Gut microbiome and HIV: relationship with chronic inflammation and fatty liver through metagenomic approaches

• Autores: Alba Maria Talavera Rodriguez
• Directores de la Tesis: Sergio Serrano Villar (dir. tes.), Val Fernández Lanza (dir. tes.), Concepcion Gil Garcia (tut. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2025
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Microbioma intestinal y VIH: relación con la inflamación crónica y el hígado graso mediante enfoques metagenómicos
• Tribunal Calificador de la Tesis: María Molina Martín (presid.), Vicente Estrada Pérez (secret.), Laura Judith Marcos Zambrano (voc.), Eugeni Belda Cuesta (voc.), Ana Elena Pérez Cobas (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Microbiología y Parasitología por la Universidad Complutense de Madrid
• Menciones:
  • Internacional
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen
  • español

    La infección por VIH provoca inflamación sistémica y disbiosis microbiana, lo que contribuye a complicaciones de salud a largo plazo, incluso bajo terapia antirretroviral (ART) efectiva. La alteración persistente de la barrera intestinal favorece la translocación microbiana así como una activación inmune crónica. El microbioma intestinal desempeña un papel esencial en la regulación inmunológica, y sus alteraciones en personas con VIH (PWH) se asocian con disfunción inmune, progresión de la enfermedad y comorbilidades como la enfermedad hepática asociada a disfunción metabólica (MASLD). La translocación bacteriana es un factor clave en la inflamación crónica, lo que ha impulsado el interés por terapias dirigidas a la microbiota. Entre las estrategias evaluadas se incluyen probióticos, prebióticos, intervenciones dietéticas y el trasplante de microbiota fecal (FMT), este último con resultados prometedores.

    En esta tesis, se evaluó la administración repetida de FMT en PWH en tratamiento con ART, demostrando ser una intervención segura y bien tolerada, sin eventos adversos graves. Además, se observó una reducción significativa en los niveles de la proteína de unión a ácidos grasos intestinales (IFABP), un biomarcador de daño intestinal asociado a mortalidad en esta población, sin alteraciones en los marcadores de células T.

    La caracterización del microbioma se realizó mediante un enfoque multi-ómico, con análisis de comunidades bacterianas a través de secuenciación del gen 16S rRNA y metagenómica shotgun, y de comunidades fúngicas mediante secuenciación ITS. Tras el control de calidad y el recorte de secuencias, la clasificación taxonómica se realizó con Kraken2 y Bracken. La anotación funcional se efectuó a partir de contigs ensamblados con MetaSPAdes, usando Prodigal para predicción génica y eggNOG-mapper para la anotación. Se calcularon métricas de diversidad alfa y beta, y se aplicaron modelos lineales de efectos mixtos para detectar diferencias temporales o entre grupos. El análisis LEfSe permitió identificar taxones y funciones diferencialmente abundantes, lo que facilitó la exploración de firmas microbianas asociadas al FMT y a MASLD.

    El FMT repetido promovió una mayor riqueza y equidad bacteriana, generando cambios sostenidos en la composición microbiana. También se observaron efectos sobre el micobioma, sugiriendo un impacto más amplio en el ecosistema intestinal. La microbiota donante se integró exitosamente a nivel bacteriano, con una mayor presencia de bacterias productoras de butirato, especialmente de las familias Lachnospiraceae y Ruminococcaceae, seleccionadas previamente por su alta abundancia en los donantes.

    MASLD influyó significativamente en la composición del microbioma intestinal. Las personas con VIH sin MASLD mostraron mayor riqueza bacteriana, mientras que quienes presentaban MASLD exhibieron una mayor equidad microbiana, lo que sugiere una estructura comunitaria más homogénea. La alta proporción de bacterias butirato-productoras en todos los grupos contrasta con informes previos que indican su reducción en PWH, posiblemente debido a factores ambientales como una dieta mediterránea, conocida por favorecer su abundancia. Además, las firmas microbianas vinculadas a MASLD sugieren alteraciones en el metabolismo de ácidos biliares y en la integridad de la barrera intestinal, reforzando su papel en la fisiopatología.

    En resumen, el FMT repetido constituye una estrategia eficaz y segura para modular el microbioma en personas con VIH, reducir el daño intestinal y mejorar la diversidad microbiana. MASLD actúa como un modulador adicional del ecosistema intestinal, lo que resalta la necesidad de un enfoque integral en el tratamiento de alteraciones microbianas en este contexto. Se requieren investigaciones adicionales para optimizar las terapias dirigidas a la microbiota y mejorar los desenlaces clínicos en esta población.

  • English

    HIV infection induces systemic inflammation and microbial dysbiosis, contributing to long-term health complications despite effective antiretroviral therapy (ART). One of the major concerns is the persistence of gut barrier disruption, which leads to microbial translocation and immune activation. The gut microbiome plays a crucial role in immune regulation, and its alterations in people with HIV (PWH) have been linked to disease progression, immune dysfunction, and comorbidities like metabolic dysfunction-associated steatotic liver disease (MASLD).

    Bacterial translocation is a key factor in chronic inflammation, making microbiota-targeted therapies a promising area of research. Strategies such as probiotics, prebiotics, dietary interventions, and fecal microbiota transplantation (FMT) have been explored to mitigate inflammation and restore microbial balance.

    Among these, FMT has shown potential as a therapeutic intervention. In this work, we found that repeated FMT in PWH on ART was safe and not associated with serious adverse effects. Additionally, it reduced intestinal fatty acid-binding protein (IFABP) levels, a biomarker of intestinal injury predictive of mortality in treated PWH, without affecting T-cell markers.

    To characterize the composition and functional potential of the gut microbiome in PWH, we employed an integrated multi-omics approach. Bacterial communities were profiled using 16S rRNA gene sequencing and shotgun metagenomics, while fungal communities were assessed through ITS sequencing. After rigorous quality control and trimming, taxonomic classification was performed using Kraken2 and Bracken, and functional annotation was conducted on contigs assembled de novo with MetaSPAdes, following gene prediction with Prodigal and annotation via eggNOG-mapper. Alpha and beta diversity metrics were calculated to evaluate microbial structure and dynamics, and linear mixed-effects models were applied to assess temporal or group-specific differences. Linear discriminant analysis effect size (LEfSe) was used to identify differentially abundant taxa and functions, enabling in-depth exploration of microbial and functional signatures associated with FMT and with the presence or absence of MASLD.

    The administration of repeated FMT modulated gut microbial diversity by increasing bacterial richness and evenness, leading to sustained alterations in microbiota composition. These changes also influenced fungal communities, suggesting a broader impact on the gut mycobiome. Donor microbiota successfully engrafted in recipients at the bacterial community level, with butyrate-producing bacteria, particularly those from the Lachnospiraceae and Ruminococcaceae families, being the most strongly engrafted. This preferential engraftment could be explained by the high abundance of these bacterial taxa in the donor microbiota, as donors were specifically selected for their richness in butyrate-producing bacteria.

    MASLD plays a key role in shaping gut microbiota composition in PWH, contributing to a more homogeneous microbial community. While HIV+MASLD- individuals exhibited greater bacterial richness, MASLD+ participants had higher diversity indices, indicating microbial evenness influenced by MASLD. The predominance of butyrate-producing bacteria across all study groups contrasts with previous reports of their depletion in PWH. This may be attributed to socio-environmental factors, such as adherence to a Mediterranean diet, which is known to promote butyrate-producing bacteria. Additionally, the microbial signature associated with MASLD suggests potential links to altered bile acid metabolism and gut barrier integrity, reinforcing its role in disease pathogenesis.

    In conclusion: 1) Repeated FMT is a safe and effective strategy for modulating the gut microbiome in PWH, reducing markers of intestinal injury, and influencing microbial diversity. 2) MASLD further impacts microbiota composition, highlighting the need for a holistic approach to managing microbiome alterations in HIV. Further research should refine microbiota-targeted therapies to optimize health outcomes in this populatio.