La gnotobiosis (de las raíces griegas gnostos "conocido" y bios "vida") se refiere a un estado de ingeniería de un organismo en el que se han identificado todas las formas de vida (es decir, microorganismos ) en él o sobre él, incluida su microbiota . [1] El término organismo gnotobiótico, o gnotobiota, puede referirse a un organismo modelo que está colonizado con una comunidad específica de microorganismos conocidos (animal de flora isobiótica o definida) o que no contiene microorganismos ( libre de gérmenes ) a menudo con fines experimentales . [2] [3] [4] [5] El estudio de la gnotobiosis y la generación de varios tipos de organismos modelo gnotobióticos como herramientas para estudiar las interacciones entre los organismos hospedadores y los microorganismos se conoce como gnotobiología. [2]
El concepto y el campo de la gnotobiología nacieron de un debate entre Louis Pasteur y Marceli Nencki a finales del siglo XIX, en el que Pasteur argumentó que la vida animal necesitaba bacterias para tener éxito mientras que Nencki argumentó que los animales serían más saludables sin bacterias, [2] pero no fue hasta 1960 que se formó la Asociación de Gnotobióticos. [4] Los primeros intentos en gnotobiología estuvieron limitados por equipos inadecuados y conocimientos nutricionales, sin embargo, los avances en las ciencias nutricionales , la anatomía y fisiología animal y la inmunología han permitido la mejora de las tecnologías gnotobióticas. [6]
Los conejillos de indias fueron el primer modelo animal libre de gérmenes descrito en 1896 por George Nuttall y Hans Thierfelder , estableciendo técnicas que todavía se usan hoy en día en gnotobiología. [7] Los primeros métodos para mantener ambientes estériles involucraban frascos de vidrio estériles y cajas de guantes , que se convirtieron en una conversación en torno a la uniformidad de los métodos en el campo en el simposio de 1939 sobre métodos microquirúrgicos y libres de gérmenes en la Universidad de Notre Dame. [4] Muchos de los primeros logros (1930-1950) en gnotobiología vinieron de la Universidad de Notre Dame , la Universidad de Lund y la Universidad de Nagoya . [7] [8] Los Laboratorios de Bacteriología de la Universidad de Notre Dame (conocidos como LOBUND) fueron fundados por John J. Cavanaugh y son citados por lograr algunos de los logros más notables en el campo de la investigación gnotobiótica. [7] [8] Bajo la dirección de James A. Reyniers, el trabajo inicial en LOBUND se centró en la obtención de gnotobiotas esterilizando animales y manteniéndolos utilizando aisladores de acero esterilizados con vapor a alta presión; sin embargo, el trabajo posterior en el instituto cambió el enfoque del campo hacia el establecimiento de colonias de animales nacidos libres de gérmenes. [4] La primera colonia de ratas libre de gérmenes fue generada y mantenida utilizando un aislador esterilizado con vapor en 1946 por el científico sueco Bengt Gustafsson. [6] Los aisladores de película flexible que utilizan vapor de ácido peracético para la esterilización comenzaron a desarrollarse en la década de 1950. [4] Las técnicas de esterilización refinadas y los cambios de fabricación de LOBUND redujeron significativamente el tamaño y el costo de los aisladores, lo que hizo que la investigación gnotobiótica fuera más accesible universalmente. [7] [8] Después de numerosos avances en la investigación y las tecnologías gnotobióticas, los principales desafíos que enfrenta la investigación gnotobiótica hoy son los requisitos de costo, espacio, eficiencia y procedimiento operativo. [7] En 2015, los costos de mantenimiento de jaulas para ratones gnotobióticos fueron más de 4 veces mayores que el costo de mantenimiento de las jaulas para ratones no gnotobióticos, lo que creó un desafío para establecer y mantener instalaciones utilizando fuentes de financiamiento típicas, como subvenciones federales de instituciones como el NIH . [7]
El enfoque inicial del campo de la gnotobiología fue demostrar que un organismo podía vivir en ausencia de microorganismos, lo que finalmente resultó en el desarrollo de organismos gnotobióticos como herramienta para la investigación. [5] Entre las décadas de 1950 y 1970, se utilizaron modelos libres de gérmenes para estudiar los efectos de la ausencia de bacterias en el metabolismo y la fisiología del organismo huésped, que luego evolucionaron hacia la infección intencional de organismos libres de gérmenes con microorganismos específicos para investigar sus funciones y otras cuestiones relacionadas con el campo biomédico . [9] A principios de la década de 1970, se utilizaron gnotobiotas para estudiar el papel de los microorganismos en la adquisición de nutrición del huésped y la respuesta inmune; sin embargo, esto fue limitado porque los animales criados en una colonia gnotobiótica a menudo tienen sistemas inmunes poco desarrollados, menor gasto cardíaco y paredes intestinales delgadas, lo que los hace altamente susceptibles a patógenos infecciosos . [10] [11] Después de principios de la década de 1970, la investigación gnotobiótica disminuyó hasta mediados de la década de 1980. [7] En el siglo XXI, los sistemas modelo gnotobióticos se han convertido en una herramienta importante para investigar las interacciones entre los organismos hospedadores y su microbiota comensal , ya que permiten a los investigadores investigar microbios específicos en un sistema hospedador altamente controlado. [12] Históricamente, los modelos de ratón se han utilizado para investigar los impactos de la composición de la microbiota (qué microorganismos están presentes) en el sistema inmunológico , el sistema nervioso , el metabolismo y la fisiología del hospedador; sin embargo, un creciente interés en este campo ha llevado a la incorporación de otros organismos modelo para abordar una mayor variedad de preguntas relacionadas con estos temas. [3]
Un animal gnotobiótico (gnotobiote) es un animal en el que todos los microorganismos que interactúan con él son conocidos y controlados. [13] Los animales gnotobióticos normalmente nacen en condiciones asépticas , que pueden incluir la separación de la madre mediante cesárea seguida de la transferencia inmediata del recién nacido a un aislador donde se esteriliza todo el aire, los alimentos y el agua entrantes. [10] Los gnotobiotes suelen criarse en un entorno de laboratorio estéril y solo se exponen intencionalmente a microorganismos de interés para los investigadores. [5] Los ratones y las ratas son animales gnotobióticos comunes utilizados en la investigación, pero otros ejemplos de gnotobiotes importantes incluyen Caenorhabditis elegans ( C. elegans ) , Drosophila melanogaster ( D. melanogaster ) , pez cebra y lechones. [3] Los gnotobiotes se utilizan como un entorno controlado en el que estudiar la anatomía y la fisiología del huésped, las interacciones simbióticas específicas entre un huésped y microorganismos específicos, y los impactos de los productos químicos en el huésped y su microbiota. [9]
Los roedores (principalmente ratones y ratas) son los sistemas modelo de mamíferos más comunes utilizados para estudiar la gnotobiosis y se utilizan ampliamente para estudiar la salud humana en relación con el intestino y las interacciones entre los microorganismos y su huésped; sin embargo, recientemente ha habido un aumento en el uso de ratones gnotobióticos para estudiar las interacciones entre diferentes microorganismos (interacciones microbio-microbio) en el intestino. [5] [14] Los ratones gnotobióticos humanizados, o ratones gnotobióticos introducidos a microorganismos intestinales humanos mediante un trasplante de microbiota fecal con heces humanas, se utilizan en el contexto del estudio de la microbiota intestinal y su relación con los cánceres del huésped , el sistema inmunológico y la nutrición. [15] Algunas ventajas de los sistemas de ratones y ratas gnotobióticos incluyen la uniformidad del organismo, la prevalencia histórica y los métodos establecidos específicos del sistema, así como la capacidad de obtener ratones y ratas gnotobióticos confiables comercialmente. [5]
Los peces gnotobióticos se han utilizado como organismo modelo para la salud humana; [3] [7] sin embargo, un mayor interés en la acuicultura para la producción sostenible de alimentos ha llevado a una mayor prevalencia de estudios gnotobióticos centrados en maximizar la producción y mantener poblaciones cautivas saludables. [16] La mayoría de las investigaciones todavía se realizan solo en unas pocas especies de peces, como el pez cebra. [7] [16] Algunas de las ventajas de los sistemas de peces gnotobióticos incluyen un alto número de crías por evento de reproducción junto con tiempos de generación rápidos y huevos que se pueden desinfectar. [7] [16]
Las plantas gnotobióticas son plantas que se cultivan sin microorganismos presentes (asépticas, axénicas o estériles) o se cultivan en presencia de uno (monoxénico) o más de un (polixénico) microorganismo conocido. [17] Para obtener plantas gnotobióticas, los investigadores esterilizan las semillas utilizando agentes químicos (por ejemplo, etanol , hipoclorito de sodio (lejía), peróxido de hidrógeno ) en la superficie de la semilla. [17] Se ha utilizado una amplia variedad de plantas para generar sistemas gnotobióticos como Arabidopsis thaliana , maní , avena , maíz y muchos otros. [17] De manera similar a los animales, los sistemas de plantas gnotobióticas se han utilizado para estudiar componentes integrales de la fisiología del huésped (por ejemplo, fijación de nitrógeno ), [5] así como interacciones patógenas y simbióticas entre plantas y microorganismos. [17]
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