Hoe ziet een gezond bos eruit? Een schijnbaar bloeiende, groene wildernis kan tekenen van vervuiling, ziekte of invasieve soorten verbergen. Alleen een ecoloog kan problemen signaleren die het welzijn van het hele ecosysteem op lange termijn in gevaar kunnen brengen.
Microbioomonderzoekers worstelen met hetzelfde probleem. Verstoringen in de gemeenschap van microben die in de menselijke darm leven, kunnen bijdragen tot het risico en de ernst van een groot aantal medische aandoeningen. Veel wetenschappers zijn dan ook volleerde bacteriële naturalisten geworden, die zich inspannen om de verbijsterende diversiteit van deze commensale gemeenschappen te catalogiseren. In het darmkanaal van elke mens leven zo’n 500-1.000 bacteriesoorten, naast een onbepaald aantal virussen, schimmels en andere microben.
Snelle ontwikkelingen in de DNA-sequencingtechnologie hebben de identificatie van deze bacteriën versneld, waardoor onderzoekers ‘veldgidsen’ hebben kunnen maken van de soorten in de menselijke darm. “We beginnen een gevoel te krijgen van wie de spelers zijn,” zegt Jeroen Raes, een bioinformaticus bij VIB, een biowetenschappelijk instituut in Gent, België. “Maar er is nog veel ‘donkere materie’.”
Huidig zijn deze veldgidsen van beperkt nut bij het onderscheiden van een gezond microbioom van een ongezond. Een deel van het probleem zijn de potentieel enorme verschillen tussen de microbiomen van ogenschijnlijk gezonde mensen. Deze verschillen ontstaan door een complexe combinatie van milieu-, genetische en levensstijlfactoren. Dit betekent dat relatief subtiele verschillen een onevenredig grote rol kunnen spelen bij het bepalen of een individu relatief gezond is of een verhoogd risico loopt op het ontwikkelen van aandoeningen zoals diabetes. Inzicht in de klinische implicaties van die verschillen is ook een uitdaging, gezien de uitgebreide interacties tussen deze microben onderling en met hun gastheer, alsmede de omstandigheden waarin dat individu leeft. “Het gezonde microbioom van de ene persoon is misschien niet gezond in een andere context – het is een lastig concept,” zegt Ruth Ley, een microbieel ecoloog aan het Max Planck Instituut voor Ontwikkelingsbiologie in Tübingen, Duitsland.
Onderzoekers zoals Ley proberen de krachten die het menselijke darmmicrobioom vormen beter te begrijpen – zowel in de moderne tijd, als door de evolutionaire geschiedenis heen. Het zich aftekenende beeld geeft aan dat er weliswaar niet één gezond microbioom bestaat, maar dat onze levensstijl wel volop mogelijkheden biedt om de goede werking van deze complexe commensale gemeenschappen te verstoren. En om te begrijpen hoe de ineenstorting van deze ecosystemen ziekten veroorzaakt, moeten onderzoekers verder gaan dan microbiële veldgidsen en beginnen te ontleden hoe deze soorten met hun gastheren en met elkaar interageren.
Het eerste geschenk van een moeder aan haar pasgeborene is een gezonde verspreiding van microben. Sommige worden doorgegeven via borstvoeding en huid-op-huid contact, maar veel microben worden verworven tijdens de passage door het geboortekanaal. Dit betekent dat als de baby via een keizersnede ter wereld komt, hij of zij een waardevolle bacteriële startkit kan missen. Omdat de eerste jaren van een kind over het algemeen de samenstelling van een darmgemeenschap bepalen die gedurende de volwassenheid zal blijven bestaan, kunnen de daaruit voortvloeiende verstoringen ernstige gevolgen hebben voor de gezondheid op lange termijn. “Naarmate deze kinderen opgroeien, hebben ze een hoger risico op zwaarlijvigheid en op moderne plagen zoals diabetes, allergieën en astma,” zegt Maria Gloria Dominguez-Bello, een microbiologe aan de Rutgers University in New Brunswick, New Jersey. In een klein klinisch onderzoek ontdekte haar team dat het zwabberen van pasgeborenen die door een keizersnede ter wereld waren gekomen met vloeistoffen uit het geboortekanaal van hun moeder, kon helpen om iets van de verloren microbiële diversiteit te beperken1. Er zijn verschillende grotere proeven aan de gang om de gezondheidsvoordelen op langere termijn te beoordelen.
blootstellingen aan het milieu op jonge leeftijd hebben ook een sterke invloed op het microbioom van een kind. Susan Lynch, een microbioomonderzoeker aan de Universiteit van Californië, San Francisco, heeft verbanden onderzocht tussen omgevingsfactoren tijdens de kindertijd en het latere risico op het ontwikkelen van allergieën en astma. Haar bevindingen wijzen erop dat nieuwe ouders niet bang zouden moeten zijn van een beetje vuil – of bont. Na het controleren van een cohort van bijna 1.200 zuigelingen, vonden Lynch en haar collega’s dat een hond de beste vriend van een baby zou kunnen zijn wanneer het komt over het vermijden van ademhalingswanorde2. “De enige factor die een onderscheid maakte tussen hoog- en laagrisicogroepen was hondenbezit,” zegt Lynch. Ze zegt dat honden (en in mindere mate katten) “de diversiteit aan bacteriën vergroten en de diversiteit aan schimmels verkleinen in de huizen waar deze baby’s worden grootgebracht”. Deze bevinding sluit aan bij ander onderzoek waaruit blijkt dat een landelijke opvoeding of opgroeien op een boerderij een rijker darmmicrobioom kan opleveren dat het risico op ontstekingsziekten van de luchtwegen verlaagt ten opzichte van kinderen die opgroeien in een meer stedelijke omgeving.
Op een bepaald moment tijdens de kindertijd stopt de samenstelling van het darmmicrobioom over het algemeen met veranderen – hoewel het onduidelijk is wanneer precies. Een studie uit 2012 onderzocht de darmmicroben van individuen in Malawi, Venezuela en de Verenigde Staten, en vond een opvallend patroon3. “Op driejarige leeftijd kun je de baby’s niet meer onderscheiden van de volwassenen,” zegt Dominguez-Bello, die co-auteur was van het artikel. Zij merkt echter op dat er ook aanwijzingen zijn dat het microbioom na die tijd nog enigszins veranderlijk is. Wat wel duidelijk is, is dat dit ecosysteem tegen de volwassenheid een evenwichtstoestand bereikt. “Het is heel stabiel,” zegt Eran Segal, een computationeel bioloog aan het Weizmann Institute of Science in Rehovot, Israël. “We zien veranderingen, maar je zult er nog steeds grotendeels hetzelfde uitzien, zelfs over vele jaren.”
Sommige van de veranderingen die op volwassen leeftijd worden gezien, worden aangedreven door omgeving en levensstijl. In een studie uit 2018 van 1.046 etnisch diverse volwassenen die in Israël woonden, toonde Segal microbiële verschillen aan die weinig te maken hadden met etniciteit4. “Milieu-inputs zouden goed kunnen zijn voor 20-25% van de variabiliteit in het microbioom,” zegt Segal. Geneesmiddelen zijn een voor de hand liggende bron van verstoring, en antibiotica – opzettelijk ingenomen om infecties te bestrijden of onbewust in verwerkt voedsel – kunnen de microbiota ingrijpend beïnvloeden. Zelfs geneesmiddelen die geen duidelijke rol spelen bij het controleren van bacteriën kunnen verstoringen veroorzaken. Raes merkt op dat een groot Europees microbioomonderzoek werd verstoord door onverwachte effecten van het diabetesmedicijn metformine5.
Dieet is ook een krachtige externe invloed, zelfs als de precieze mechanismen waarmee het zijn effecten uitoefent onduidelijk blijven. Uit een studie in 2018 bleek dat immigranten uit Thailand naar de Verenigde Staten een opvallende ‘verwestering’ van hun darmflora doormaakten – een transformatie die, althans gedeeltelijk, kon worden toegeschreven aan het aannemen van een Amerikaans dieet6.
Op moderniteit afgestemd
De veranderingen die werden waargenomen bij immigranten uit Thailand gingen gepaard met een verhoogd risico op obesitas. De studie legde geen oorzakelijk verband, maar de resultaten zijn consistent met een steeds populairder wordende hypothese dat verstedelijking – en het moderne leven in het algemeen – zeer verstorend zou kunnen zijn voor de hechte relatie die zich heeft ontwikkeld tussen mensen en hun microben. “Wij zijn uitgegaan van de veronderstelling dat het westerse microbioom van een gezond persoon een gezond microbioom is,” zegt microbioloog Justin Sonnenburg van de Stanford University in Californië. In plaats daarvan denken hij en anderen dat het kruispunt van dieet, antimicrobiële voorzorgsmaatregelen en algemene hygiëne leidt tot een uitdunning van de darmgemeenschap, en dat deze verstoring zou kunnen bijdragen aan het verhoogde risico op chronische ziekten in geïndustrialiseerde samenlevingen. “Deze combinatie van westers dieet en uitgeput microbioom heeft waarschijnlijk geleid tot een sudderende ontstekingsstaat,” zegt Sonnenburg.
Verschillende studies hebben een schril verschil vastgesteld tussen de microbiota van stedelijke populaties en die van inheemse populaties die een traditionele agrarische of jager-verzamelaar levensstijl leiden, die meer lijkt op die van onze vroege voorouders. Deze verschillen lijken hoofdzakelijk toe te schrijven te zijn aan een verlies aan bacteriële diversiteit, wat in verband zou kunnen worden gebracht met het gebrek aan vezels in de westerse voeding. De Hadza, een populatie jager-verzamelaars in Tanzania, eten 100-150 gram voedingsvezels per dag, aldus Sonnenburg – tien keer zoveel als een doorsnee persoon in de Verenigde Staten. Als gevolg daarvan zijn vezelverterende bacteriën zoals die van het geslacht Prevotella, die bij niet-westerse bevolkingsgroepen tot 60% van het microbioom van de darm kunnen uitmaken, in de Verenigde Staten veel minder talrijk. Het team van Sonnenburg heeft aangetoond hoe deze veranderingen zich in de loop van slechts enkele generaties stevig kunnen verankeren in een bevolking7. Muizen die werden gekoloniseerd met menselijke microbiota en een vezelarm dieet kregen, verloren microbiële soorten die overbleven bij muizen die een vezelrijk dieet kregen. Wanneer de nakomelingen van de vezelarme muizen een vezelrijk dieet kregen, was het verlies van soorten omkeerbaar, maar na vier generaties waren de ontbrekende bacteriën voorgoed verdwenen.
Opgroeien met een hond in huis verhoogt de diversiteit van bacteriën waaraan kinderen worden blootgesteld.Credit: Rachael Porter/Getty
Katherine Amato, een antropologe aan de Northwestern University in Evanston, Illinois, heeft geprobeerd de evolutionaire basis van een gezond menselijk microbioom te achterhalen door niet-menselijke primaten te bestuderen en de effecten van veranderingen in de menselijke levensstijl en fysiologie na te gaan. In het algemeen, zegt Amato, zijn overeenkomsten in microbioomsamenstelling tussen primatensoorten nauw verbonden met hun evolutionaire verwantschap. Maar in een vergelijkende analyse uit 2019 ontdekte Amato dat componenten van de menselijke microbiota (met name microben van mensen die in niet-geïndustrialiseerde samenlevingen leven) niet zo nauw samenhangen als verwacht met die van onze naaste verwanten – de mensapen, chimpansees en bonobo’s8. In plaats daarvan vertoonden de microbiota een opvallende gelijkenis met die van bavianen – een verderafgelegen verwantschap, maar wel een die qua levensstijl meer lijkt op die van de vroege mens. “De meeste mensapen leven in regenwouden en eten fruit,” zegt Amato, “maar wij denken dat onze voorouders in open bos- of savannegebieden leefden en een omnivoor dieet volgden – zoals bavianen”. Dit suggereert dat dieet- en omgevingsfactoren een prominente rol hebben gespeeld bij de vorming van het menselijke microbioom.
Ley denkt dat het microbioom een krachtig mechanisme biedt om zich snel aan te passen aan veranderingen in levensstijl – althans, in verhouding tot het normale glaciale tempo van de evolutie. Haar groep heeft inderdaad bewijzen gevonden van microbioomaanpassingen als reactie op de evolutie van lactosetolerantie9 en de vertering van zetmeelrijke diëten – genetische aanpassingen die alleen in bepaalde populaties zijn ontstaan in de afgelopen 10.000 jaar of zo. Maar als de veranderingen snel gaan, zoals blijkt uit de snelle industrialisatie van de afgelopen eeuwen, kan de historisch gezonde relatie tussen gastheer en microbioom een negatieve uitwerking hebben, omdat er soorten verloren gaan waar het lichaam op kan vertrouwen. “Antibiotica en sanitaire voorzieningen hebben een sleutelrol gespeeld bij de bestrijding van infectieziekten,” zegt Dominguez-Bello, “maar hebben als neveneffect dat ze onbedoeld schade toebrengen aan onze goede microben.”
Het bos zien
Hoewel onderzoekers een beter inzicht hebben gekregen in hoe menselijke darmmicrobiomen eruit zien, worstelen ze nog steeds om vast te stellen welke componenten essentieel zijn voor ons welzijn. Een probleem is dat er veel te weinig datasets zijn om onderzoekers in staat te stellen statistisch robuuste verbanden te leggen tussen het microbioom en gezondheid of ziekte. Segal trekt een vergelijking met het menselijk genoom – pas toen er veel sequenties van hoge kwaliteit beschikbaar waren, begon het klinische waarde te bieden. “Er zijn waarschijnlijk 30 miljoen mensen die tot op heden genoomsequenties hebben gekregen, terwijl er in het microbioom ongeveer 10.000 monsters openbaar beschikbaar zijn,” zegt hij.
Dit probleem wordt nog verergerd door de geografische bias in microbioomgegevens. Afgezien van een handvol studies van geselecteerde groepen zoals de Hadza, zijn de meeste gegevens afkomstig uit de Verenigde Staten, Europa en China. “We weten heel weinig over de microbioomvariatie in Afrika, Zuidoost-Azië en Zuid-Amerika,” zegt Raes. Die informatiekloof zal vooral relevant zijn voor het begrijpen van de omvang van het gesuggereerde ‘ontbrekende microben’-probleem in de geïndustrialiseerde wereld.
Een grotere, meer wereldwijde dataset zou een beter geïnformeerd uitgangspunt geven voor een breed begrip van hoe een normaal microbioom in een gezond individu eruit kan zien – en het dus gemakkelijker maken om ziektegerelateerde verstoringen te herkennen. Maar onderzoekers moeten ook verder gaan dan studies die gewoon correlatie beoordelen op basis van aan- of afwezigheid van een specifieke microbe bij een gezond individu of een persoon met een ziekte op een bepaald tijdstip.
Er zijn nu een aantal meerjarige, longitudinale studies die zowel de gezondheid als de microbioomsamenstelling van veel individuen over langere perioden volgen. De Canadese Healthy Infant Longitudinal Development studie, bijvoorbeeld, volgt meer dan 3.400 kinderen gedurende 5 jaar in een poging om factoren te identificeren die bijdragen aan aandoeningen zoals astma en allergieën. “Als we kunnen zien dat een verandering in het microbioom voorafgaat aan een klinische verandering, kunnen we misschien een causaal verband vaststellen,” zegt Segal. Dergelijke patronen zouden clinici meer vertrouwen geven in de potentiële waarde van een diagnostisch resultaat of interventie, en zouden van onschatbare waarde zijn voor het bestuderen van de bijdrage van het microbioom aan chronische aandoeningen die zich geleidelijk manifesteren, zoals diabetes.
Onderzoekers maken hun bacteriële tellingen ook gedetailleerder. Vroege microbioomonderzoeken werden beperkt door de nauwe reeks darmsoorten die wetenschappers in het lab konden kweken. Maar de kelderende kosten van sequencing hebben het mogelijk gemaakt gedetailleerde momentopnamen te maken van het DNA dat uit fecale microben wordt geëxtraheerd. Onderzoekers kunnen nu verder gaan dan het soortniveau en bacteriestammen identificeren, en zelfs genomische varianten in die stammen. Sonnenburg gebruikt deze aanpak bijvoorbeeld om te zoeken naar mutaties die van invloed kunnen zijn op de metabolische activiteit of dieetvoorkeuren van verschillende darmmicroben.
Veel microben glippen echter nog door de mazen van het net. Standaardmethoden voor microbioomanalyse geven de voorkeur aan de identificatie van bacteriën, en zijn niet zo goed in het identificeren van andere veel voorkomende darmmicro-organismen. “We zien zelden schimmels in onze gegevens, maar we weten dat ze er zijn,” zegt Lynch. “En we weten dat ze bijdragen aan de totale interactie tussen microbioom en gastheer.” Alternatieve microbioom-analysetechnieken bieden een workaround. Door bijvoorbeeld RNA in plaats van DNA te oogsten en te analyseren, kunnen onderzoekers veranderingen in genexpressie vastleggen die disfunctie aan het licht kunnen brengen in ogenschijnlijk normale darmsoorten. “Ley: “Een microbioom dat er perfect uitziet, kan dingen doen die niet gezond zijn. Andere onderzoekers maken gebruik van metabolomische technieken – uitgebreide chemische analyse van de verschillende biomoleculen die in een microbioommonster worden geproduceerd. Dit stelt onderzoekers in staat af te luisteren hoe microben met elkaar en met de cellen van hun gastheer communiceren. “Deze moleculen zijn de eindproducten,” zegt Lynch. “Dat is waar het op aankomt bij het definiëren van biomarkers voor een gezond microbioom.” Haar lab heeft belangrijke stappen gezet met dergelijke benaderingen, waaronder het vaststellen van een microbiële lipide bekend als 12,13-diHOME, die een drijvende kracht lijkt te zijn achter ontsteking bij zuigelingen met een hoog risico op astma10.
Dergelijke gegevens zouden de beste uitlezing tot nu toe kunnen bieden van hoe goed ons interne ecosysteem gedijt – in wezen, het inspecteren van de bodem, het water en de bladeren van het bos, in plaats van alleen maar de bomen te tellen. “Er zal niet ‘het’ gezonde microbioom zijn, net zoals er geen perfect genoom is,” zegt Segal. “Er kunnen meerdere gezonde configuraties zijn.” Deze profielen van microbiële activiteit zouden wel eens de snelste weg kunnen blijken te zijn naar het valideren van hypotheses over de functie en disfunctie van het microbioom, en het versnellen van de vertaling van ontdekkingen naar klinische tests. “De tijd van observatie is nog niet voorbij, maar ik denk dat het nu echt tijd is om over te gaan op interventies,” zegt Raes. “Je kunt een systeem alleen begrijpen als je het een flinke schop geeft en kijkt wat er gebeurt.”