Vacuna contra el hongo quitridio mortal prepara el microbioma de la rana para futuras exposiciones

11 de junio de 2023

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por la Universidad Estatal de Pensilvania

El microbioma de un humano o animal, que es la colección de microorganismos beneficiosos, como bacterias y hongos, que viven en o dentro del organismo anfitrión, puede desempeñar un papel importante en la respuesta inmune general del huésped, pero no está claro cómo las vacunas contra patógenos dañinos afectan al microbioma. Un nuevo estudio liderado por investigadores de Penn State encontró que una nueva vacuna contra el mortal hongo quitridio en las ranas puede cambiar la composición del microbioma, haciendo que las ranas sean más resistentes a futuras exposiciones al hongo.

El estudio, publicado el 12 de junio en un número especial de la revista Philosophical Transactions of the Royal Society B, sugiere que la respuesta del microbioma podría ser una parte importante y pasada por alto de la efectividad de la vacuna.

'Los microorganismos que componen el microbioma de un animal a menudo pueden ayudar a defenderse contra los patógenos, por ejemplo, produciendo sustancias beneficiosas o compitiendo contra los patógenos por espacio o nutrientes', dijo Gui Becker, profesor asociado de biología en Penn State y líder del equipo de investigación. 'Pero, ¿qué sucede con su microbioma cuando obtiene una vacuna, como una vacuna COVID, una vacuna contra la gripe o una vacuna atenuada viva como la vacuna contra la fiebre amarilla? En este estudio, usamos las ranas como un sistema modelo para comenzar a explorar esta pregunta'.

Las ranas y otros anfibios están amenazados por el hongo quitridio, lo que ha llevado a la extinción de algunas especies y a graves declives poblacionales en cientos de otros en varios continentes. En especies susceptibles, el hongo causa una enfermedad de la piel a veces mortal.

'El quitridio es uno de los peores, si no el peor, patógeno para la conservación de la vida silvestre en la historia reciente, y hay una necesidad crítica de desarrollar herramientas para controlar su propagación', dijo Becker, quien también es miembro del Centro de Microbioma de Una Salud y del Centro para la Dinámica de Enfermedades Infecciosas en Penn State. 'Descubrimos que, en algunos casos, las vacunas pueden inducir un cambio protector en el microbioma, lo que sugiere que manipular cuidadosamente el microbioma podría usarse como parte de una estrategia más amplia para ayudar a los anfibios, y quizás a otros vertebrados, a lidiar con patógenos emergentes'.

Los investigadores aplicaron una vacuna, en este caso una dosis no letal de un producto metabólico creado por el hongo quitridio a los renacuajos. Después de cinco semanas, observaron cómo había cambiado la composición del microbioma, identificando especies individuales de bacterias y sus proporciones relativas. Los investigadores también cultivaron cada especie de bacteria en el laboratorio y probaron si los productos específicos de bacterias facilitaron, inhibieron o no tuvieron efecto sobre el crecimiento del quitridio, agregando y comparando los resultados con una gran base de datos de esta información.

'Aumentar la concentración y la duración de la exposición al producto del quitridio cambió significativamente la composición del microbioma para que hubiera una mayor proporción de bacterias que producían sustancias contra el quitridio', dijo Samantha Siomko, una estudiante de maestría en el Laboratorio Becker de la Universidad de Alabama en el momento de la investigación y autora principal del artículo. 'Este cambio protector sugiere que, si un animal fuera expuesto al mismo hongo nuevamente, su microbioma estaría mejor capacitado para combatir el patógeno'.

Los intentos anteriores de inducir un cambio protector en el microbioma han dependido de agregar una o varias especies de bacterias conocidas por producir metabolitos antifúngicos potentes, es decir, probióticos. Sin embargo, según los investigadores, las bacterias deben competir con otras especies en el microbioma y no siempre tiene éxito en establecerse como miembro permanente del microbioma.

'Estas ranas tienen cientos de especies de bacterias en su piel que recogen de su entorno, y la composición cambia regularmente, incluso con la temporada', dijo Becker. 'Intentar manipular la comunidad, por ejemplo, agregando un probiótico bacteriano, es difícil porque la dinámica de la comunidad es tan compleja e impredecible. Nuestros resultados son prometedores porque hemos manipulado toda la comunidad bacteriana en una dirección que es más efectiva contra el combatir el patógeno fúngico sin agregar algo vivo que necesita competir por recursos para sobrevivir'.

Notably, the overall number of species—the diversity—within the microbiome was not impacted, only the composition and relative proportions of species. The researchers believe this is positive, as declines in the diversity of the frog microbiome can often lead to illness or death, and it is generally accepted that maintaining a diverse microbiome allows the community of bacteria and microbe species to respond to threats more dynamically and with higher functional redundancy.

The researchers suggest that this adaptive shift in the microbiome composition, which they call the 'microbiome memory,' could play an important role in vaccine efficacy. In addition to understanding the mechanisms behind the shift, the research team hopes to study the idea of microbiome memory in adult frogs as well as other vertebrate species in the future.

'Our collaborative team implemented a prophylaxis technique that relied on metabolic product derived from the chytrid fungus,' said Becker. 'It's possible that vaccines based on mRNA or live cells—like those often used to protect against bacterial or viral infections—may differently affect the microbiome, and we are excited to explore this possibility.'

In addition to Becker and Siomko, the research team includes Teagan McMahon—who developed the prophylaxis method—at the University of Connecticut; Sasha Greenspan, Wesley Neely, and Stanislava Chtarbanova at the University of Alabama; Douglas Woodhams at the University of Massachusetts; and K. M. Barnett at Emory University.

Journal information: Philosophical Transactions of the Royal Society B

Provided by Pennsylvania State University