Aplicaciones de los biomarcadores en la acuacultura de peces

Un análisis sobre el uso de biomarcadores en la acuacultura y la investigación de peces, y las principales tecnologías ómicas disponibles para futuros estudios de biomarcadores

Un biomarcador es cualquier indicador medible de un estado biológico. La Organización Mundial de la Salud ha definido los biomarcadores como “casi cualquier medición que refleje una interacción entre un sistema biológico y un agente ambiental, que puede ser químico, físico o biológico.” A lo largo de los años, los biomarcadores se han aplicado con éxito en estudios de salud humana o condiciones ambientales y se han perfeccionado para responder con mayor precisión a las necesidades de investigación.

Cuando se aplican en la producción de peces, los biomarcadores proporcionan información sobre los procesos fisiológicos y metabólicos y los relacionan con el bienestar, la salud, la reproducción y el crecimiento de los peces. Un biomarcador también permite una rápida comprensión y detección de los efectos de los cambios en las prácticas de producción sobre el estrés y la salud de los peces, lo que permite correcciones rápidas e introducción de mejoras en la gestión de la producción.

Los biomarcadores utilizados para la salud y el bienestar de los peces incluyen biomarcadores metabólicos (actividad enzimática, hormonas, metabolitos y otros); biomarcadores de estrés oxidativo (enzimas, proteínas de choque térmico y otros); biomarcadores inmunológicos (enzimas inmunes innatas, citocinas y otros); biomarcadores bioquímicos (cortisol plasmático, glucosa, lactato y otros); y biomarcadores asociados a la mucosa y la mucina (mucinas, células caliciformes, células rodlet y otros). Para obtener información detallada sobre estos, consulte la publicación original.

Este artículo – resumido de la publicación original (Oliva-Teles, A. et al. 2024. Tracking Biomarkers for the Health and Welfare of Aquaculture Fish. Fishes 2024, 9(7), 289) – analiza la aplicación de biomarcadores en estudios de acuacultura y los métodos y tecnologías emergentes que pueden respaldar y mejorar el proceso de evaluación de la salud de los peces.

Biomarcadores en estudios de nutrición acuícola

Con el aumento de la producción acuícola, los estudios sobre cómo los nutrientes e ingredientes dietéticos afectan dichos parámetros son cada vez más importantes. Por ejemplo, el uso de ingredientes funcionales en alimentos acuícolas es una estrategia para mejorar la utilización de alimentos acuícolas novedosos y mejorar el rendimiento, la salud y el estado inmunológico y oxidativo de los peces. Los ingredientes funcionales se caracterizan por tener un valor agregado más allá de los requisitos nutricionales y pueden ser micronutrientes (algunos minerales y vitaminas), macronutrientes (como algunos aminoácidos), antioxidantes e inmunoestimulantes (como algas y extractos de plantas), o suplementos utilizados para aliviar los efectos de los factores antinutricionales que se encuentran comúnmente en los alimentos vegetales.

Sin embargo, los nuevos alimentos pueden tener efectos negativos acumulativos y provocar una salud deficiente. Por ello, con el reciente aumento de nuevas formulaciones dietéticas, los investigadores han comenzado a probar si las diferentes dietas pueden influir en la salud y el bienestar de los peces, utilizando y desarrollando diferentes biomarcadores para comprender mejor la conexión entre los alimentos, los nutrientes y los procesos fisiológicos.

La mosca soldado negra (Hermetia illucens; HM) es un ejemplo de un ingrediente alimentario novedoso que se ha estudiado ampliamente como sustituto de la harina y el aceite de pescado en las dietas de varias especies de peces. Por ejemplo, para evaluar el nivel de inclusión dietética y los efectos metabólicos de la HM en dietas para corvina, se han evaluado varios marcadores, como la glucosa plasmática y varias enzimas y su actividad. En el caso de las enzimas, los resultados mostraron que la actividad de varias proteasas alcalinas aumentó y la actividad de la tripsina disminuyó con una mayor inclusión de HM, lo que indica que el reemplazo de harina de pescado por HM no debe superar el 17 por ciento para evitar efectos adversos en la actividad de las enzimas digestivas. Utilizando marcadores similares, otros investigadores demostraron que la HM podría reemplazar hasta el 19,5 por ciento de la harina de pescado en dietas para lubina europea, sin afectar la actividad de las enzimas digestivas.

Las mucinas (proteínas producidas por los tejidos de la piel en la mayoría de los animales) están presentes principalmente en el intestino posterior y también son buenos biomarcadores de los efectos de los ingredientes alternativos. Por ejemplo, en la dorada se ha demostrado que una mucina específica se expresa menos cuando los peces se alimentan con una dieta basada en aceite vegetal en comparación con aceite de pescado. Por otro lado, en la tilapia del Nilo, la expresión de la proteína similar a la mucina se reguló positivamente mediante la suplementación con limoneno (un componente principal del aceite esencial de las cáscaras de los cítricos) en las dietas, y en el salmón del Atlántico, la expresión de una mucina específica se reguló positivamente en los peces alimentados con una dieta de harina de soya fermentada.

Estos y varios otros estudios son ejemplos de la variabilidad de las respuestas de los biomarcadores en diferentes especies de peces alimentados con ingredientes similares, lo que destaca la relevancia de utilizar más de un biomarcador para evaluar con mayor precisión la respuesta buscada. Además, los biomarcadores también se pueden utilizar para descubrir los efectos del ayuno o las estrategias de alimentación en los peces.

Vacunación del tilapia del Nilo contra el Virus del Lago de Tilapia (TiLV)

Biomarcadores en estudios de estrés en acuacultura

En cautiverio, en particular en producción intensiva, los peces a menudo están expuestos a situaciones estresantes como el hacinamiento, la manipulación, el transporte, la mala calidad del agua, la hipoxia y otras, que pueden provocar brotes de enfermedades. En circunstancias tan estresantes, las respuestas de los peces pueden variar según la especie, las condiciones de crianza, el tipo y el nivel de estrés. Debido a la gran variabilidad de las respuestas, es importante encontrar métodos fiables para medir los niveles de estrés; este es un caso en el que los biomarcadores pueden ser extremadamente útiles. Las respuestas al estrés están generalmente reguladas por los sistemas nervioso, endocrino e inmunológico, en los que se pueden buscar biomarcadores de estrés.

Por ejemplo, cuando se sometió a la trucha ártica a una exposición crónica al calor, la expresión de las proteínas de estrés térmico (conocidos biomarcadores de estrés) aumentó, disminuyendo tan pronto como terminó la exposición al calor, lo que demuestra el potencial de estas proteínas como biomarcadores de estrés térmico en esta especie.

Las mucinas también pueden ser biomarcadores útiles del estrés en los peces. Por ejemplo, en el salmón del Atlántico, sometido a una exposición a corto plazo (manipulación) y prolongada (altas densidades de población) al estrés, la transcripción de mucina varió tanto con las condiciones de estrés como con el tejido analizado. Durante el estrés de corta duración, la transcripción de mucina aumentó en las branquias, pero disminuyó en el intestino y la piel, probablemente como resultado de desequilibrios en los costos metabólicos debido al estrés. Por otro lado, después del estrés prolongado, la transcripción de mucina aumentó en la piel, pero no en otros tejidos analizados. Esto indica que las mucinas pueden ser útiles como biomarcadores específicos de tejido para la evaluación de los efectos de las situaciones estresantes.

Los biomarcadores que evalúan los efectos del estrés en la fisiología de los peces a nivel molecular también pueden ser muy importantes para mejorar la producción. Por ejemplo, un estudio sobre cómo el estrés de manipulación y la temperatura del agua afectaron a la perca amarilla evaluó varios biomarcadores y mostró que el estrés de manipulación y el tratamiento con sal aumentaron estos biomarcadores de estrés a una temperatura del agua de 26 grados-C en comparación con las condiciones de 20 y 14 grados-C.

Biomarcadores en estudios de enfermedades infecciosas en acuacultura

Los biomarcadores pueden ayudar a la detección temprana de la depresión del estado inmunológico inducida por factores estresantes que hacen que los peces sean más susceptibles a los patógenos y detectar el inicio de la patogénesis antes de que aparezcan los síntomas o las lesiones, lo que ayuda a combatir la enfermedad de manera temprana, evitar su propagación en las instalaciones y evitar el uso de antibióticos. Los biomarcadores también pueden ser importantes para comprender las diferencias en las respuestas inmunológicas entre los sobrevivientes y las víctimas de la enfermedad.

Aunque la sangre es el fluido biológico más estudiado para biomarcadores de enfermedades en humanos y animales de granja, sólo unos pocos estudios se han centrado exclusivamente en su uso para descubrir posibles biomarcadores de enfermedades en peces. Por ejemplo, en el salmón del Atlántico se utilizó el perfil del proteoma sérico para encontrar biomarcadores desencadenados por una enfermedad pancreática causada por un virus. En otro estudio, la enzima enolasa también se validó como un biomarcador no letal para la miopatía del músculo blanco desencadenada por una enfermedad pancreática. Se ha demostrado que los niveles séricos de otros biomarcadores enzimáticos se correlacionan bien con la inflamación del músculo esquelético y del corazón y la miocardiopatía.

Una comprensión adecuada de la función inmunorreguladora del epitelio intestinal también podría proporcionar información relevante para el desarrollo y la mejora de estrategias para la prevención y el tratamiento de patologías y para establecer biomarcadores de patogenicidad. Por ejemplo, en la carpa herbívora, además de inducir alteraciones histológicas, la infección con Aeromonas hydrophila provocó inflamación intestinal, como lo confirmó el aumento de la expresión de varias enzimas.

El avance de los biomarcadores mediante tecnologías ómicas

Las tecnologías ómicas, como la genómica (análisis de genes), la transcriptómica (análisis de ARN mensajero), la proteómica (análisis de proteínas) y la metabolómica (análisis de metabolitos), se utilizan para estudiar las estructuras, funciones, interconexiones y dinámicas de las moléculas biológicas dentro de los organismos. Al proporcionar información sobre el sistema biológico, desde las moléculas hasta el animal completo, las tecnologías ómicas ayudan a identificar moléculas clave de los mecanismos moleculares complejos de los procesos biológicos y a comprender su desempeño en diferentes condiciones. Por lo tanto, las tecnologías ómicas son herramientas importantes para el descubrimiento y la validación de biomarcadores para la salud de los peces, utilizando un enfoque de biología de sistemas.

En los últimos años, las tecnologías ómicas han ganado atención y su creciente aplicación en la investigación acuícola ha proporcionado información importante sobre la salud y el bienestar de los peces. Se pueden utilizar diferentes técnicas dentro de cada tecnología ómica, y los recientes avances en los métodos analíticos han proporcionado a los investigadores métodos de análisis altamente eficientes y precisos que brindan una gran cantidad de información. Los datos obtenidos dentro de cada enfoque ómico pueden integrarse, utilizando herramientas de biología computacional y bioinformática, para conectar las moléculas identificadas con los mecanismos biológicos apropiados, mejorando y validando así diversos biomarcadores.

La genómica se centra en el estudio del genoma de los organismos, y su objetivo es secuenciar, ensamblar y analizar la estructura y función del genoma. La transcripción, relacionada con la genómica, es el proceso de hacer una copia de ARN de la secuencia de ADN de un gen que se utiliza para sintetizar una proteína codificada. La transcriptómica analiza la expresión génica mediante la cuantificación de las transcripciones. Al proporcionar información sobre la expresión de genes asociados con el crecimiento, la reproducción y otros procesos, el análisis de las transcripciones de ARN puede ser muy útil en la acuacultura, ya que permite el descubrimiento y cuantificación de marcadores moleculares relacionados con muchos rasgos.

El uso de la proteómica ha sido relevante para descubrir moléculas fisiológicas importantes relevantes como biomarcadores para la salud y el bienestar de los peces y el estrés ambiental. Las tecnologías proteómicas permiten identificar y cuantificar las proteínas traducidas que están presentes en el pez en un momento determinado y evaluar los cambios en la actividad proteica en respuesta a alteraciones del estado fisiológico del pez. La proteómica permite descubrir proteínas clave que se sintetizan, degradan o modifican de forma diferente en función de factores externos como la dieta, los patógenos y las condiciones ambientales.

La metabolómica tiene como objetivo desvelar los metabolitos y los procesos químicos relacionados con ellos. Dado que los metabolitos son los productos finales de los procesos celulares, son indicadores clave de cómo reaccionan los sistemas biológicos a las influencias exógenas. En un análisis metabolómico, es posible limitar la identificación y cuantificación a una selección predefinida de metabolitos de una muestra biológica particular y centrarse en sus propiedades químicas específicas. La metabolómica puede ayudar a obtener más información sobre la conexión entre la salud, el bienestar, el estado nutricional y la adaptación al medio ambiente, y así ayudar a la identificación de biomarcadores para controlar la salud, el estrés y el estado nutricional de los peces.

Otras tecnologías ómicas desarrolladas más recientemente incluyen la lipidómica, que estudia el lipidoma, que consiste en el conjunto de lípidos de una célula u organismo, y permite el análisis de la estructura, la función y las interacciones de los lípidos. La fenómica estudia los fenomas, los rasgos físicos y bioquímicos de un organismo, que pueden alterarse debido a mutaciones genéticas y efectos ambientales sobre el genoma. La microbiómica comprende el estudio del microbioma, que puede proporcionar información importante, por ejemplo, sobre cómo las modificaciones dietéticas o el medio ambiente afectan la salud y la inmunidad de los peces a través de modificaciones e interacciones de la microbiota. Y la nutrigenómica estudia los efectos de los nutrientes en la expresión genética y las alteraciones resultantes en el metabolismo y la salud de los peces.

A pesar de su creciente aplicación en la investigación acuícola, todavía existen obstáculos para el uso amplio de la tecnología ómica. Hasta el día de hoy, la ómica sigue siendo un análisis de alto precio, a menudo no fácilmente accesible en algunos escenarios de investigación y producción. Además, los datos obtenidos pueden ser complejos, lo que requiere programas analíticos complejos y experiencia para su interpretación. Y la caracterización del genoma, transcriptoma, proteoma y metaboloma es una tarea delicada, que exige un cuidado especial con el muestreo y diseño experimental.

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Perspectivas

La aplicación de biomarcadores en acuacultura es una estrategia útil para evaluar el estado nutricional, inmunológico, oxidativo, fisiológico y de salud de los peces, y prever, en una etapa temprana, los impactos potenciales en la salud de los peces de la manipulación dietética, los estresores operacionales y las enfermedades, así como para apoyar a los productores a actuar de manera informada para resolver tales situaciones y reducir la pérdida del producto final.

Es importante reconocer que cada especie de pez responde de manera diferente a estímulos similares y establecer valores umbral para los biomarcadores del estado de salud de cada especie de pez. Las especies de peces cultivados producidos durante muchas generaciones suelen tener una variabilidad reducida en comparación con los peces silvestres, lo que altera su respuesta a factores externos, pero eso puede ser una ventaja cuando se buscan biomarcadores ya que se espera que las respuestas sean más consistentes.

La mayoría de los estudios sobre biomarcadores se han limitado al conocimiento previo y se basan principalmente en respuestas observadas en diferentes especies, lo que puede dejar fuera información importante y posibles biomarcadores (o conjuntos de biomarcadores). En este escenario, las herramientas ómicas pueden desempeñar un papel fundamental en una etapa temprana del descubrimiento de biomarcadores al revelar relaciones estímulo-respuesta que de otro modo no se habrían visto con el uso de conjuntos de mediciones tradicionales y de uso prolongado. Por lo tanto, los biomarcadores potenciales identificados mediante configuraciones ómicas de alto rendimiento se pueden validar posteriormente mediante la cuantificación de las respuestas objetivo a estímulos conocidos y su relación dosis-respuesta y la respuesta en experimentos de confusión de múltiples estímulos evaluados para evaluar su solidez y relevancia diagnóstica.

Se debe prestar especial atención al establecimiento de biomarcadores no letales y no invasivos para reducir el sacrificio de animales y reducir las pérdidas en la acuacultura. Por lo tanto, como punto de partida para establecer biomarcadores para evaluar la salud de los peces en la acuacultura, los estudios futuros deberían intentar conectar diferentes respuestas de biomarcadores para aumentar la precisión del diagnóstico mientras se centran en biomarcadores no letales. Estos biomarcadores no letales permitirían monitorear la salud de los peces sin necesidad de sacrificar animales, contribuyendo a la implementación de programas de vigilancia sanitaria y mejora de los procedimientos de gestión sanitaria en las operaciones de acuacultura, además de mejorar la imagen pública de la industria acuícola.