHR, lideran la Iniciativa Canadiense del Microbioma para desarrollar una iniciativa de investigación coordinada y enfocada en el análisis y la caracterización de los microbios que colonizan el cuerpo humano y su posible alteración durante las enfermedades crónicas.El HMP contó con la participación de numerosas instituciones de investigación, como la Universidad de Stanford, el Instituto Broad, la Universidad Commonwealth de Virginia, la Universidad de Washington, la Universidad de Northeastern, el MIT, el Baylor College of Medicine y muchas otras. Las contribuciones incluyeron la evaluación de datos, la creación de conjuntos de datos de secuencias de referencia, estudios éticos y legales, el desarrollo tecnológico y más.El HMP1 incluyó esfuerzos de investigación de diversas instituciones. El HMP1 estableció los siguientes objetivos:

• Desarrollar un conjunto de referencia de secuencias de genoma microbiano y realizar caracterización preliminar del microbioma humano
• Explore la relación entre la enfermedad y los cambios en el microbioma humano
• Desarrollar nuevas tecnologías e instrumentos para el análisis computacional
• Establecer un repositorio de recursos
• Estudiar las implicaciones éticas, legales y sociales de la investigación del microbioma humano

En 2014, los NIH lanzaron la segunda fase del proyecto, conocida como el Proyecto Integrativo del Microbioma Humano (iHMP). El objetivo del iHMP era generar recursos para crear una caracterización completa del microbioma humano, con especial atención a la comprensión de la presencia de la microbiota en estados de salud y enfermedad. La misión del proyecto, según lo establecido por los NIH, era la siguiente:

El iHMP creará conjuntos de datos longitudinales integrados de propiedades biológicas tanto del microbioma como del anfitrión de tres estudios de cohortes diferentes de las condiciones asociadas con microbiome utilizando múltiples tecnologías "omics".

El proyecto comprendió tres subproyectos realizados en diversas instituciones. Los métodos de estudio incluyeron el perfilado génico del ARNr 16S, la secuenciación shotgun del metagenoma completo, la secuenciación del genoma completo, la metatranscriptómica, la metabolómica/lipidómica y la inmunoproteómica. Los hallazgos clave del iHMP se publicaron en 2019.El equipo del Consorcio del Microbioma Vaginal de la Universidad Commonwealth de Virginia dirigió la investigación del proyecto Embarazo y Nacimiento Prematuro con el objetivo de comprender cómo cambia el microbioma durante el período gestacional e influye en el microbioma neonatal. El proyecto también se centró en el papel del microbioma en la incidencia de partos prematuros, que, según los CDC, representan casi el 10 % de todos los nacimientos y constituyen la segunda causa principal de muerte neonatal. El proyecto recibió 7,44 millones de dólares en financiación de los NIH.El equipo de Datos Multiómicos de la Enfermedad Inflamatoria Intestinal (IBDMDB) fue un grupo multiinstitucional de investigadores enfocado en comprender cómo cambia longitudinalmente el microbioma intestinal en adultos y niños con EII. La EII es un trastorno inflamatorio autoinmune que se manifiesta como enfermedad de Crohn o colitis ulcerosa y afecta a aproximadamente un millón de estadounidenses. Participaron en la investigación cohortes del Hospital General de Massachusetts, el Hospital Universitario Emory/Hospital Infantil de Cincinnati y el Centro Médico Cedars-Sinai.Investigadores de la Universidad de Stanford y del Laboratorio Jackson de Medicina Genómica colaboraron para realizar un análisis longitudinal de los procesos biológicos que ocurren en el microbioma de pacientes con riesgo de diabetes tipo 2. La diabetes tipo 2 afecta a casi 20 millones de estadounidenses, con al menos 79 millones de pacientes prediabéticos, y se caracteriza parcialmente por cambios marcados en el microbioma en comparación con individuos sanos. El proyecto tuvo como objetivo identificar moléculas y vías de señalización que influyen en la etiología de la enfermedad.El impacto del HMP hasta la fecha puede evaluarse parcialmente mediante el análisis de las investigaciones patrocinadas por él. Más de 650 publicaciones revisadas por pares figuraban en el sitio web del HMP desde junio de 2009 hasta finales de 2017, y habían sido citadas más de 70.000 veces. En ese momento, el sitio web se archivó y ya no se actualiza, aunque los conjuntos de datos siguen estando disponibles.Las principales categorías de trabajo financiadas por HMP incluyen:

• Elaboración de nuevos sistemas de bases de datos que permitan una organización eficiente, almacenamiento, acceso, búsqueda y anotación de cantidades masivas de datos. Estos incluyen IMG, la base de datos de Genomes Microbiales Integrados y el sistema de análisis comparativo; IMG/M, un sistema relacionado que integra conjuntos de datos de metagenome con genomas microbianos aislados del sistema IMG; CharProtDB, una base de datos de anotaciones de proteínas experimentalmente caracterizadas; y la base de datos Genomes OnLine (GOLD), para monitorizar el estado de sus proyectos genómicos y metagenomicos asociados a todo el mundo.
• Elaboración de instrumentos para el análisis comparativo que faciliten el reconocimiento de patrones comunes, temas principales y tendencias en conjuntos complejos de datos. Estos incluyen RAPSearch2, una herramienta de búsqueda rápida y eficiente en memoria de datos de secuenciación de próxima generación; Boulder ALignment Editor (ALE), una herramienta de alineación RNA basada en la web; WebMGA, un servidor web personalizable para el análisis rápido de secuencias metagenómicas; y DNACLUST, una herramienta para la agrupación precisa y eficiente de genes marcador filogenético
• Desarrollo de nuevos métodos y sistemas para el montaje de conjuntos de datos de secuencia masiva. Ningún algoritmo de montaje único aborda todos los problemas conocidos de montaje secuencias de corta duración, por lo que los programas de montaje de próxima generación como AMOS son modulares, ofreciendo una amplia gama de herramientas para el montaje. Se han desarrollado algoritmos novedosos para mejorar la calidad y utilidad de las secuencias de los proyectos de genoma.
• Montaje de un catálogo de genomas de referencia secuenciados de cepas bacterianas puras de múltiples sitios corporales, contra los cuales se pueden comparar resultados metagenómicos. El objetivo original de 600 genomas ha sido muy superado; el objetivo actual es que 3.000 genomas estén en este catálogo de referencia, secuenciado al menos a un borrador de alta calidad. Hasta marzo de 2012, se han catalogado 742 genomas.
• Establecimiento del Centro de Análisis y Coordinación de Datos (DACC), que sirve de depósito central para todos los datos de HMP.
• Varios estudios que exploran cuestiones jurídicas y éticas relacionadas con la investigación de secuenciación del genoma entero.

Los desarrollos financiados por HMP incluyeron:

• Nuevos métodos predictivos para identificar sitios de unión de factores de transcripción activos.
• Identificación, sobre la base de pruebas bioinformáticas, de un precursor de portador de electrones ampliamente distribuido y producido ribosomicamente
• Tiempo-lapso "imágenes de movimiento" del microbioma humano.
• Identificación de adaptaciones únicas adoptadas por bacterias filamentosas segmentadas (SFB) en su papel como comas intestinales. SFB son médicamente importantes porque estimulan las células T helper 17, pensado para jugar un papel clave en la enfermedad autoinmune.
• Identificación de factores que distinguen la microbiota del intestino sano y enfermo.
• Identificación de un rol dominante hasta ahora no reconocido de Verrucomicrobiota en comunidades bacterianas del suelo.
• Determinación de los factores que determinan el potencial de virulencia Gardnerella vaginalis cepas en vaginosis.
• Identificación de un vínculo entre la microbiota oral y la aterosclerosis.
• Demostración de especies patógenas Neisseria involucrada en meningitis, sepsis y enfermedad de transmisión sexual intercambian factores de virulencia con especies comunales.

El 13 de junio de 2012, el director de los NIH, Francis Collins, anunció un hito importante del HMP. El anuncio estuvo acompañado de una serie de artículos coordinados publicados en Nature y varias revistas, incluida la Biblioteca Pública de Ciencias (PLoS), ese mismo día. Al mapear la composición microbiana normal de humanos sanos mediante técnicas de secuenciación genómica, los investigadores del HMP crearon una base de datos de referencia y los límites de la variación microbiana normal en humanos.De 242 voluntarios sanos estadounidenses, se recolectaron más de 5000 muestras de tejidos de 15 (hombres) a 18 (mujeres) partes del cuerpo, como boca, nariz, piel, intestino grueso (heces) y vagina. Todo el ADN, humano y microbiano, se analizó con secuenciadores de ADN. Los datos del genoma microbiano se extrajeron mediante la identificación del ARN ribosómico específico de las bacterias, el ARNr 16S. Los investigadores calcularon que más de 10 000 especies microbianas habitan el ecosistema humano y han identificado entre el 81 % y el 99 % de los géneros. Además de establecer la base de datos de referencia del microbioma humano, el proyecto HMP también descubrió varias sorpresas, entre ellas:

• Los microbios aportan más genes responsables de la supervivencia humana que los propios genes humanos. Se estima que los genes bacterianos de codificación de proteínas son 360 veces más abundantes que los genes humanos.
• Actividades metabólicas microbianas; por ejemplo, la digestión de grasas; no siempre son proporcionadas por la misma especie bacteriana. La presencia de las actividades parece importar más.
• Los componentes del microbioma humano cambian con el tiempo, afectado por un estado de enfermedad paciente y medicamentos. Sin embargo, el microbioma finalmente regresa a un estado de equilibrio, aunque la composición de los tipos bacterianos ha cambiado.

Entre las primeras aplicaciones clínicas que utilizaron los datos del HMP, como se informó en varios artículos de PLoS, los investigadores encontraron una menor diversidad de especies en el microbioma vaginal de mujeres embarazadas en preparación para el parto, así como una alta carga viral de ADN en el microbioma nasal de niños con fiebre inexplicable. Otros estudios que utilizan los datos y técnicas del HMP incluyen el papel del microbioma en diversas enfermedades del tracto digestivo, la piel, los órganos reproductivos y los trastornos infantiles.Los microbiólogos farmacéuticos han considerado las implicaciones de los datos del HMP en relación con la presencia o ausencia de microorganismos "objetables" en productos farmacéuticos no estériles y en relación con el monitoreo de microorganismos en los entornos controlados donde se fabrican los productos. Esto último también tiene implicaciones para la selección de medios y los estudios de eficacia de los desinfectantes.

• Microbioma humano Proyecto
• Data Analysis and Coordination Center for the Human Microbiome Project (HMP)
• The CIHR Canadian Microbiome Initiative
• El Consorcio Internacional de Microbioma Humana
• 2006, Resumen de estudio de microbioma de colon (el estudio real: Gill et al., 2006)
• Olivia Judson Microbes ‘R’ Nosotros Archivado 2009-09-27 en la máquina Wayback New York Times 22 de julio de 2009
• Gina Kolata ¿Buena salud? Gracias a sus 100 bacterias Trillion New York Times 13 de junio de 2012