Jak vypadá zdravý les? Zdánlivě prosperující, zelená divočina může skrývat známky znečištění, nemocí nebo invazivních druhů. Pouze ekolog dokáže odhalit problémy, které by mohly ohrozit dlouhodobou pohodu celého ekosystému.
Se stejným problémem se potýkají i výzkumníci mikrobiomu. Narušení společenství mikrobů žijících v lidském střevě může přispívat k riziku a závažnosti řady zdravotních potíží. Mnozí vědci se proto stali zdatnými bakteriálními přírodovědci a snaží se katalogizovat překvapivou rozmanitost těchto komenzálních společenstev. Ve střevním traktu každého člověka žije přibližně 500 až 1 000 druhů bakterií spolu s blíže neurčeným počtem virů, hub a dalších mikrobů.
Rychlý pokrok v technologii sekvenování DNA urychlil identifikaci těchto bakterií a umožnil vědcům vytvořit „terénní průvodce“ druhy v lidském střevě. „Začínáme tušit, kdo jsou jednotliví hráči,“ říká Jeroen Raes, bioinformatik z VIB, ústavu věd o živé přírodě v belgickém Gentu. „Stále však existuje značná ‚temná hmota‘.“
V současné době jsou tito terénní průvodci jen omezeně použitelní při rozlišování zdravého mikrobiomu od nezdravého. Součástí problému jsou potenciálně obrovské rozdíly mezi mikrobiomy zdánlivě zdravých lidí. Tyto rozdíly vznikají složitou kombinací faktorů životního prostředí, genetických faktorů a životního stylu. To znamená, že relativně nepatrné rozdíly mohou hrát neúměrnou roli při určování toho, zda je jedinec relativně zdravý, nebo zda je vystaven zvýšenému riziku vzniku poruch, jako je například cukrovka. Pochopení klinických důsledků těchto rozdílů je rovněž výzvou vzhledem k rozsáhlým interakcím mezi těmito mikroby a jejich hostitelem, jakož i podmínkám, v nichž daný jedinec žije. „Zdravý mikrobiom jednoho člověka nemusí být zdravý v jiném kontextu – je to ošemetný koncept,“ říká Ruth Leyová, mikrobiální ekoložka z Institutu Maxe Plancka pro vývojovou biologii v německém Tübingenu.
Výzkumníci jako Leyová se snaží lépe porozumět silám, které utvářejí lidský střevní mikrobiom – jak v moderní době, tak napříč evoluční historií. Vznikající obraz naznačuje, že i když neexistuje jediný zdravý mikrobiom, existuje dostatek příležitostí k tomu, aby náš životní styl zasahoval do správné funkce těchto složitých komenzálních společenstev. A abychom pochopili, jak rozpad těchto ekosystémů způsobuje nemoci, budou muset vědci překročit rámec mikrobiálních terénních průvodců a začít pitvat, jak tyto druhy interagují se svými hostiteli a mezi sebou navzájem.
Prvním darem matky novorozenci je zdravá směs mikrobů. Některé se přenášejí kojením a kontaktem kůže na kůži, ale mnoho mikrobů se získává při průchodu porodními cestami. To znamená, že pokud se dítě narodí císařským řezem, může přijít o cennou bakteriální startovací sadu. Vzhledem k tomu, že v prvních letech života dítěte se zpravidla utváří složení střevního společenství, které přetrvá po celou dobu dospělosti, mohou mít vzniklé poruchy vážné dlouhodobé zdravotní následky. „Jak tyto děti rostou, mají vyšší riziko obezity a moderních nákaz, jako je cukrovka, alergie a astma,“ říká Maria Gloria Dominguez-Bello, mikrobioložka z Rutgers University v New Brunswicku ve státě New Jersey. V malé klinické studii její tým zjistil, že stěry novorozenců porozených císařským řezem s tekutinami z porodních cest jejich matky by mohly pomoci zmírnit část ztracené mikrobiální rozmanitosti1. V současné době probíhá několik rozsáhlejších studií, jejichž cílem je posoudit dlouhodobější přínos pro zdraví.
Mikrobiom dítěte silně ovlivňuje také expozice životnímu prostředí v raném věku. Susan Lynchová, výzkumnice mikrobiomu na Kalifornské univerzitě v San Francisku, zkoumá souvislosti mezi faktory prostředí v dětství a následným rizikem vzniku alergií a astmatu. Její zjištění naznačují, že novopečení rodiče by se neměli bát trochy špíny – nebo chlupů. Po sledování souboru téměř 1 200 kojenců Lynchová a její kolegové zjistili, že pes může být nejlepším přítelem dítěte, pokud jde o předcházení respiračním poruchám2. „Jediným faktorem, který rozlišoval vysoce a nízce rizikové skupiny, bylo vlastnictví psa,“ říká Lynchová. Podle ní psi (a v menší míře i kočky) „zvyšují rozmanitost bakterií a snižují rozmanitost plísní v domech, kde tyto děti vyrůstají“. Toto zjištění je v souladu s dalšími výzkumy, které ukazují, že venkovská výchova nebo vyrůstání na farmě může přinést bohatší střevní mikrobiom, který snižuje riziko zánětlivých onemocnění dýchacích cest ve srovnání s dětmi vychovávanými v městském prostředí.
V určitém okamžiku během dětství se složení střevního mikrobiomu obecně přestane měnit – i když není jasné, kdy přesně. Studie z roku 2012 zkoumala střevní mikroby jedinců z Malawi, Venezuely a Spojených států a zjistila pozoruhodný vzorec3. „Ve třech letech už nelze rozeznat děti od dospělých,“ říká Dominguez-Bello, který byl spoluautorem této práce. Podotýká však, že existují i důkazy o tom, že mikrobiom zůstává poněkud proměnlivý i po této hranici. Jisté je, že v dospělosti se tento ekosystém dostává do rovnovážného stavu. „Je velmi stabilní,“ říká Eran Segal, počítačový biolog z Weizmannova vědeckého institutu v izraelském Rehovotu. „Vidíme změny, ale ty budou i po mnoha letech vypadat většinou podobně.“
Některé změny pozorované v dospělosti jsou způsobeny prostředím a životním stylem. Ve studii provedené v roce 2018 na 1 046 etnicky odlišných dospělých osobách žijících v Izraeli Segal prokázal mikrobiální rozdíly, které měly jen málo společného s etnickým původem4. „Vstupy z prostředí by mohly odpovídat za 20-25 % variability mikrobiomu,“ říká Segal. Zřejmým zdrojem narušení jsou léky a antibiotika – užívaná buď záměrně v boji proti infekci, nebo nevědomky ve zpracovaných potravinách – mohou mikrobiotu zásadně ovlivnit. Dokonce i léky, které nemají jasnou roli v kontrole bakterií, mohou způsobit poruchy. Raes poznamenává, že jedna velká evropská studie mikrobiomu byla zmatena neočekávanými účinky léku na cukrovku metforminu5.
Silným vnějším vlivem je také strava, i když přesné mechanismy, kterými působí, zůstávají nejasné. Jedna studie z roku 2018 zjistila, že u přistěhovalců z Thajska do Spojených států došlo k nápadné „westernizaci“ jejich střevní flóry – proměně, kterou lze přinejmenším částečně přičíst přijetí americké stravy6.
Nesoulad s modernitou
Změny pozorované u přistěhovalců z Thajska byly doprovázeny zvýšeným rizikem obezity. Studie neprokázala příčinnou souvislost, ale výsledky jsou v souladu se stále populárnější hypotézou, že urbanizace – a moderní život obecně – může velmi narušovat těsný vztah, který se vyvinul mezi lidmi a jejich mikroby. „Vycházeli jsme z předpokladu, že západní mikrobiom zdravého člověka je zdravý mikrobiom,“ říká mikrobiolog Justin Sonnenburg ze Stanfordovy univerzity v Kalifornii. On a další se naopak domnívají, že souběh stravy, antimikrobiálních opatření a obecné hygieny vede k vybíjení střevního společenství a že toto narušení může přispívat ke zvýšenému riziku chronických onemocnění v průmyslově vyspělých společnostech. „Tato kombinace západní stravy a vyčerpaného mikrobiomu pravděpodobně vedla k vroucímu zánětlivému stavu,“ říká Sonnenburg.
Několik studií zjistilo výrazný rozdíl mezi mikrobiotou městských populací a mikrobiotou domorodých populací, které vedou tradiční agrární nebo lovecko-sběračský životní styl, který se více podobá životnímu stylu našich dávných předků. Zdá se, že tyto rozdíly lze přičíst především ztrátě bakteriální rozmanitosti, která může souviset s nedostatkem vlákniny v západní stravě. Sonnenburg uvádí, že Hadza, populace lovců a sběračů žijící v Tanzanii, konzumuje 100-150 gramů vlákniny denně, což je desetkrát více než typický člověk ve Spojených státech. V důsledku toho jsou bakterie trávící vlákninu, například bakterie rodu Prevotella, které mohou tvořit až 60 % střevního mikrobiomu u nezápadních populací, ve Spojených státech mnohem méně hojné. Sonnenburgův tým ukázal, jak se tyto změny mohou v populaci pevně zakořenit během pouhých několika generací7. Myši kolonizované lidskou mikrobiotou a krmené stravou s nízkým obsahem vlákniny ztratily mikrobiální druhy, které zůstaly u myší konzumujících stravu s vysokým obsahem vlákniny. Když potomci myší s nízkým obsahem vlákniny dostali stravu s vysokým obsahem vlákniny, byl úbytek druhů vratný, ale po čtyřech generacích chybějící bakterie zmizely nadobro.
Vyrůstání se psem v domácnosti zvyšuje rozmanitost bakterií, kterým jsou děti vystaveny.Kredit: Rachael Porter/Getty
Katherine Amato, antropoložka z Northwestern University v Evanstonu ve státě Illinois, se snaží proniknout k evolučním kořenům zdravého lidského mikrobiomu tím, že studuje primáty, kteří nejsou lidmi, a sleduje vliv změn v životním stylu a fyziologii člověka. Amato říká, že podobnosti ve složení mikrobiomu mezi druhy primátů obecně úzce souvisejí s jejich evoluční příbuzností. Ve srovnávací analýze z roku 2019 však Amato zjistil, že složky lidské mikrobioty (zejména mikrobi lidí žijících v neindustrializovaných společnostech) se nemapují tak přesně, jak se očekávalo, jako složky našich nejbližších příbuzných – lidoopů, šimpanzů a bonobů8. Místo toho se mikrobiota nápadně podobala mikrobiotě paviánů – vzdálenějších příbuzných, kteří však mají životní styl podobnější životnímu stylu prvních lidí. „Většina lidoopů žije v deštných pralesích a živí se ovocnou stravou,“ říká Amato, „ale my máme tendenci si myslet, že naši předkové žili v otevřených lesích nebo savanách a živili se všežravou stravou – jako paviáni“. To naznačuje, že při utváření lidského mikrobiomu hrály významnou roli faktory stravy a životního prostředí.
Ley se domnívá, že mikrobiom nabízí účinný mechanismus pro rychlé přizpůsobení se změnám životního stylu – alespoň v porovnání s běžným ledovcovým tempem evoluce. Její skupina skutečně našla důkazy o adaptaci mikrobiomu v reakci na evoluci tolerance laktózy9 a trávení stravy s vysokým obsahem škrobu – genetické adaptace, které se objevily pouze u některých populací v průběhu posledních zhruba 10 000 let. Pokud však dojde k rychlým změnám, jak ukazuje rychlá industrializace, k níž došlo v posledních několika staletích, může se historicky zdravý vztah mezi hostitelem a mikrobiomem stát maladaptivním, protože se ztratí druhy, na které se tělo mohlo vyvinout a na které se spoléhá. „Antibiotika a hygiena byly klíčem ke kontrole infekčních onemocnění,“ říká Dominguez-Bello, „ale měly vedlejší, nezamýšlené důsledky v podobě poškození našich dobrých mikrobů.“
Vidět les
Přestože vědci lépe pochopili, jak vypadá lidský střevní mikrobiom, stále se snaží určit, které složky jsou pro naši pohodu nezbytné. Jedním z problémů je, že existuje příliš málo souborů dat, které by výzkumníkům umožnily vyvodit statisticky spolehlivé souvislosti mezi mikrobiomem a zdravím nebo nemocí. Segal uvádí srovnání s lidským genomem – teprve když bylo k dispozici mnoho kvalitních sekvencí, začal nabízet klinickou hodnotu. „Dodnes je pravděpodobně sekvenováno 30 milionů lidí, zatímco v případě mikrobiomu je veřejně dostupných asi 10 000 vzorků,“ říká.
Tento problém je ještě umocněn geografickým zkreslením dat o mikrobiomu. Kromě několika studií vybraných skupin, jako jsou například Hadzové, pochází většina dat ze Spojených států, Evropy a Číny. „O variabilitě mikrobiomu v Africe, jihovýchodní Asii a Jižní Americe toho víme velmi málo,“ říká Raes. Tato informační mezera bude obzvláště důležitá pro pochopení rozsahu naznačeného problému „chybějících mikrobů“ v průmyslově vyspělém světě.
Větší a globálnější soubor dat by poskytl lépe informovaný výchozí bod pro široké pochopení toho, jak může vypadat normální mikrobiom zdravého jedince – a tím by usnadnil rozpoznání poruch souvisejících s nemocemi. Vědci se však také musí posunout dál než ke studiím, které pouze hodnotí korelaci na základě přítomnosti či nepřítomnosti určitého mikroba u zdravého jedince nebo u osoby s onemocněním v určitém časovém okamžiku.
V současné době existuje řada víceletých longitudinálních studií, které sledují jak zdraví, tak složení mikrobiomu mnoha jedinců po delší dobu. Například kanadská studie Healthy Infant Longitudinal Development sleduje více než 3 400 dětí po dobu 5 let ve snaze identifikovat faktory, které přispívají ke vzniku onemocnění, jako je astma a alergie. „Pokud zjistíme, že změna mikrobiomu předchází klinické změně, pak možná dokážeme určit příčinnou souvislost,“ říká Segal. Takové vzorce by lékařům poskytly větší důvěru v potenciální hodnotu diagnostického výsledku nebo intervence a byly by neocenitelné pro studium podílu mikrobiomu na chronických stavech, které se projevují postupně, jako je například cukrovka.
Výzkumníci také zpřesňují své bakteriální soupisy. Dřívější výzkumy mikrobiomu byly omezeny úzkým spektrem střevních druhů, které mohli vědci pěstovat v laboratoři. Ale prudce klesající náklady na sekvenování umožnily pořídit podrobné snímky DNA získané z fekálních mikrobů. Vědci nyní mohou jít nad rámec druhové úrovně a identifikovat kmeny bakterií, a dokonce i genomové varianty těchto kmenů. Sonnenburg například využívá tento přístup k hledání mutací, které by mohly ovlivnit metabolickou aktivitu nebo stravovací preference různých střevních mikrobů.
Mnoho mikrobů však stále proklouzává sítem. Standardní metody analýzy mikrobiomu upřednostňují identifikaci bakterií a nejsou tak dobré při identifikaci jiných běžných střevních mikroorganismů. „V našich datech zřídka vidíme podpisy hub, ale víme, že tam jsou,“ říká Lynch. „A víme, že přispívají k celkové interakci mezi mikrobiomem a hostitelem.“ Alternativní techniky analýzy mikrobiomu nabízejí řešení. Například sběr a analýza RNA namísto DNA umožňuje výzkumníkům zachytit změny v genové expresi, které mohou odhalit dysfunkci u zdánlivě normálních střevních druhů. „Dokonale vypadající mikrobiom může dělat věci, které nejsou zdravé,“ říká Ley. Další výzkumníci se zaměřují na metabolomické techniky – komplexní chemickou analýzu různých biomolekul produkovaných ve vzorku mikrobiomu. To umožňuje výzkumníkům odposlouchávat, jak mikrobi komunikují mezi sebou a s buňkami svých hostitelů. „Tyto molekuly jsou konečnými produkty,“ říká Lynch. „Právě v tom spočívá jádro snahy definovat biomarkery zdravého mikrobiomu.“ Její laboratoř učinila s takovými přístupy významné pokroky, včetně zaměření na mikrobiální lipid známý jako 12,13-diHOME, který se zdá být hnacím motorem zánětu u kojenců s vysokým rizikem astmatu10.
Takové údaje by mohly nabídnout zatím nejlepší údaje o tom, jak dobře náš vnitřní ekosystém prosperuje – v podstatě jde o inspekci půdy, vody a listí lesa, spíše než o pouhé počítání stromů. „Zdravý mikrobiom nebude existovat, stejně jako neexistuje dokonalý genom,“ říká Segal. „Může existovat více zdravých konfigurací.“ Tyto profily mikrobiální aktivity by se mohly ukázat jako nejrychlejší cesta k ověření hypotéz o funkci a dysfunkci mikrobiomu a urychlit převedení objevů do klinických studií. „Doba pozorování ještě neskončila, ale myslím, že je opravdu čas přejít k intervencím,“ říká Raes. „Systém pochopíte jen tehdy, když ho pořádně nakopnete a uvidíte, co se stane.“