Kvintilion mikrobů v člověku definuje naši podstatu

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Čím více vědci zkoumají mikroby žijící v lidském těle, tím více se dozvídají o mocném vlivu těchto drobků na náš vzhled, chování, dokonce i na způsob myšlení a cítění.

Opravdu závisí viry, bakterie, jednobuněčné houby a další organismy, které žijí v plicích a střevech, kůži a očních bulvách na našem zdraví a pohodě? Není to příliš zvláštní věřit, že mikroskopická stvoření, která v sobě a na sobě nosíme, v mnohém určují naši samotnou podstatu?

Vliv mikrobiomu - tak se tato minizoo jmenuje - může být zásadní již v raných fázích vývoje.

Jedna ze studií, jejíž výsledky byly zveřejněny v loňském roce, ukazuje, že i zdánlivě vrozená vlastnost, jako je temperament kojence, může záviset na tom, zda většina bakterií v jeho střevech patří do stejného rodu: čím více bifidobakterií, tím veselejší dítě.

Závěry, ke kterým dospěla Anna-Katariina Aatsinki a její kolegové z University of Turku ve Finsku, jsou založeny na analýze vzorků stolice od 301 miminek. U dětí, které měly více bifidobakterií ve dvou měsících, byla větší pravděpodobnost, že budou vykazovat „pozitivní emoce“, jak vědci zjistili, v šesti měsících.

Studium mikrobiomu začalo relativně nedávno – ve skutečnosti teprve před 15 lety. To znamená, že většina dosavadního výzkumu byla předběžná a rozsahem skromná a zahrnovala pouze desítky myší nebo lidí. Vědci našli definitivní vztah mezi stavem mikrobiomu a různými nemocemi, ale zatím nebyli schopni identifikovat jasné příčinné a důsledkové vztahy mezi konkrétními obyvateli hustě osídleného „vnitřního světa“člověka a jeho zdravím.

I počet těchto obyvatel je úžasný: dnes se má za to, že v těle obyčejného mladého muže žije asi 38 kvintilionů (1012) mikrobů - to je ještě více než jejich vlastní lidské buňky. Naučíme-li se chápat, jak s tímto – naším vlastním – bohatstvím nakládat, otevřou se před námi fascinující vyhlídky.

Podle optimistů se v blízké budoucnosti stane běžnou praxí píchnout do člověka zdravé komplexy mikrobů ve formě prebiotik (sloučeniny, které fungují jako substrát, na kterých se mohou množit prospěšné bakterie), probiotik (samotné tyto bakterie) nebo stolice. transplantace (transplantace bohatého střevního mikrobiomu od dárců) - aby se cítil zdravý.

Když se mluví o mikrobiomu, myslí se tím především obyvatelé trávicího traktu, kteří tvoří 90 procent našich mikroorganismů. Jiné orgány se však hemží životem: mikroby zaplňují jakoukoli část těla, která je v kontaktu s vnějším světem: oči, uši, nos, ústa, konečník, urogenitální systém. Kromě toho jsou choroboplodné zárodky přítomny na jakémkoli kousku kůže, zejména v podpaží, hrázi, mezi prsty a v pupku.

A tady je to, co je opravdu úžasné: každý z nás má jedinečnou sadu mikrobů, kterou nemá nikdo jiný. Dnes už lze podle Roba Knighta z Centra pro inovace mikrobiomů na Kalifornské univerzitě (San Diego) tvrdit, že pravděpodobnost výskytu dvou lidí se stejným souborem druhů v mikrobiomech se blíží nule. Jedinečnost mikrobiomu by mohla být využita ve forenzní analýze, řekl Knight. „Kdo se dotkl předmětu, je sledován mikrobiom 'otiskem prstu', který zanechá na kůži člověka,“vysvětluje. Jednou začnou vyšetřovatelé při hledání důkazů sbírat vzorky mikrobů žijících na kůži, stejně jako to dnes dělají pro otisky prstů.

V tomto článku se podělíme o některé významné objevy vědců, kteří studovali mikrobiom a jak nás ovlivňuje od dětství až po stáří.

Dětství

Plod v děloze je prakticky sterilní. Když se protlačí porodními cestami, potká nespočet bakterií. Při normálním porodu je miminko „omýváno“mikroby, kteří žijí v pochvě; navíc se na něj dostanou střevní bakterie matky. Tyto mikroby okamžitě začnou osídlovat jeho vlastní střeva a vstupují do jakési komunikace s vyvíjejícím se imunitním systémem. Takže již v nejranějších fázích své existence mikrobiom připravuje imunitní systém na správné fungování v budoucnu.

Pokud se miminko narodí císařským řezem, nedochází ke kontaktu s bakteriemi matky a další mikroorganismy osidlují jeho střeva – z kůže matky i z mateřského mléka, z rukou sestry, dokonce i z nemocničního prádla. Takový cizí mikrobiom může člověku zkomplikovat celý budoucí život.

V roce 2018 zveřejnil Paul Wilms z Centra systémové medicíny na Lucemburské univerzitě výsledky studie 13 přirozeně narozených dětí a 18 chirurgicky narozených dětí. Wilms a kolegové analyzovali stolici novorozenců a jejich matek a také vaginální výtěry rodících žen. „Císařští“měli výrazně méně bakterií, které produkují lipopolysacharidy a tím stimulují rozvoj imunitního systému. Takových mikrobů zbývá minimálně pět dní po narození – to podle Wilmse stačí k dlouhodobým následkům na imunitu.

Po nějaké době, obvykle do prvních narozenin, získávají mikrobiomy dětí v obou skupinách podobnosti. Rozdíl pozorovaný v prvních dnech života však podle Wilmse znamená, že v těle miminek narozených císařským řezem nemusí projít primární imunizace, během níž se imunitní buňky naučí správně reagovat na vnější vlivy. To pravděpodobně vysvětluje, proč se u těchto dětí častěji vyvinou různé problémy související s fungováním imunitního systému, včetně alergií, zánětů a obezity. Podle Wilmse se možná v budoucnu „císařům“budou podávat probiotika, vytvořená na bázi kmenů mateřských bakterií, aby se jejich trávicí systém osídlil prospěšnými mikroby.

Dětství

Potravinové alergie se staly tak běžnými, že některé školy zavedly omezení na jídlo, které si děti mohou vzít z domova (např. nesmějí nosit arašídové tyčinky nebo sendviče s marmeládou), aby se u některých spolužáků alergie nerozvinula. Ve Spojených státech trpí potravinovými alergiemi 5,6 milionu dětí, to znamená, že v každé třídě jsou alespoň dvě až tři takové děti.

Uvádí se celá řada důvodů, které by mohly vést k šíření alergií, včetně nárůstu počtu dětí narozených císařským řezem a nadměrného užívání antibiotik, která mohou zničit bakterie, které nás chrání. Katherine Nagler a její kolegové z University of Chicago se rozhodli otestovat, zda šíření potravinových alergií mezi dětmi souvisí se složením jejich mikrobiomu. Loni zveřejnili výsledky studie, které se zúčastnilo osm šestiměsíčních dětí, z nichž polovina byla alergická na kravské mléko. Ukázalo se, že mikrobiomy zástupců obou skupin jsou zcela odlišné: ve střevech zdravých miminek byly bakterie typické pro správně se vyvíjející děti jejich věku a bakterie, které jsou charakteristické spíše pro dospělé, byly nalezeny u těch, kteří trpí kravskou alergie na mléko.

U alergických dětí, řekl Nagler, se obvykle pomalý přechod z dětského mikrobiomu do dospělého "vyskytoval abnormálně."

Nagler a její kolegové transplantovali (pomocí fekálních transplantací) střevní bakterie „svých“miminek myším narozeným císařským řezem a chovaným ve sterilních podmínkách, tedy zcela bez mikrobů. Ukázalo se, že pouze myši transplantované od zdravých miminek nevykazovaly alergickou reakci na kravské mléko. Jiní, stejně jako jejich dárci, se stali alergiky.

Další studie ukázaly, že hlavní roli v ochraně první skupiny myší zřejmě sehrály bakterie jednoho druhu, vyskytující se pouze u dětí: Anaerostipes caccae ze skupiny Clostridia. Clostridia také zabraňuje alergiím na arašídy, zjistili Nagler a její kolegové v jedné studii.

Nagler, prezident a spoluzakladatel farmaceutického startupu ClostraBio se sídlem v Chicagu, doufá, že otestuje terapeutický potenciál Anaerostipes caccae na laboratorních myších a poté na alergických lidech. Prvním úkolem bylo najít ve střevech místo, kam by se dala vysadit tlupa prospěšných bakterií. I v nezdravém mikrobiomu, říká Nagler, jsou všechny výklenky již zaplněny; aby Clostridia zakořenila na novém místě, musíte vyhnat předchozí obyvatele. ClostraBio proto vytvořilo lék, který vyčistí určitou mezeru v mikrobiomu. Nagler a jeho kolegové to „předepsali“myším a pak jim vstříkli několik druhů Clostridia a také vlákninu, která podporuje reprodukci mikrobů. Nagler doufá, že během příštích dvou let zahájí klinické studie Clostridia na lidech a nakonec vytvoří lék pro děti s potravinovými alergiemi.

Střevní mikroby mohou být u dětí spojeny i s jinými nemocemi, včetně cukrovky I. typu. V Austrálii vědci analyzovali vzorky stolice od 93 dětí, jejichž příbuzní trpěli cukrovkou, a zjistili, že u těch z nich, u kterých se onemocnění následně rozvinulo, se ve stolici zvýšila hladina enteroviru A. Nicméně jeden z experimentátorů, W. Ian Lipkin z Meilmanovskaja School of Public Health na Kolumbijské univerzitě varuje kolegy před ukvapenými závěry, že příčiny některých nemocí jsou způsobeny výhradně rozdíly v mikrobiomu. "Vše, co víme jistě," říká, "je, že určité mikroby jsou nějak spojeny s určitými nemocemi."

Přesto je Lipkin z budoucnosti vědy o mikrobiomech nadšený. Podle jeho prognózy vědci během příštích padesáti let odhalí mechanismus působení mikrobiomu na organismus a zahájí klinické studie na lidech, aby ukázali, jak lze zlepšit zdraví „úpravou“mikrobiomu.

Mládí

Mnoho dospívajících má predispozici k akné – a zdá se, že existuje fenomén zvaný „mazový mikrobiom“. Pokožka chlapů je obzvláště vítána vůči dvěma kmenům bakterií Cutibacterium acnes spojených s akné. Většina kmenů této bakterie je bezpečná nebo dokonce prospěšná, protože inhibuje růst patogenních mikrobů; ve skutečnosti je tato bakterie hlavní složkou normálního mikrobiomu obličeje a krku.

Špatný kmen však může hodně ublížit: jeho přítomnost je podle dermatologičky Amandy Nelsonové z University of Pennsylvania College of Medicine jedním z předpokladů pro vznik zánětu. Mezi další důvody rozvoje onemocnění vědci nazývají kožní maz (produkovaný mazovými žlázami za účelem zvlhčení pokožky), který slouží jako živná půda pro C. acnes, vlasové folikuly a sklony k zánětům. Všechno to funguje dohromady a podle Nelsona zatím nevíme, co je důležitější.

Výzkumníci z University of Washington School of Medicine zkoumali mikrobiom mazových žláz a zjistili, že jediná dlouhotrvající léčba akné, isotretinoin (známý pod různými obchodními názvy), částečně funguje tak, že mění kožní mikrobiom a zvyšuje celkovou rozmanitost mikroby, mezi nimiž je pro škodlivé kmeny obtížnější zakořenit.

Nyní, když vědci zjistili, že isotretinoin působí tak, že mění složení mikrobiomu, mohou se pokusit vytvořit jiné léky se stejným účinkem, ale doufejme, že bezpečnější - koneckonců isotretinoin může vést k vrozeným vadám u dětí, pokud matky užívaly lék během během těhotenství.

Splatnost

Co když můžete při cvičení udělat více tím, že si jednoduše vypůjčíte střevní mikroby sportovce? Tuto otázku si položili vědci z Harvardské univerzity. Po dobu dvou týdnů odebírali denně vzorky stolice od 15 běžců, kteří se zúčastnili Bostonského maratonu v roce 2015 – začínali týden před závodem a skončili o týden později – a porovnávali je se vzorky stolice odebranými od deseti lidí v kontrolní skupině, rovněž více než dvou. týdny. neběží. Vědci zjistili, že pár dní po maratonu vzorky odebrané běžcům obsahovaly výrazně více bakterií Veillonella atypica než ty z kontrolní skupiny.

„Tento objev mnohé vysvětluje, protože Veilonella má jedinečný metabolismus: jejím oblíbeným zdrojem energie je laktát, sůl kyseliny mléčné,“říká Aleksandar Kostić z Joslin Diabetes Research Center a Harvard Medical School. "A my jsme si mysleli: možná Veilonella rozkládá svalový laktát v těle sportovce?" A pokud je to skutečně tak, je možné tím, že představíme jeho kmeny lidem daleko od profesionálního sportu, zvýšit jejich vytrvalost?

Poté se vědci pustili do laboratorních myší: Veilonella, izolovaná z výkalů jednoho z běžců, byla injikována 16 myším s normálním mikrobiomem testovaným na patogeny. Subjekty byly poté umístěny na běžící pás a nuceny běžet až do vyčerpání. Totéž bylo provedeno s 16 kontrolními myšmi; pouze jim byly píchnuty bakterie, které nespotřebovávají laktát. Jak se ukázalo, myši „infikované“Veilonellou běhaly mnohem déle než kontrolní zvířata, což podle vědců znamená, že mikrobiom může hrát zásadní roli při udržování výkonu.

Podle Kosticha je tento experiment „nádherným příkladem toho, co nám symbióza dává“. Veilonelle se daří, když člověk, jeho přenašeč, v důsledku fyzické aktivity produkuje laktát, kterým se živí, a naopak prospívá člověku přeměnou laktátu na propionát, což ovlivňuje výkonnost hostitele, protože mj. zvyšuje frekvenci srdečních kontrakcí a zlepšuje metabolismus kyslíku a případně také zabraňuje rozvoji zánětu ve svalech.

"Zdá se, že tento druh vztahu je základem většiny interakcí mezi lidmi a mikrobiomem," vysvětluje Kostich. "Vztah mezi nimi je nakonec tak oboustranně výhodný."

Mikrobiom může být také zodpovědný za méně příjemné rysy lidské povahy, včetně duševních stavů, jako je úzkost a deprese. V roce 2016 zveřejnili vědci z National University of Ireland v Corku výsledky studie vlivu mikrobiomu na rozvoj deprese. Vědci rozdělili 28 laboratorních potkanů do dvou skupin. Experimentální skupina obdržela transplantaci střevní mikroflóry od tří mužů trpících těžkou depresí a kontrolní skupina - od tří zdravých mužů.

Ukázalo se, že střevní mikrobiom lidí trpících depresí se ponořil do deprese a krys. Ve srovnání s kontrolními zvířaty vykazovali ztrátu zájmu o činnosti, které přinášejí potěšení (u krys je to dáno tím, jak často chtějí pít sladkou vodu), a zvýšenou úzkost, vyjádřenou jejich touhou vyhýbat se otevřeným nebo neznámým prostorům laboratoře. labyrint.

Vzhledem k velkému rozdílu mezi potkany a lidmi vědci poznamenávají, že jejich studie poskytuje nový důkaz, že střevní mikrobiom může hrát roli v depresi. Říká se, že dříve nebo později může přijít den, kdy se bude bojovat proti depresi a dalším podobným poruchám, včetně cílení na určité bakterie v lidském těle.

Starý věk

Mikrobiom je odolný a zároveň tekutý. Jeho unikátní struktura je z velké části tvořena věkem čtyř let a skutečně jej mohou ovlivnit jen velmi významné faktory - například změna stravy, intenzita pohybové aktivity nebo čas strávený venku, stěhování do nového bydliště, užívání antibiotik a některých dalších léků. V jistém smyslu je však mikrobiom v neustálém toku a s každým jídlem se jemně mění. U dospělých jsou tyto změny tak předvídatelné, že váš věk lze zhruba určit pouhým seznámením se se souborem bakterií žijících ve střevech.

Tato technika, známá jako „určování věku pomocí mikrobiomových hodin stárnutí“, vyžaduje pomoc umělé inteligence, jako v experimentu, který nedávno provedl hongkongský startup Insilico Medicine. Vědci shromáždili informace o mikrobiomech 1165 lidí z Evropy, Asie a Severní Ameriky. Třetina z nich byla ve věku 20-30 let, další třetina - 40-50 a poslední - 60-90 let.

Vědci tím, že označili věk jejich nositelů, podrobili data o 90 procentech mikrobiomů „počítačové interpretaci“a poté aplikovali vzory identifikované umělou inteligencí na mikrobiomy zbývajících deseti procent lidí, jejichž věk nebyl označen. Bylo možné určit jejich věk s chybou pouhých čtyř let.

Co to znamená „upravit“svůj mikrobiom a žít v míru? Bohužel i ti největší nadšenci do vědy o mikrobiomech říkají, že je obtížné vyvodit přesné závěry o vztahu mezi mikrobiomem a lidským zdravím, a trvají na tom, že přechodu na léčbu bakteriálními štěpy je třeba věnovat velkou pozornost.

Mnozí nyní šílí o tom, že by mikrobiota mohla být použita jako lék, říká Paul Wilms z Lucemburské univerzity s tím, že farmaceutické společnosti vyvíjejí nová probiotika, která by vyvážila mikrobiom.

„Než to skutečně uděláme správně a inteligentně,“říká Wilms, „musíme podrobně porozumět tomu, co je zdravý mikrobiom a jak přesně ovlivňuje lidské tělo. Myslím, že k tomu jsme ještě hodně daleko."

Mikrobi uvnitř nás

• dvojtečka - 38 kvintilionů
• plaketa - 1 kvintilion
• kůže - 180 miliard
• sliny - 100 miliard
• tenké střevo – 40 miliard
• žaludek - 9 milionů

Podívejte se na mikrobiom

Všechny snímky v tomto článku pořídil Martin Eggerly pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu: vzorky byly vysušeny, nastříkány na ně atomy zlata a umístěny do vakuové komory. Vlnová délka elektronového paprsku mikroskopu je kratší než viditelné světlo, takže paprsek "zvýrazní" nejmenší předměty, ale mimo barevné spektrum. Eggerly obarvené mikroby, jejichž barva je známá, v těchto barvách, v jiných případech zvolil jiný gamut, aby bylo možné rozlišit mikroby a jejich charakteristické znaky.