Spisu treści:

Kwintyliony drobnoustrojów w człowieku określają naszą esencję
Kwintyliony drobnoustrojów w człowieku określają naszą esencję

Wideo: Kwintyliony drobnoustrojów w człowieku określają naszą esencję

Wideo: Kwintyliony drobnoustrojów w człowieku określają naszą esencję
Wideo: Uratowali mnie Polacy. Zosia dwa lata spędziła na strychu 2024, Marsz
Anonim

Im więcej naukowcy badają drobnoustroje żyjące w ludzkim ciele, tym więcej dowiadują się o potężnym wpływie tych okruchów na nasz wygląd, zachowanie, a nawet sposób myślenia i odczuwania.

Czy wirusy, bakterie, jednokomórkowe grzyby i inne organizmy żyjące w płucach i jelitach, skórze i gałkach ocznych naprawdę zależą od naszego zdrowia i samopoczucia? Czy nie jest zbyt dziwne wierzyć, że mikroskopijne stworzenia, które nosimy w sobie i na sobie, pod wieloma względami określają naszą istotę?

Wpływ mikrobiomu – bo tak nazywa się to mini-zoo – może mieć fundamentalne znaczenie już w początkowej fazie rozwoju.

Jedno z badań, którego wyniki opublikowano w zeszłym roku, pokazuje, że nawet pozornie wrodzona cecha, jaką jest temperament niemowlęcia, może zależeć od tego, czy większość bakterii w jego jelitach należy do tego samego rodzaju: im więcej bifidobakterii, tym pogodniejsze dziecko.

Wnioski, do jakich doszła Anna-Katariina Aatsinki i jej współpracownicy z Uniwersytetu w Turku w Finlandii, opierają się na analizie próbek kału od 301 dzieci. Dzieci, które miały więcej bifidobakterii w wieku dwóch miesięcy, częściej wykazywały „pozytywne emocje”, jak ustalili naukowcy, w wieku sześciu miesięcy.

Badania nad mikrobiomem rozpoczęły się stosunkowo niedawno – w rzeczywistości zaledwie 15 lat temu. Oznacza to, że większość badań przeprowadzonych do tej pory miała charakter wstępny i skromny, obejmując jedynie dziesiątki myszy lub ludzi. Naukowcy odkryli określony związek między stanem mikrobiomu a różnymi chorobami, ale nie byli jeszcze w stanie zidentyfikować wyraźnych związków przyczynowo-skutkowych między konkretnymi mieszkańcami gęsto zaludnionego „świata wewnętrznego” człowieka a jego zdrowiem.

Nawet liczba tych mieszkańców jest niesamowita: dziś uważa się, że w ciele zwykłego młodego człowieka żyje około 38 trylionów (1012) drobnoustrojów - to nawet więcej niż ich własne ludzkie komórki. Jeśli nauczymy się rozumieć, jak rozporządzać tym - naszym - bogactwem, otworzy się przed nami fascynująca perspektywa.

Według optymistów w niedalekiej przyszłości powszechne stanie się wstrzykiwanie osobie zdrowych kompleksów drobnoustrojów w postaci prebiotyków (związków, które działają jako substrat, na którym mogą się namnażać pożyteczne bakterie), probiotyków (sam te bakterie) lub w postaci kału. przeszczep (przeszczepienie bogatego mikrobiomu jelitowego od dawców) – aby poczuł się zdrowy.

Mówiąc o mikrobiomie, mają na myśli przede wszystkim mieszkańców przewodu pokarmowego, którzy stanowią 90 proc. naszych drobnoustrojów. Jednak inne narządy tętnią życiem: drobnoustroje wypełniają każdą część ciała, która ma kontakt ze światem zewnętrznym: oczy, uszy, nos, usta, odbyt, układ moczowo-płciowy. Ponadto zarazki są obecne na każdym kawałku skóry, zwłaszcza pod pachami, kroczem, między palcami stóp i pępkiem.

A oto, co jest naprawdę niesamowite: każdy z nas ma unikalny zestaw mikrobów, którego nie ma nikt inny. Dzisiaj, według Roba Knighta z Center for Microbiome Innovation na Uniwersytecie Kalifornijskim (San Diego), można już argumentować, że prawdopodobieństwo, że dwie osoby z tym samym zestawem gatunków w mikrobiomach zbliżają się do zera. Knight powiedział, że wyjątkowość mikrobiomu może zostać wykorzystana w kryminalistyce. „Ktokolwiek dotknął przedmiotu, jest śledzony przez mikrobiom 'odcisk palca', który pozostaje na skórze osoby”, wyjaśnia. Cóż, pewnego dnia śledczy, szukając dowodów, zaczną zbierać próbki drobnoustrojów żyjących na skórze, tak jak robią to dzisiaj dla odcisków palców.

W tym artykule podzielimy się niektórymi znaczącymi odkryciami dokonanymi przez naukowców, którzy badali mikrobiom i jego wpływ na nas od niemowlęctwa do starości.

Dzieciństwo

Płód w macicy jest praktycznie bezpłodny. Przeciskając się przez kanał rodny, spotyka mnóstwo bakterii. Podczas normalnego porodu dziecko jest „myte” przez drobnoustroje żyjące w pochwie; ponadto dostają się na nią bakterie jelitowe matki. Mikroby te natychmiast zaczynają zasiedlać własne jelita, nawiązując rodzaj komunikacji z rozwijającym się układem odpornościowym. Zatem już w najwcześniejszych stadiach swojego istnienia mikrobiom przygotowuje układ odpornościowy do prawidłowego funkcjonowania w przyszłości.

Jeśli dziecko urodzi się przez cesarskie cięcie, nie ma kontaktu z bakteriami matki, a inne drobnoustroje zasiedlają jego jelita – ze skóry matki iz mleka matki, z rąk pielęgniarki, nawet z bielizny szpitalnej. Taki obcy mikrobiom może skomplikować całe przyszłe życie człowieka.

W 2018 r. Paul Wilms z Centrum Medycyny Systemowej na Uniwersytecie w Luksemburgu opublikował wyniki badania 13 dzieci urodzonych naturalnie i 18 dzieci urodzonych chirurgicznie. Wilms i współpracownicy przeanalizowali stolec noworodków i ich matek, a także wymazy z pochwy rodzących kobiet. W „cesarskim cięciu” było znacznie mniej bakterii, które produkują lipopolisacharydy, a tym samym stymulują rozwój układu odpornościowego. Takich drobnoustrojów pozostało niewiele przez co najmniej pięć dni po urodzeniu - to, zdaniem Wilmsa, wystarczy, aby doprowadzić do długotrwałych konsekwencji dla odporności.

Po pewnym czasie, zwykle przed pierwszymi urodzinami, mikrobiomy dzieci w obu grupach nabierają podobieństwa. Jednak według Wilmsa różnica obserwowana we wczesnych dniach życia oznacza, że w ciele dzieci urodzonych przez cesarskie cięcie może nie przejść pierwotna immunizacja, podczas której komórki odpornościowe uczą się prawidłowo reagować na wpływy zewnętrzne. To prawdopodobnie wyjaśnia, dlaczego te dzieci są bardziej narażone na różne problemy związane z funkcjonowaniem układu odpornościowego, w tym alergie, stany zapalne i otyłość. Według Wilmsa być może w przyszłości „cesarskie cięcie” otrzyma probiotyki, stworzone na bazie szczepów bakterii matki, aby zaludnić ich układ pokarmowy pożytecznymi drobnoustrojami.

Dzieciństwo

Alergie pokarmowe stały się tak powszechne, że niektóre szkoły nałożyły ograniczenia na żywność, którą dzieci mogą zabrać z domu (na przykład nie wolno im przynosić batonów z orzeszkami ziemnymi lub kanapek z dżemem), aby u niektórych kolegów z klasy nie wystąpiły reakcje alergiczne. W Stanach Zjednoczonych 5,6 miliona dzieci cierpi na alergie pokarmowe, co oznacza, że w każdej klasie jest co najmniej od dwóch do trzech takich dzieci.

Przytacza się różne przyczyny, które mogą prowadzić do rozprzestrzeniania się alergii, w tym wzrost liczby dzieci urodzonych przez cesarskie cięcie oraz nadużywanie antybiotyków, które mogą niszczyć chroniące nas bakterie. Katherine Nagler i jej koledzy z University of Chicago postanowili sprawdzić, czy rozprzestrzenianie się alergii pokarmowych wśród dzieci ma związek ze składem ich mikrobiomu. W zeszłym roku opublikowali wyniki badania z udziałem ośmiu sześciomiesięcznych dzieci, z których połowa była uczulona na mleko krowie. Okazało się, że mikrobiomy przedstawicieli obu grup są zupełnie inne: w jelitach zdrowych niemowląt znajdowały się bakterie typowe dla prawidłowo rozwijających się dzieci w ich wieku, a bakterie bardziej charakterystyczne dla dorosłych stwierdzono u osób cierpiących na krowie. alergie na mleko.

U alergicznych dzieci, jak powiedział Nagler, zwykle powolne przejście od mikrobiomu dziecięcego do dorosłego „występowało w nienormalnym tempie”.

Nagler i jej koledzy przeszczepili (za pomocą przeszczepów kałowych) bakterie jelitowe „ich” dzieci myszom urodzonym przez cesarskie cięcie i wychowanym w sterylnych warunkach, czyli całkowicie wolnych od drobnoustrojów. Okazało się, że tylko myszy przeszczepione od zdrowych niemowląt nie wykazywały reakcji alergicznej na mleko krowie. Inni, podobnie jak ich dawcy, stali się uczuleni.

Dalsze badania wykazały, że główną rolę w ochronie pierwszej grupy myszy odgrywały podobno bakterie jednego gatunku, występujące tylko u dzieci: Anaerostipes caccae z grupy Clostridia. Clostridia zapobiega również alergiom na orzeszki ziemne, jak odkryli Nagler i jej koledzy w jednym z badań.

Image
Image

Nagler, prezes i współzałożyciel chicagowskiego startupu farmaceutycznego ClostraBio, ma nadzieję przetestować terapeutyczny potencjał Anaerostipes caccae na myszach laboratoryjnych, a następnie na alergikach. Pierwszym zadaniem było znalezienie miejsca w jelitach, w którym można by wylądować stado pożytecznych bakterii. Nawet w niezdrowym mikrobiomie, mówi Nagler, wszystkie nisze są już wypełnione; aby Clostridia zapuściła korzenie w nowym miejscu, musisz wypędzić poprzednich mieszkańców. Dlatego ClostraBio stworzyło lek, który oczyszcza pewną niszę w mikrobiomie. Nagler i jego koledzy „przepisują” go myszom, a następnie wstrzykują im kilka rodzajów Clostridia, a także błonnik pokarmowy, który sprzyja rozmnażaniu się drobnoustrojów. Nagler ma nadzieję rozpocząć badania kliniczne Clostridia na ludziach w ciągu najbliższych dwóch lat i ostatecznie stworzyć lek dla dzieci z alergiami pokarmowymi.

Drobnoustroje jelitowe mogą być również związane z innymi chorobami u dzieci, w tym z cukrzycą typu I. W Australii naukowcy przeanalizowali próbki kału od 93 dzieci, których krewni cierpieli na cukrzycę, i odkryli, że te z nich, u których później rozwinęła się choroba, miały w kale podwyższony poziom enterowirusa A. Jednak jeden z eksperymentatorów, W. Ian Lipkin z Meilmanovskaya School of Public Health na Columbia University ostrzega kolegów przed wyciąganiem pochopnych wniosków, że przyczyny niektórych chorób wynikają wyłącznie z różnic w mikrobiomie. „Wszystko, co wiemy na pewno”, mówi, „to to, że niektóre drobnoustroje są w jakiś sposób powiązane z pewnymi chorobami”.

Mimo to Lipkin jest entuzjastycznie nastawiony do przyszłości mikrobiomu. Według jego prognozy, w ciągu najbliższych pięćdziesięciu lat naukowcy ujawnią mechanizm oddziaływania mikrobiomu na organizm i rozpoczną badania kliniczne na ludziach, aby wykazać, jak można poprawić zdrowie poprzez „edycję” mikrobiomu.

Młodzież

Wiele nastolatków ma predyspozycje do trądziku – i wydaje się, że istnieje zjawisko zwane „mikrobiomem łojowym”. Skóra facetów jest szczególnie przyjazna dla dwóch szczepów bakterii Cutibacterium acnes związanych z trądzikiem. Większość szczepów tej bakterii jest bezpieczna lub nawet pożyteczna, ponieważ hamują wzrost drobnoustrojów chorobotwórczych; w rzeczywistości ta bakteria jest głównym składnikiem normalnego mikrobiomu twarzy i szyi.

Jednak zły szczep może wyrządzić wiele szkód: według Amandy Nelson, dermatologa z University of Pennsylvania College of Medicine, jego obecność jest jednym z warunków rozwoju zapalenia. Wśród innych przyczyn rozwoju choroby naukowcy nazywają sebum (wytwarzany przez gruczoły łojowe w celu nawilżenia skóry), który jest pożywką dla C. acnes, mieszków włosowych i skłonności do stanów zapalnych. To wszystko działa razem, a według Nelsona nie wiemy jeszcze, co jest ważniejsze.

Naukowcy z University of Washington School of Medicine zbadali mikrobiom gruczołów łojowych i odkryli, że jedyne długotrwałe leczenie trądziku, izotretynoina (znana pod różnymi nazwami handlowymi), działa częściowo poprzez zmianę mikrobiomu skóry, zwiększając ogólną różnorodność drobnoustroje, wśród których trudniej zakorzenić się szkodliwym szczepom.

Teraz, gdy naukowcy dowiedzieli się, że izotretynoina działa poprzez zmianę składu mikrobiomu, mogą próbować stworzyć inne leki o takim samym działaniu, ale miejmy nadzieję, że są bezpieczniejsze - w końcu izotretynoina może prowadzić do wad wrodzonych u dzieci, jeśli matki zażywały lek podczas podczas ciąży.

Dojrzałość

A co, jeśli możesz zrobić więcej ze swoimi treningami, po prostu pożyczając drobnoustroje jelitowe sportowca? To pytanie zadali naukowcy z Uniwersytetu Harvarda. Przez dwa tygodnie zbierali codziennie próbki kału od 15 biegaczy, którzy wzięli udział w Maratonie Bostońskim 2015 – zaczynając na tydzień przed biegiem i kończąc tydzień później – i porównywali je z próbkami kału zebranymi od dziesięciu osób z grupy kontrolnej, również powyżej dwóch. tygodni. nie działa. Naukowcy odkryli, że kilka dni po maratonie próbki pobrane od biegaczy zawierały znacznie więcej bakterii Veillonella atypica niż te z grupy kontrolnej.

„To odkrycie wiele wyjaśnia, ponieważ Veilonella ma wyjątkowy metabolizm: jej ulubionym źródłem energii jest mleczan, sól kwasu mlekowego”, mówi Aleksandar Kostić z Joslin Diabetes Research Center i Harvard Medical School. „I pomyśleliśmy: może Veilonella rozkłada mleczan mięśniowy w ciele sportowca?” A jeśli tak jest, to czy można, wprowadzając jego odmiany osobom z dala od profesjonalnych sportów, zwiększyć ich wytrzymałość?

Następnie naukowcy zajęli się myszami laboratoryjnymi: Veilonella, wyizolowana z kału jednego z biegaczy, została wstrzyknięta 16 myszom z normalnym mikrobiomem przetestowanym pod kątem patogenów. Badani byli następnie umieszczani na bieżni i zmuszani do biegania aż do wyczerpania. To samo zrobiono z 16 myszami kontrolnymi; tylko im wstrzyknięto bakterie, które nie spożywają mleczanu. Jak się okazało, myszy „zakażone” Veilonellą biegały znacznie dłużej niż zwierzęta kontrolne, co oznacza, jak uważają naukowcy, mikrobiom może odgrywać kluczową rolę w utrzymaniu sprawności.

Według Kosticha ten eksperyment jest „wspaniałym przykładem tego, co daje nam symbioza”. Veilonella rozwija się, gdy człowiek, jej nosiciel, w wyniku aktywności fizycznej wytwarza mleczan, którym się żywi, a z kolei przynosi korzyść osobie, przekształcając mleczan w propionian, co wpływa na wydajność żywiciela, ponieważ m.in., zwiększa częstotliwość skurczów serca i poprawia metabolizm tlenu, a także ewentualnie zapobiega rozwojowi stanów zapalnych w mięśniach.

„Ten rodzaj relacji wydaje się leżeć u podstaw większości interakcji między ludźmi a mikrobiomem” – wyjaśnia Kostich. „Ostatecznie relacja między nimi jest tak korzystna dla obu stron”.

Mikrobiom może być również odpowiedzialny za mniej przyjemne cechy natury ludzkiej, w tym stany psychiczne, takie jak lęk i depresja. W 2016 roku naukowcy z National University of Ireland w Cork opublikowali wyniki badania wpływu mikrobiomu na rozwój depresji. Naukowcy podzielili 28 szczurów laboratoryjnych na dwie grupy. Grupa eksperymentalna otrzymała przeszczepy mikroflory jelitowej od trzech mężczyzn cierpiących na ciężką depresję, a grupa kontrolna - od trzech zdrowych mężczyzn.

Okazało się, że mikrobiom jelitowy osób cierpiących na depresję pogrążył się w depresji i szczurach. W porównaniu ze zwierzętami kontrolnymi wykazywały spadek zainteresowania czynnościami przynoszącymi przyjemność (u szczurów determinuje to, jak często chcą pić słodką wodę) i zwiększony niepokój, wyrażający się chęcią unikania otwartych lub nieznanych obszarów laboratorium labirynt.

Biorąc pod uwagę dużą różnicę między szczurami a ludźmi, naukowcy zauważają, że ich badanie dostarcza nowych dowodów na to, że mikrobiom jelitowy może odgrywać rolę w depresji. Mówią, że prędzej czy później może nadejść dzień, w którym depresja i inne podobne zaburzenia będą zwalczane, w tym poprzez celowanie w określone bakterie w ludzkim ciele.

Image
Image

Podeszły wiek

Mikrobiom jest jednocześnie sprężysty i płynny. Jego unikalną strukturę w dużej mierze kształtuje wiek czterech lat i tylko bardzo istotne czynniki mogą na nią tak naprawdę wpłynąć - na przykład zmiana diety, intensywność aktywności fizycznej czy czas spędzony na świeżym powietrzu, przeprowadzka do nowego miejsca zamieszkania, użytkowanie antybiotyków i niektórych innych leków. Jednak w pewnym sensie mikrobiom podlega ciągłym zmianom, zmieniając się subtelnie z każdym posiłkiem. U dorosłych zmiany te są tak przewidywalne, że wiek można z grubsza określić, po prostu zapoznając się z zestawem bakterii żyjących w jelitach.

Ta technika, znana jako „określanie wieku przez mikrobiomowy zegar starzenia”, wymaga pomocy sztucznej inteligencji, jak w eksperymencie przeprowadzonym niedawno przez startup Insilico Medicine z Hongkongu. Naukowcy zebrali informacje na temat mikrobiomu 1165 osób z Europy, Azji i Ameryki Północnej. Jedna trzecia z nich miała 20-30 lat, kolejna trzecia - 40-50, a ostatnia - 60-90 lat.

Naukowcy, oznaczając wiek swoich nosicieli, poddali dane dotyczące 90 proc. mikrobiomów „interpretacji komputerowej”, a następnie zastosowali wzorce zidentyfikowane przez sztuczną inteligencję do mikrobiomów pozostałych 10 proc. osób, których wieku nie oznaczono. Ich wiek można było ustalić z błędem zaledwie czterech lat.

Co to znaczy „edytować” swój mikrobiom i żyć w pokoju? Niestety, nawet najwięksi entuzjaści nauki o mikrobiomie twierdzą, że do tej pory trudno jest wyciągnąć trafne wnioski na temat związku między mikrobiomem a zdrowiem człowieka i twierdzą, że należy zachować szczególną ostrożność przy przejściu na leczenie przeszczepami bakteryjnymi.

Wiele osób zachwyca się obecnie potencjałem wykorzystania mikrobioty jako leku, mówi Paul Wilms z Uniwersytetu Luksemburskiego, zauważając, że firmy farmaceutyczne opracowują nowe probiotyki w celu zrównoważenia mikrobiomu.

„Zanim będziemy mogli zrobić to naprawdę dobrze i inteligentnie”, mówi Wilms, „musimy szczegółowo zrozumieć, czym jest zdrowy mikrobiom i jak dokładnie wpływa na ludzkie ciało. Myślę, że wciąż jesteśmy od tego bardzo daleko.”

Mikroby w nas

  • okrężnica - 38 trylionów
  • tablica - 1 trylion
  • skóra - 180 miliardów
  • ślina - 100 miliardów
  • jelito cienkie - 40 miliardów
  • żołądek - 9 milionów

Zobacz mikrobiom

Wszystkie obrazy w tym artykule zostały wykonane przez Martina Eggerly'ego przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego: próbki zostały wysuszone, natryśnięte na nie atomy złota i umieszczone w komorze próżniowej. Długość fali wiązki elektronów mikroskopu jest krótsza niż światło widzialne, więc wiązka „podświetla” najmniejsze obiekty, ale poza spektrum barw. W tych barwach barwione drobnoustroje, których kolor jest znany, w innych przypadkach wybierał inną gamę, aby można było odróżnić drobnoustroje i ich charakterystyczne cechy.

Zalecana: