Nuevas alternativas a los antibióticos: cómo actúan los probióticos en producción animal

Bravo M^a,b, Risco D^b, García-Jiménez WL^b, Cerrato R^b, Fernández-Llario P^b, Rey J^a.

^a Departamento de Sanidad Animal, Facultad de Veterinaria, Universidad de Extremadura.

^b Ingulados SL, Cáceres, España.

Resumen

Durante los últimos años la incorporación de los probióticos en el ámbito de la producción animal está siendo objeto de gran interés. Esto se debe en gran parte a las constantes modificaciones en el sector que muestran, por un lado, la necesidad de aumentar los índices productivos de los animales, debido al aumento en la demanda de productos de origen animal y a la emergencia de enfermedades infecciosas que afectan negativamente a la producción y, por otro, a las restricciones en la incorporación de aditivos a los piensos, especialmente de antimicrobianos. Pese a que el número de estudios científicos en este ámbito se encuentra en creciente aumento, los mecanismos de acción de los probióticos necesitan ser estudiados con mayor profundidad. Los efectos de los probióticos en el hospedador en el que son administrados difieren según las dosis y los tiempos de administración, la especie animal, la fase de producción en la que se encuentren, y las especies y cepas de los cultivos probióticos utilizados. En este artículo se realiza una revisión de los diferentes mecanismos de acción de los probióticos en producción animal descritos en la literatura científica.

La búsqueda de alternativas: Una necesidad actual

La ganadería se ha transformado y ha ido progresando de forma exponencial durante las últimas décadas, siendo el sector que más crecimiento ha experimentado dentro de la economía agrícola. El sector ganadero aporta un 40 por ciento del valor de la producción agrícola mundial y representa el principal medio de subsistencia de casi 1.300 millones de personas. El crecimiento poblacional y económico ha favorecido la intensificación en la producción ganadera e incrementado la demanda de productos de origen animal. Esta circunstancia ha traído aparejados dos graves problemas relacionados con la Salud Pública. Por una parte, la administración de antibióticos en dosis subterapéuticas como promotores del crecimiento es una de las causas de la aparición y diseminación de resistencias antimicrobianas por parte de las bacterias, lo que ocasionó la prohibición de esta práctica en todos los países de la Unión Europea en el año 2006. Por otra parte, algunas de las enfermedades zoonóticas transmitidas a través de los alimentos de origen animal, como la salmonelosis, la campilobacteriosis o las infecciones producidas por Escherichia coli patógenos, representan una seria amenaza para la Salud Pública y causan importantes pérdidas económicas a nivel mundial.

En este contexto surge la necesidad de buscar alternativas a la administración de antimicrobianos como promotores del crecimiento. Estas alternativas alimentarias deben mejorar los índices productivos de los animales, favoreciendo la asimilación de nutrientes, y ser capaces además de potenciar su sistema inmune frente a distintos agentes patógenos.

Los probióticos constituyen una de las alternativas a los antibióticos promotores del crecimiento más populares en la actualidad. Su utilización en ganadería tiene como fin mejorar el rendimiento en términos de crecimiento y productividad, y prevenir y controlar el desarrollo de distintas enfermedades infecciosas.

Definición y clasificación de los probióticos

Aunque la utilización de bacterias con propiedades beneficiosas es conocida desde principios del siglo XX, la definición de probióticos más extendida en la actualidad fue la propuesta por la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación y la Organización Mundial de la Salud (FAO/OMS) y es la utilizada por la Asociación Científica Internacional para Probióticos y Prebióticos desde 2014: “microorganismos vivos que, cuando son administrados en cantidades adecuadas, confieren beneficios para la salud del huésped”.

Los probióticos son muy numerosos y diversos entre ellos, y el descubrimiento de nuevas especies y cepas se encuentra en constante aumento debido al interés creciente por el tema en cuestión y a la mayor disponibilidad actual de técnicas moleculares sofisticadas que facilitan su identificación a nivel de especie y cepa.

La clasificación de los probióticos se realiza en función de diferentes parámetros. La clasificación más general divide a los probióticos en dos grandes grupos en función del reino biológico al que pertenecen: por una parte se encuentran las especies bacterianas, que son las más comunes, como LactoBacillus spp. o Bifidobacterium spp.; y por otra, las especies no bacterianas, como las levaduras u hongos, tal como Saccharomyces. También pueden clasificarse en función de su capacidad para formar endosporas cuya utilización está cada vez más extendida, como algunas especies de Bacillus; o no formadores de endosporas, que son la gran mayoría, como LactoBacillus spp. o Bifidobacterium spp. A su vez, los probióticos pueden estar compuestos de una sola especie o de varias, aunque los beneficios e utilizar más de una especie en un mismo producto no están muy claros y deben ser investigados. Por último, si el microorganismo está presente de forma natural en el tracto gastrointestinal, como los lactobacilos o las bifidobacterias, se considera probiótico autóctono y, por el contrario, alóctono, como las levaduras, si no están presentes originalmente en él.

Mecanismos de acción de los probióticos

Cuando se produjeron las primeras resistencias a los antimicrobianos y se planteó la necesidad de buscar alternativas, los probióticos se proyectaron como una de las opciones más populares como promotores del crecimiento. Los probióticos contribuyen a la prevención y al control de distintas enfermedades, principalmente entéricas, y conjuntamente mejoran el crecimiento y la productividad de los animales mediante diferentes modos de acción, relacionados entre sí, y que pueden ser muy variables en función de las especies de probióticos utilizados y de los objetivos que se pretendan conseguir.

Una población microbiana sana en los animales de producción se corresponde con un aumento en el rendimiento y rentabilidad del animal y con una disminución en la morbilidad y mortalidad durante las fases críticas de la producción. Entre otros beneficios, que se irán detallando a continuación en los siguientes apartados, se puede resumir que los animales suplementados con probióticos presentan una microbiota equilibrada que dificulta la colonización por microorganismos patógenos y favorece una conversión de alimentos más eficiente al facilitar la digestión de los mismos. Además presentan un sistema inmune reforzado, que les permite prevenir la aparición de enfermedades o defenderse en el caso de que se produzcan infecciones.

En este trabajo se realiza una revisión de los principales mecanismos encontrados en la literatura científica, que se agrupan de la siguiente manera.

Modulación de la microbiota gastrointestinal

En producción animal, uno de los puntos clave en las estrategias para la mejora de los indicadores productivos consiste en mantener una adecuada homeostasis entre las diferentes poblaciones bacterianas que componen la microbiota gastrointestinal, como ya se ha comentado anteriormente. El mecanismo de acción de los probióticos más ampliamente estudiado y constatado en la actualidad es la capacidad de ciertas especies para modificar las proporciones de los principales grupos bacterianos que habitan en el tracto digestivo. Determinados probióticos modulan la composición de la microbiota gastrointestinal, creando un equilibrio favorable entre los microorganismos potencialmente nocivos y los beneficiosos.

La modulación más común en la microflora intestinal por parte de los probióticos consiste en el aumento de las poblaciones de Lactobacillus spp. o Bifidobacterium spp., y la disminución de coliformes y otras enterobacterias patógenas, entre los que se encuentran E. coli y Clostridium spp.

La reducción en la carga de microorganismos patógenos en el intestino puede ser debida a la producción de sustancias antimicrobianas, como las bacteriocinas, o a la adhesión de los probióticos al epitelio intestinal, excluyendo así de forma competitiva a los microorganismos nocivos o induciendo una respuesta inmune favorable para el animal. Estos mecanismos serán explicados con más detalle en los siguientes apartados.

Incremento en la digestión y la absorción de nutrientes

Una de las principales causas por las que se produce una mejora en los indicadores de productividad de los animales suplementados con productos a base de probióticos se asocia al incremento en la digestión y la absorción de nutrientes. El aumento en la digestibilidad de determinados nutrientes debido a los probióticos se corresponde con una mayor actividad enzimática en el intestino, bien debida a la secreción de enzimas directamente por parte de la bacteria probiótica o, de forma indirecta, por el cambio en las poblaciones microbianas, descrito anteriormente, a favor de grupos bacterianos productores de enzimas.

Este fenómeno ha sido descrito principalmente en productos compuestos por diferentes especies de Lactobacillus spp. en los que se observa un incremento en la secreción de enzimas como la sucrosa, la lactasa y la amilasa en animales monogástricos. Por otro lado, algunas bacterias formadoras de endosporas como Bacillus spp. pueden producir enzimas extracelulares como α-amilasa, celulasa, proteasas y metaloproteasas que pueden favorecer la digestión de nutrientes.

Además de todo lo anteriormente descrito, también se ha propuesto que los probióticos aumentan la longitud de las vellosidades intestinales, incrementando la superficie de absorción de nutrientes. No obstante, serían necesarios más estudios que nos permitan corroborar esta hipótesis.

Producción de sustancias antimicrobianas

Como ya se ha comentado anteriormente, algunas especies bacterianas utilizadas como probióticos tienen la capacidad de producir sustancias que inhiben el crecimiento de microorganismos perjudiciales localizados principalmente en el tracto gastrointestinal.

La mayoría de estas cepas pertenecen a los grupos más ampliamente utilizados como probióticos: las bacterias ácido lácticas (Lactobacillus spp., Lactococcus spp., Pediococcus spp.), Bifidobacterium spp. y Bacillus spp., que pueden secretar, bajo determinadas condiciones, una gran variedad de sustancias como productos de su metabolismo con un amplio espectro de inhibición frente a numerosos patógenos animales, como E. coli, Salmonella spp. o Listeria monocytogenes.

Estos productos incluyen bacteriocinas, como la nisina o la pediocina; ácidos orgánicos, principalmente ácido láctico y ácido acético; y otros metabolitos inhibidores como el peróxido de hidrógeno.

Resistencia y regulación de la colonización de microorganismos patógenos

Algunas cepas probióticas comparten con otros microorganismos patógenos los mecanismos de adhesión al epitelio intestinal necesarios para permanecer en el organismo superior. Ciertas especies de Lactobacillus o Bifidobacterium poseen una serie de proteínas superficiales de naturaleza hidrofóbica que les permiten anclarse a la superficie de las células animales, ocupando los receptores del epitelio intestinal y previniendo así la adhesión de otros microorganismos patógenos como E. coli O157:H7.

La constitución de la primera microbiota intestinal en los animales recién nacidos se ha visto influenciada por la intensificación de la producción animal, que ha reducido en muchos casos la oportunidad de la colonización natural de los microorganismos provenientes de las madres. La administración de probióticos en este caso se basa en mimetizar este proceso nativo, bien suministrando a las crías de forma directa, o a las madres de forma indirecta, una población bacteriana beneficiosa, que constituye uno de los principales mecanismos de defensa que protegen a los neonatos frente a los patógenos entéricos causantes de enfermedades con altas tasas de mortalidad y morbilidad.

Alteración en la expresión génica de los microorganismos patógenos

Las bacterias producen y excretan sustancias químicas denominadas autoinductores que modifican el comportamiento de determinadas células modificando su expresión genética. Este mecanismo de comunicación microbiana se denomina quorum sensing y es una de las herramientas utilizadas por las bacterias patógenas para producir enfermedad en el hospedador.

Los probióticos pueden modificar el quorum sensing en las bacterias nocivas, suprimiendo la producción de autoinductores y, como consecuencia, la expresión de los genes necesarios para la colonización en el tracto gastrointestinal de algunas especies bacterianas, como E. coli O157:H7, previniendo así el desarrollo de la enfermedad.

Modulación de la respuesta inmune: inmunomodulación

Por último, el efecto modulador que los probióticos ejercen sobre el sistema inmune, conocido como inmunomodulación, cada vez presenta un mayor interés para la comunidad científica. Los probióticos pueden afectar a los dos tipos de respuesta inmune: innata y adaptativa, mediante diferentes mecanismos.

Por un lado, pueden potenciar el sistema inmunitario innato de la mucosa intestinal debido a la restitución de la función protectora de la barrera intestinal. Las células epiteliales de la mucosa gastrointestinal constituyen la primera línea de defensa frente a la entrada de un microorganismo patógeno, puesto que crean una barrera entre el lumen intestinal y el resto de órganos del hospedador. La barrera intestinal, que presenta permeabilidad selectiva, evita el paso de sustancias dañinas como antígenos, tóxicos y microorganismos y permite la absorción de nutrientes y otros componentes beneficiosos. Se ha comprobado experimentalmente que los probióticos pueden reforzar este efecto barrera y afectar a la permeabilidad del epitelio intestinal, evitando el paso de microorganismos y sustancias nocivas al torrente sanguíneo y su posterior diseminación a los nódulos linfáticos y al resto de órganos.

En este caso, la labor preventiva de los probióticos es la más eficiente. La administración de los probióticos antes de que se produzca la infección o la entrada y multiplicación del agente patógeno en el tracto gastrointestinal es primordial para garantizar que la función de barrera intestinal está en perfectas condiciones.

Por otro lado, se ha comprobado que los probióticos pueden estimular o suprimir la respuesta inmune adaptativa, puesto que pueden afectar a las poblaciones linfocitarias y la expresión de los genes asociados a la respuesta inmune y aumentar o disminuir de este modo la secreción de citoquinas e inmunoglobulinas que son claves para el desarrollo de una respuesta antiinflamatoria o proinflamatoria.

En este caso, la respuesta es muy variable ya que depende directamente de la cepa probiótica y en muchos casos de las dosis utilizadas, y puede diferir según la fase de producción del animal y del tipo de patógeno, ya sea un virus o una bacteria los responsables de la enfermedad. La administración de probióticos depende pues de la situación del animal y del objetivo que se pretenda conseguir, en algunos casos es necesaria una disminución en la inflamación y en otras situaciones es más beneficioso potenciar precisamente la respuesta inflamatoria.

Estos mecanismos de acción relacionados con la inmunomodulación necesitan ser investigados con mayor profundidad. En muchos trabajos los resultados son controvertidos y difieren entre unos estudios y otros.

Conclusiones

Los probióticos constituyen una de las alternativas a los antibióticos promotores del crecimiento que está gozando cada vez de mayor popularidad. Se proyectan como una de las nuevas estrategias para la mejora de los animales de producción animal, en términos de rentabilidad y de salud y seguridad alimentaria.

Tal y como se ha descrito en este artículo, los mecanismos de acción de los probióticos son muchos y muy variados, aunque todos ellos están relacionados y se complementan entre sí. Los productos a base de probióticos confieren un efecto beneficioso cuando se administran en cantidades adecuadas, en formatos viables y a partir de cepas específicas. Además debemos tener en cuenta que su administración depende del objetivo que se pretenda conseguir, de la fase productiva del animal y de la especie animal de destino.

Aunque la utilización de probióticos está cada vez más extendida, en muchas ocasiones no se conoce el mecanismo de acción exacto de algunas cepas y no están claras las dosis ni los tiempos de administración, por lo que la investigación debe estar focalizada en este tipo de aspectos. Son especialmente necesarios los estudios experimentales con animales de producción que realicen una correcta monitorización de las especies probióticas y de los efectos que ejerzan en los animales que las consuman.

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Nuestro proyecto de investigación.

En la empresa INGULADOS, S.L. estamos desarrollando un proyecto, en colaboración con la Universidad de Extremadura y la University of Surrey (Reino Unido), que define un protocolo de caracterización de cepas probióticas, con su consiguiente ensayo clínico en diversas especies de producción animal para el control de determinadas enfermedades infecciosas.