Kvintiljon mikrobov v človeku določa naše bistvo

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Bolj ko znanstveniki preučujejo mikrobe, ki živijo v človeškem telesu, bolj spoznavajo močan vpliv teh drobtin na naš videz, obnašanje, celo na način razmišljanja in počutja.

Ali so virusi, bakterije, enocelične glive in drugi organizmi, ki živijo v pljučih in črevesju, koži in zrklih, res odvisni od našega zdravja in počutja? Ali ni preveč čudno verjeti, da mikroskopska bitja, ki jih nosimo v sebi in na sebi, v marsičem določajo naše bistvo?

Vpliv mikrobioma - tako se imenuje ta mini živalski vrt - je lahko temeljni že v zgodnjih fazah razvoja.

Ena od študij, katere rezultati so bili objavljeni lani, kaže, da je tudi na videz prirojena lastnost, kot je temperament dojenčka, lahko odvisna od tega, ali večina bakterij v njegovem črevesju pripada istemu rodu: več kot je bifidobakterij, bolj je vesel otrok..

Zaključki, do katerih so prišli Anna-Katariina Aatsinki in njeni sodelavci na Univerzi v Turkuju na Finskem, temeljijo na analizi vzorcev blata 301 dojenčka. Tisti otroci, ki so imeli več bifidobakterij pri dveh mesecih, so bolj verjetno pokazali "pozitivna čustva", kot so ugotovili raziskovalci, pri šestih mesecih.

Preučevanje mikrobioma se je začelo relativno nedavno - pravzaprav šele pred 15 leti. To pomeni, da je bila večina dosedanjih raziskav predhodnih in skromnega obsega, vključevala je le na desetine miši ali ljudi. Znanstveniki so odkrili določeno povezavo med stanjem mikrobioma in različnimi boleznimi, vendar še niso mogli ugotoviti jasnih vzročno-posledičnih povezav med posameznimi prebivalci gosto naseljenega "notranjega sveta" človeka in njegovim zdravjem.

Tudi število teh prebivalcev je neverjetno: danes se verjame, da v telesu navadnega mladeniča živi približno 38 kvintilijonov (1012) mikrobov - to je celo več kot njihove lastne človeške celice. Če se naučimo razumeti, kako razpolagati s tem - lastnim - bogastvom, se bodo pred nami odprle fascinantne možnosti.

Po mnenju optimistov bo v bližnji prihodnosti postalo običajno injicirati človeku zdrave komplekse mikrobov v obliki prebiotikov (spojin, ki delujejo kot substrat, na katerem se lahko razmnožujejo koristne bakterije), probiotikov (te bakterije same) ali z blatom. presaditev (presaditev bogatega črevesnega mikrobioma od darovalcev) - da se počuti zdravo.

Ko ljudje govorijo o mikrobiomu, mislijo predvsem na prebivalce prebavil, ki predstavljajo 90 odstotkov naših mikroorganizmov. Vendar pa drugi organi vrvijo od življenja: mikrobi napolnijo kateri koli del telesa, ki je v stiku z zunanjim svetom: oči, ušesa, nos, usta, anus, genitourinarni sistem. Poleg tega so mikrobi prisotni na katerem koli kosu kože, predvsem v pazduhah, presredku, med prsti na nogah in v popku.

In tukaj je tisto, kar je res neverjetno: vsak od nas ima edinstven nabor mikrobov, ki jih nima nihče drug. Danes je po mnenju Roba Knighta iz Centra za mikrobiomske inovacije na Univerzi v Kaliforniji (San Diego) že mogoče trditi, da se verjetnost dveh ljudi z enakim naborom vrst v mikrobiomih približuje ničli. Edinstvenost mikrobioma bi lahko izkoristili v forenziki, je dejal Knight. "Kdor se je dotaknil predmeta, ga sledi mikrobiomski 'prstni odtis', ki ostane na koži osebe," pojasnjuje. No, nekega dne bodo preiskovalci, ki iščejo dokaze, začeli zbirati vzorce mikrobov, ki živijo na koži, tako kot danes za prstne odtise.

V tem članku bomo delili nekaj pomembnih odkritij znanstvenikov, ki so preučevali mikrobiom in kako vpliva na nas od otroštva do starosti.

Otroštvo

Plod v maternici je praktično sterilen. Ko se stiska skozi porodni kanal, sreča nešteto bakterij. Med normalnim porodom otroka »sperejo« mikrobi, ki živijo v nožnici; poleg tega pridejo nanj črevesne bakterije matere. Ti mikrobi se takoj začnejo naseljevati v lastnem črevesju in stopijo v nekakšno komunikacijo z razvijajočim se imunskim sistemom. Tako že v najzgodnejših fazah svojega obstoja mikrobiom pripravi imunski sistem za pravilno delovanje v prihodnosti.

Če se otrok rodi s carskim rezom, ni stika z materinimi bakterijami, v njegovo črevesje pa se naselijo drugi mikroorganizmi – iz materine kože in iz materinega mleka, iz rok medicinske sestre, celo iz bolnišničnega perila. Takšen tuji mikrobiom lahko človeku zaplete celotno prihodnje življenje.

Leta 2018 je Paul Wilms iz Centra za sistemsko medicino na Univerzi v Luksemburgu objavil rezultate študije 13 naravno rojenih dojenčkov in 18 kirurško rojenih dojenčkov. Wilms in sodelavci so analizirali blato novorojenčkov in njihovih mater ter vaginalne brise porodnic. »Cezarji« so imeli bistveno manj bakterij, ki proizvajajo lipopolisaharide in s tem spodbujajo razvoj imunskega sistema. Vsaj pet dni po rojstvu je takih mikrobov ostalo malo – to je po Wilmsovih besedah dovolj, da vodi do dolgoročnih posledic za imuniteto.

Čez nekaj časa, običajno do prvega rojstnega dne, mikrobiomi otrok v obeh skupinah pridobijo podobnosti. Vendar po Wilmsovem mnenju razlika, opažena v zgodnjih dneh življenja, pomeni, da v telesu dojenčkov, rojenih s carskim rezom, primarna imunizacija morda ne bo minila, med katero se imunske celice naučijo pravilno odzivati na zunanje vplive. To verjetno pojasnjuje, zakaj se pri teh otrocih pogosteje pojavljajo različne težave, povezane z delovanjem imunskega sistema, vključno z alergijami, vnetji in debelostjo. Po Wilmsovih besedah bodo morda v prihodnosti "cari" dobili probiotike, ustvarjene na osnovi sevov materinih bakterij, da bi svoj prebavni sistem naselili s koristnimi mikrobi.

Otroštvo

Alergije na hrano so postale tako pogoste, da so nekatere šole uvedle omejitve glede hrane, ki jo otroci lahko vzamejo od doma (na primer, ne smejo prinesti arašidovih ploščic ali sendvičev z marmelado), da nekateri sošolci ne razvijejo alergijske reakcije. V Združenih državah Amerike 5,6 milijona otrok trpi zaradi alergij na hrano, torej v vsakem razredu je vsaj dva do trije takšni otroci.

Navajajo se različni razlogi, ki bi lahko privedli do širjenja alergij, med drugim povečanje števila otrok, rojenih s carskim rezom, in prekomerna uporaba antibiotikov, ki lahko uničijo bakterije, ki nas ščitijo. Katherine Nagler in njeni sodelavci na Univerzi v Chicagu so se odločili preizkusiti, ali je širjenje alergij na hrano med otroki povezano s sestavo njihovega mikrobioma. Lani so objavili rezultate študije, v kateri je sodelovalo osem šestmesečnih otrok, od katerih je bila polovica alergičnih na kravje mleko. Izkazalo se je, da se mikrobiomi predstavnikov obeh skupin precej razlikujejo: v črevesju zdravih dojenčkov so bile bakterije, značilne za pravilno razvijajoče se otroke njihove starosti, bakterije, ki so bolj značilne za odrasle, pa so bile odkrite pri kravjih. alergije na mleko.

Pri alergičnih otrocih, je dejal Nagler, se je običajno počasen prehod iz otroškega mikrobioma v odraslega "potekal z nenormalno hitrostjo".

Naglerjeva in njeni sodelavci so presadili (z uporabo fekalnih presaditev) črevesne bakterije "svojih" dojenčkov v miši, rojene s carskim rezom in vzgojene v sterilnih pogojih, torej popolnoma brez mikrobov. Izkazalo se je, da le miši, presajene iz zdravih dojenčkov, niso pokazale alergijske reakcije na kravje mleko. Drugi so, tako kot njihovi darovalci, postali alergični.

Nadaljnje študije so pokazale, da so glavno vlogo pri zaščiti prve skupine miši očitno igrale bakterije ene vrste, ki jih najdemo le pri otrocih: Anaerostipes caccae iz skupine Clostridia. Clostridia preprečuje tudi alergije na arašide, so ugotovili Nagler in njeni sodelavci v eni študiji.

Nagler, predsednik in soustanovitelj farmacevtskega startupa ClostraBio s sedežem v Chicagu, upa, da bo preizkusil terapevtski potencial Anaerostipes caccae pri laboratorijskih miših in nato pri alergičnih ljudeh. Prva naloga je bila najti prostor v črevesju, kjer bi lahko pristal trop koristnih bakterij. Tudi v nezdravem mikrobiomu, pravi Nagler, so vse niše že zapolnjene; da bi se Clostridia ukoreninila na novem mestu, morate pregnati prejšnje prebivalce. Zato je ClostraBio ustvaril zdravilo, ki očisti določeno nišo v mikrobiomu. Nagler in njegovi sodelavci ga "predpišejo" mišem, nato pa jim vbrizgajo več vrst klostridij, pa tudi prehranske vlaknine, ki spodbujajo razmnoževanje mikrobov. Nagler upa, da bo v naslednjih dveh letih začel s kliničnimi preskušanji Clostridia pri ljudeh in sčasoma ustvaril zdravilo za otroke z alergijami na hrano.

Črevesni mikrobi so lahko povezani tudi z drugimi boleznimi pri otrocih, vključno s sladkorno boleznijo tipa I. V Avstraliji so znanstveniki analizirali vzorce blata 93 otrok, katerih sorodniki so zboleli za sladkorno boleznijo, in ugotovili, da so imeli tisti med njimi, pri katerih se je bolezen pozneje razvila, v blatu povečano raven enterovirusa A. Vendar pa je eden od eksperimentatorjev W. Ian Lipkin iz Meilmanovske Šola za javno zdravje na univerzi Columbia svari kolege pred prenagljenimi sklepi, da so vzroki nekaterih bolezni izključno posledica razlik v mikrobiomu. "Vse, kar zagotovo vemo," pravi, "je, da so nekateri mikrobi nekako povezani z določenimi boleznimi."

Kljub temu je Lipkin navdušen nad prihodnostjo mikrobiomske znanosti. Po njegovi napovedi bodo znanstveniki v naslednjih petdesetih letih razkrili mehanizem vpliva mikrobioma na telo in začeli klinična preskušanja na ljudeh, da bi dokazali, kako je mogoče zdravje izboljšati z "urejanjem" mikrobioma.

mladost

Mnogi mladostniki imajo nagnjenost k aknam – in zdi se, da obstaja pojav, imenovan "mikrobiom lojnic". Koža fantov je še posebej dobrodošla do dveh sevov bakterij Cutibacterium acnes, povezanih z aknami. Večina sevov te bakterije je varnih ali celo koristnih, ker zavirajo rast patogenih mikrobov; pravzaprav je ta bakterija glavna sestavina normalnega mikrobioma obraza in vratu.

Vendar pa lahko slab sev naredi veliko škode: njegova prisotnost je po mnenju Amande Nelson, dermatologinje na Medicinski fakulteti Univerze v Pensilvaniji, eden od predpogojev za razvoj vnetja. Med drugimi vzroki za razvoj bolezni znanstveniki imenujejo sebum (proizvajajo ga žleze lojnice za vlaženje kože), ki služi kot gojišče za C. akne, lasne mešičke in nagnjenost k vnetju. Vse deluje skupaj in po Nelsonovih besedah še ne vemo, kaj je pomembnejše.

Raziskovalci na Medicinski fakulteti Univerze v Washingtonu so preučili mikrobiom žlez lojnic in ugotovili, da edino dolgotrajno zdravilo za akne, izotretinoin (znan pod različnimi trgovskimi imeni), deluje deloma tako, da spremeni mikrobiom kože in poveča splošno raznolikost kože. mikrobi, med katerimi se škodljivi sevi težje ukoreninijo.

Zdaj, ko so se znanstveniki naučili, da izotretinoin deluje tako, da spremeni sestavo mikrobioma, bodo morda poskušali ustvariti druga zdravila z enakim učinkom, vendar upajmo, da so varnejša – navsezadnje lahko izotretinoin povzroči prirojene okvare pri otrocih, če so matere jemale zdravilo med med nosečnostjo.

Zrelost

Kaj pa, če lahko s svojimi treningi naredite več tako, da si preprosto izposodite športnikove črevesne mikrobe? To vprašanje so postavili znanstveniki z univerze Harvard. Dva tedna so zbirali dnevne vzorce blata 15 tekačev, ki so se udeležili Bostonskega maratona leta 2015 – začel se je teden pred dirko in končal teden dni pozneje – in jih primerjali z vzorci blata, zbranimi pri desetih ljudeh v kontrolni skupini, prav tako v dveh tedne. ne teče. Raziskovalci so ugotovili, da so nekaj dni po maratonu vzorci, odvzeti tekačem, vsebovali bistveno več bakterij Veillonella atypica kot tisti iz kontrolne skupine.

»To odkritje marsikaj pojasni, saj ima Veilonella edinstven metabolizem: njen najljubši vir energije je laktat, sol mlečne kisline,« pravi Aleksandar Kostić iz Joslin Diabetes Research Center in Harvard Medical School. "In pomislili smo: morda Veilonella razgradi mišični laktat v telesu športnika?" In če je res tako, ali je mogoče z uvajanjem njegovih sevov ljudem, ki so daleč od profesionalnega športa, povečati njihovo vzdržljivost?

Nato so se znanstveniki lotili laboratorijskih miši: Veilonelo, izolirano iz blata enega od tekačev, so injicirali 16 mišem z normalnim mikrobiomom, testiranim na patogene. Subjekte so nato postavili na tekalno stezo in jih prisilili teči, dokler niso bili izčrpani. Enako je bilo storjeno s 16 kontrolnimi mišmi; le da so jim vbrizgali bakterije, ki ne uživajo laktata. Kot se je izkazalo, so miši, "okužene" z Veilonelo, tekle veliko dlje kot kontrolne živali, kar pomeni, verjamejo raziskovalci, da lahko mikrobiom igra ključno vlogo pri ohranjanju zmogljivosti.

Kot pravi Kostich, je ta eksperiment "čudovit primer tega, kaj nam daje simbioza." Veilonela uspeva, ko oseba, njen nosilec, zaradi telesne dejavnosti proizvaja laktat, s katerim se hrani, in posledično koristi človeku s pretvorbo laktata v propionat, kar vpliva na zmogljivost gostitelja, saj med drugim, poveča frekvenco krčenja srca in izboljša presnovo kisika, po možnosti pa tudi preprečuje razvoj vnetja v mišicah.

"Zdi se, da je ta vrsta odnosa osnova za večino interakcij med ljudmi in mikrobiomom," pojasnjuje Kostich. "Navsezadnje je odnos med njima tako vzajemno koristen."

Mikrobiom je lahko odgovoren tudi za manj prijetne lastnosti človeške narave, vključno z duševnimi stanji, kot sta anksioznost in depresija. Leta 2016 so znanstveniki z Nacionalne univerze Irske v Corku objavili rezultate študije vpliva mikrobioma na razvoj depresije. Raziskovalci so 28 laboratorijskih podgan razdelili v dve skupini. Eksperimentalna skupina je prejela presaditev črevesne mikroflore od treh moških, ki so trpeli za hudo depresijo, in kontrolna skupina - od treh zdravih moških.

Izkazalo se je, da je črevesni mikrobiom ljudi, ki trpijo za depresijo, pahnil v depresijo in podgan. V primerjavi s kontrolnimi živalmi so pokazali izgubo zanimanja za dejavnosti, ki prinašajo užitek (pri podganah je to odvisno od tega, kako pogosto želijo piti sladko vodo), in povečano tesnobo, ki se je izražala v želji, da bi se izognili odprtim ali neznanim prostorom laboratorija. labirint.

Glede na veliko razliko med podganami in ljudmi raziskovalci ugotavljajo, da njihova študija zagotavlja nove dokaze, da lahko črevesni mikrobiom igra vlogo pri depresiji. Prej ali slej, pravijo, lahko pride dan, ko se bo treba boriti z depresijo in drugimi podobnimi motnjami, tudi s ciljanjem na določene bakterije v človeškem telesu.

Stara leta

Mikrobiom je hkrati odporen in tekoč. Njegova edinstvena struktura se v veliki meri oblikuje pri starosti štirih let, nanjo pa lahko resnično vplivajo le zelo pomembni dejavniki – na primer sprememba prehrane, intenzivnost telesne dejavnosti ali čas, preživet na prostem, selitev v nov kraj bivanja, uporaba antibiotikov in nekaterih drugih zdravil. Vendar pa je v nekem smislu mikrobiom v nenehnem toku, ki se subtilno spreminja z vsakim obrokom. Pri odraslih so te spremembe tako predvidljive, da je vašo starost mogoče približno določiti s samo seznanitvijo z naborom bakterij, ki živijo v črevesju.

Ta tehnika, znana kot "določanje starosti po mikrobiomski uri staranja", zahteva pomoč umetne inteligence, kot je na primer v poskusu, ki ga je nedavno izvedlo zagonsko podjetje Insilico Medicine s sedežem v Hongkongu. Znanstveniki so zbrali informacije o mikrobiomih 1165 ljudi iz Evrope, Azije in Severne Amerike. Tretjina jih je bila stara 20-30 let, druga tretjina - 40-50 in zadnja - 60-90 let.

Znanstveniki so z označevanjem starosti svojih nosilcev podatke o 90 odstotkih mikrobiomov podvrgli »računalniški interpretaciji«, nato pa vzorce, ki jih je identificirala umetna inteligenca, aplicirali na mikrobiome preostalih deset odstotkov ljudi, katerih starost ni bila označena. Njihovo starost je bilo mogoče ugotoviti z napako le štirih let.

Kaj pomeni "urediti" svoj mikrobiom in živeti v miru? Aja, tudi največji ljubitelji mikrobiomske znanosti pravijo, da je o dosedanjem razmerju med mikrobiomom in zdravjem ljudi težko sklepati, in vztrajajo, da je pri prehodu na zdravljenje z bakterijskimi presadki potrebna velika previdnost.

Mnogi zdaj navdušeni nad možnostjo uporabe mikrobiote kot zdravila, pravi Paul Wilms z univerze v Luksemburgu in ugotavlja, da farmacevtska podjetja razvijajo nove probiotike za uravnoteženje mikrobioma.

»Preden lahko to res naredimo pravilno in inteligentno,« pravi Wilms, »moramo podrobno razumeti, kaj je zdrav mikrobiom in kako natančno vpliva na človeško telo. Mislim, da smo še zelo daleč od tega."

Mikrobi v nas

• debelo črevo - 38 kvintilijonov
• plošča - 1 kvintilion
• koža - 180 milijard
• sline - 100 milijard
• tanko črevo - 40 milijard
• želodec - 9 milijonov

Oglejte si mikrobiom

Vse slike v tem članku je posnel Martin Eggerly s skenirajočim elektronskim mikroskopom: vzorce so posušili, nanje razpršili atome zlata in jih postavili v vakuumsko komoro. Valovna dolžina elektronskega snopa mikroskopa je krajša od vidne svetlobe, zato žarek »osvetli« najmanjše predmete, vendar izven barvnega spektra. Eggerly barvani mikrobi, katerih barva je znana, v teh barvah, v drugih primerih je izbral drugačno paleto, da bi lahko ločili mikrobe in njihove značilne lastnosti.