Propionibacterium shermanii: Una referencia integral
1. Identidad, nomenclatura y taxonomía
Nombres y clasificación
Propionibacterium shermanii es el nombre histórico y comercialmente persistente para lo que la taxonomía moderna reconoce ahora como una subespecie de Propionibacterium freudenreichii. Según Scholz y Kilian (2016), Propionibacterium shermanii es un sinónimo heterotípico posterior de Propionibacterium freudenreichii van Niel 1928. El nombre "P. shermanii" fue publicado originalmente por van Niel en 1928, y durante la mayor parte del siglo XX se utilizó indistintamente con la designación subespecífica Propionibacterium freudenreichii subsp. shermanii.
La distinción entre las dos subespecies —Propionibacterium freudenreichii subsp. freudenreichii y subsp. shermanii— se ha considerado taxonómicamente irrelevante. La única diferencia entre estas subespecies era si tenían la capacidad de reducir nitrato (subsp. freudenreichii) o fermentar lactosa (subsp. shermanii). Debido a que estos rasgos fenotípicos no están genéticamente acoplados, tuvieron que clasificarse como fenotipos separados.
Para reevaluar la taxonomía de la familia y esclarecer el parentesco interespecífico, Scholz y Kilian (2016) compararon 162 secuencias de genoma completo públicas de cepas representativas de especies de la familia Propionibacteriaceae. Encontraron discrepancias sustanciales entre las señales filogenéticas del análisis de la secuencia del gen 16S rRNA y su análisis de alta resolución del genoma central. Para dar cabida a estas discrepancias, propusieron tres géneros nuevos: Acidipropionibacterium gen. nov., Cutibacterium gen. nov. y Pseudopropionibacterium gen. nov.
En la literatura científica actual, el organismo se designa con mayor precisión como Propionibacterium freudenreichii subsp. shermanii, aunque el nombre P. shermanii sigue apareciendo en la literatura más antigua, en la ciencia de los alimentos, en el etiquetado comercial de cultivos iniciadores y en algunos contextos de suplementos. A lo largo de este artículo, tanto el nombre histórico como el nombre actualmente aceptado se utilizan indistintamente, ya que la ciencia que se aborda se aplica al mismo organismo.
Morfología y biología básica
Propionibacterium freudenreichii es un bacilo grampositivo de pH neutro, no móvil y no formador de esporas. Es una propionibacteria láctea clásica, distinta del patógeno oportunista Propionibacterium acnes, que pertenece a las propionibacterias cutáneas. Las propionibacterias son bacilos pleomórficos, a menudo difteroides o en forma de maza, pero también pueden presentarse como células individuales, en pares o ramificadas; son anaerobias a aerotolerantes y generalmente catalasa-positivas.
Propionibacterium es un género de bacterias grampositivas, anaerobias, con forma de bacilo, denominado así por su metabolismo peculiar: son capaces de sintetizar ácido propiónico utilizando enzimas transcarboxilasas inusuales. El organismo exhibe un crecimiento lento, con un tiempo de generación de aproximadamente 5 horas, tiene bajos requerimientos nutricionales y demuestra tolerancia a diversos estreses ambientales, incluidos los del tracto digestivo.
P. freudenreichii tiene un cromosoma circular de aproximadamente 2,5 Mb de longitud. Se aísla principalmente de fuentes lácteas, como el queso Emmental, y habita naturalmente ambientes como la leche, el ensilaje, el suelo, el rumen de los rumiantes y el colon humano.
Estatus regulatorio y de seguridad
Propionibacterium freudenreichii es una bacteria generalmente reconocida como segura (GRAS, por sus siglas en inglés) con la capacidad de producir vitamina B12 activa en diferentes matrices de origen vegetal. A diferencia de Pseudomonas denitrificans, es un microorganismo Generalmente Reconocido como Seguro (GRAS) y cuenta con el estatus de Presunción Cualificada de Seguridad (QPS, por sus siglas en inglés) otorgado por la EFSA.
Fuentes y formas naturales
Propionibacterium freudenreichii se utiliza ampliamente en la industria alimentaria, especialmente como cultivo iniciador en la producción de quesos de tipo suizo, como el Emmental y el Maasdam. Estas bacterias son esenciales para el desarrollo de un sabor a nuez y dulce. También producen CO₂, responsable de la aparición de los agujeros característicos de los quesos suizos. Se estima que hay mil millones de células vivas de P. freudenreichii en un gramo de Emmental.
En el contexto de los suplementos dietéticos y los alimentos funcionales, P. shermanii / P. freudenreichii subsp. shermanii se encuentra en varias formas:
- Preparaciones probióticas de células vivas: Los miembros del género Propionibacterium se utilizan ampliamente en la producción de vitamina B12, compuestos tetrapirrólicos y ácido propiónico, así como en las industrias probiótica y quesera.
- Productos de fermentación libres de células (preparaciones BGS/DHNA): El estimulador de crecimiento bifidogénico (BGS, por sus siglas en inglés) es una preparación prebiótica producida por Propionibacterium freudenreichii aislada de queso suizo.
- Vectores lácteos fermentados: Dichos efectos requieren poblaciones elevadas de propionibacterias vivas y metabólicamente activas en el colon. El uso de un vector de administración bien adaptado es determinante para garantizar la supervivencia de las bacterias frente a los estreses digestivos que se encuentran antes de llegar al intestino.
- Alimentos de origen vegetal fortificados in situ: La fortificación in situ de productos de origen vegetal mediante fermentación con una bacteria que sintetiza vitamina B12 biológicamente activa y que tiene estatus GRAS o QPS podría constituir una técnica rentable para mejorar la disponibilidad de esta vitamina para poblaciones en riesgo de deficiencia de vitamina B12.
- Formas de suplemento en tabletas/cápsulas: Documentadas en estudios clínicos de seguridad; véase la sección de Dosificación más abajo.
2. Uso histórico y tradicional
Descubrimiento y ciencia láctea temprana
Propionibacterium freudenreichii fue descubierta y aislada por primera vez a principios del siglo XX por Eduard von Freudenreich y Sigurd Orla-Jensen. Descubrieron la bacteria mientras estudiaban la fermentación propiónica en el queso Emmental. P. freudenreichii fue descrita por primera vez hace más de un siglo en el queso suizo Emmental por Orla Jensen y von Freudenreich (1906), quienes mostraron la relación entre la presencia de estas bacterias productoras de ácido propiónico y la formación de los característicos agujeros redondos (ojos) en el queso.
Propionibacterium freudenreichii fue adoptada por primera vez a principios del siglo XX como cultivo iniciador en la producción de quesos de tipo suizo, particularmente para el Emmental, con el fin de promover una maduración consistente, el desarrollo del sabor mediante la producción de propionato y acetato, y la formación de ojos mediante la generación de dióxido de carbono. Se utiliza ampliamente como cultivo de maduración en la fabricación de quesos de tipo suizo.
La designación de subespecie shermanii fue introducida por van Niel en 1928, en referencia al organismo aislado del Emmental y quesos de tipo suizo relacionados, que podía fermentar la lactosa, una propiedad que se volvió importante en la industria quesera para regular la velocidad de la fermentación.
Legado en la fermentación de alimentos
Cuando se produce el queso Emmental, P. freudenreichii fermenta el lactato para formar acetato, propionato y dióxido de carbono: (3 C₃H₆O₃ → 2 C₂H₅CO₂⁻ + C₂H₃O₂⁻ + CO₂). Los productos de esta fermentación contribuyen a los sabores a nuez y dulces del queso, y el subproducto de dióxido de carbono es responsable de la formación de los agujeros, u "ojos", en el queso. Los queseros controlan el tamaño de los agujeros modificando la acidez, la temperatura y el tiempo de curado de la mezcla.
Propionibacterium freudenreichii subsp. shermanii parece ser la especie más resistente tanto al estrés por frío como por calor, lo cual puede explicar en parte por qué se encuentra principalmente en quesos de tipo suizo como el Emmental, donde la tecnología implica etapas calientes y frías.
El uso prolongado de P. freudenreichii subsp. shermanii en la producción de queso suizo constituye lo que los reguladores reconocen ahora como un historial de consumo humano seguro que abarca siglos a través de alimentos lácteos fermentados. Su uso en la fermentación de alimentos se remonta a más de un siglo, lo que establece un precedente histórico sólido para su seguridad y palatabilidad en las dietas humanas.
Uso medicinal y tradicional popular
La documentación formal de P. shermanii como agente medicinal aplicado deliberadamente es limitada, ya que su identidad dentro de los alimentos lácteos fermentados consumidos tradicionalmente no se estableció científicamente hasta el siglo XX. Las propionibacterias lácteas son Actinobacteria, aisladas principalmente de ambientes lácteos. Propionibacterium freudenreichii se ha utilizado durante mucho tiempo como cultivo de maduración en la fabricación de quesos de tipo suizo, y cada vez más se considera por sus potentes efectos probióticos. El uso de suero fermentado y productos lácteos cultivados en la medicina popular de Europa central es anterior a la caracterización microbiológica de los organismos que los constituyen.
Las primeras aplicaciones en suplementos surgieron a finales del siglo XX. Es un hecho conocido desde hace tiempo que el ácido propiónico inhibe levaduras y mohos. El ácido propiónico es producido por la inocua Propionibacterium shermanii o por varias especies de Propionibacterium utilizando glucosa, lactosa o ácido láctico como sustrato. La Propionibacterium puede así reducir el lactato o el ácido láctico a ácido propiónico y dióxido de carbono, lo que puede retardar el crecimiento de levaduras y mohos. Además, la bacteria propiónica puede sintetizar vitaminas del grupo B en el tracto gastrointestinal humano. Estas propiedades se reconocieron como la base de las primeras preparaciones de suplementos probióticos que combinaban P. shermanii con fibra dietética y otros organismos beneficiosos.
3. Componentes clave y compuestos activos
Principales productos metabólicos
Las propionibacterias tienen un metabolismo peculiar, caracterizado por la formación de ácido propiónico como principal producto final de la fermentación. Tienen pocos requerimientos nutricionales y son capaces de utilizar una variedad de sustratos de carbono. Los principales metabolitos bioactivos de P. shermanii / P. freudenreichii son:
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Ácido propiónico y ácido acético (ácidos grasos de cadena corta, AGCC):
En el queso, P. freudenreichii desempeña un papel esencial en la producción de una variedad de compuestos aromáticos, incluyendo no solo el ácido propiónico, sino también ácidos grasos libres liberados mediante la lipólisis de los glicéridos de la leche y ácidos metilbutanoicos resultantes de la degradación de aminoácidos. En el contexto intestinal, el propionato y el acetato funcionan como moléculas de señalización con efectos directos sobre la fisiología de las células del huésped.
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Vitamina B12 (cobalamina):
Treinta genes están implicados en la biosíntesis de vitamina B12 en P. freudenreichii (Roth et al. 1993). Los más importantes desde el punto de vista industrial son los pasos finales de la vía (producción, activación y unión del ligando inferior) que determinan la generación de vitamina terapéuticamente activa. El genoma de P. freudenreichii tiene la enzima de fusión BluB/CobT2, implicada en la producción de la forma activa de la vitamina B12. Comprender los mecanismos que afectan la síntesis de las diferentes formas de cobalamina es importante en el contexto de la selección de cepas y el aumento de la producción de vitamina B12.
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Ácido 1,4-dihidroxi-2-naftoico (DHNA) y 2-amino-3-carboxi-1,4-naftoquinona (ACNQ):
Se dilucidaron los mecanismos moleculares correspondientes, y se demostró que dos moléculas están implicadas en el efecto bifidogénico: el ácido 1,4-dihidroxi-2-naftoico (DHNA) y la 2-amino-3-carboxi-1,4-naftoquinona (ACNQ). El efecto bifidogénico de P. freudenreichii depende de la producción de propionato, ACNQ y DHNA, un intermediario en la vía de biosíntesis de la menaquinona (vitamina K2). La ACNQ, que puede derivarse del DHNA, actúa como aceptor de electrones de la NAD(P)H diaforasa y como donante de electrones de la NAD(P)H peroxidasa en las bifidobacterias. La regeneración de NAD(P)⁺ sería responsable de la estimulación del crecimiento de bifidobacterias por parte de las propionibacterias a través del DHNA y la ACNQ.
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Ácidos linoleicos conjugados (CLA):
Propionibacterium freudenreichii es útil para la producción de CLA tanto en productos fermentados lácteos como de origen vegetal. En concreto, P. freudenreichii es clave para la producción de CLA, y P. freudenreichii subsp. shermanii es capaz de aumentar el contenido de CLA en los productos finales hasta 0,82–1,17 mg/g de lípido.
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Trehalosa:
P. freudenreichii exhibe características que permiten su supervivencia a largo plazo. Acumula polifosfato inorgánico (polyP) como reserva de energía, compuestos de almacenamiento de carbono (glucógeno) y solutos compatibles como la trehalosa. La trehalosa tiene aplicaciones reconocidas de forma independiente en productos alimentarios, cosméticos y de atención de la salud.
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Proteínas de la capa superficial (proteínas S-layer, SlpB):
Se sabe que P. freudenreichii se adhiere a las células epiteliales intestinales y al moco, y que modula funciones importantes de la mucosa intestinal, incluyendo la proliferación celular y la respuesta inmunitaria. Las proteínas de la capa superficial, en particular la SlpB, se han identificado como determinantes clave de las propiedades inmunomoduladoras y de adhesión del organismo.
El ciclo de Wood-Werkman
A partir de la secuencia del genoma de P. freudenreichii CIRM-BIA1T, se reconstituyeron muchas vías, incluyendo el ciclo de Wood-Werkman, enzimas de la cadena respiratoria, vías de síntesis para todos los aminoácidos y muchas vitaminas, incluida la vitamina B12. La característica clave del ciclo de Wood-Werkman en P. freudenreichii es una reacción de transcarboxilación sin la participación de CO₂ libre. La enzima que cataliza esta reacción es una metilmalonil-CoA carboxitransferasa, que transfiere un grupo carboxilo del metilmalonil-CoA al piruvato para formar oxaloacetato y propionil-CoA. La enzima implicada ha sido completamente caracterizada y su estructura ha sido resuelta. Es una carboxitransferasa dependiente de biotina (EC 2.1.3.1) compuesta de tres subunidades.
4. Mecanismos de acción
Actividad bifidogénica / prebiótica
El estimulador de crecimiento bifidogénico (BGS) estimula selectivamente el crecimiento de las Bifidobacterias mediante la acción de su componente, el ácido 1,4-dihidroxi-2-naftoico, que es producido por Propionibacterium freudenreichii ET-3 aislada de queso suizo. El componente ácido 1,4-dihidroxi-2-naftoico tiene actividad estimuladora del crecimiento de las Bifidobacterias a una concentración extremadamente baja in vitro. Este mecanismo bifidogénico opera a través del sistema redox NAD(P)H diaforasa/peroxidasa en las bifidobacterias.
Modulación de la microbiota intestinal
El consumo de P. freudenreichii modula la microbiota intestinal, lo que la convierte tanto en probiótico como en prebiótico. La eficacia probiótica de las propionibacterias dependió de la especie y de la cepa. Dos de las cepas, denominadas TL133 y TL1348, alteraron la composición de la microbiota fecal, y la cepa TL133 también aumentó la concentración cecal de acetato, propionato y butirato.
Barrera intestinal y producción de mucina
Los niveles de expresión de ARNm y proteína de MUC2, un componente principal del moco intestinal, aumentaron en células tratadas con el sobrenadante de cultivo de P. freudenreichii. El sobrenadante de cultivo y la P. freudenreichii viva redujeron el índice de actividad de la enfermedad (DAI, por sus siglas en inglés) en ratas con colitis inducida por DSS. Después del tratamiento, los niveles de ARNm de las citocinas proinflamatorias típicas disminuyeron y el estado inflamatorio mejoró histológicamente.
Inmunomodulación
Se sugirió el efecto antiinflamatorio en pacientes con EII y se confirmó en modelos animales de colitis. Las propiedades inmunomoduladoras se deben a varios metabolitos, como los AGCC, y a componentes de la pared celular. Las proteínas de superficie están implicadas en la adhesión y la inmunoestimulación por parte de P. freudenreichii.
Acción proapoptótica sobre células cancerosas
Se sabe que los ácidos grasos de cadena corta inducen específicamente la apoptosis de las células cancerosas. Las propionibacterias lácteas de calidad alimentaria inducen la apoptosis intrínseca de las células de cáncer de colon, a través de la producción y liberación de AGCC (propionato y acetato) que actúan sobre las mitocondrias. Como se demostró para el butirato, el efecto anticanceroso de los AGCC propionibacterianos consiste en inducir la apoptosis. Se activa la vía apoptótica intrínseca: los AGCC actúan sobre el poro del translocador de nucleótidos de adenina (ANT) mitocondrial, provocando la despolarización y permeabilización mitocondrial, la fuga de citocromo C y la activación de caspasas.
Adaptación y supervivencia colónica
La glucólisis, el ciclo de Wood-Werkman y las vías de fosforilación oxidativa se regularon a la baja en el entorno colónico, pero se indujeron catabolismos de carbohidratos específicos y vías alternativas para producir NADH, NADPH, ATP y precursores. Los genes implicados en la respuesta al estrés se regularon a la baja, y los genes expresados específicamente durante la división celular se indujeron, lo que sugiere que P. freudenreichii adaptó su metabolismo a las condiciones encontradas en el colon.
Mejora de la biodisponibilidad de nutrientes por fermentación
La fermentación de varios sustratos dietéticos por P. shermanii puede mejorar la biodisponibilidad de los nutrientes. P. shermanii genera enzimas durante la fermentación que ayudan a la degradación de nutrientes complejos, facilitando una absorción y utilización más sencillas por parte del organismo.
5. Evidencia científica por área de uso
5.1 Modulación de la microbiota intestinal (efecto bifidogénico)
Nivel de evidencia: Existen estudios en humanos; evidencia moderada del efecto bifidogénico en voluntarios sanos.
Propionibacterium freudenreichii estimuló el crecimiento de Bifidobacterias en el colon de voluntarios sanos. Además de su uso en la tecnología quesera, las propionibacterias lácteas se han identificado como probióticos potenciales. Sin embargo, para tener un efecto probiótico, las propionibacterias deben sobrevivir y permanecer metabólicamente activas en el tracto digestivo. Se ha investigado la supervivencia y actividad metabólica de P. freudenreichii dentro del tracto gastrointestinal de ratas asociadas a microbiota humana, junto con su influencia sobre la composición y el metabolismo de la microbiota intestinal.
Se evaluaron veinticinco cepas lácteas de Propionibacterium por su tolerancia a los estreses digestivos y su capacidad de producir propionato en un medio que imita el contenido del colon humano. Se seleccionaron tres cepas y se alimentó una dosis diaria de 2 × 10¹⁰ unidades formadoras de colonias a grupos de ratas asociadas a microbiota humana durante 20 días, antes de realizar investigaciones microbiológicas, bioquímicas y moleculares. Estas cepas alcanzaron todas valores de 8 log por g de heces, mostrando su capacidad para sobrevivir en el tracto gastrointestinal. La actividad transcripcional dentro del intestino se demostró mediante la presencia de ARNm específico de la transcarboxilasa de P. freudenreichii.
Limitación: El modelo animal utilizado (ratas asociadas a microbiota humana) es más informativo que los modelos roedores estándar, pero no es equivalente a ensayos directos en humanos. Los datos clínicos humanos sobre la modulación de la microbiota provienen de estudios pequeños.
5.2 Enfermedad inflamatoria intestinal (colitis ulcerosa)
Nivel de evidencia: Datos preliminares de un estudio piloto en humanos; datos en animales e in vitro que apoyan pero no son definitivos.
Este estudio investigó la eficacia y seguridad del BGS en el tratamiento de la colitis ulcerosa. Doce pacientes con colitis ulcerosa de actividad leve a moderada recibieron por vía oral 4,5 g de BGS al día durante 4 semanas en un protocolo de tratamiento abierto, mientras continuaba la terapia antiinflamatoria basal. La respuesta al tratamiento se evaluó clínica y endoscópicamente. Se estudiaron las concentraciones de ácidos grasos de cadena corta y la composición de las bacterias comensales, incluyendo Bifidobacterias, Enterobacterias y especies de Bacteroides, en muestras de heces.
Propionibacterium freudenreichii mejoró los síntomas de la colitis ulcerosa leve a moderada en este estudio piloto en humanos. En modelos animales, se cree que el ácido 1,4-dihidroxi-2-naftoico (DHNA), un estimulador de crecimiento bifidogénico de Propionibacterium freudenreichii, tiene un efecto beneficioso como prebiótico, y los investigadores investigaron su efecto in vivo sobre la inflamación intestinal. La colitis se indujo en ratones mediante tratamiento con DSS al 2,0% durante siete días. Se administró DHNA (0,6 o 2,0 mg/kg) en el agua de bebida antes (estudio preventivo) o después (estudio terapéutico) de la administración de DSS.
Algunas cepas también se utilizan como probióticos porque producen compuestos bifidogénicos, son resistentes al estrés digestivo y pueden estar dotadas de capacidades antiinflamatorias, y podrían utilizarse para prevenir enfermedades inflamatorias intestinales.
Limitación: El estudio piloto en humanos con CU (n=12) fue abierto, no controlado, y utilizó una preparación libre de células derivada de suero (BGS) en lugar de bacterias vivas. Esto limita gravemente las conclusiones sobre la eficacia. Se necesitan ensayos clínicos controlados.
5.3 Estreñimiento y función digestiva general
Nivel de evidencia: Un único ensayo humano pequeño; insuficiente para establecer una afirmación clínica.
Propionibacterium freudenreichii alivió el estreñimiento en 41 mujeres jóvenes sanas. Este hallazgo proviene de un único estudio pequeño y no se ha replicado en ensayos controlados más grandes. La preparación específica, la dosis y la duración utilizadas en este estudio no están completamente caracterizadas en la literatura publicada disponible.
5.4 Producción de vitamina B12 y estado nutricional
Nivel de evidencia: Bien establecido a nivel biosintético/microbiológico; el impacto nutricional en humanos se está investigando activamente.
La cobalamina, generalmente conocida como vitamina B12, es un componente crucial requerido por los seres humanos en varios procesos fisiológicos. Se ha producido a partir de fuentes derivadas de animales, lo que hace difícil que los vegetarianos y veganos consuman la cantidad recomendada cada día. Se ha destacado la importancia de la vitamina B12 en la producción de glóbulos rojos, la síntesis de ADN y los procesos cerebrales.
Propionibacterium shermanii y Pseudomonas denitrificans han demostrado un potencial notable como fuentes fermentadas de vitamina B12. En comparación con las fuentes convencionales, la biodisponibilidad de la vitamina B12 producida por P. denitrificans y P. shermanii es más eficaz para satisfacer las necesidades dietéticas.
En una demostración de su potencial a escala industrial, el nivel de vitamina B12 alcanzó 357 ± 8 ng/g de peso seco después de 1 día de fermentación con control de pH con monocultivo de P. freudenreichii, y permaneció estable posteriormente. En cofermentación con L. brevis, se produjo ligeramente menos vitamina B12 (255 ± 31 ng/g de peso seco) en 1 día. El día 3, el contenido de vitamina B12 en la cofermentación con control de pH aumentó a 332 ± 44 ng/g de peso seco.
La vitamina B12 es un compuesto ampliamente utilizado en las industrias de alimentación animal y humana, salud y medicina, que solo puede producirse mediante fermentación debido a la complejidad de su síntesis química. La producción industrial de vitamina B12 con cepas de Pseudomonas denitrificans ha sido favorecida debido a su mayor velocidad de crecimiento y productividad, desplazando a otras cepas anaerobias tradicionalmente empleadas, como Propionibacterium freudenreichii. Sin embargo, P. freudenreichii aún presenta propiedades que la convierten en una candidata interesante para la producción de cobalamina.
Limitación: La mayor parte de la evidencia sobre la producción de vitamina B12 proviene de experimentos de fermentación in vitro y estudios de fortificación de alimentos. Los ensayos directos en humanos que confirman que el consumo de alimentos fermentados con P. shermanii mejora significativamente el estado de cobalamina son limitados.
5.5 Cáncer colorrectal (solo evidencia preclínica)
Nivel de evidencia: Solo datos in vitro y en animales. No hay evidencia clínica en humanos. Los resultados deben interpretarse con extrema cautela.
Se ha demostrado que Propionibacterium freudenreichii subsp. shermanii posee la capacidad de inducir apoptosis en células de cáncer colorrectal y gástrico in vitro (líneas celulares cancerosas HT29, Caco2 y HGT-1) y in vivo dentro de ratas asociadas a microbiota humana. El propionato y el acetato, producidos por las propionibacterias lácteas, se identificaron como los principales responsables de este efecto.
Varios estudios han demostrado que P. freudenreichii exhibe efectos inhibitorios sobre varias líneas celulares de carcinoma de colon, incluyendo las células HT29, HeLa y CaCo-2. Cabe destacar que P. freudenreichii no muestra citotoxicidad ni inhibe la proliferación de células normales de colon, como las Células Epiteliales Intestinales Humanas (HIEC).
Se demostró el potencial proapoptótico de la leche fermentada exclusivamente por P. freudenreichii en células de cáncer gástrico humano HGT-1. El sobrenadante de leche fermentada indujo características típicas de la apoptosis, incluyendo condensación de la cromatina, formación de cuerpos apoptóticos, fragmentación del ADN («DNA laddering»), detención del ciclo celular, exposición de fosfatidilserina, acumulación de especies reactivas de oxígeno, disrupción del potencial transmembrana mitocondrial, activación de caspasas y liberación de citocromo c. De manera notable, esta nueva leche fermentada potenció la citotoxicidad de la camptotecina, un fármaco utilizado en la quimioterapia del cáncer gástrico.
Se realizó un experimento animal utilizando cuatro grupos de ratas SD: control normal, grupo AOM, grupo PF (1 × 10⁹ UFC/mL) y control con fármaco estándar (5-fluorouracilo, 35 mg/kg). La coloración con azul de metileno de los tejidos de colon mostró que la administración de PF redujo significativamente la formación de focos de criptas aberrantes (FCA) colónicas en comparación con el grupo control AOM.
Faltan estudios clínicos, y no está claro si estos estudios serán en absoluto relevantes para los cánceres humanos.
5.6 Prevención de la alergia alimentaria (solo evidencia preclínica)
Nivel de evidencia: Solo modelo murino.
Resultados prometedores sugieren que las bacterias probióticas inmunomoduladoras, en particular, pueden generar nuevas estrategias biotherapéuticas o preventivas para abordar la carga creciente de las alergias alimentarias. Los investigadores estudiaron el impacto potencial de Propionibacterium freudenreichii CIRM-BIA129, una bacteria probiótica inmunomoduladora reconocida, sobre el desarrollo de la alergia alimentaria en un modelo murino. Se evaluaron los efectos preventivos de este probiótico en el contexto de una alergia inducida a la gliadina del trigo. Los resultados fueron prometedores en el modelo de ratón, pero no se han realizado estudios en humanos.
5.7 Unión a metales pesados
Nivel de evidencia: Solo in vitro.
Propionibacterium freudenreichii se une al cadmio y al plomo de manera eficiente en los rangos de baja concentración comúnmente observados en los alimentos. Este hallazgo es preliminar y se limita a condiciones in vitro.
6. Sistemas corporales y áreas de salud asociadas
Con base en la totalidad de la evidencia científica disponible, P. shermanii / P. freudenreichii subsp. shermanii se asocia con los siguientes sistemas corporales y áreas de salud:
- Sistema gastrointestinal / digestivo: Modulación de la microbiota intestinal, efectos prebióticos bifidogénicos, producción de mucina, modelos de colitis, alivio del estreñimiento. P. freudenreichii puede ejercer actividades promotoras de la salud, como un efecto bifidogénico en el intestino humano y efectos inmunomoduladores prometedores.
- Sistema inmunitario: Se han identificado propiedades inmunomoduladoras prometedoras en estas bacterias, in vitro, en animales y en humanos.
- Hematológico / neurológico (a través de la vitamina B12): La cobalamina, o vitamina B12, es una molécula esencial hidrosoluble en el metabolismo de numerosos organismos. La vitamina B12 es un micronutriente crítico implicado en numerosos procesos fisiológicos, como la síntesis del ADN, la formación de glóbulos rojos y el mantenimiento de la salud neurológica.
- Oncología (solo preclínico): Efectos proapoptóticos sobre líneas celulares de cáncer colorrectal y gástrico según se describe arriba; sin datos clínicos en humanos.
- Metabólico / nutricional: Producción de ácidos grasos de cadena corta que contribuye al suministro de energía a los colonocitos; producción de CLA relevante para el metabolismo de los lípidos.
7. Formas de dosificación y dosis reportadas
Las siguientes dosis aparecen en la literatura revisada por pares y toxicológica. Se presentan de manera descriptiva, tal como aparecieron en los estudios de origen, y no constituyen recomendaciones.
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BGS (producto de fermentación libre de células, preparación DHNA) — estudio piloto en humanos con CU:
Doce pacientes recibieron por vía oral 4,5 g de BGS al día durante 4 semanas en un protocolo de tratamiento abierto.
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Cultivo de P. freudenreichii ET-3 — Estudio de seguridad en humanos 1 (dosis alta, corto plazo):
Diez sujetos varones sanos y cuatro sujetas mujeres sanas recibieron 45 tabletas ya sea de medio de cultivo de P. freudenreichii ET-3 (ingesta diaria total de 3 g de contenido sólido y 283,5 μg de DHNA; grupo activo) o placebo durante dos períodos de suplementación de 1 semana separados por un período de eliminación (washout) de 4 semanas.
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Cultivo de P. freudenreichii ET-3 — Estudio de seguridad en humanos 2 (dosis moderada, largo plazo):
En el Estudio 2, 11 hombres sanos tomaron cuatro tabletas de medio de cultivo de P. freudenreichii ET-3 al día (ingesta diaria total de 0,267 g de contenido sólido y 22,5 μg de DHNA) durante un período de 13 semanas.
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Células vivas — estudio de colonización intestinal en animales:
Se alimentó una dosis diaria de 2 × 10¹⁰ unidades formadoras de colonias a grupos de ratas asociadas a microbiota humana durante 20 días.
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Células vivas — modelo de cáncer colorrectal en ratas:
El grupo PF (Propionibacterium freudenreichii) recibió 1 × 10⁹ UFC/mL.
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DHNA (compuesto aislado) — modelo de colitis en ratones:
Se administró DHNA (0,6 o 2,0 mg/kg) en el agua de bebida antes (estudio preventivo) o después (estudio terapéutico) de la administración de DSS.
No se ha establecido una dosis terapéutica estandarizada para las preparaciones de P. shermanii en las guías clínicas humanas. Los ensayos clínicos sólidos en humanos siguen siendo limitados, y los resultados de salud definitivos aún no se han demostrado de manera concluyente.
8. Consideraciones de seguridad
Seguridad generalmente reconocida
P. freudenreichii se considera "generalmente reconocida como segura" (GRAS) por la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. (USFDA), y su seguridad para el consumo humano ha sido evaluada por algunos estudios, sin reportarse efectos adversos. Propionibacterium freudenreichii es una bacteria industrialmente importante a la que se le ha otorgado el estatus de Generalmente Reconocida como Segura (GRAS), debido a su largo uso seguro en los bioprocesos alimentarios.
Pruebas toxicológicas formales
El cultivo de Propionibacterium freudenreichii ET-3, un producto libre de células de la fermentación del suero, ha demostrado promover el crecimiento de las Bifidobacterias mediante la acción del DHNA, y tiene un uso potencial en las industrias alimentaria y de suplementos. Aunque se utiliza actualmente como ingrediente alimentario en Japón, la seguridad de este ingrediente novedoso no había sido evaluada previamente mediante pruebas de toxicidad tradicionales. En un estudio de toxicidad oral de 4 semanas, la administración de 6000 mg/kg de peso corporal/día de cultivo de P. freudenreichii ET-3 no presentó efectos adversos relacionados con el compuesto sobre los signos clínicos, el peso corporal, el consumo de alimento, la oftalmología, la hematología, la química clínica, el análisis de orina, el peso de los órganos, y los hallazgos macroscópicos y microscópicos en ratas Sprague-Dawley macho y hembra.
Las pruebas de mutagenicidad in vitro demostraron que el cultivo de P. freudenreichii ET-3 no fue mutagénico en el ensayo de mutación reversa bacteriana utilizando una batería estándar de cepas bacterianas (Salmonella typhimurium TA98, TA100, TA1535 y TA1537 y Escherichia coli WP2 uvrA), y no fue clastogénico en células de pulmón de hámster chino en la prueba de aberración cromosómica en mamíferos. En conjunto, los resultados de estos estudios respaldan la seguridad del cultivo de P. freudenreichii ET-3 para su uso en alimentos destinados al consumo humano.
En los estudios clínicos de seguridad en humanos, no hubo diferencias estadísticamente significativas entre los períodos de suplementación con placebo y activo (medio de cultivo de P. freudenreichii ET-3) en ninguno de los parámetros medidos. Además, no hubo diferencias estadísticamente significativas entre los grupos placebo y activo en el estado basal. La seguridad clínica del medio de cultivo de P. freudenreichii ET-3 se reportó tras ingestas a corto plazo de dosis excesivamente altas (3 g de medio de cultivo de P. freudenreichii ET-3 o 283,5 μg de DHNA por día, lo cual es 15 veces la ingesta recomendada) y la ingesta a largo plazo (13 semanas) de dosis altas (0,267 mg de medio de cultivo de P. freudenreichii ET-3 o 22,5 μg de DHNA, lo cual es tres veces la ingesta recomendada).
Resistencia antibiótica intrínseca
P. freudenreichii presenta una resistencia intrínseca a varios antibióticos, incluyendo aminoglucósidos, quinolonas de primera y segunda generación, oxacilina, metronidazol, kanamicina y levofloxacino. Esta resistencia no está codificada por plásmidos bacterianos, y no se ha registrado resistencia antibiótica transferible. La ausencia de genes de resistencia antibiótica transferibles constituye una característica de seguridad significativa para las aplicaciones probióticas, ya que implica que el organismo no representa un riesgo de propagación de resistencia a bacterias patógenas.
Especificidad de los efectos según la cepa
P. freudenreichii mostró un efecto inmunomodulador confirmado in vivo mediante la capacidad de proteger a los ratones de la colitis aguda inducida. Sin embargo, este efecto depende en gran medida de la cepa. Este efecto es, sin embargo, altamente dependiente de la cepa, lo que significa que los hallazgos de seguridad y eficacia de una cepa o preparación no pueden asumirse como aplicables a todos los productos comercialmente disponibles de P. shermanii / P. freudenreichii.
Supervivencia en la digestión y viabilidad a largo plazo
Propionibacterium freudenreichii es una actinobacteria ampliamente utilizada en la industria láctea durante el proceso de maduración de los quesos de tipo suizo, y que presenta propiedades probióticas. Se reporta que P. freudenreichii es una bacteria resistente, capaz de sobrevivir durante el proceso de elaboración del queso y cuando se somete a estreses digestivos. P. freudenreichii puede permanecer viva y metabólicamente activa durante largos periodos, incluso bajo condiciones estresantes como el entorno del tracto gastrointestinal o en condiciones de frío.
Distinción de las propionibacterias patógenas
Propionibacterium freudenreichii es un bacilo grampositivo de pH neutro, no móvil y no formador de esporas. Es una propionibacteria láctea clásica, distinta del patógeno oportunista Propionibacterium acnes, que pertenece a las propionibacterias cutáneas. El estatus GRAS y la larga historia de consumo humano seguro a través del Emmental y quesos relacionados distinguen claramente a este organismo de sus parientes patógenos dentro del género.
9. Evaluación global de la evidencia
P. shermanii / P. freudenreichii subsp. shermanii es uno de los organismos probióticos lácteos mejor caracterizados a nivel mecanístico y preclínico. Las propiedades probióticas de las propionibacterias lácteas dependen de la cepa e incluyen la modulación de la microbiota, la modulación de la apoptosis en células colónicas y la inmunomodulación. Algunas de estas capacidades probióticas se validaron a nivel clínico. Sin embargo, el alcance de esta validación clínica es limitado:
- El efecto bifidogénico (estimulante de las Bifidobacterias) cuenta con el mayor respaldo de estudios en humanos, aunque estos siguen siendo pequeños.
- La evidencia de beneficio en la colitis ulcerosa se basa en un único estudio piloto abierto de 12 pacientes.
- La biosíntesis de vitamina B12 está bien establecida a nivel mecanístico; su impacto sobre el estado nutricional humano mediante suplementación está a la espera de ensayos más grandes.
- Los efectos anticancerígenos son exclusivamente preclínicos (modelos de líneas celulares y animales), y faltan estudios clínicos, y no está claro si estos estudios serán en absoluto relevantes para los cánceres humanos.
P. freudenreichii puede ejercer actividades promotoras de la salud, como un efecto bifidogénico en el intestino humano y efectos inmunomoduladores prometedores. El estatus GRAS y QPS del organismo, combinado con una larga historia de consumo seguro en alimentos fermentados y estudios formalmente negativos de genotoxicidad y toxicología, respalda su seguridad para el uso en suplementos dietéticos. Su eficacia para afirmaciones de salud específicas, sin embargo, está a la espera de una mayor comprobación clínica.
Referencias
- Scholz CF, Kilian M. "The natural history of cutaneous propionibacteria, and reclassification of selected species within the genus Propionibacterium to the proposed novel genera Acidipropionibacterium gen. nov., Cutibacterium gen. nov. and Pseudopropionibacterium gen. nov." Int J Syst Evol Microbiol. 2016;66:4422–4432. PubMed
- LPSN (List of Prokaryotic names with Standing in Nomenclature). Species: Propionibacterium shermanii. DSMZ.
- Propionibacteriaceae — an overview. ScienceDirect Topics.
- Tripathi et al. "Fermentative production of vitamin B12 by Propionibacterium shermanii and Pseudomonas denitrificans and its promising health benefits: A review." Food Science & Nutrition. 2024. PMC.
- Falentin H et al. "New insights into physiology and metabolism of Propionibacterium freudenreichii." Appl Environ Microbiol. 2011;77(18):6471–6481. PubMed.
- Leverrier P et al. "Survival and metabolic activity of selected strains of Propionibacterium freudenreichii in the gastrointestinal tract of human microbiota-associated rats." PubMed.
- Rabah H et al. "Surface proteins of Propionibacterium freudenreichii are involved in its anti-inflammatory properties." Mol Cell Proteomics. 2015;14(5):1319–1330. PubMed.
- Xie C et al. "Co-fermentation of Propionibacterium freudenreichii and Lactobacillus brevis in Wheat Bran for in situ Production of Vitamin B12." Front Microbiol. 2019;10:1541.
- Piwowarek K et al. "Propionibacterium spp.—source of propionic acid, vitamin B12, and other metabolites important for the industry." Appl Microbiol Biotechnol. 2018;102:515–538.
- Chamlagain B et al. "Food-Like Growth Conditions Support Production of Active Vitamin B12 by Propionibacterium freudenreichii 2067 without DMBI, the Lower Ligand Base, or Cobalt Supplementation." Front Microbiol. 2017;8:368. PMC.
- Lacalle et al. "Developing a single-stage continuous process strategy for vitamin B12 production with Propionibacterium freudenreichii." Microb Cell Fact. 2023;22:26.
- Suzuki A et al. "Bifidogenic growth stimulator for the treatment of active ulcerative colitis: a pilot study." Nutrition. 2006;22(1):76–81. ScienceDirect.
- Okada Y et al. "Propionibacterium freudenreichii component 1,4-dihydroxy-2-naphthoic acid (DHNA) attenuates dextran sodium sulphate induced colitis by modulation of bacterial flora and lymphocyte homing." Gut. 2006;55(5):681–688. PMC.
- Cousin FJ et al. "The probiotic Propionibacterium freudenreichii as a new adjuvant for TRAIL-based therapy in colorectal cancer." Oncotarget. 2016;7(6):7161–7178. PMC.
- Rabah H, Rosa do Carmo FL, Jan G. "Dairy Propionibacteria: Versatile Probiotics." Microorganisms. 2017;5(2):24. PMC.
- Jan G et al. "Milk Fermented by Propionibacterium freudenreichii Induces Apoptosis of HGT-1 Human Gastric Cancer Cells." PLoS ONE. 2012;7(3):e31892. PMC.
- Al-Sadi AM et al. "Investigation into the Potential Role of Propionibacterium freudenreichii in Prevention of Colorectal Cancer and Its Effects on the Diversity of Gut Microbiota in Rats." PMC. 2023.
- Jan G et al. "A unique in vivo experimental approach reveals metabolic adaptation of the probiotic Propionibacterium freudenreichii to the colon environment." PMC. 2013.
- Ishibashi N et al. "Safety evaluation of Propionibacterium freudenreichii ET-3 culture." Regul Toxicol Pharmacol. 2011;60(2):126–133. ScienceDirect.
- Yaeshima T et al. "Safety of high doses of Propionibacterium freudenreichii ET-3 culture in healthy adult subjects." Regul Toxicol Pharmacol. 2011;59(1):1–6. ScienceDirect.
- do Carmo FL et al. "Propionibacterium freudenreichii Surface Protein SlpB Is Involved in Adhesion to Intestinal HT-29 Cells." Front Microbiol. 2017;8:1033.
- Ito M et al. "Dairy Propionibacterium freudenreichii ameliorates acute colitis by stimulating MUC2 expression in intestinal goblet cell in a DSS-induced colitis rat model." PMC. 2020.
- Wikipedia. "Propionibacterium freudenreichii."
- Falentin H et al. "The Complete Genome of Propionibacterium freudenreichii CIRM-BIA1T, a Hardy Actinobacterium with Food and Probiotic Applications." PLoS ONE. 2010;5(7):e11748. PMC.
- Mantel M et al. "Propionibacterium freudenreichii Prevents Food Allergy in Mice via the Surface Layer Protein SlpB." J Agric Food Chem. 2024. PubMed.