La importancia del microbioma intestinal como una estrategia terapéutica en la medicina moderna ha cobrado creciente interés en los últimos años. No obstante, uno de los principales desafíos en su implementación es lograr una colonización estable y controlada de microorganismos terapéuticos en el intestino. La manipulación precisa del microbioma, especialmente para aplicaciones clínicas, se ve limitada por dificultades inherentes en la consecución de una colonización reproducible. Investigaciones previas han demostrado el potencial de los prebióticos específicos para facilitar el injerto de bacterias diseñadas en el intestino de modelos animales, ofreciendo una vía para superar las barreras de colonización impuestas por la microbiota residente.

Este estudio, liderado por el investigador Weston Whitaker de la Facultad de Medicina de la Universidad de Stanford en California, EE. UU., se propuso desarrollar una cepa bacteriana terapéutica modificada genéticamente para el control preciso de la colonización del intestino humano. El objetivo principal fue diseñar una cepa capaz de reducir la hiperoxaluria, una condición asociada a la formación de cálculos renales, y evaluar su seguridad, tolerabilidad y eficacia en modelos preclínicos y en un ensayo clínico de fase 1/2a en humanos. Específicamente, se buscó superar las limitaciones de la colonización tradicional mediante la creación de un nicho ecológico exclusivo para la cepa terapéutica, permitiendo su injerto reversible y la administración controlada de su actividad metabólica.

Los investigadores diseñaron una cepa de Phocaeicola vulgatus, una bacteria abundante en el microbioma intestinal humano, con atenuación condicional. Para ello, reemplazaron la regulación nativa de genes esenciales con un promotor inducible por porfirano, un polisacárido derivado de algas marinas. Esta modificación permitió un injerto reversible, dependiente de la presencia de porfirano en la dieta. La cepa fue modificada además para expresar una vía metabólica de cinco genes para la degradación del oxalato, convirtiéndolo en formiato, reduciendo así la disponibilidad de oxalato en el intestino. 

Se realizó un ensayo clínico de fase 1/2a en personas sanas y pacientes con hiperoxaluria. En la fase 1, 39 voluntarios recibieron una dosis oral única de la cepa modificada o un placebo, junto con diferentes dosis diarias de porfirano durante 14 días. Se midió la abundancia de la cepa en las muestras fecales mediante PCR cuantitativa (qPCR). En la fase 2, pacientes con hiperoxaluria como resultado de ciertas cirugías para perder peso recibieron la cepa y el porfirano durante 28 días, con seguimiento de los niveles de oxalato en orina.

En modelos animales, la cepa modificada redujo significativamente los niveles de oxalato en orina en ratas con hiperoxaluria inducida por la dieta. En la fase 1 del ensayo clínico, la administración de un inhibidor de la bomba de protones (omeprazol) mejoró la colonización de la cepa. La colonización fue dependiente de la dosis de porfirano, con un aumento de aproximadamente 10 veces en la abundancia de la bacteria por cada incremento de cinco veces en la dosis de porfirano. Tras la suspensión de este compuesto, la cepa se eliminó en la mayoría de los individuos. Sin embargo, en algunos casos, esta persistió debido a mutaciones en el sistema regulador de la expresión de genes, lo que permitió la expresión constitutiva de genes esenciales y la independencia del porfirano. En los individuos con hiperoxaluria (fase 2), se observaron eventos de transferencia horizontal de genes en el 71% de los participantes, con el riesgo de pérdida de la vía de degradación del oxalato en la cepa modificada y su atenuación condicional.

En resumen, el estudio demostró la viabilidad de la colonización controlada del intestino humano con una bacteria terapéutica modificada genéticamente para la degradación del oxalato. Sin embargo, se identificaron desafíos importantes que limitan la eficacia y seguridad a largo plazo, incluyendo la aparición de mutantes de escape que eluden la atenuación condicional y la transferencia horizontal de genes que puede comprometer la estabilidad genética de la cepa terapéutica. A pesar de estos desafíos, el estudio proporcionó evidencia preliminar de la reducción de los niveles de oxalato en orina en pacientes con hiperoxaluria.

Estos hallazgos resaltan la necesidad de desarrollar estrategias más robustas para mejorar la seguridad y eficacia de las terapias basadas en el microbioma. Las futuras investigaciones deberían centrarse en el diseño de sistemas de atenuación condicional más sofisticados, capaces de prevenir la aparición de mutantes de escape mediante la introducción de múltiples capas de control genético.

Adicionalmente, es crucial desarrollar estrategias para prevenir la transferencia horizontal de genes. Se requiere mejorar la comprensión de la interacción entre la cepa terapéutica y la microbiota residente, y optimizar su formulación y administración para maximizar la colonización y actividad metabólica en el intestino. En última instancia, el éxito de las terapias basadas en el microbioma dependerá de la capacidad de controlar la ecología microbiana intestinal y garantizar la estabilidad genética y funcional de las cepas terapéuticas.