Kvintilion mikroba u osobi definira našu bit

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

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

Ovise li virusi, bakterije, jednostanične gljive i drugi organizmi koji žive u plućima i crijevima, koži i očnim jabučicama doista o našem zdravlju i dobrobiti? Nije li previše čudno vjerovati da mikroskopska stvorenja koja nosimo u sebi i na sebi, na mnogo načina određuju samu našu bit?

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

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

Zaključci do kojih su došli Anna-Katariina Aatsinki i njezini kolege sa Sveučilišta Turku u Finskoj temelje se na analizi uzoraka stolice 301 bebe. Ona djeca koja su imala više bifidobakterija nakon dva mjeseca imala su veću vjerojatnost 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 opsega, a uključivala je samo desetke miševa ili ljudi. Znanstvenici su otkrili definitivnu vezu između stanja mikrobioma i raznih bolesti, ali još nisu uspjeli identificirati jasne uzročno-posljedične veze između određenih stanovnika gusto naseljenog "unutarnjeg svijeta" osobe i njegovog zdravlja.

Čak je i broj tih stanovnika nevjerojatan: danas se vjeruje da oko 38 kvintiliona (1012) mikroba živi u tijelu običnog mladića - to je čak i više od njihovih vlastitih ljudskih stanica. Ako naučimo razumjeti kako raspolagati 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 (spojevi koji djeluju kao supstrat na kojem se mogu razmnožavati korisne bakterije), probiotika (same te bakterije) ili putem izmeta. 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 s vanjskim svijetom: oči, uši, nos, usta, anus, genitourinarni sustav. Osim toga, klice su prisutne na bilo kojem komadu kože, posebno u pazuhu, međici, između nožnih prstiju i u pupku.

I evo što je stvarno nevjerojatno: svatko od nas ima jedinstveni skup mikroba koje nitko drugi nema. Danas se, prema Robu Knightu iz Centra za mikrobiomske inovacije na Sveučilištu u Kaliforniji (San Diego), već može tvrditi da se vjerojatnost pojave dvoje ljudi s istim skupom vrsta u mikrobiomima približava nuli. Jedinstvenost mikrobioma mogla bi se iskoristiti u forenzici, rekao je Knight. “Tko god je dotaknuo predmet, prati ga mikrobiomski 'otisak prsta' koji je ostavljen 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 ćemo članku podijeliti neka od značajnih otkrića znanstvenika koji su proučavali mikrobiom i kako on utječe na nas od djetinjstva do starosti.

djetinjstvo

Fetus u maternici je praktički sterilan. Provlačeći se kroz porođajni kanal, susreće bezbroj bakterija. Tijekom normalnog poroda bebu „isperu“mikrobi koji žive u rodnici; osim toga, na njega dospiju crijevne bakterije majke. Ti mikrobi odmah počinju naseljavati vlastita crijeva, ulazeći u svojevrsnu komunikaciju s imunološkim sustavom u razvoju. Dakle, već u najranijim fazama svog postojanja, mikrobiom priprema imunološki sustav za pravilno funkcioniranje u budućnosti.

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

Paul Wilms iz Centra za sistemsku medicinu Sveučilišta u Luksemburgu objavio je 2018. rezultate istraživanja 13 prirodno rođenih beba i 18 kirurški rođenih beba. Wilms i suradnici analizirali su stolicu novorođenčadi i njihovih majki, kao i briseve rodnice trudnica. "Cezarovi" su imali znatno manje bakterija koje proizvode lipopolisaharide i time potiču razvoj imunološkog sustava. Malo je takvih mikroba ostalo barem pet dana nakon rođenja – to je, prema Wilmsovim riječima, dovoljno da dovede do dugoročnih posljedica za imunitet.

Nakon nekog vremena, obično do prvog rođendana, mikrobiomi djece u obje skupine stječu sličnosti. Međutim, prema Wilmsu, razlika uočena u prvim danima života znači da u tijelu beba rođenih carskim rezom možda neće proći primarna imunizacija, tijekom koje imunološke stanice uče pravilno reagirati na vanjske utjecaje. To vjerojatno objašnjava zašto je kod ove djece veća vjerojatnost da će razviti razne probleme vezane uz funkcioniranje imunološkog sustava, uključujući alergije, upale i pretilost. Prema Wilmsovim riječima, u budućnosti će možda "Cezarovci" dobiti probiotike, stvorene na bazi sojeva majčinih bakterija, kako bi svoj probavni sustav naselili korisnim mikrobima.

Djetinjstvo

Alergije na hranu postale su 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 kolega iz razreda ne bi došlo do alergijske reakcije. U SAD-u 5,6 milijuna djece pati od alergija na hranu, odnosno u svakom razredu ima barem dvoje do troje takve djece.

Navode se razni razlozi koji bi mogli dovesti do širenja alergija, uključujući povećanje broja beba rođenih carskim rezom, te prekomjerno korištenje antibiotika koji mogu uništiti bakterije koje nas štite. Katherine Nagler i njezini kolege sa Sveučilišta u Chicagu odlučili su testirati je li širenje alergija na hranu među djecom povezano sa sastavom njihova mikrobioma. Prošle godine objavili su rezultate istraživanja u kojem je sudjelovalo osam šestomjesečnih djece, od kojih je polovica bila alergična na kravlje mlijeko. Pokazalo se da su mikrobiomi predstavnika dviju skupina prilično različiti: u crijevima zdravih beba nalazile su se bakterije tipične za pravilno razvijajuću djecu njihove dobi, a bakterije koje su karakterističnije za odrasle pronađene su kod oboljelih od kravlje bolesti. alergije na mlijeko.

Kod alergične djece, rekao je Nagler, obično spori prijelaz s mikrobioma djetinjstva na odraslu osobu "događao se nenormalnom brzinom".

Nagler i njezini kolege transplantirali su (koristeći fekalne transplantacije) crijevne bakterije "svojih" beba u miševe, rođene carskim rezom i odgojene 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 pokazala su da su glavnu ulogu u zaštiti prve skupine miševa, očito, imale bakterije jedne vrste, pronađene samo u djece: Anaerostipes caccae iz skupine Clostridia. Clostridia također sprječava alergije na kikiriki, otkrili su Nagler i njezini 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 četa korisnih bakterija. Čak i u nezdravom mikrobiomu, kaže Nagler, sve su niše već popunjene; tako da da bi se klostridija ukorijenila na novom mjestu, trebate istjerati dosadašnje stanovnike. Stoga je ClostraBio stvorio lijek koji čisti određenu nišu u mikrobiomu. Nagler i njegovi kolege to "propisuju" miševima, a potom im ubrizgavaju nekoliko vrsta klostridija, kao i dijetalna vlakna koja pospješuju razmnožavanje mikroba. Nagler se nada da će u sljedeće dvije godine započeti klinička ispitivanja Clostridije kod ljudi 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 znanstvenici analizirali uzorke stolice od 93 djece čiji su rođaci bolovali od dijabetesa i otkrili da su oni od njih koji su kasnije razvili bolest imali povećanu razinu enterovirusa A u stolici. Međutim, jedan od eksperimentatora, W. Ian Lipkin iz Meilmanovskaya School of Public Health na Sveučilištu Columbia, upozorava kolege da ne donose prenagljene zaključke da su uzroci određenih bolesti isključivo posljedica razlika u mikrobiomu. “Sve što sigurno znamo”, kaže on, “je da su određeni mikrobi na neki način povezani s određenim bolestima.”

Ipak, Lipkin je oduševljen budućnošću znanosti o mikrobiomu. Prema njegovoj prognozi, tijekom sljedećih pedeset godina znanstvenici 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 – a čini se da postoji fenomen koji se naziva “mikrobiom lojnica”. Koža momaka posebno je dobrodošla za dvije vrste bakterije Cutibacterium acnes povezane s aknama. Većina sojeva ove bakterije su sigurni ili čak korisni jer inhibiraju rast patogenih mikroba; zapravo, ova bakterija je glavna komponenta normalnog mikrobioma lica i vrata.

Međutim, loš soj može učiniti mnogo štete: njegova je prisutnost, prema Amandi Nelson, dermatologinji s Medicinskog fakulteta Sveučilišta Pennsylvania, jedan od preduvjeta za razvoj upale. Među ostalim razlozima za razvoj bolesti znanstvenici nazivaju sebum (koji proizvode žlijezde lojnice za vlaženje kože), koji služi kao plodno tlo za C. acnes, folikule dlake i sklonost upalama. Sve funkcionira zajedno, a prema Nelsonovim riječima, još ne znamo što je važnije.

Istraživači s Medicinskog fakulteta Sveučilišta u Washingtonu ispitali su mikrobiom žlijezda lojnica 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 znanstvenici naučili da izotretinoin djeluje mijenjajući sastav mikrobioma, mogli bi pokušati stvoriti druge lijekove s istim učinkom, ali nadamo se sigurnijim - uostalom, izotretinoin može dovesti do urođenih mana kod djece ako su majke uzimale lijek tijekom tijekom trudnoće.

Zrelost

Što ako možete učiniti više sa svojim treninzima jednostavnim posuđivanjem crijevnih mikroba sportaša? Ovo pitanje postavili su znanstvenici sa Sveučilišta Harvard. Tijekom dva tjedna prikupljali su dnevne uzorke stolice od 15 trkača koji su sudjelovali na Bostonskom maratonu 2015. - počevši tjedan dana prije utrke i završivši tjedan dana kasnije - i uspoređivali ih s uzorcima stolice prikupljenim od deset osoba u kontrolnoj skupini također tijekom dvije tjedna.ne trči. Istraživači su otkrili da su nekoliko dana nakon maratona uzorci uzeti od trkača sadržavali znatno više bakterija Veillonella atypica od onih iz kontrolne skupine.

“Ovo otkriće puno objašnjava jer Veilonella ima jedinstven metabolizam: njezin omiljeni izvor energije je laktat, sol mliječne kiseline”, kaže Aleksandar Kostić iz Joslin Diabetes Research Center i Harvard Medical School. "I pomislili smo: možda Veilonella razgrađuje mišićni laktat u tijelu sportaša?" I, ako je to doista tako, je li moguće, uvođenjem njegovih sojeva ljudima daleko od profesionalnog sporta, povećati njihovu izdržljivost?

Zatim su se znanstvenici uhvatili u koštac s laboratorijskim miševima: Veilonela, izolirana iz izmeta jednog od trkača, ubrizgana je u 16 miševa s normalnim mikrobiomom testiranim na patogene. Ispitanici su zatim stavljeni na traku za trčanje i prisiljeni trčati dok se ne iscrpe. Isto je učinjeno sa 16 kontrolnih miševa; samo što su im ubrizgane bakterije koje ne troše laktat. Kako se pokazalo, miševi "zaraženi" Veilonelom trčali su puno dulje 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 uspijeva kada osoba, njezin nositelj, kao rezultat tjelesne aktivnosti proizvodi laktat kojim se hrani, a zauzvrat koristi osobi pretvarajući laktat u propionat, što utječe na rad domaćina, jer, između ostalog,, povećava učestalost kontrakcija srca i poboljšava metabolizam kisika, a također, eventualno, sprječava razvoj upale u mišićima.

"Čini se da ova vrsta odnosa leži u osnovi većine interakcija između ljudi i mikrobioma", objašnjava Kostich. "U konačnici, odnos između njih je toliko obostrano koristan."

Mikrobiom također može biti odgovoran za manje ugodne značajke ljudske prirode, uključujući mentalna stanja kao što su anksioznost i depresija. Znanstvenici s Nacionalnog sveučilišta Irske u Corku objavili su 2016. rezultate istraživanja utjecaja mikrobioma na razvoj depresije. Istraživači su podijelili 28 laboratorijskih štakora u dvije skupine. Eksperimentalnoj skupini transplantirana je crijevna mikroflora od trojice muškaraca koji boluju od teške depresije, a kontrolnoj skupini - od tri zdrava muškarca.

Pokazalo se da je crijevni mikrobiom ljudi koji pate od depresije upao u depresiju i štakora. U usporedbi s kontrolnim životinjama, pokazali su gubitak interesa za aktivnosti koje donose zadovoljstvo (kod štakora to je određeno koliko često žele piti slatku vodu), te povećanu anksioznost izraženu u želji da izbjegavaju otvorene ili nepoznate prostore laboratorija. labirint.

S obzirom na veliku razliku između štakora i ljudi, znanstvenici primjećuju 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 uvelike se formira do četvrte godine, a samo vrlo značajni čimbenici mogu stvarno utjecati na nju - na primjer, promjena prehrane, intenzitet tjelesne aktivnosti ili vrijeme provedeno na otvorenom, preseljenje u novo mjesto stanovanja, korištenje antibiotika i nekih drugih lijekova. Međutim, u određenom smislu, mikrobiom se stalno mijenja, suptilno se mijenja sa svakim obrokom. U odraslih su te promjene toliko predvidljive da se vaša dob može grubo odrediti samo upoznavanjem sa skupom bakterija koje žive u crijevima.

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

Znanstvenici su, označavajući dob svojih nositelja, podatke o 90 posto mikrobioma podvrgli "računalnoj interpretaciji", a potom su uzorke identificirane umjetnom inteligencijom primijenili na mikrobiome preostalih deset posto ljudi čija dob nije bila označena. Bilo je moguće utvrditi njihovu starost s pogreškom od samo četiri godine.

Što znači "urediti" svoj mikrobiom i živjeti u miru? Jao, čak i najveći entuzijasti o mikrobiomskoj znanosti kažu da je teško donijeti točne zaključke o dosadašnjem odnosu mikrobioma i zdravlja ljudi te inzistiraju na tome da se pri prijelazu na liječenje bakterijskim transplantacijama mora posvetiti velika pažnja.

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

“Prije nego što to stvarno učinimo ispravno i inteligentno”, kaže Wilms, “moramo detaljno razumjeti što je zdrav mikrobiom i kako točno utječe na ljudsko tijelo. Mislim da smo još jako daleko od toga."

Mikrobi u nama

• debelo crijevo - 38 kvintiliona
• plaketa - 1 kvintilion
• koža - 180 mlrd
• sline - 100 milijardi
• tanko crijevo - 40 mlrd
• želudac - 9 milijuna

Vidi 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. Valna duljina snopa elektrona mikroskopa je kraća od vidljive svjetlosti, pa snop "istakne" najmanje objekte, ali izvan spektra boja. Eggerly obojeni mikrobi, čija je boja poznata, u tim bojama, u drugim slučajevima birao je drugačiji raspon kako bi se mogli razlikovati mikrobi i njihova karakteristična svojstva.