Kvintilion mikroba u čovjeku definira našu suštinu

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

Što više naučnici proučavaju mikrobe koji žive u ljudskom tijelu, to više saznaju o snažnom utjecaju ovih mrvica na naš izgled, ponašanje, pa i na način razmišljanja i osjećanja.

Da li virusi, bakterije, jednostanične gljivice i drugi organizmi koji žive u plućima i crijevima, koži i očnim jabučicama zaista ovise o našem zdravlju i dobrobiti? Nije li previše čudno vjerovati da mikroskopska stvorenja koja nosimo u sebi i na sebi, na mnogo načina određuju našu suštinu?

Utjecaj mikrobioma - to je naziv ovog mini-zoološkog vrta - može biti fundamentalan već u ranim fazama razvoja.

Jedna od studija, čiji su rezultati objavljeni prošle godine, pokazuje da čak i naizgled urođena kvaliteta poput temperamenta novorođenčeta može ovisiti o tome pripada li većina bakterija u njegovim crijevima istom rodu: što je više bifidobakterija, to je vedrije dijete..

Zaključci do kojih su došli Anna-Katariina Aatsinki i njene kolege sa Univerziteta Turku u Finskoj zasnovani su na analizi uzoraka stolice 301 bebe. Ona djeca koja su imala više bifidobakterija nakon dva mjeseca imala su veću vjerovatnoću da će pokazati "pozitivne emocije", kako su istraživači utvrdili, sa šest mjeseci.

Proučavanje mikrobioma počelo je relativno nedavno - zapravo, prije samo 15 godina. To znači da je većina dosadašnjih istraživanja bila preliminarna i skromnog obima, uključujući samo desetine miševa ili ljudi. Naučnici su pronašli definitivnu vezu između stanja mikrobioma i raznih bolesti, ali još nisu uspjeli identificirati jasne uzročno-posljedične veze između određenih stanovnika gusto naseljenog "unutrašnjeg svijeta" osobe i njegovog zdravlja.

Čak je i broj ovih stanovnika nevjerovatan: danas se vjeruje da oko 38 kvintiliona (1012) mikroba živi u tijelu običnog mladog čovjeka - to je čak i više od njihovih vlastitih ljudskih ćelija. Ako naučimo da razumijemo kako da raspolažemo ovim - vlastitim - bogatstvom, pred nama će se otvoriti fascinantni izgledi.

Prema optimistima, u bliskoj budućnosti će postati uobičajeno da se čovjeku ubrizgavaju zdravi kompleksi mikroba u obliku prebiotika (spoji koji djeluju kao supstrat na kojem se mogu razmnožavati korisne bakterije), probiotika (same te bakterije) ili putem fekalija. transplantacija (transplantacija bogatog crijevnog mikrobioma od donora) - kako bi se osjećao zdravim.

Kada se govori o mikrobiomu, prije svega misli na stanovnike gastrointestinalnog trakta, koji čine 90 posto naših mikroorganizama. Međutim, drugi organi vrve od života: mikrobi ispunjavaju bilo koji dio tijela koji je u kontaktu sa vanjskim svijetom: oči, uši, nos, usta, anus, genitourinarni sistem. Osim toga, klice su prisutne na bilo kojem komadu kože, posebno u pazuhu, perineumu, između nožnih prstiju i u pupku.

A evo šta je zaista nevjerovatno: svako od nas ima jedinstven skup mikroba koje niko drugi nema. Danas, prema Robu Knightu iz Centra za mikrobiomske inovacije na Univerzitetu Kalifornije (San Diego), već se može tvrditi da se vjerovatnoća dvoje ljudi s istim skupom vrsta u mikrobiomima približava nuli. Jedinstvenost mikrobioma mogla bi se iskoristiti u forenzici, rekao je Knight. „Ko god je dodirnuo neki predmet, prati ga mikrobiomski 'otisak prsta' koji ostaje na koži osobe“, objašnjava on. Pa, jednog dana, istražitelji će, u potrazi za dokazima, početi prikupljati uzorke mikroba koji žive na koži, baš kao što to danas rade za otiske prstiju.

U ovom članku ćemo podijeliti neka od značajnih otkrića naučnika koji su proučavali mikrobiom i kako on utječe na nas od djetinjstva do starosti.

djetinjstvo

Fetus u maternici je praktično sterilan. Provlačeći se kroz porođajni kanal, susreće bezbroj bakterija. Tokom normalnog porođaja, bebu "peru" mikrobi koji žive u vagini; osim toga, crijevne bakterije majke dospiju na njega. Ovi mikrobi odmah počinju naseljavati vlastita crijeva, ulazeći u neku vrstu komunikacije sa imunološkim sistemom koji se razvija. Dakle, već u najranijim fazama svog postojanja, mikrobiom priprema imuni sistem da pravilno funkcioniše u budućnosti.

Ako se beba rodi carskim rezom, nema kontakta s majčinim bakterijama, a drugi mikroorganizmi koloniziraju njegova crijeva – iz majčine kože i iz majčinog mlijeka, iz ruku medicinske sestre, čak i iz bolničkog platna. Takav strani mikrobiom može zakomplikovati čitav budući život osobe.

Paul Wilms iz Centra za sistemsku medicinu Univerziteta u Luksemburgu objavio je 2018. rezultate studije o 13 prirodno rođenih beba i 18 beba rođenih hirurškim putem. Wilms i kolege analizirali su stolicu novorođenčadi i njihovih majki, kao i vaginalne briseve porodilja. "Cezarovi" su imali znatno manje bakterija koje proizvode lipopolisaharide i time podstiču razvoj imunog sistema. Malo je takvih mikroba preostalo najmanje pet dana nakon rođenja - to je, prema Wilmsovim riječima, dovoljno da dovede do dugoročnih posljedica po imunitet.

Nakon nekog vremena, obično do prvog rođendana, mikrobiomi djece u obje grupe stiču sličnosti. Međutim, prema Wilmsu, razlika uočena u prvim danima života znači da u organizmu beba rođenih carskim rezom možda neće proći primarna imunizacija, tokom koje imune ćelije nauče da pravilno reaguju na spoljašnje uticaje. Ovo vjerovatno objašnjava zašto je kod ove djece veća vjerovatnoća da će razviti različite probleme vezane za funkcionisanje imunološkog sistema, uključujući alergije, upale i gojaznost. Prema Wilmsovim riječima, u budućnosti će možda "Cezarovci" dobiti probiotike, stvorene na bazi sojeva majčinih bakterija, kako bi svoj probavni sistem naselili korisnim mikrobima.

djetinjstvo

Alergije na hranu su postale toliko česte da su neke škole uvele ograničenja na hranu koju djeca mogu ponijeti od kuće (na primjer, ne smiju ponijeti pločice od kikirikija ili sendviče s džemom) kako kod nekih drugova iz razreda ne bi došlo do alergijske reakcije. U Sjedinjenim Državama 5,6 miliona djece pati od alergija na hranu, odnosno u svakom razredu ima najmanje dvoje do troje takve djece.

Navodi se niz razloga koji bi mogli dovesti do širenja alergija, uključujući povećanje broja beba rođenih carskim rezom, te prekomjerna upotreba antibiotika koji mogu uništiti bakterije koje nas štite. Ketrin Nagler i njene kolege sa Univerziteta u Čikagu odlučile su da testiraju da li je širenje alergija na hranu među decom povezano sa sastavom njihovog mikrobioma. Prošle godine su objavili rezultate studije u kojoj je učestvovalo osam šestomjesečnih beba, od kojih je polovina bila alergična na kravlje mlijeko. Pokazalo se da su mikrobiomi predstavnika ove dvije grupe prilično različiti: u crijevima zdravih beba nalazile su se bakterije tipične za pravilno razvijajuću djecu njihovog uzrasta, a bakterije koje su karakterističnije za odrasle pronađene su kod oboljelih od kravlje bolesti. alergije na mleko.

Kod alergične djece, rekao je Nagler, obično spora tranzicija iz mikrobioma djetinjstva u odraslu osobu "događala se nenormalnom brzinom".

Nagler i njene kolege transplantirale su (koristeći fekalne transplantacije) crijevne bakterije "svojih" beba u miševe, rođene carskim rezom i odgajane u sterilnim uvjetima, odnosno potpuno bez mikroba. Ispostavilo se da samo miševi presađeni od zdravih beba nisu pokazali alergijsku reakciju na kravlje mlijeko. Drugi su, kao i njihovi donatori, postali alergični.

Daljnja istraživanja su pokazala da su glavnu ulogu u zaštiti prve grupe miševa, po svemu sudeći, imale bakterije jedne vrste, pronađene samo kod djece: Anaerostipes caccae iz grupe Clostridia. Klostridija takođe sprečava alergije na kikiriki, otkrili su Nagler i njene kolege u jednoj studiji.

Nagler, predsjednik i suosnivač farmaceutskog startupa ClostraBio sa sjedištem u Chicagu, nada se da će testirati terapeutski potencijal Anaerostipes caccae kod laboratorijskih miševa, a zatim i kod alergičnih ljudi. Prvi zadatak je bio pronaći mjesto u crijevima gdje bi se mogla iskrcati trupa korisnih bakterija. Čak iu nezdravom mikrobiomu, kaže Nagler, sve su niše već popunjene; tako da da bi se klostridija ukorijenila na novom mjestu, morate istjerati prethodne stanovnike. Stoga je ClostraBio kreirao lijek koji čisti određenu nišu u mikrobiomu. Nagler i njegove kolege to "propisuju" miševima, a zatim im ubrizgavaju nekoliko vrsta klostridija, kao i dijetalna vlakna koja pospješuju razmnožavanje mikroba. Nagler se nada da će u naredne dvije godine započeti klinička ispitivanja klostridije na ljudima i na kraju stvoriti lijek za djecu s alergijama na hranu.

Crijevni mikrobi također mogu biti povezani s drugim bolestima kod djece, uključujući dijabetes tipa I. U Australiji su naučnici analizirali uzorke stolice od 93 djece čiji su rođaci patili od dijabetesa i otkrili da su oni od njih koji su kasnije razvili bolest imali povećan nivo enterovirusa A u stolici. Međutim, jedan od eksperimentatora, W. Ian Lipkin iz Meilmanovskaya Škola javnog zdravlja na Univerzitetu Kolumbija, upozorava kolege da ne donose prenagljene zaključke da su uzroci određenih bolesti isključivo zbog razlika u mikrobiomu. “Sve što sigurno znamo,” kaže on, “je da su određeni mikrobi na neki način povezani s određenim bolestima.”

Ipak, Lipkin je entuzijastičan u pogledu budućnosti nauke o mikrobiomu. Prema njegovoj prognozi, u narednih pedeset godina naučnici će otkriti mehanizam djelovanja mikrobioma na tijelo i započeti klinička ispitivanja na ljudima kako bi pokazali kako se zdravlje može poboljšati "uređivanjem" mikrobioma.

Mladost

Mnogi adolescenti imaju predispoziciju za pojavu akni - i čini se da postoji fenomen koji se zove "mikrobiom lojnica". Koža momaka je posebno dobrodošla za dva soja bakterije Cutibacterium acnes povezane s aknama. Većina sojeva ove bakterije je sigurna ili čak korisna jer inhibira rast patogenih mikroba; u stvari, ova bakterija je glavna komponenta normalnog mikrobioma lica i vrata.

Međutim, loš soj može učiniti mnogo štete: njegovo prisustvo, prema Amandi Nelson, dermatologu sa Medicinskog fakulteta Univerziteta u Pensilvaniji, jedan je od preduslova za razvoj upale. Među ostalim razlozima za razvoj bolesti, naučnici nazivaju sebum (koji proizvode žlijezde lojnice za vlaženje kože), koji služi kao plodno tlo za C. akne, folikule dlake i sklonost upalama. Sve to funkcionira zajedno, a prema Nelsonovim riječima, još ne znamo šta je važnije.

Istraživači sa Medicinskog fakulteta Univerziteta u Washingtonu ispitali su mikrobiom lojnih žlijezda i otkrili da jedini dugotrajni lijek za akne, izotretinoin (poznat pod različitim trgovačkim nazivima), djelomično djeluje tako što mijenja mikrobiom kože, povećavajući ukupnu raznolikost mikrobi, među kojima se teže ukorijenjuju štetni sojevi.

Sada kada su naučnici naučili da izotretinoin djeluje tako što mijenja sastav mikrobioma, mogli bi pokušati stvoriti druge lijekove sa istim učinkom, ali nadamo se sigurnijim - na kraju krajeva, izotretinoin može dovesti do urođenih mana kod djece ako su majke uzimale lijek tokom tokom trudnoće.

Zrelost

Šta ako možete učiniti više sa svojim treninzima jednostavnim pozajmljivanjem crijevnih mikroba sportiste? Ovo pitanje postavili su naučnici sa Univerziteta Harvard. Dvije sedmice prikupljali su dnevne uzorke stolice od 15 trkača koji su učestvovali na Bostonskom maratonu 2015. – počevši sedmicu prije trke i završivši sedmicu kasnije – i upoređivali ih sa uzorcima stolice prikupljenim od deset ljudi u kontrolnoj grupi, također tokom dvije sedmice. ne trči. Istraživači su otkrili da su nekoliko dana nakon maratona uzorci uzeti od trkača sadržavali značajno više bakterija Veillonella atypica od onih iz kontrolne grupe.

„Ovo otkriće objašnjava mnogo toga, jer Veilonela ima jedinstven metabolizam: njen omiljeni izvor energije je laktat, so mlečne kiseline“, kaže Aleksandar Kostić iz Džoslin centra za istraživanje dijabetesa i Medicinskog fakulteta Harvard. “I pomislili smo: možda Veilonela razlaže mišićni laktat u tijelu sportiste?” I, ako je to zaista tako, da li je moguće, uvođenjem njegovih sojeva ljudima daleko od profesionalnog sporta, povećati njihovu izdržljivost?

Zatim su se naučnici pozabavili laboratorijskim miševima: Veilonela, izolirana iz fecesa jednog od trkača, ubrizgana je u 16 miševa s normalnim mikrobiomom testiranim na patogene. Subjekti su zatim stavljeni na traku za trčanje i prisiljeni da trče dok se ne iscrpe. Isto je urađeno sa 16 kontrolnih miševa; samo su im ubrizgane bakterije koje ne troše laktat. Kako se ispostavilo, miševi "inficirani" Veilonelom trčali su mnogo duže od kontrolnih životinja, što znači, vjeruju istraživači, da mikrobiom može igrati ključnu ulogu u održavanju performansi.

Prema Kostichu, ovaj eksperiment je "divan primjer onoga što nam daje simbioza". Veilonela napreduje kada osoba, njen nosilac, kao rezultat fizičke aktivnosti proizvodi laktat kojim se hrani, a zauzvrat koristi osobi pretvarajući laktat u propionat, što utiče na performanse domaćina, jer između ostalog, povećava učestalost kontrakcija srca i poboljšava metabolizam kiseonika, a takođe, eventualno, sprečava razvoj upale u mišićima.

„Čini se da ova vrsta odnosa leži u osnovi većine interakcija između ljudi i mikrobioma“, objašnjava Kostich. “Na kraju krajeva, odnos između njih je toliko obostrano koristan.”

Mikrobiom može biti odgovoran i za manje prijatne karakteristike ljudske prirode, uključujući mentalna stanja kao što su anksioznost i depresija. 2016. godine naučnici sa Nacionalnog univerziteta Irske u Korku objavili su rezultate studije o uticaju mikrobioma na razvoj depresije. Istraživači su podijelili 28 laboratorijskih pacova u dvije grupe. Eksperimentalnoj grupi transplantirana je crijevna mikroflora od trojice muškaraca koji boluju od teške depresije, a kontrolnoj grupi od tri zdrava muškarca.

Ispostavilo se da je crijevni mikrobiom ljudi koji pate od depresije upao u depresiju i pacova. U poređenju sa kontrolnim životinjama, pokazali su gubitak interesa za aktivnosti koje donose zadovoljstvo (kod štakora je to određeno koliko često žele da piju slatku vodu), i povećanu anksioznost, izraženu u želji da izbegavaju otvorene ili nepoznate prostore laboratorije. labirint.

S obzirom na veliku razliku između pacova i ljudi, istraživači napominju da njihova studija pruža nove dokaze da mikrobiom crijeva može igrati ulogu u depresiji. Prije ili kasnije, kažu, može doći dan kada će se boriti protiv depresije i drugih sličnih poremećaja, uključujući i ciljanje određenih bakterija u ljudskom tijelu.

Starost

Mikrobiom je istovremeno i elastičan i fluidan. Njegova jedinstvena struktura se u velikoj mjeri formira do četvrte godine, a samo vrlo značajni faktori mogu stvarno utjecati na nju - na primjer, promjena u ishrani, intenzitet fizičke aktivnosti ili vrijeme provedeno na otvorenom, preseljenje u novo mjesto stanovanja, upotreba antibiotika i nekih drugih lijekova. Međutim, u određenom smislu, mikrobiom se stalno mijenja, suptilno se mijenja sa svakim obrokom. Kod odraslih su ove promjene toliko predvidljive da se vaše godine mogu grubo odrediti samo upoznavanjem sa skupom bakterija koje žive u crijevima.

Ova tehnika, poznata kao "određivanje starosti pomoću mikrobiomskog sata starenja", zahtijeva pomoć umjetne inteligencije, kao što je to u eksperimentu koji je nedavno proveo startup sa sjedištem u Hong Kongu Insilico Medicine. Naučnici su prikupili informacije o mikrobiomima 1165 ljudi iz Evrope, Azije i Sjeverne Amerike. Trećina njih je bila 20-30 godina, druga trećina - 40-50, a posljednja - 60-90 godina.

Naučnici su, označavajući starost svojih nosilaca, podatke o 90 posto mikrobioma podvrgli "kompjuterskoj interpretaciji", a zatim su uzorke identificirane umjetnom inteligencijom primijenili na mikrobiome preostalih deset posto ljudi čija starost nije bila označena. Bilo je moguće utvrditi njihovu starost sa greškom od samo četiri godine.

Šta znači "urediti" svoj mikrobiom i živjeti u miru? Nažalost, čak i najveći entuzijasti nauke o mikrobiomu kažu da je teško izvući točne zaključke o dosadašnjem odnosu mikrobioma i zdravlja ljudi i insistiraju na tome da se mora voditi računa o prelasku na liječenje bakterijskim transplantacijama.

Mnogi su sada oduševljeni potencijalom da se mikrobiota koristi kao lijek, kaže Paul Wilms sa Univerziteta u Luksemburgu, napominjući da farmaceutske kompanije razvijaju nove probiotike kako bi uravnotežili mikrobiom.

„Prije nego što to zaista učinimo ispravno i inteligentno“, kaže Wilms, „moramo detaljno razumjeti šta je zdrav mikrobiom i kako tačno utiče na ljudsko tijelo. Mislim da smo još jako daleko od toga."

Mikrobi u nama

• debelo crijevo - 38 kvintiliona
• plaketa - 1 kvintilion
• koža - 180 milijardi
• pljuvačke - 100 milijardi
• tanko crevo - 40 milijardi
• stomak - 9 miliona

Pogledajte mikrobiom

Sve slike u ovom članku snimio je Martin Eggerly pomoću skenirajućeg elektronskog mikroskopa: uzorci su osušeni, atomi zlata su raspršeni na njih i stavljeni u vakuumsku komoru. Talasna dužina snopa elektrona mikroskopa je kraća od vidljive svjetlosti, tako da snop "istakne" najmanje objekte, ali izvan spektra boja. Eggerly obojeni mikrobi, čija je boja poznata, u ovim bojama, u drugim slučajevima birao je drugačiji raspon kako bi se mogli razlikovati mikrobi i njihova karakteristična svojstva.