Milyen az egészséges erdő? Egy látszólag virágzó, zöldellő vadon elrejtheti a szennyezés, a betegségek vagy az invazív fajok jeleit. Csak egy ökológus képes észrevenni azokat a problémákat, amelyek veszélyeztethetik az egész ökoszisztéma hosszú távú jólétét.
A mikrobiomkutatók ugyanezzel a problémával küzdenek. Az emberi bélrendszerben élő mikrobák közösségének zavarai hozzájárulhatnak számos egészségügyi állapot kockázatához és súlyosságához. Ennek megfelelően sok tudós kiváló baktérium-természetkutatóvá vált, és azon fáradozik, hogy katalogizálja ezeknek a kommensális közösségeknek a megdöbbentő sokféleségét. Minden ember bélrendszerében mintegy 500-1000 baktériumfaj él, valamint meghatározatlan számú vírus, gomba és egyéb mikroba.
A DNS-szekvenálási technológia gyors fejlődése felgyorsította e baktériumok azonosítását, lehetővé téve a kutatók számára, hogy “terepkalauzokat” készítsenek az emberi bélrendszerben élő fajokról. “Kezdjük megérezni, hogy kik a szereplők” – mondja Jeroen Raes, a belgiumi Gentben található VIB élettudományi intézet bioinformatikusa. “De még mindig jelentős a “sötét anyag”.”
Jelenleg ezek a terepszemlék csak korlátozottan alkalmasak arra, hogy megkülönböztessük az egészséges mikrobiomot az egészségtelentől. A probléma részét képezik a látszólag egészséges emberek mikrobiomjai közötti potenciálisan hatalmas különbségek. Ezek a különbségek a környezeti, genetikai és életmódbeli tényezők összetett kombinációjából adódnak. Ez azt jelenti, hogy a viszonylag finom különbségek aránytalanul nagy szerepet játszhatnak annak meghatározásában, hogy az egyén viszonylag egészséges-e, vagy fokozottan ki van téve az olyan betegségek, mint például a cukorbetegség kialakulásának kockázatának. E különbségek klinikai következményeinek megértése szintén kihívást jelent, tekintettel az e mikrobák és gazdaszervezetük közötti kiterjedt kölcsönhatásokra, valamint azokra a körülményekre, amelyek között az adott egyén él. “Az egyik ember egészséges mikrobiomja nem biztos, hogy egészséges egy másik környezetben – ez egy trükkös fogalom” – mondja Ruth Ley, a németországi Tübingenben működő Max Planck Fejlődésbiológiai Intézet mikrobiális ökológusa.
A Leyhez hasonló kutatók megpróbálják jobban megérteni az emberi bél mikrobiomot alakító erőket – mind a modern korban, mind az evolúciós történelem során. A kialakulóban lévő kép azt jelzi, hogy még ha nincs is egyetlen egészséges mikrobiom, életmódunknak bőséges lehetősége van arra, hogy beavatkozzon ezeknek az összetett komensális közösségeknek a megfelelő működésébe. És annak megértéséhez, hogy ezeknek az ökoszisztémáknak a felbomlása hogyan vezet a betegségek kialakulásához, a kutatóknak túl kell lépniük a mikrobiológiai terepszemléken, és el kell kezdeniük boncolgatni, hogy ezek a fajok hogyan lépnek kölcsönhatásba gazdáikkal és egymással.
Az anya első ajándéka újszülöttjének az egészséges mikrobák sokasága. Néhányat a szoptatás és a bőrrel való érintkezés során adnak át, de sok mikrobát a szülőcsatornán való áthaladás során szereznek be. Ez azt jelenti, hogy ha a babát császármetszéssel hozzák világra, lemaradhat egy értékes baktérium-alapkészletről. Mivel a gyermek legkorábbi évei általában meghatározzák annak a bélközösségnek az összetételét, amely felnőttkorban is fennmarad, az ebből eredő zavaroknak súlyos hosszú távú egészségügyi következményei lehetnek. “Ahogy ezek a csecsemők nőnek, nagyobb a kockázata az elhízásnak és az olyan modern járványoknak, mint a cukorbetegség, az allergia és az asztma” – mondja Maria Gloria Dominguez-Bello, a New Brunswick-i (New Jersey) Rutgers Egyetem mikrobiológusa. Egy kisebb klinikai vizsgálatban csoportja azt találta, hogy a császármetszéssel világra hozott újszülöttek anyjuk szülőcsatornájából származó folyadékkal történő átmosása segíthet az elveszett mikrobiális sokféleség egy részének mérséklésében1. Több nagyobb vizsgálat is folyamatban van a hosszabb távú egészségügyi előnyök felmérésére.
A korai életkori környezeti hatások szintén erősen befolyásolják a gyermek mikrobiomját. Susan Lynch, a San Franciscó-i Kaliforniai Egyetem mikrobiom-kutatója a gyermekkori környezeti tényezők és az allergia és az asztma későbbi kialakulásának kockázata közötti összefüggéseket vizsgálta. Eredményei arra utalnak, hogy az újdonsült szülőknek nem kell félniük egy kis kosztól – vagy szőrétől. Egy közel 1200 csecsemőből álló kohorsz megfigyelése után Lynch és kollégái megállapították, hogy a kutya lehet a baba legjobb barátja, ha a légzőszervi rendellenességek elkerüléséről van szó2. “Az egyetlen tényező, amely megkülönböztette a magas és az alacsony kockázatú csoportokat, a kutyatartás volt” – mondja Lynch. Szerinte a kutyák (és kisebb mértékben a macskák) “növelik a baktériumok sokféleségét és csökkentik a gombák sokféleségét azokban a házakban, ahol ezek a csecsemők nevelkednek”. Ez a megállapítás összhangban van más kutatásokkal, amelyek szerint a vidéki nevelés vagy a farmon való felnövés gazdagabb bélmikrobiomot eredményezhet, amely csökkenti a gyulladásos légzőszervi betegségek kockázatát a városi környezetben nevelkedett gyermekekhez képest.
A gyermekkor egy bizonyos pontján a bélmikrobiom összetétele általában megszűnik változni – bár hogy pontosan mikor, az nem világos. Egy 2012-es tanulmány malawi, venezuelai és egyesült államokbeli egyének bélmikrobáit vizsgálta, és feltűnő mintázatot talált3. “Hároméves korukra már nem lehet megkülönböztetni a csecsemőket a felnőttektől” – mondja Dominguez-Bello, aki társszerzője volt a tanulmánynak. Megjegyzi azonban, hogy arra is van bizonyíték, hogy a mikrobiom ezen a ponton túl is némileg változékony marad. Az viszont egyértelmű, hogy felnőttkorra ez az ökoszisztéma elér egy egyensúlyi állapotot. “Nagyon stabil” – mondja Eran Segal, az izraeli Rehovotban található Weizmann Tudományos Intézet számítógépes biológusa. “Változásokat látunk, de akkor is többnyire hasonlóan fog kinézni, még sok éven keresztül is.”
A felnőttkorban megfigyelhető változások egy részét a környezet és az életmód határozza meg. Egy 2018-as, 1046, Izraelben élő, etnikailag sokszínű felnőttet vizsgáló tanulmányában Segal olyan mikrobiális különbségeket mutatott ki, amelyeknek kevés köze volt az etnikai hovatartozáshoz4. “A környezeti hatások a mikrobiom változatosságának 20-25%-áért felelősek lehetnek” – mondja Segal. A gyógyszerek a zavarok nyilvánvaló forrása, és az antibiotikumok – amelyeket akár szándékosan a fertőzések leküzdésére, akár akaratlanul a feldolgozott élelmiszerekben szednek – alapvetően befolyásolhatják a mikrobiótát. Még azok a gyógyszerek is okozhatnak zavarokat, amelyeknek nincs egyértelmű szerepük a baktériumok szabályozásában. Raes megjegyzi, hogy egy nagy európai mikrobiom-vizsgálatot megzavartak a metformin nevű cukorbetegség elleni gyógyszer váratlan hatásai5.
A táplálkozás szintén erőteljes külső hatás, még akkor is, ha a pontos mechanizmusok, amelyekkel kifejti hatását, továbbra is tisztázatlanok. Egy 2018-as tanulmány szerint a Thaiföldről az Egyesült Államokba bevándorlók bélflórájának feltűnő “nyugatiasodását” tapasztalták – ez az átalakulás legalábbis részben az amerikai étrend átvételének tudható be6.
A modernitáshoz való alkalmazkodás
A Thaiföldről bevándorlóknál megfigyelt változásokat az elhízás fokozott kockázata kísérte. A tanulmány nem állapított meg ok-okozati összefüggést, de az eredmények összhangban vannak azzal az egyre népszerűbb hipotézissel, hogy az urbanizáció – és általában a modern élet – nagymértékben megzavarhatja az ember és mikrobái között kialakult szoros kapcsolatot. “Azt a feltételezést tettük, hogy egy egészséges ember nyugati mikrobiomja egészséges mikrobiom” – mondja Justin Sonnenburg mikrobiológus a kaliforniai Stanford Egyetemről. Ehelyett ő és mások úgy gondolják, hogy a táplálkozás, az antimikrobiális óvintézkedések és az általános higiénia kereszteződése a bélközösség selejtezéséhez vezet, és hogy ez a zavar hozzájárulhat a krónikus betegségek megnövekedett kockázatához az iparosodott társadalmakban. “A nyugati étrend és a kimerült mikrobiom kombinációja valószínűleg egy forrongó gyulladásos állapothoz vezetett” – mondja Sonnenburg.”
Más tanulmányok markáns különbséget azonosítottak a városi és a hagyományos mezőgazdasági vagy vadászó-gyűjtögető életmódot folytató őslakosok mikrobiótája között, amely jobban hasonlít korai őseinkéhez. Úgy tűnik, hogy ezek a különbségek elsősorban a baktériumok diverzitásának csökkenésére vezethetők vissza, ami összefüggésben lehet a nyugati étrend rosthiányával. Sonnenburg szerint a Tanzániában élő vadászó-gyűjtögető népesség, a Hadza napi 100-150 gramm élelmi rostot fogyaszt – tízszer annyit, mint egy átlagos amerikai ember. Ennek eredményeként az Egyesült Államokban sokkal kevesebb rostot emésztő baktérium van jelen, például a Prevotella nemzetséghez tartozó baktériumok, amelyek a nem nyugati népességekben a bélmikrobiom akár 60%-át is alkothatják. Sonnenburg kutatócsoportja bemutatta, hogy ezek a változások hogyan tudnak néhány generáció alatt szilárdan meghonosodni egy populációban7. Az emberi mikrobiótával kolonizált és alacsony rosttartalmú étrenddel táplált egerek elvesztették azokat a mikrobafajokat, amelyek a magas rosttartalmú étrendet fogyasztó egerekben megmaradtak. Amikor az alacsony rosttartalmú étrenden élő egerek utódai magas rosttartalmú étrendet kaptak, a fajvesztés visszafordítható volt, de négy generáció után a hiányzó baktériumok végleg eltűntek.
A kutyával a házban való felnövés növeli a baktériumok sokféleségét, amelyeknek a gyerekek ki vannak téve.Credit: Rachael Porter/Getty
Katherine Amato, az Illinois állambeli Evanstonban található Northwestern Egyetem antropológusa az egészséges emberi mikrobiom evolúciós gyökereihez próbált eljutni nem emberi főemlősök tanulmányozásával és az emberi életmód és fiziológia változásainak hatásainak nyomon követésével. Amato szerint a főemlősfajok mikrobiom-összetételének hasonlóságai általában szorosan kapcsolódnak evolúciós rokonságukhoz. Egy 2019-es összehasonlító elemzés során azonban Amato azt találta, hogy az emberi mikrobióta összetevői (különösen a nem iparosodott társadalmakban élő emberek mikrobái) nem illeszkednek olyan szorosan a legközelebbi rokonaink – az emberszabású majmok, a csimpánzok és a bonobók – mikrobáihoz, mint várták8. Ehelyett a mikrobióta feltűnő hasonlóságot mutatott a páviánokéval – egy távolabbi rokonnal, amelynek életmódja azonban jobban hasonlít a korai emberekéhez. “A legtöbb emberszabású majom esőerdőkben él és gyümölcsös táplálkozást folytat” – mondja Amato – “mi azonban hajlamosak vagyunk úgy gondolni az őseinkre, mint akik nyílt erdőkben vagy szavanna élőhelyeken éltek, és mindenevő táplálkozást folytattak – mint a páviánok”. Ez arra utal, hogy a táplálkozás és a környezeti tényezők kiemelkedő szerepet játszottak az emberi mikrobiom alakításában.
Ley úgy véli, hogy a mikrobiom hatékony mechanizmust kínál az életmódbeli változásokhoz való gyors alkalmazkodáshoz – legalábbis az evolúció szokásos jéghideg üteméhez képest. Csoportja ugyanis bizonyítékot talált a mikrobiom alkalmazkodására a laktóztolerancia9 és a magas keményítőtartalmú táplálékok emésztésének evolúciójára válaszul – olyan genetikai alkalmazkodásra, amely csak bizonyos populációkban jelent meg az elmúlt körülbelül 10 000 évben. Ha azonban a változások gyorsan történnek, ahogyan azt az elmúlt évszázadok során végbement gyors iparosodás mutatja, a gazdaszervezet és a mikrobiom közötti, történelmileg egészséges kapcsolat maladaptívvá válhat, mivel olyan fajok vesznek el, amelyekre a szervezet evolúciósan támaszkodhatott. “Az antibiotikumok és a higiénia kulcsszerepet játszottak a fertőző betegségek megfékezésében” – mondja Dominguez-Bello – “de járulékos, nem szándékolt következményeiként károsítják a jó mikrobáinkat.”
Az erdőt látva
Noha a kutatók egyre jobban megértik, hogyan néz ki az emberi bél mikrobiom, még mindig küzdenek azzal, hogy meghatározzák, mely összetevők elengedhetetlenek a jólétünkhöz. Az egyik probléma az, hogy túl kevés adathalmaz áll rendelkezésre ahhoz, hogy a kutatók statisztikailag megbízható összefüggéseket tudjanak megállapítani a mikrobiom és az egészség vagy a betegség között. Segal az emberi genomhoz hasonlítja – csak akkor kezdett klinikai értékkel bírni, amikor már sok jó minőségű szekvencia állt rendelkezésre. “Valószínűleg 30 millió ember genomszekvenálása történt meg a mai napig, míg a mikrobiomban körülbelül 10 000 minta áll nyilvánosan rendelkezésre” – mondja.
Ezt a problémát súlyosbítja a mikrobiom-adatok földrajzi torzítása. A kiválasztott csoportokra, például a hadzákra vonatkozó maroknyi tanulmányon túl a legtöbb adat az Egyesült Államokból, Európából és Kínából származik. “Nagyon keveset tudunk az afrikai, délkelet-ázsiai és dél-amerikai mikrobiom-variációkról” – mondja Raes. Ez az információhiány különösen fontos lesz az iparosodott világban feltételezett “hiányzó mikrobák” problémájának mértékének megértéséhez.
Egy nagyobb, globálisabb adatsor jobb kiindulópontot adna ahhoz, hogy széles körben megértsük, hogyan nézhet ki egy egészséges egyén normális mikrobiomja – és így könnyebben felismerhetővé válnának a betegségekkel összefüggő zavarok. A kutatóknak azonban túl kell lépniük azokon a vizsgálatokon is, amelyek egyszerűen egy adott mikroba jelenléte vagy hiánya alapján értékelik a korrelációt egy egészséges egyénben vagy egy betegségben szenvedő személyben egy adott időpontban.
Már számos olyan többéves, longitudinális vizsgálat létezik, amely hosszú időszakon keresztül számos egyén egészségét és mikrobiomjának összetételét egyaránt nyomon követi. A kanadai Healthy Infant Longitudinal Development tanulmány például több mint 3400 gyermeket követ nyomon 5 éven keresztül, hogy azonosítsák azokat a tényezőket, amelyek hozzájárulnak az olyan betegségek kialakulásához, mint az asztma és az allergia. “Ha azt látjuk, hogy a mikrobiom változása megelőzi a klinikai változást, akkor talán meg tudjuk állapítani az ok-okozati összefüggést” – mondja Segal. Az ilyen minták nagyobb bizalmat adnának a klinikusoknak egy diagnosztikai eredmény vagy beavatkozás potenciális értékét illetően, és felbecsülhetetlen értékűek lennének a mikrobiom hozzájárulásának tanulmányozásához a fokozatosan manifesztálódó krónikus állapotokhoz, például a cukorbetegséghez.
A kutatók a baktériumszámlálást is egyre részletesebbé teszik. A korai mikrobiom-vizsgálatokat korlátozta a bélfajok szűk köre, amelyeket a tudósok a laboratóriumban tenyészteni tudtak. A szekvenálás árának zuhanása azonban lehetővé tette, hogy részletes pillanatképeket készítsenek a székletmikrobákból kivont DNS-ről. A kutatók most már a fajok szintjén túlmutatva azonosítani tudják a baktériumtörzseket, sőt, a törzsek genomikai változatait is. Sonnenburg például ezt a megközelítést használja arra, hogy olyan mutációkat keressen, amelyek befolyásolhatják a különböző bélmikrobák anyagcsere-aktivitását vagy táplálkozási preferenciáit.
Még mindig sok mikroba csúszik át a hálón. A mikrobiomelemzés standard módszerei a baktériumok azonosítását részesítik előnyben, és kevésbé alkalmasak más gyakori bélmikroorganizmusok azonosítására. “Ritkán látjuk a gombák jeleit az adatainkban, de tudjuk, hogy ott vannak” – mondja Lynch. “És tudjuk, hogy hozzájárulnak a mikrobiom és a gazdaszervezet közötti általános kölcsönhatáshoz.” Az alternatív mikrobiom-elemzési technikák megoldást kínálnak. A DNS helyett az RNS begyűjtése és elemzése például lehetővé teszi a kutatók számára, hogy rögzítsék a génexpresszióban bekövetkező változásokat, amelyek a látszólag normális bélfajok működési zavaraira deríthetnek fényt. “Egy tökéletesen szépnek tűnő mikrobiom is csinálhat olyan dolgokat, amelyek nem egészségesek” – mondja Ley. Más kutatók a metabolomikai technikák felé fordulnak – a mikrobiom-mintában termelt különböző biomolekulák átfogó kémiai elemzése. Ez lehetővé teszi a kutatók számára, hogy lehallgassák, hogyan kommunikálnak a mikrobák egymással és a gazdaszervezet sejtjeivel. “Ezek a molekulák a végtermékek” – mondja Lynch. “Ez a lényeg, amikor megpróbáljuk meghatározni az egészséges mikrobiom biomarkereit.” Laboratóriuma fontos előrelépéseket tett az ilyen megközelítésekkel, beleértve a 12,13-diHOME néven ismert mikrobiális lipidet, amely a jelek szerint az asztma magas kockázatának kitett csecsemőknél a gyulladás egyik mozgatórugója10.
Az ilyen adatok talán az eddigi legjobb jelzést adják arról, hogy belső ökoszisztémánk mennyire virágzik – lényegében az erdő talaját, vizét és leveleit vizsgálva, ahelyett, hogy csak a fákat számolnánk. “Nem lesz “az” egészséges mikrobiom, ahogyan tökéletes genom sem létezik” – mondja Segal. “Többféle egészséges konfiguráció is létezhet.” A mikrobiális aktivitásnak ezek a profiljai bizonyulhatnak a leggyorsabb útnak a mikrobiom működésével és diszfunkciójával kapcsolatos hipotézisek validálásához, és felgyorsíthatják a felfedezések klinikai vizsgálatokba való átültetését. “A megfigyelés ideje még nem ért véget, de szerintem tényleg itt az ideje, hogy áttérjünk a beavatkozásokra” – mondja Raes. “Csak akkor érthetünk meg egy rendszert, ha jól megrúgjuk, és megnézzük, mi történik.”