La importancia de desarrollar e implementar estrategias de control biológico en sistemas de acuicultura

La acuicultura se ha convertido en una fuente de alimentos cada vez más importante en todo el mundo. Según la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO), la producción acuícola mundial ha crecido del 31,1% en 2004 al 47% de la producción total de 80 millones de toneladas de pescado producidas en 2016. Sin embargo, este crecimiento ha sido acompañado por la aparición, o reaparición, de varias enfermedades infecciosas. Dado que la acuicultura generalmente requiere instalaciones de producción a gran escala, las poblaciones de animales de alta densidad proporcionan condiciones ideales para la aparición y propagación de infecciones, lo que causa graves pérdidas económicas. El deterioro ambiental también puede contribuir a la prevalencia de infecciones en la acuicultura, particularmente porque las enfermedades emergen cuando se altera la interacción patógeno-huésped-medio ambiente (Figura 1). Aunque comúnmente se usan los antibióticos como agentes profilácticos y terapéuticos, la presión selectiva creada por su uso extensivo en animales y humanos ha contribuido a la selección, persistencia y propagación de bacterias resistentes a los antibióticos. Un informe reciente del gobierno del Reino Unido ha estimado que 700,000 personas mueren anualmente debido a infecciones causadas por bacterias resistentes a los antibióticos, y este número puede aumentar a 10 millones de muertes anualmente para 2050 si no se toman medidas (http: // amr-review. org). El uso de antibióticos en la acuicultura depende de las regulaciones locales, que pueden variar ampliamente. En Europa, América del Norte y Japón, las regulaciones sobre su uso son estrictas, y sólo unas pocas sustancias tienen licencia. Sin embargo, los países en desarrollo contribuyen al 90% de la producción acuícola mundial, y muchos de ellos carecen de regulaciones específicas. Por ejemplo, un informe reciente de Oceana ha demostrado que el uso de antibióticos en el cultivo de salmón en Chile fue de ∼900  g / tonelada de biomasa cosechada, mientras que en Noruega se usaron 0.17 g / tonelada ( http://oceana.org/ ). La vacunación representa una estrategia de control alternativa para enfermedades infecciosas; sin embargo, su eficacia a menudo es limitada o ineficaz cuando se aplica a peces juveniles porque no son completamente inmunocompetentes. La vacunación tampoco es factible para crustáceos y moluscos cultivados porque no poseen la capacidad de desarrollar inmunidad adquirida a largo plazo. Además de la baja efectividad de las vacunas en las primeras etapas de desarrollo y la falta de una verdadera respuesta inmune adaptativa en algunas especies, existe un número limitado de vacunas con autorización de comercialización en acuicultura debido al complicado proceso antes de la comercialización. Ante esto, se han propuesto varias estrategias de control biológico para promover la salud y el bienestar de las especies cultivadas. En este documento se proporciona una actualización sobre los éxitos y desafíos de estos enfoques biológicos para la prevención y / o control de enfermedades infecciosas en la acuicultura.

Los análisis comparativos entre animales expuestos y no expuestos a microorganismos han revelado que la microbiota está sustancialmente involucrada en una amplia gama de funciones del huésped. La evidencia obtenida de estos estudios sugiere que la microbiota intestinal proporciona beneficios nutricionales y protección contra los patógenos y contribuye al desarrollo y la diferenciación de las respuestas inmunes, lo que ha resultado en la promoción de su manipulación mediante el uso de probióticos. Con base en sus mecanismos de acción, los probióticos pueden crear un ambiente hostil para los patógenos mediante la producción de compuestos antimicrobianos, la competencia por el espacio y los nutrientes disponibles, la inhibición de la expresión de genes de virulencia o la interrupción de la detección del quórum. Los efectos antimicrobianos de los probióticos pueden estar relacionados con la producción de antibióticos, bacteriocinas, ácidos grasos, peróxido de hidrógeno, enzimas líticas o ácidos orgánicos. En particular, las bacteriocinas son péptidos antimicrobianos sintetizados ribosómicamente producidos por bacterias que tienen efectos bactericidas o bacteriostáticos en cepas bacterianas estrechamente relacionadas. Estos péptidos tienen una serie de propiedades que los hacen candidatos ideales para el control de enfermedades, aunque algunos estudios indican que las bacterias bacteriogénicas pueden albergar genes de resistencia a los antibióticos.

También se ha sugerido que las bacteriocinas desempeñan un papel importante como péptidos de señalización, comunicándose con otras bacterias mediante la detección de quórum (una forma química que las células bacterianas usan para interactuar entre sí y coordinar ciertos comportamientos, como la formación de biopelículas) y con las células de el sistema inmunitario del huésped. La nisina es una de las bacteriocinas actualmente aprobadas como conservante de alimentos en más de 80 países, incluida la Unión Europea y los Estados Unidos. Un estudio reciente demostró que la administración de Lactococcus lactis subsp. cremoris WA2-67 confirió protección contra Lactococcus garvieae en trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss), y la producción de nisina Z desempeñó un papel relevante en esta protección.

Del mismo modo, entre los efectos beneficiosos atribuidos a las bacterias probióticas, su capacidad para interactuar con el sistema inmunitario del huésped ahora se reconoce como un mecanismo clave de acción para proteger a los peces, crustáceos y moluscos contra las infecciones, y esto es respaldado por un número creciente de in vitro e in vivo. estudios. Las bacterias probióticas pueden modular la producción de citocinas pro y antiinflamatorias que son mensajeros químicos cruciales involucrados en la regulación, activación, crecimiento y diferenciación de las células inmunes. Por ejemplo, la administración dietética de Lactobacillus plantarum subsp. plantarum no sólo pudo aumentar la expresión de interleucina-8 (IL-8) en el intestino, y estimular la expresión de varias citocinas en el riñón de la cabeza de la trucha arcoíris, sino que también fue eficaz para conferir protección contra la infección por Lactococcus garvieae. La administración dietética de Lactococcus lactis y Lb. plantarum también reveló una regulación positiva de la expresión génica de citocinas en el intestino del Falso Halibut del Japón (Paralichthys olivaceus), así como una mayor resistencia a la infección por Streptococcus iniae. También se han observado resultados similares en crustáceos, donde la administración dietética de Bacillus subtilis. Las cepas resultaron en una expresión regulada al alza de genes relacionados con el sistema inmune y una mayor resistencia a las enfermedades del camarón blanco, Litopenaeus vannamei.

Los prebióticos son ingredientes alimenticios no digeribles que tienen un efecto beneficioso a través de su metabolismo selectivo en el tracto gastrointestinal y que permiten cambios específicos en la composición de la microbiota. Teniendo en cuenta que los prebióticos pueden promover la colonización y el crecimiento de bacterias beneficiosas, como los probióticos, dentro del ecosistema intestinal, su uso puede reducir potencialmente la cantidad de bacterias patógenas al competir por los mismos glicoconjugados en la superficie de las células epiteliales y mejorar la producción de mucus, ácidos grasos de cadena corta y citocinas. Entre ellos, los manano-oligosacáridos, fructo-oligosacáridos, fructo-oligosacáridos de cadena corta, inulina, oligosacáridos de quitosano, galacto-oligosacáridos, arabino-xilo-oligosacáridos e isomalto-oligosacáridos han mostrado resultados prometedores en la acuicultura. Un estudio reciente demostró que la administración dietética de alginato de sodio de bajo peso molecular confiere efectos beneficiosos en la tilapia (Oreochromis niloticus), como un mejor rendimiento del crecimiento, respuesta inmune y resistencia a Streptococcus agalactiae. La administración dietética de polisacáridos de astrágalo y quito-oligosacáridos, solos o combinados, también dio como resultado un aumento de la respuesta inmune y resistencia a las enfermedades en la lubina juvenil (Micropterus salmoides).

En conjunto, estos estudios sugieren que los probióticos y prebióticos pueden ser una alternativa ideal a los antibióticos en la acuicultura. Sin embargo, los probióticos no están exentos de adquirir resistencia a los antibióticos, y el efecto a largo plazo de agregar un gran número de bacterias vivas a los sistemas de acuicultura se ha cuestionado porque esas bacterias también pueden tener altos niveles de genes de resistencia a los antibióticos. Por lo tanto, se deben tener en cuenta los posibles efectos adversos de la transferencia horizontal de genes. Una mejor comprensión de la comunidad microbiana intestinal tanto en homeostasis como en estados de enfermedad permitirá el desarrollo de enfoques racionalmente diseñados (como dosis óptimas y duraciones de ingesta). Tal conocimiento permitirá el uso de subproductos metabólicos (postbióticos), así como el desarrollo y la optimización de combinaciones sinérgicas (simbióticos) como estrategias viables para la terapia y la prevención. De hecho, las preparaciones probióticas inactivadas o los postbióticos aparecen como una alternativa interesante a los probióticos vivos. La administración dietética de cuatro cepas probióticas inactivadas confirió protección contra la forunculosis en la trucha arcoíris. Un estudio reciente demostró que la suplementación dietética de Lb. plantarum y β-glucano tuvieron una interacción significativa en el rendimiento del crecimiento, la digestibilidad y la respuesta inmune en el besugo juvenil. Del mismo modo, la suplementación con simbióticos ha mostrado resultados prometedores en el rendimiento del crecimiento y la tasa de supervivencia. Por ejemplo, se informó que la administración dietética de Pediococcus acidilactici y galactooligosacáridos aumenta sinérgicamente la respuesta inmune y la resistencia a la enfermedad en alevines de trucha arcoíris en comparación con cuando ambos se administraron individualmente. Se observaron resultados similares en la tilapia del Nilo, cuando se administró la dieta simbiótica que contenía kéfir y alginato de sodio de bajo peso molecular.

Tratamiento con bacteriófagos

Desde su descubrimiento a principios del siglo XX, se reconoció que los bacteriófagos (fagos) tenían un gran potencial para tratar infecciones bacterianas, un entusiasmo que se desalentó poco después del descubrimiento de los antibióticos. Sin embargo, la creciente prevalencia de bacterias resistentes a los antibióticos ha renovado el interés en su uso como agentes antimicrobianos para controlar los patógenos a través de una alternativa ecológica. Los fagos se pueden agrupar en dos categorías por su ciclo de vida: fagos lisogénicos (templados) y fagos líticos. Estos últimos tienen la capacidad de lisar rápidamente las bacterias infectadas y la capacidad de aumentar su número durante la infección, lo que los convierte en posibles agentes de control biológico. Además, los fagos son típicamente altamente específicos para sus objetivos bacterianos a nivel de especie o cepa, minimizando así los efectos adversos sobre las bacterias comensales. Estas propiedades ofrecen una ventaja para controlar patógenos específicos debido a su eliminación selectiva sin afectar la microbiota normal.

El uso de los fagos Aeromonas pAh1-C y pAh6-C, ya sea a través de la administración oral o inyección intraperitoneal, ejerció efectos protectores notables, como tasas de mortalidad reducidas, en el dojo (Misgurnus anguillicaudatus) expuesto a la infección por Aeromonas hydrophila, sin efectos secundarios durante o después del tratamiento. Se observaron resultados similares cuando Aeromonas fago AS-A se administró al lenguado senegales juvenil (Solea senegalensis), en la que no se observó mortalidad en los peces expuestos a la infección por Aeromonas salmonicida. Aunque la especificidad de los fagos por parte del huésped puede considerarse una desventaja para la terapia con fagos, esto se puede superar aplicando cócteles de fagos. Un estudio comparativo demostró que los cócteles de fagos son más eficientes que un solo fago para controlar el crecimiento de Vibrio parahaemolyticus. Del mismo modo, la administración de cócteles de fago dio como resultado una mayor tasa de supervivencia en las larvas de camarón tigre (Penaeus monodon) expuestas a la infección por Vibrio harveyi. A pesar de su potencial antimicrobiano, persisten algunas preocupaciones importantes sobre el uso de fagos en la acuicultura. Las bacterias pueden desarrollar resistencia a los fagos a través de una variedad de mecanismos, incluido el bloqueo de la adsorción de fagos, la inhibición de la inyección de genomas de fagos, los sistemas de restricción-modificación y los sistemas de infección abortiva. Los fagos templados también pueden transferir la resistencia a los antibióticos y los determinantes de virulencia del fago a la bacteria huésped, aunque incluso los fagos líticos obligan a albergar genes de función desconocida que podrían resultar en una transferencia de genes no deseada. Además, un estudio reciente ha demostrado que los fagos pueden promover la transferencia horizontal de genes por transformación. Estas preocupaciones deben tenerse en cuenta en estudios posteriores; por lo tanto, se podría considerar el uso de componentes de fagos purificados (por ejemplo, lisinas) para evitar estos posibles riesgos.

El uso de extractos de plantas (fitobióticos)

Los extractos de plantas, también conocidos como fitobióticos , han sido explotados relativamente recientemente en la acuicultura, particularmente por sus actividades antimicrobianas, antiinflamatorias, antioxidantes y antiparasitarias. Estudios anteriores han demostrado que los aceites esenciales y sus componentes principales, como el timol y el carvacrol, son activos contra Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Bacillus cereus y Salmonella spp. pero son menos efectivos contra Pseudomonas spp. debido a la formación de exopolisacáridos que aumentan la resistencia a estos compuestos. Aunque el mecanismo de acción depende de su composición química, la mayoría de los aceites esenciales tienen un mayor efecto bactericida sobre las bacterias Gram-positivas que sobre las bacterias Gram-negativas, particularmente debido a las diferencias en la composición de la membrana celular. Por ejemplo, un estudio demostró que la administración de un aditivo comercial para piensos que contiene aceites esenciales (como carvacrol, timol, anetol y limoneno) confiere protección contra la infección por A. salmonicida en la trucha arcoíris. Administración dietética de extractos de orégano (Lippia berlandieri Schauer) o neem (Azadirachta indica) también mostraron mayores tasas de supervivencia en postlarvas de camarones blancos expuestos a la infección por Vibrio parahaemolyticus que en el grupo control. Cabe señalar que la azadiractina es el principal compuesto bioactivo del neem, mientras que el timol y el carvacrol son los dos compuestos principales en el aceite esencial obtenido del orégano, que son de especial interés debido a sus propiedades antioxidantes y antimicrobianas. Un estudio reciente también demostró que el crecimiento, la ingesta de alimento, la lisozima y el contenido medio de hemoglobina corpuscular del bagre de canal (Ictalurus punctatus), criados a baja temperatura, aumentaron mediante la adición de aceite de linaza a la dieta en comparación con la dieta no suplementada. Además, un estudio comparativo mostró que la administración dietética de extracto de papaya (Carica papaya) puede promover significativamente el crecimiento y retrasar la maduración gonadal en la tilapia masculina y femenina, mientras que el extracto de alcanfor (Cinnamomum camphora) fue el más efectivo para controlar la infección por Streptococcus agalactiae. Algunos aceites esenciales y sus componentes principales también han mostrado actividad de detección anti-quórum. Entre ellos, el cinamaldehído es uno de los componentes de aceites esenciales más estudiados. Por ejemplo, la capacidad del 3,4-dicloro-cinamaldehído para disminuir la virulencia regulada por detección de quórum de las especies Vibrio se ha demostrado utilizando un modelo de nematodos. Es bien sabido que varias especies de Vibrio son patógenos oportunistas de peces, camarones, ostras y otros mariscos, por lo que estos componentes de aceites esenciales pueden ser una estrategia de control biológico interesante para la acuicultura.

Interferencia de Quorum sensing

El Quorum sensing (QS) es un mecanismo de comunicación microbiana de célula a célula que regula la expresión génica en respuesta a la densidad de población para coordinar comportamientos colectivos, como la producción del factor de virulencia, la formación de biopelículas y la bioluminiscencia. Los sistemas QS en bacterias generalmente se han dividido en al menos tres clases: (i) QS tipo LuxI / LuxR en bacterias Gram negativas, (ii) QS tipo oligopéptido de dos componentes en bacterias Gram positivas; y (iii) QS autoinductor codificado por luxS 2 (AI-2) en bacterias Gram-negativas y Gram-positivas. El descubrimiento de tales mecanismos ha llevado a la identificación y caracterización de compuestos o enzimas que apagan QS, llamada interferencia QS. Algunos estudios han sugerido que la interferencia QS representa un enfoque terapéutico prometedor, y podría considerarse una estrategia potencial para prevenir enfermedades en los sistemas de producción acuícola. De hecho, varias plantas, algas y bacterias producen compuestos que imitan las señales QS de muchas bacterias, interfiriendo con el QS bacteriano y sus actividades controladas. Los limonoides purificados, particularmente el ácido isolimónico y la ichangina, han demostrado la capacidad de interferir con la señalización célula-célula y formación de biopelícula de V. harveyi modulando la expresión del regulador de respuesta luxO. Curiosamente, la adición de Bacillus sp. el NFMI-C, que inactiva la N -hidroxibutanoil-l-homoserina lactona, en el agua de cría mejoró la supervivencia de las larvas de langostino gigante (Macrobrachium rosenbergii) cuando se desafió con Vibrio campbellii patógeno. Aunque la interferencia de QS proporciona una alternativa prometedora para atenuar la patogenicidad, las bacterias pueden desarrollar resistencia a los inhibidores de QS. Sin embargo, se ha sugerido que las posibilidades de desarrollar resistencia a los inhibidores de QS son menores que las de los antibióticos convencionales.

Observaciones finales

La resistencia a los antibióticos es una amenaza cada vez más grave para la salud pública mundial que requiere acciones a diferentes niveles. La actividad acuícola no está exenta de estas amenazas, ya que los agentes antibióticos se han utilizado ampliamente para proteger a los peces y mariscos contra las enfermedades. Por lo tanto, se deben establecer estrategias apropiadas para mitigar la aparición y propagación de la resistencia a los antibióticos. Este documento de opinión se centra en estrategias biológicas alternativas para la producción sostenible de la acuicultura. Los probióticos, prebióticos, simbióticos, postbióticos, fitobióticos, bacteriófagos e interferencia de QS pueden considerarse estrategias ecológicas para prevenir y controlar enfermedades en la acuicultura. Aunque la mayoría de estas estrategias han mostrado resultados prometedores, estudios adicionales, particularmente a escala de campo, son necesarios para seleccionar la estrategia más adecuada sobre la base de su mecanismo de acción (ver Preguntas pendientes). Una mejor comprensión de cómo los sistemas inmunes de peces y mariscos generalmente responden a ciertos componentes de la microbiota (por ejemplo, probióticos, postbióticos, etc.) proporcionará una base para la manipulación dirigida de la composición microbiana, que podría usarse para diseñar estrategias adecuadas para la prevención y tratamiento de enfermedades. Los avances recientes en tecnologías de secuenciación de alto rendimiento, como la metagenómica y la metatranscriptómica, pueden ayudar a alcanzar estos objetivos. 

Preguntas pendientes

Autores: Tania Pérez-Sánchez, Brenda Mora-Sánchez y José Luis Balcázar

Fuente: Pérez-Sánchez, T., Mora-Sánchez, B., & Balcázar, J. L. (2018). Biological approaches for disease control in aquaculture: advantages, limitations and challenges. Trends in microbiology, 26(11), 896-903.

Link: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0966842X18301069