Hvordan ser en sund skov ud? En tilsyneladende blomstrende, grøn vildmark kan skjule tegn på forurening, sygdom eller invasive arter. Kun en økolog kan opdage problemer, der kan bringe hele økosystemets trivsel på lang sigt i fare.
Mikrobiomforskere kæmper med det samme problem. Forstyrrelser i det samfund af mikrober, der lever i den menneskelige tarm, kan bidrage til risikoen for og alvoren af en lang række medicinske tilstande. Derfor er mange forskere blevet dygtige bakterie-naturforskere, der arbejder på at katalogisere den forbløffende mangfoldighed i disse kommensale samfund. Der lever omkring 500-1 000 bakteriearter i hvert menneskes tarmkanal sammen med et ubestemt antal vira, svampe og andre mikrober.
Sne hurtige fremskridt inden for DNA-sekventeringsteknologi har fremskyndet identifikationen af disse bakterier, hvilket har gjort det muligt for forskerne at udarbejde “feltguider” over arterne i den menneskelige tarm. “Vi er begyndt at få en fornemmelse af, hvem aktørerne er,” siger Jeroen Raes, bioinformatiker ved VIB, et institut for biovidenskab i Gent i Belgien. “Men der er stadig et betydeligt “mørkt stof”.”
For øjeblikket er disse feltguider kun af begrænset nytte til at skelne et sundt mikrobiom fra et usundt. En del af problemet er de potentielt store forskelle mellem mikrobiomerne hos tilsyneladende sunde mennesker. Disse forskelle opstår gennem en kompleks kombination af miljømæssige, genetiske og livsstilsrelaterede faktorer. Det betyder, at relativt subtile forskelle kan spille en uforholdsmæssig stor rolle for, om en person er relativt sund eller har en øget risiko for at udvikle sygdomme som f.eks. diabetes. Det er også en udfordring at forstå de kliniske konsekvenser af disse forskelle på grund af de omfattende interaktioner mellem disse mikrober og med deres vært samt de forhold, som den enkelte lever under. “En persons sunde mikrobiom er måske ikke sundt i en anden sammenhæng – det er et vanskeligt begreb”, siger Ruth Ley, mikrobiologisk økolog ved Max Planck Institute for Developmental Biology i Tübingen, Tyskland.
Forskere som Ley forsøger at forstå de kræfter, der former det menneskelige tarmmikrobiom, bedre – både i moderne tid og gennem den evolutionære historie. Det billede, der tegner sig, viser, at selv om der ikke findes ét sundt mikrobiom, er der rig mulighed for, at vores livsstil kan forstyrre den korrekte funktion af disse komplekse kommensale samfund. Og for at forstå, hvordan nedbrydningen af disse økosystemer fører til sygdom, må forskerne bevæge sig ud over mikrobielle felthåndbøger og begynde at dissekere, hvordan disse arter interagerer med deres værter og med hinanden.
En mors første gave til sin nyfødte er en sund spredning af mikrober. Nogle af dem overføres gennem amning og hud-til-hud-kontakt, men mange mikrober erhverves under passagen gennem fødselskanalen. Det betyder, at hvis barnet fødes ved kejsersnit, kan det gå glip af en værdifuld bakteriel startpakke. Da et barns tidligste år generelt fastlægger sammensætningen af det tarmsamfund, der vil bestå gennem hele voksenlivet, kan de deraf følgende forstyrrelser have alvorlige sundhedsmæssige konsekvenser på lang sigt. “Efterhånden som disse spædbørn vokser op, har de større risiko for fedme og for moderne plager som diabetes, allergier og astma”, siger Maria Gloria Dominguez-Bello, mikrobiolog ved Rutgers University i New Brunswick i New Brunswick, New Jersey. I en lille klinisk undersøgelse fandt hendes hold ud af, at hvis nyfødte, der er blevet født ved kejsersnit, blev skrubbet med væske fra moderens fødselskanal, kunne det være med til at afhjælpe noget af den tabte mikrobielle mangfoldighed1. Der er flere større forsøg på vej for at vurdere de sundhedsmæssige fordele på længere sigt.
Miljømæssige eksponeringer tidligt i livet påvirker også i høj grad et barns mikrobiom. Susan Lynch, der er mikrobiomforsker ved University of California i San Francisco, har undersøgt sammenhængen mellem miljøfaktorer i barndommen og den efterfølgende risiko for at udvikle allergi og astma. Hendes resultater tyder på, at nye forældre ikke bør være bange for lidt snavs – eller pels. Efter at have overvåget en kohorte på næsten 1.200 spædbørn fandt Lynch og hendes kolleger ud af, at en hund kan være en babys bedste ven, når det gælder om at undgå luftvejssygdomme2. “Den eneste faktor, der adskilte høj- fra lavrisikogrupper, var hundeejerskab,” siger Lynch. Hun siger, at hunde (og i mindre grad katte) “øger diversiteten af bakterier og sænker diversiteten af svampe i de huse, hvor disse babyer vokser op”. Dette resultat stemmer overens med anden forskning, der viser, at en opvækst på landet eller på en gård kan give et rigere tarmmikrobiom, der reducerer risikoen for inflammatoriske luftvejssygdomme i forhold til børn, der er opvokset i mere urbane miljøer.
På et vist tidspunkt i løbet af barndommen holder sammensætningen af tarmmikrobiomet generelt op med at ændre sig – selv om det er uklart præcis hvornår. En undersøgelse fra 2012 undersøgte tarmmikrober fra personer i Malawi, Venezuela og USA og fandt et slående mønster3. “Ved tre år kan man ikke længere skelne babyerne fra de voksne”, siger Dominguez-Bello, som var medforfatter på artiklen. Hun bemærker dog, at der også er tegn på, at mikrobiomet fortsat er noget foranderligt efter dette punkt. Det er klart, at dette økosystem når en tilstand af ligevægt i voksenalderen. “Det er meget stabilt”, siger Eran Segal, der er computerbiolog ved Weizmann Institute of Science i Rehovot, Israel. “Vi ser ændringer, men du vil stadig se stort set ens ud, selv over mange år.”
Nogle af de ændringer, der ses i voksenalderen, er drevet af miljø og livsstil. I en undersøgelse fra 2018 af 1.046 etnisk forskellige voksne, der bor i Israel, påviste Segal mikrobielle forskelle, der ikke havde meget med etnicitet at gøre4. “Miljømæssige input kan stå for 20-25 % af variationen i mikrobiomet,” siger Segal. Lægemidler er en indlysende kilde til forstyrrelser, og antibiotika – som enten indtages bevidst for at bekæmpe infektioner eller ubevidst i forarbejdede fødevarer – kan påvirke mikrobiotaen i høj grad. Selv lægemidler, der ikke har nogen klar rolle i kontrollen af bakterier, kan forårsage forstyrrelser. Raes bemærker, at en større europæisk mikrobiomundersøgelse blev forvirret af uventede virkninger af diabetesmedicinen metformin5.
Diæt er også en kraftig ekstern indflydelse, selv om de præcise mekanismer, hvormed den udøver sine virkninger, fortsat er uklare. En undersøgelse fra 2018 viste, at indvandrere til USA fra Thailand oplevede en slående “vestliggørelse” af deres tarmflora – en forandring, der i det mindste delvist kunne tilskrives vedtagelsen af en amerikansk kost6.
Mismatched to modernity
De ændringer, der blev observeret hos indvandrere fra Thailand, blev ledsaget af en øget risiko for fedme. Undersøgelsen fastslog ikke en årsagssammenhæng, men resultaterne er i overensstemmelse med en stadig mere populær hypotese om, at urbanisering – og det moderne liv i almindelighed – kan være stærkt forstyrrende for det tætte forhold, der har udviklet sig mellem mennesker og deres mikrober. “Vi har gjort den antagelse, at det vestlige mikrobiom hos en sund person er et sundt mikrobiom”, siger mikrobiolog Justin Sonnenburg fra Stanford University i Californien. Han og andre mener i stedet, at krydsfeltet mellem kost, antimikrobielle forholdsregler og generel hygiejne fører til en udrensning af tarmsamfundet, og at denne forstyrrelse kan bidrage til den forhøjede risiko for kroniske sygdomme i de industrialiserede samfund. “Denne kombination af vestlig kost og udtømt mikrobiom har sandsynligvis ført til en simrende inflammatorisk tilstand,” siger Sonnenburg.
Flere undersøgelser har identificeret en skarp forskel mellem mikrobiotaen i bybefolkninger og mikrobiotaen i indfødte befolkninger, der lever en traditionel landbrugs- eller jæger-samlerlivsstil, som i højere grad ligner vores tidlige forfædres livsstil. Disse forskelle synes primært at kunne tilskrives tab af bakteriel diversitet, hvilket kan være forbundet med manglen på fibre i vestlig kost. Hadza-folket, en befolkning af jægersamlere, der lever i Tanzania, spiser 100-150 gram kostfibre om dagen, siger Sonnenburg – ti gange så meget som en typisk person i USA. Som følge heraf er fiberfordærende bakterier såsom dem, der tilhører slægten Prevotella, som kan udgøre op til 60 % af tarmmikrobiomet i ikke-vestlige befolkninger, langt mindre udbredt i USA. Sonnenburgs hold har påvist, hvordan disse ændringer kan sætte sig fast i en befolkning i løbet af blot nogle få generationer7. Mus koloniseret med menneskelig mikrobiota og fodret med en kost med lavt fiberindhold mistede mikrobielle arter, som forblev hos mus, der spiste en kost med højt fiberindhold. Når afkommet af musene med lavfiberdiæt fik en fiberrig diæt, var tabet af arter reversibelt, men efter fire generationer var de manglende bakterier væk for altid.
At vokse op med en hund i huset øger diversiteten af bakterier, som børn udsættes for.Credit: Rachael Porter/Getty
Katherine Amato, antropolog ved Northwestern University i Evanston, Illinois, har forsøgt at finde frem til den evolutionære rod i et sundt menneskeligt mikrobiom ved at studere ikke-menneskelige primater og spore virkningerne af ændringer i den menneskelige livsstil og fysiologi. Generelt siger Amato, at ligheder i mikrobiomsammensætningen blandt primatarter er tæt knyttet til deres evolutionære slægtskab. Men i en sammenlignende analyse fra 2019 fandt Amato, at komponenter af den menneskelige mikrobiota (især mikrober fra mennesker, der lever i ikke-industrialiserede samfund) ikke kortlagde så tæt som forventet på komponenterne hos vores nærmeste slægtninge – menneskeaberne, chimpanserne og bonoboerne – som forventet8. I stedet havde mikrobiotaen en slående lighed med mikrobiotaen hos bavianer – en mere fjern slægtning, men som har en livsstil, der mere ligner de tidlige menneskers livsstil. “De fleste menneskeaber lever i regnskove og spiser frugtkost”, siger Amato, “men vi har en tendens til at forestille os, at vores forfædre levede i åbne skovområder eller på savannen og spiste altædende kost – ligesom bavianer”. Det tyder på, at kost- og miljømæssige faktorer har spillet en fremtrædende rolle i udformningen af menneskets mikrobiom.
Ley mener, at mikrobiomet tilbyder en effektiv mekanisme til hurtig tilpasning til livsstilsændringer – i hvert fald i forhold til det normale istidslignende tempo i evolutionen. Faktisk har hendes gruppe fundet beviser for mikrobiomtilpasning som reaktion på udviklingen af laktose-tolerance9 og fordøjelsen af kost med højt stivelsesindhold – genetiske tilpasninger, der kun er opstået i visse befolkninger i løbet af de sidste 10.000 år eller deromkring. Men hvis ændringerne sker hurtigt, som det fremgår af den hurtige industrialisering, der er sket i de sidste par århundreder, kan det historisk set sunde forhold mellem vært og mikrobiom blive uhensigtsmæssigt, fordi arter, som kroppen måske har udviklet sig til at være afhængig af, går tabt. “Antibiotika og hygiejne har været nøglen til at kontrollere smitsomme sygdomme,” siger Dominguez-Bello, “men har de kollaterale, utilsigtede konsekvenser, at de skader vores gode mikrober.”
Seeing the forest
Selv om forskerne har fået en bedre forståelse af, hvordan menneskers tarmmikrobiomer ser ud, kæmper de stadig med at indkredse, hvilke komponenter der er afgørende for vores velbefindende. Et af problemerne er, at der er alt for få datasæt til, at forskerne kan drage statistisk robuste sammenhænge mellem mikrobiomet og sundhed eller sygdom. Segal drager en sammenligning med det menneskelige genom – først da mange sekvenser af høj kvalitet var tilgængelige, begyndte det at have klinisk værdi. “Der er sandsynligvis 30 millioner mennesker, der er blevet sekventeret i genomet indtil i dag, mens der i mikrobiomet er omkring 10.000 prøver offentligt tilgængelige,” siger han.
Dette problem forværres af den geografiske skævhed i mikrobiometdata. Bortset fra en håndfuld undersøgelser af udvalgte grupper som Hadza-folket er de fleste data fra USA, Europa og Kina. “Vi ved meget lidt om mikrobiomvariation i Afrika, Sydøstasien og Sydamerika”, siger Raes. Dette informationsmangel vil især være relevant for forståelsen af omfanget af det foreslåede problem med “manglende mikrober” i den industrialiserede verden.
Et større, mere globalt datasæt ville give et bedre informeret udgangspunkt for en bred forståelse af, hvordan et normalt mikrobiom hos et sundt individ kan se ud – og dermed gøre det lettere at genkende sygdomsrelaterede forstyrrelser. Men forskerne er også nødt til at bevæge sig ud over undersøgelser, der blot vurderer sammenhængen på grundlag af tilstedeværelsen eller fraværet af en bestemt mikrobe hos en rask person eller en person med en sygdom på et bestemt tidspunkt.
Der findes nu en række flerårige, longitudinelle undersøgelser, der overvåger både helbredet og mikrobiomsammensætningen hos mange personer over længere perioder. Den canadiske undersøgelse Healthy Infant Longitudinal Development Study overvåger f.eks. mere end 3.400 børn i løbet af 5 år i et forsøg på at identificere faktorer, der bidrager til tilstande som astma og allergier. “Hvis vi kan se, at en ændring i mikrobiomet går forud for en klinisk ændring, kan vi måske fastslå årsagssammenhængen”, siger Segal. Sådanne mønstre ville give klinikere større tillid til den potentielle værdi af et diagnostisk resultat eller et indgreb og ville være uvurderlige til undersøgelse af mikrobiomets bidrag til kroniske tilstande, der manifesterer sig gradvist, såsom diabetes.
Forskerne gør også deres bakterieoptællinger mere detaljerede. Tidlige mikrobiomundersøgelser var begrænset af det snævre udvalg af tarmarter, som forskerne kunne dyrke i laboratoriet. Men de faldende omkostninger ved sekventering har gjort det muligt at tage detaljerede øjebliksbilleder af det DNA, der udvindes fra afføringsmikrober. Forskerne kan nu gå ud over artsniveauet og identificere bakteriestammer og endda genomiske varianter i disse stammer. Sonnenburg bruger f.eks. denne metode til at lede efter mutationer, der kan påvirke den metaboliske aktivitet eller kostpræferencerne hos forskellige tarmmikrober.
Mange mikrober slipper dog stadig igennem nettet. Standardmetoder til mikrobiomanalyse favoriserer identifikation af bakterier og er ikke så gode til at identificere andre almindelige tarmmikroorganismer. “Vi ser sjældent signaturer af svampe i vores data, men vi ved, at de er der”, siger Lynch. “Og vi ved, at de bidrager til det overordnede samspil mellem mikrobiomet og værten.” Alternative mikrobiom-analyseteknikker tilbyder en løsning. Ved at høste og analysere RNA i stedet for DNA kan forskerne f.eks. fange ændringer i genekspressionen, som kan afsløre dysfunktion i tilsyneladende normale tarmarter. “Et mikrobiom, der ser helt fint ud, kan gøre ting, der ikke er sunde,” siger Ley. Andre forskere anvender metabolomiske teknikker – omfattende kemiske analyser af de forskellige biomolekyler, der produceres i en mikrobiomprøve. Dette giver forskerne mulighed for at lytte med på, hvordan mikroberne kommunikerer med hinanden og med deres værtsceller. “Disse molekyler er slutprodukterne”, siger Lynch. “Det er der, kødet ligger i forsøget på at definere biomarkører for et sundt mikrobiom.” Hendes laboratorium har gjort vigtige fremskridt med sådanne tilgange, herunder at finde frem til en mikrobiel lipid kendt som 12,13-diHOME, som synes at være en drivkraft for inflammation hos spædbørn med høj risiko for astma10.
Sådanne data kan måske give den hidtil bedste aflæsning af, hvor godt vores indre økosystem trives – i det væsentlige ved at inspicere skovens jord, vand og blade i stedet for blot at tælle træerne. “Der vil ikke være “det” sunde mikrobiom, ligesom der ikke findes et perfekt genom,” siger Segal. “Der kan være flere sunde konfigurationer.” Disse profiler af mikrobiologisk aktivitet kan vise sig at være den hurtigste vej til at validere hypoteser om mikrobiomets funktion og dysfunktion og fremskynde oversættelsen af opdagelser til kliniske forsøg. “Observationstiden er ikke forbi, men jeg tror virkelig, at det er på tide at gå over til interventioner,” siger Raes. “Man kan kun forstå et system, hvis man giver det et ordentligt spark og ser, hvad der sker.”