La nutrición acuícola ha ganado importancia al ser un aspecto clave para el crecimiento y desarrollo de esta industria. A pesar de que se han realizado importantes avances en nutrición, es necesario entender claramente la interacción entre la dieta, la microbiota intestinal y la función inmune para asegurar la expansión sostenible de la acuicultura

Por Samuel A.M. Martin1 y Elzbieta Król1

Las ómicas son un nuevo concepto que engloba a todas las disciplinas, tecnologías y áreas de investigación que estudian el conjunto o totalidad de un sistema biológico (Medmol, 2014). Las ómicas incluyen, entre otras, las siguientes disciplinas:

  1. la genómica: estudio integral del funcionamiento, contenido, evolución y origen de los genomas;
  2. la transcriptómica: estudio del ARN y su expresión genética;
  3. la metabólica: estudio de metabolitos y productos metabólicos, y
  4. la nutrigenómica: expresión de genes en respuesta a la dieta.

Una vez que los alimentos son digeridos y absorbidos, los nutrientes y los aditivos alimenticios influyen en la activación y transcripción génica, la expresión proteica, las actividades enzimáticas, el metabolismo y la composición de la comunidad microbiana del intestino. El perfil de la expresión génica (transcriptómica), el monitoreo de la expresión proteica (proteómica), los metabolitos (metabólica) y el perfil microbiótico (microbiótica) proporcionan un panorama holístico de los cambios inducidos por la dieta y su impacto en la salud y sistema inmune de los peces.

En el presente artículo se muestra una revisión del uso actual de tecnologías ómicas de alto rendimiento, con el fin de conocer mejor la interacción entre la nutrición y la función inmune en los peces.

Panorama general

Uno de los puntos clave para el éxito de la genómica de alto rendimiento es la disponibilidad de recursos genómicos. El panorama general de la genómica está cambiando rápidamente gracias al aumento de la disponibilidad de genomas completos y al bajo costo de la secuenciación profunda. La acuicultura se caracteriza por la diversidad de especies cultivables, y hasta hace pocos años solo existían genomas completos de especies modelo no-acuícolas, como el pez cebra. Al momento de redactar este escrito, existían 82 genomas de peces disponibles en NCBI, 14 de los cuales están anclados a cromosomas y el resto de las secuencias está en etapa de proyecto y por ensamblarse.

 

Métodos de manejo y afectaciones al sistema inmune

Ayuno. En sus medios naturales los peces pueden pasar largos períodos de tiempo sin consumir alimento, regularmente asociados con la migración para el desove. En la acuicultura, los peces son comúnmente sometidos a períodos de ayuno como parte de las estrategias de alimentación y en respuesta a la sobreproducción o a la aparición de enfermedades. Sin embargo, los impactos inducidos por el ayuno en el sistema inmune de los peces no son bien conocidos y varían entre especies. Actualmente existen pocos estudios que se enfoquen específicamente en la relación entre el ayuno y la función inmune desde un enfoque ómico (tabla 1). Los estudios analizados sugieren que, gracias a la transcriptómica, es posible identificar una subregulación en los genes inmunes, como consecuencia del ayuno, incluso por un corto período, por lo que es necesario considerar esta situación y evaluar cuidadosamente la implementación de estas prácticas en los cultivos comerciales y en las pruebas de desafío en condiciones controladas en laboratorio.

Alimentos funcionales. La incorporación de aditivos en los alimentos acuícolas ha permitido fortalecer el sistema inmune local (intestinal) y sistémico de los organismos y reducir los efectos negativos de los factores antinutricionales (FANs) característicos de las proteínas vegetales. A pesar de que existe una creciente cantidad de literatura sobre este tipo de aditivos, los mecanismos por los cuales éstos alteran el metabolismo y la capacidad inmune de los peces no son bien comprendidos aún. Las tecnologías ómicas tienen el potencial de proveer una visión general de la interacción de los alimentos funcionales con el sistema inmune de los organismos (tabla 2).

En el caso del salmón, tanto la gestión como el control del número de piojos de mar tienen repercusiones directas e indirectas en su salud; los alimentos funcionales se consideran una parte potencial del manejo integral de estos parásitos en conjunto con períodos de inactividad, la selección del sitio de la granja, la quimioterapia y la selección de líneas genéticas de salmón resistentes a piojos de mar.

Entre los aditivos alimenticios importantes para el control de piojos de mar se encuentran los glucosinolatos. Estos fitoquímicos derivados de plantas, cuando son metabolizados por la microbiótica intestinal de los peces y convertidos en istiocinatos, pueden generar respuestas antiinflamatorias y promover el estado antioxidante y la desintoxicación, pero también han provocado respuestas proinflamatorias en otras especies, como los ratones.

Los betaglucanos (βG) y los manano-oligosacáridos (MOS) son prebióticos comúnmente utilizados en los peces, y son hidratos de carbono naturales e indigeribles, presentes en la pared celular de la levadura (YCW). Ambos, βG y MOS, han sido implicados en la reducción de la carga de piojos de mar, así como en el mejoramiento de la respuesta inmune a otros patógenos. Varios estudios proteómicos que han examinado la piel y el moco sugieren que las dietas suplementadas modulan el moco para prevenir la adherencia de los piojos, con una variedad de proteínas asociadas con la función inmune, como lisozima y galectina, que se unen a los carbohidratos. Las dietas que contienen YCW también se asocian con el aumento de la supervivencia del bagre de canal en pruebas de desafío con Flavobacterium columnare, el agente causante de la enfermedad de columaris.

Al analizar los estudios, los hallazgos encontrados corroboran la hipótesis de que las lectinas (especialmente las lectinas de unión a manosa) y las citoquinas asociadas con IL4R están implicadas en la resistencia a la unión bacteriana. La lactocelulosa —otro carbohidrato indigerible sintetizado a partir de la sacarosa y lactosa— también se ha utilizado como prebiótico en la carpa herbácea (Ctenopharyngodon idella).

Con los recientes cambios drásticos en las dietas acuícolas, se han hecho intentos por manipular las fuentes de lípidos para modular el resultado de la infección y la reparación del tejido postinfección. Los eicosanoides derivados del ácido araquidónico promueven la inflamación, mientras que los eicosanoides formados a partir de ácido docosahexaenoico y ácido eicosapentaenoico generalmente reducen la inflamación y, por lo tanto, disminuyen el daño global causado por el proceso inflamatorio.

Los estudios analizados muestran que la fuente de lípidos puede tener implicaciones importantes en la respuesta inmune. Además, se observó evidencia adicional de que el DHA tiene impactos directos en los transcriptos inmunes en especies como el salmón del Atlántico. Los estudios realizados en dorada también demostraron que los alimentos funcionales ricos en fosfolípidos mejoran los resultados de supervivencia en condiciones de agua fría que causan la “enfermedad invernal”, la cual consiste en una disminución no específica de la función metabólica y una supresión de la inmunocompetencia y del rendimiento. Además, las dietas ricas en aceite de pescado y aceite de kril han demostrado que mejoran las tasas de supervivencia de los peces que sufren enfermedades invernales. Entretanto los estudios proteómicos recientes, tanto en el plasma como en el hígado, identificaron proteínas indicativas de un estado inmunitario mejorado, una mejor respuesta al estrés celular y un metabolismo lipídico alterado.

A pesar de que los suplementos alimenticios también incluyen vitaminas y minerales, se han realizado pocas investigaciones utilizando vitaminas en peces mediante un enfoque ómico. En cuanto a los micronutrientes, estudios enfocados en el selenio (Se) han demostrado que este elemento puede afectar las respuestas inmunes. El selenio es un micronutriente esencial y diferentes formas químicas pueden tener diferente biodisponibilidad. El selenio orgánico, como el Sel-plex® derivado de la levadura (fabricado por Alltech), tiene una biodisponibilidad mayor a la del selenio inorgánico y puede usarse para aumentar los niveles de selenio en las dietas sin inducir efectos tóxicos.

Ingredientes de origen vegetal

Proteínas vegetales. Los cambios recientes en las fuentes de proteína en las dietas han demostrado buenos resultados, aunque no están exentos de complicaciones en la compleja interacción con la microbiota intestinal y el sistema inmune del huésped.

En el caso de las proteínas vegetales, hay dos factores clave que se deben considerar en su inclusión en alimentos acuícolas. El primero es el desequilibro de aminoácidos, como la lisina y metionina, existentes en este tipo de proteínas y que comúnmente se encuentran por debajo de los niveles requeridos por los peces. Para contrarrestar esta situación, es factible adicionar “aminoácidos funcionales” a las dietas. En segundo lugar están los factores antinutricionales (FANs) de las plantas, los cuales, una vez dentro del organismo, impactan en la digestión, absorción y utilización de nutrientes, modificando negativamente la fisiología intestinal. El contenido de FANs varía entre especies y depende del método utilizado para la extracción. Una de las proteínas alternativas más utilizadas es la harina de soya (SBM, siglas en inglés), la cual provoca inflamación intestinal (enteritis) en distintas especies acuícolas.

Con el fin de contrarrestar esta situación para la producción de alimentos acuícolas, la SBM se somete a una purificación adicional para eliminar las salinas y algunos de los FANs más importantes de la soya cruda; el producto resultante de este proceso es el concentrado de proteína de soya (SPC, siglas en inglés). Las dietas ricas en SPC no modifican la histología intestinal ni enriquecen los genes asociados con la enteritis inducida por SBM. Los efectos de los FANs de la soya son complejos y dependen de las interacciones y combinaciones entre distintos tipos de FANs. Hoy en día, los mecanismos por los cuales los diferentes FANs afectan la salud intestinal no son comprendidos completamente; una posible explicación podría ser el aumento de la permeabilidad intestinal y la respuesta a diversos antígenos asociados con diferentes tipos de materiales vegetales.

Otro concentrado de proteínas vegetales utilizado en los alimentos acuícolas es el de la proteína de frijol (BPC, siglas en inglés), que contiene menos FANs que la SBM y se caracteriza por contener altos niveles de taninos condensados y por la presencia de glucósidos. Es importante destacar que ambas dietas, SBM y BPC, indujeron enteritis, pero el análisis trascriptómico del tejido intestinal indicó respuestas sustancialmente diferentes en cada tratamiento.

Aceites vegetales. El reemplazo de aceite de pescado por aceites vegetales ha sido limitado por la diferencia en sus perfiles de ácidos grasos, especialmente en el contenido de ácidos grasos poliinsaturados de cadena larga n-3, como EPA y DHA, considerados esenciales para los vertebrados. Dietas con niveles bajos de EPA y DHA pueden tener efectos adversos en los peces, aunque la magnitud de estos efectos sigue siendo en gran parte desconocida.

Hasta el momento, la mayoría de los estudios se han realizado en salmón del Atlántico, además de bacalao y dorada, utilizando aceite vegetal de camelina sativa. En los distintos estudios, el reemplazo de aceite de pescado por aceites vegetales varió de 40 a 100 %, con períodos experimentales entre 67 días a 55 semanas.

En los estudios analizados, los tejidos para la evaluación transcriptómica de los efectos de los aceites vegetales en la salud de los peces fueron seleccionados en función de su contribución a la digestión, el metabolismo y el sistema inmune. De esta manera se estudió el intestino como el sitio principal de la expresión directa de nutrientes y material antigénico; el hígado como el principal órgano metabólico; y el bazo como un órgano linfoide importante. El hígado fue el principal órgano examinado. Los resultados son consistentes con la participación del hígado en la desintoxicación, la modulación de las respuestas inmunes y la producción de mediadores inflamatorios. Es importante notar que la sustitución de 66 % de aceite de pescado por aceite vegetal en dorada no tuvo efectos sobre la transcriptoma intestinal en peces no infectados, pero alteró sustancialmente la expresión genómica inmune en peces infectados (Calduch-Gines et al., 2012), destacando la necesidad de hacer pruebas de desafío a patógenos con las nuevas dietas.

Perspectivas futuras

Para comprender totalmente el impacto de los alimentos acuícolas en la fisiología de los peces, es necesario cambiar el enfoque de las investigaciones con el fin de determinar las variables moleculares y celulares que regulan las respuestas a las diferentes dietas. Las nuevas tecnologías ómicas —especialmente la transcriptómica en conjunto con secuencias genómicas completas— ofrecen un potencial enorme para investigar la compleja relación entre la nutrición y la función inmune en los peces. Sin embargo, aunque las tecnologías ómicas avanzan rápidamente, hay aún mucho desconocimiento que es necesario superar. En primer lugar está la relación entre la dieta, la microbiota intestinal y los metabolitos resultantes, y la forma como los metabolitos (modificados de forma distinta según las dietas) impactan en la salud de los peces y en su resistencia al patógeno. En segundo lugar está la falta de conocimiento sobre el desarrollo en las primeras etapas de vida de los peces, y el impacto de la dieta en el desarrollo intestinal y el sistema inmune. Se necesita investigar más sobre el tema para conocer la tolerancia intestinal y determinar el momento oportuno para realizar la primera administración de alimento.

Varios de los estudios analizados en el presente artículo proporcionan una fuerte evidencia de la interacción entre la nutrición y el sistema inmune innato. Sin embargo, se sabe poco sobre los impactos de las dietas en las respuestas inmunes adaptivas, como la activación de linfocitos T y B. Las respuestas inmunes adaptivas son clave para conocer los efectos a largo plazo de las dietas sobre la salud de los peces y su resistencia a patógenos, así como para el desarrollo de estrategias para la vacunación y la mejora de la captación y memoria del antígeno.

Por último, un punto clave en el futuro será integrar tecnologías ómicas con la ambición de generar modelos predictivos que integren la dieta, el sistema inmune y los resultados en la salud. Para ello, se requiere mejorar la anotación de genomas y conocer las respuestas específicas de cada tipo de célula inmune. Posteriormente se deben combinar estas variables con el uso de softwares especializados y diseccionar los mecanismos moleculares subyacentes a las interacciones dieta-sistema inmune, lo cual llevaría a mejorar la salud de los peces cultivados y contribuir a la sostenibilidad de la acuicultura.

Instituto de Biología y Ciencias Ambientales, Universidad de Aberdeen, Reino Unido.

Este texto fue originalmente publicado en:

La nutrigenómica y la función inmune de los peces: nuevas perspectivas desde las tecnologías ómicas (mayo-junio 2017). Panorama Acuícola Magazine, 22(4), 32-36.

A partir de:

Martin, S.A.M., Kro_l, E., Nutrigenomics and immune function in fish: new insights from omics technologies, Developmental and Comparative Immunology (2017),http://dx.doi.org/10.1016/j.dci.2017.02.024