Na tropie mikrobiomu

Autorzy: Michał Fiedorowicz, Adam Dziki

 

„Na nasze ciało składa się około dziesięciu bilionów komórek ludzkich, ale na nim oraz w nim żyje kolejne sto bilionów komórek mikroorganizmów. Nie są one bynajmniej biernymi pasażerami – wręcz przeciwnie, odgrywają kluczową rolę w większości naszych
procesów życiowych, wliczając w to trawienie, reakcje immunologiczne, a nawet zachowanie” – przekonuje prof. Rob Knight z University of California w San Diego w książce Na tropie mikrobiomu. Ogromny wpływ tycich mikrobów.

Jelita to największe i najważniejsze siedlisko drobnoustrojów w ludzkim ciele. „Te 6 do 10 metrów pełnych zaułków i zakamarków to dla drobnoustrojów wymarzone środowisko – ciepłe, obfite w napoje i pożywienie, a na dodatek wyposażone w dogodny system
kanalizacyjny. Ze swoimi licznymi populacjami mikrobów i bogactwem dostępnych źródeł energii jelita przypominają zarazem tętniący życiem Nowy Jork i spływającą ropą naftową Arabię Saudyjską” – barwnie opisuje je prof. Rob Knight z University of California
w San Diego we wspomnianej wyżej publikacji, która niedawno ukazała się w języku polskim. Dzięki nowym technologiom zaczynamy badać ten skomplikowany świat flory fizjologicznej człowieka, czyli naszego mikrobiomu.

Projekt Poznania ludzkiego mikrobiomu

Chociaż w naszych jelitach funkcjonują setki gatunków bakterii, do niedawna zidentyfikowanie większości z nich było niemożliwe. Podstawowym badaniem, na jakim opieraliśmy swoją wiedzę o bakteriach w jelitach, było badanie kału – ten zaś zawiera mikroby
pochodzące przede wszystkim z końcowego odcinka jelita grubego zwanego zstępnicą. Co więcej duża część mikroorganizmów poza środowiskiem jelit nie przeżywa, były więc do niedawna niemożliwe do zbadania. „Taka bakteria E. coli nie jest nawet dominującą
bakterią w jelitach; u większości zdrowych dorosłych można znaleźć jedną jej komórkę na dziesięć tysięcy innych. Jej sława bierze się stąd, że mamy tu w zasadzie do czynienia z chwastem, z mleczem wśród bakterii, który wyjątkowo dobrze hoduje się
w szalkach Petriego” – konkluduje prof. Knight. To samo można powiedzieć o innych bakteriach, których rola w naszym rozumieniu mikrobiomu była wyolbrzymiana, ponieważ bardzo łatwo jest je wyhodować w warunkach laboratoryjnych. Mało wiedzieliśmy za
to choćby o mikrobach z dwóch głównych grup Firmicutes i Bacteroides, które odgrywają istotną rolę w trawieniu pożywienia i metabolizmie leków, ale jak się okazuje wiążą się też z różnymi chorobami, takimi jak otyłość czy nieswoiste zapalenie jelit.

Rewolucja w badaniu mikrobiomu dokonała się w ciągu ostatnich kilkunastu lat, za sprawą m.in. rozwoju technik sekwencjonowania DNA. „Dzięki procesowi znanemu jako sekwencjonowanie nowej generacji potrafimy obecnie pobierać próbki komórek z różnych części
ciała, szybko dokonywać analizy zawartego w nich DNA mikrobów i łączyć informacje zebrane z próbek w celu identyfikacji tysięcy gatunków drobnoustrojów. Nowe algorytmy komputerowe pozwalają z kolei na znacznie łatwiejszą interpretację tego ogromu
informacji genetycznej. Możemy na przykład stworzyć mapę naszych drobnoustrojów w celu porównania społeczności mikrobów zamieszkujących różne części ciała, a następnie porównać ze sobą społeczności występujące u różnych ludzi” – wyjaśnia profesor
Knight.

Jednym z najważniejszych projektów badawczych jest zainicjowany w 2007 r. projekt poznania ludzkiego mikrobiomu (Human Microbiome Project). Badanie realizowane ze wsparciem amerykańskich Narodowych Instytutów Zdrowia (National Institutes of Health – NIH)
otrzymało w latach 2007-2016 dotacje w wysokości 170 milionów dolarów. W pierwszej fazie naukowcy skupili się na określeniu ludzkiego mikrobiomu na poziomie sekwencji nukleotydowej całego genomowego DNA drobnoustrojów, sekwencji nukleotydowej mitochondrialnego
RNA oraz syntetyzowaniu białek bakteryjnych, jak też produktów metabolizmu drobnoustrojów pochodzących ze skóry, jamy ustnej, przewodu pokarmowego i układu moczowo-płciowego. Projekt ten dotyczył także badania i analizy różnic w ludzkiej mikroflorze,
w tym różnic w zależności od populacji ludzi i ich genotypu, wieku, sposobu odżywiania, jak też środowiska życia i czynników socjalnych oraz ich stanu zdrowia. W kolejnej fazie Integrative Human Microbiome Project (iHMP) badacze skupili się na poznaniu
wpływu mikrobiomu na zdrowie człowieka oraz rozwój wielu chorób. Na podstawie tych wyników wdrożono projekt mający na celu określenie mikrobiomu układu oddechowego, w tym płuc, u osób zdrowych oraz zakażonych wirusem HIV (Lung HIV Microbiome Project).

Skąd się bierze nasz mikrobiom?

Pierwsze drobnoustroje pojawiają się w organizmie prawdopodobnie podczas porodu, gdy dziecko przechodzi przez pokryty bakteriami kanał rodny matki. „Choć mikroflora bakteryjna jest różna u różnych kobiet, to podczas ciąży zaczyna upodabniać się do siebie.
Ma to głęboki sens, jeśli – jak powszechnie się dziś zakłada – drobnoustroje te celowo wyewoluowały po to, by pokryć noworodka specjalną warstwą, która chroni go przed negatywnym działaniem środowiska” – pisze Knight. W czasie ciąży populacja drobnoustrojów
w jelitach zaczyna się zmieniać na rzecz mikroorganizmów, które skuteczniej pobierają energię z trawionych pokarmów. Próbki kału pobrane od dzieci urodzonych metodą cesarskiego cięcia wykazują, że skład ich bakterii jelitowych jest zupełnie inny od
składu dzieci, które urodziły się drogą pochwową. Naukowcy z Harvard T.H. Chan School of Public Health w ramach projektu GUTS (Growing Up Today Study) obserwowali ponad 22 tysiące ludzi od narodzin po dorosłość. U dzieci urodzonych metodą cesarskiego
cięcia istniało o 64 proc. większe ryzyko otyłości niż u ich rodzeństwa urodzonego drogą pochwową pomimo tych samych genów, wychowania w tych samych domach i takiej samej diety. „Porody metodą cesarskiego cięcia niewątpliwie są w wielu przypadkach
procedurą potrzebną, ratującą życie, jednak także wiążą się z negatywnymi skutkami dla matki i noworodka” – tłumaczy autor badania Jorge Chavarro. Cesarskie cięcie jest wiązane ze zwiększonym występowaniem astmy, alergii pokarmowych oraz atopowego
zapalenia skóry. Córka autora Na tropie mikrobiomu przyszła na świat w wyniku nieplanowanego cesarskiego cięcia. „W kwestii mikrobów wzięliśmy sprawy w swoje ręce i przetarliśmy ją wacikiem pokrytym wydzielinami z pochwy Amandy. (…) nanieśliśmy
je na różne części ciała noworodka – na skórę, do uszu, do buzi, a więc do wszystkich miejsc, gdzie drobnoustroje znalazłyby się w sposób naturalny, gdyby dziecko przeszło przez kanał rodny” – opisuje Rob Knight. Procedura ta zwana „zasiewem pochwowym”
budzi jednak kontrowersje w środowisku medycznym, rodzi bowiem potencjalne zagrożenia. „Jeden z moich kolegów musiał interweniować, gdy matka z opryszczką narządów płciowych miała zamiar przeprowadzić tę czynność po cesarskim cięciu” – mówi doktor
Aubrey Cunnington z wydziału medycyny Imperial College London. Zdaniem lekarza istnieją inne sposoby na dostarczenie dziecku potrzebnej flory bakteryjnej, jak choćby karmienie piersią.

Mózg kota w jelitach

Jelita nie tylko pozyskują energię z jedzenia. „W głębszej warstwie ściany jelita znajduje się drugi mózg, czyli nerwowy układ jelitowy. Składa się on z tych samych komórek, które znajdują się w mózgu – neuronów. W jelitach jest ponad 100 milionów neuronów
– tyle samo można by znaleźć w mózgu kota” – pisze Michael Mosley w książce Jelita wiedzą lepiej. Pomiędzy tymi układami zachodzą interakcje: bakterie wysyłają sygnały chemiczne do mózgu za pośrednictwem nerwu błędnego, którego gałęzie zlokalizowane
są w ścianach jelit. To tzw. oś mikrobiota–mózg. „Jej zrozumienie może mieć daleko idące konsekwencje dla pojmowania zaburzeń psychiatrycznych oraz działania układu nerwowego” – zauważa profesor Knight.

Badaniem tych interakcji naukowcy zajmują się od niedawna. Przełomem były prowadzone w latach 80. XX wieku badania Marka Lyte z University of Pittsburgh, który stwierdził, że wśród licznych substancji produkowanych przez bakterie jelitowe znajdują się
też neuroprzekaźniki, takie jak dopamina, serotonina i kwas gamma-aminomasłowy (GABA). Obecnie badania nad osią mikrobiota–mózg prowadzi wiele ośrodków naukowych, a wyniki są zaskakujące – okazuje się, na przykład że mikroorganizmy mogą „manipulować”
naszym sposobem odżywiania, wpływając nie tylko na to, ile jemy, ale też na to, co jemy. Gary Wu, profesor gastroenterologii na University of Pennsylvania, wykazał, że ludzie spożywający znaczne ilości węglowodanów (np. makaronu, ziemniaków) dysponują
dużą ilością Prevotelli. Z kolei ci, którzy jedzą dużo białka, a zwłaszcza mięsa, mają zwykle wiele Bacteroides. „Mikroorganizmy mogą manipulować zachowaniem i nastrojem, modyfikując sygnały nerwowe w nerwie błędnym, zmieniając receptory smaku, wytwarzając
toksyny, które pogorszą nasze samopoczucie, i wydzielając chemiczne nagrody, byśmy czuli się dobrze” – mówi prof. Athena Aktipis z Arizona State University.

Zespół doktora Johna Cryana z University College Cork badał zachowania depresyjne u myszy. Jednej z grup myszy przez kilka tygodni przed eksperymentem podawano bakterie Lactobacillus rhamnosus, obecne m.in. w jogurtach. Wyniki badań opublikowano w 2011
r. w prestiżowym „Proceedings of the National Academy of Sciences” (PNAS). Gryzonie wspomagane bakteriami były mniej zestresowane i przejawiały mniej zachowań depresyjnych niż myszy z grupy kontrolnej. Bakterie Lactobacillus syntetyzują znaczne ilości
kwasu gamma-aminomasłowego, neuroprzekaźnika, który odpręża, zapobiega też bólom i skurczom mięśni podczas wysiłku fizycznego.

Wymiana mikrobiomu między dwoma odmiennymi genetycznie grupami myszy oddziałuje też na ich zachowanie w testach lękowych. „Mniej lękliwe myszy, którym wszczepiono mikroby myszy bardziej nerwowych, zaczęły przejawiać więcej zachowań lękowych. Z kolei mikroorganizmy
pochodzące od mniej lękliwych myszy mają działanie uspokajające na te, które wcześniej przejawiały więcej zachowań lękowych”. Sven Pettersson, mikrobiolog ze szwedzkiego Karolinska Institutet, zaobserwował u myszy pozbawionych mikroorganizmów (hodowanych
w warunkach sterylnych tj. germ-free) silniejsze zachowania lękowe niż u myszy normalnych. „Ale po przeniesieniu do nich normalnych bakterii na wczesnym etapie życia, kilka dni po urodzeniu, wyrastały, zachowując się w ten sam sposób, co normalne
myszy. Opublikowano już ponad pięćset artykułów naukowych łączących probiotyki z zachowaniem, zwłaszcza w kontekście lęku oraz depresji. Na przykład probiotyk Lactobacillus helveticus powoduje złagodzenie lęku u myszy, a Lactobacillus reuteri zmniejsza
ryzyko wystąpienia infekcji u myszy odczuwających stres” – pisze profesor Rob Knight. Niektórzy badacze proponują, by bakterie takie jak Lactobacillus zaliczyć do psychobiotyków, czyli żywych organizmów, które po zasiedleniu jelita wpływają pozytywnie
na stan psychiczny gospodarza. Do tej grupy należą także bakterie Bifidobacteria i Mycobacterium. W jednym z badań jego uczestnikom podawano koktajl z bakterii Lactobacillus helveticus i Bifidobacterium longum. Po miesiącu takiej kuracji badani rzadziej
raportowali zły nastrój i stres w porównaniu do grupy kontrolnej, a analiza próbek moczu pobranych przed i po eksperymencie wykazała, że znacznie obniżył się u tej grupy poziom kortyzolu. Zjawisko to zaobserwowano także u grupy japońskich studentów
medycyny, którym na 8 tygodni przed egzaminami podawano koktajl z Lactobacillus casei. Dzień przed egzaminem w surowicy krwi studentów, spożywających dobroczynne bakterie stwierdzono wyraźnie niższy poziom kortyzolu, a w ich kale – zwiększony poziom
serotoniny, w porównaniu do grupy, która otrzymywała placebo.

Mikrobiotyczne terapie

Mikrobiom jelitowy, jak pokazują najnowsze badania, odgrywa też istotną rolę w rozwoju takich schorzeń, jak choroba Parkinsona – to wyniki badań zespołu profesora Sarkisa Mazmaniana z California Institute of Technology opublikowane w prestiżowym czasopiśmie
„Cell”. Badacze porównali dwie grupy myszy z nadprodukcją alfa-synukleiny (białka biorącego udział w rozwoju choroby Parkinsona), u których występowały objawy choroby Parkinsona. Jedna grupa miała zróżnicowany mikrobiom jelitowy, druga była hodowana
w warunkach „germ-free”. Brak mikrobiomu sprawił, że chore myszy lepiej wypadały w testach motorycznych. Jak zauważają badacze, u około 75 proc. osób cierpiących na chorobę Parkinsona przed pojawieniem się objawów występują problemy żołądkowo-jelitowe,
głównie zaparcia. Pod wpływem bakterii jelitowych błonnik z pożywienia ulega fermentacji i powstają krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe, które mogą aktywować odpowiedź odpornościową w mózgu. Po podaniu sterylnym myszom krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych
zaobserwowano aktywację mikrogleju, komórek biorących udział w odpowiedzi immunologicznej. U gryzoni nastąpiło wówczas pogorszenie funkcji motorycznych i nagromadzanie się w mózgu alfa-synukleiny. W kolejnej fazie badań jednej z grup myszy przeszczepiono
bakterie kałowe pobrane od zdrowych ludzi, a drugiej grupie bakterie pochodzące od pacjentów ze zdiagnozowaną chorobą Parkinsona. Tylko u drugiej grupy wystąpiły wyraźne objawy choroby. „Te dane wskazują, że zmiany w mikrobiomie jelitowym są czymś
więcej niż konsekwencją choroby Parkinsona. Bakterie stanowią ważny czynnik przyczyniający się do rozwoju choroby” – komentuje prof. Mazmanian. „Leczenie chorób o podłożu neurologicznym najczęściej polega na dostarczaniu leku do mózgu. Jeśli jednak
choroba Parkinsona spowodowana jest też przez zmiany w mikrobiomie, być może odpowiednie rezultaty można byłoby uzyskać, dostarczając lek do jelit, co jest o wiele łatwiejsze” – podkreśla badacz. W innym badaniu jego zespół udowodnił, że bakterie
jelitowe mogą stymulować produkcję obwodowej serotoniny, której zaburzenia przyczyniają się m.in. do rozwoju zespołu jelita drażliwego, osteoporozy czy choroby wieńcowej.

Zespół prof. Mazmaniana prowadzi też badania, mające na celu weryfikację „jelitowej hipotezy patogenezy autyzmu”. Według niektórych badań dzieci z zaburzeniami należącymi do spektrum autyzmu różnią się od dzieci neurotypowych (często rodzeństwa) pod względem
flory bakteryjnej w jelitach – obserwuje się między innymi nadmierne namnażanie bakterii Clostridium, przy równoczesnym spadku liczebności bakterii Bifidobacteria. Mazmanian testuje metodę leczenia objawów przypominających autyzm u myszy, opartą o
mikrobiom. „Ale gdzie, moglibyśmy zapytać, znaleźć autystyczne myszy? Aby to osiągnąć, badacz wszczepia ciężarnym myszom dwułańcuchową strukturę RNA. Z punktu widzenia układu odpornościowego mysiej mamy przypomina to inwazję wirusa. Układ odpornościowy
zaczyna pracować pełną parą, podwyższając temperaturę ciała oraz poziom cytokin, a przy okazji zabijając znaczną część normalnej mikroflory bakteryjnej. Taka mysz rodzi potomstwo, którego układ odpornościowy oraz mikrobiom różni się od normalnych
myszy. Ma też objawy przypominające autyzm u ludzi: przejawia deficyty poznawcze, społeczne – woli być sama niż w towarzystwie innych myszy. Zachowuje się w sposób powtarzalny, obsesyjnie zagrzebując szklane kulki. I ma zaburzenia natury gastrojelitowej.
Mazmanian odkrył, że niektóre z tych symptomów występują w wyniku działania cząstek o nazwie 4-EPS, produkowanych w nadmiarze przez zmieniony mikrobiom. Wstrzykiwanie małym normalnym myszom 4-EPS odtwarza symptomy przypominające autyzm. Z kolei podawanie
im szczepu bakterii probiotycznych z gatunku Bacteroides fragilis niweluje niektóre z tych objawów, wliczając w to zaburzenia gastrojelitowe oraz deficyty poznawcze. Ale zanim zaczniemy szukać w sklepie B. fragilis, pamiętajmy, że szczep bakterii,
który przejawia dobroczynne działanie u jednego gatunku, może być śmiercionośnie szkodliwy u innego. Dopóki nie przeprowadzimy prób kontrolnych na ludziach, podawanie probiotyków w leczeniu autyzmu jest przedwczesne – a może nawet szkodliwe” – ostrzega
profesor Rob Knight. Testy kliniczne pewnych probiotyków zakończyły się sukcesem: należą do nich dostępne w sprzedaży probiotyki VSL#3 i LCR35 podawane na zespół jelita drażliwego. „Byłbym szczęśliwy, gdyby okazało się, że bakteryjna flora jelitowa
jest lekarstwem na wszystko. Ale bardzo w to wątpię” – komentuje sam Mazmanian.