Jak wygląda zdrowy las? Pozornie kwitnąca, zielona puszcza może skrywać oznaki zanieczyszczenia, choroby lub gatunków inwazyjnych. Tylko ekolog potrafi dostrzec problemy, które mogą zagrozić długoterminowemu dobrobytowi całego ekosystemu.
Badacze mikrobiomu zmagają się z tym samym problemem. Zakłócenia w społeczności mikrobów żyjących w ludzkich jelitach mogą przyczynić się do zwiększenia ryzyka i nasilenia wielu schorzeń. W związku z tym wielu naukowców stało się doskonałymi bakteryjnymi przyrodnikami, pracującymi nad skatalogowaniem zadziwiającej różnorodności tych komensalnych społeczności. Około 500-1,000 gatunków bakterii zamieszkuje przewód jelitowy każdej osoby, obok nieokreślonej liczby wirusów, grzybów i innych mikrobów.
Szybki postęp w technologii sekwencjonowania DNA przyspieszył identyfikację tych bakterii, pozwalając naukowcom na stworzenie „przewodników terenowych” po gatunkach występujących w ludzkich jelitach. „Zaczynamy mieć poczucie, kim są gracze” – mówi Jeroen Raes, bioinformatyk z VIB, instytutu nauk przyrodniczych w Gandawie, w Belgii. Ale nadal istnieje znaczna „ciemna materia”.”
Obecnie te przewodniki mają ograniczoną przydatność w odróżnianiu zdrowego mikrobiomu od niezdrowego. Częścią problemu są potencjalnie ogromne różnice między mikrobiomami pozornie zdrowych ludzi. Różnice te powstają w wyniku złożonej kombinacji czynników środowiskowych, genetycznych i stylu życia. Oznacza to, że stosunkowo subtelne różnice mogą odgrywać nieproporcjonalnie dużą rolę w określaniu, czy dana osoba jest względnie zdrowa, czy też jest narażona na zwiększone ryzyko rozwoju zaburzeń, takich jak cukrzyca. Zrozumienie klinicznych implikacji tych różnic jest również wyzwaniem, biorąc pod uwagę rozległe interakcje pomiędzy tymi mikrobami oraz z ich gospodarzem, a także warunki, w jakich żyje dana osoba. „Zdrowy mikrobiom jednej osoby może nie być zdrowy w innym kontekście – to skomplikowana koncepcja” – mówi Ruth Ley, ekolog mikrobiomu z Instytutu Maxa Plancka Biologii Rozwojowej w Tybindze w Niemczech.
Badacze tacy jak Ley starają się lepiej zrozumieć siły, które kształtują ludzki mikrobiom jelitowy – zarówno w czasach współczesnych, jak i w całej historii ewolucji. Wyłaniający się obraz wskazuje, że nawet jeśli nie ma jednego zdrowego mikrobiomu, istnieje wiele możliwości, aby nasz styl życia zakłócał prawidłowe funkcjonowanie tych złożonych społeczności komensalnych. A żeby zrozumieć, jak rozkład tych ekosystemów napędza choroby, badacze będą musieli wyjść poza przewodniki po mikrobiomie i zacząć analizować, jak te gatunki współdziałają ze swoimi gospodarzami i ze sobą nawzajem.
Pierwszym darem matki dla jej noworodka jest zdrowe rozproszenie mikrobów. Niektóre z nich są przekazywane poprzez karmienie piersią i kontakt skóra do skóry, ale wiele mikrobów jest nabywanych podczas przechodzenia przez kanał rodny. Oznacza to, że jeśli dziecko zostanie urodzone przez cesarskie cięcie, może ono utracić cenny zestaw startowy bakterii. Ponieważ najwcześniejsze lata dziecka zazwyczaj ustanawiają skład społeczności jelitowej, która będzie utrzymywać się przez całą dorosłość, wynikające z tego zakłócenia mogą mieć poważne długoterminowe konsekwencje zdrowotne. „W miarę jak niemowlęta rosną, zwiększa się u nich ryzyko otyłości, a także współczesnych plag, takich jak cukrzyca, alergie i astma” – mówi Maria Gloria Dominguez-Bello, mikrobiolog z Uniwersytetu Rutgersa w New Brunswick, New Jersey. W niewielkim badaniu klinicznym jej zespół stwierdził, że pobieranie płynów z kanału rodnego matki od noworodków urodzonych przez cesarskie cięcie może pomóc ograniczyć część utraconej różnorodności mikrobiologicznej1. Kilka większych badań jest w trakcie realizacji, aby ocenić długoterminowe korzyści zdrowotne.
Narażenia środowiskowe we wczesnym okresie życia również silnie wpływają na mikrobiom dziecka. Susan Lynch, badaczka mikrobiomu na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Francisco, bada powiązania między czynnikami środowiskowymi w dzieciństwie a późniejszym ryzykiem rozwoju alergii i astmy. Jej odkrycia wskazują, że świeżo upieczeni rodzice nie powinni obawiać się odrobiny brudu – lub sierści. Po monitorowaniu kohorty prawie 1200 niemowląt Lynch i jej koledzy odkryli, że pies może być najlepszym przyjacielem dziecka, jeśli chodzi o unikanie zaburzeń układu oddechowego2. „Jedynym czynnikiem, który odróżniał grupy wysokiego i niskiego ryzyka, było posiadanie psa” – mówi Lynch. Twierdzi ona, że psy (i w mniejszym stopniu koty) „zwiększają różnorodność bakterii i zmniejszają różnorodność grzybów w domach, w których wychowują się te dzieci”. To odkrycie jest zgodne z innymi badaniami pokazującymi, że wychowanie na wsi lub dorastanie na farmie może przynieść bogatszy mikrobiom jelitowy, który zmniejsza ryzyko zapalnych chorób układu oddechowego w stosunku do dzieci wychowanych w bardziej miejskich środowiskach.
W pewnym momencie w dzieciństwie, skład mikrobiomu jelitowego generalnie przestaje się zmieniać – chociaż dokładnie kiedy jest niejasne. W badaniu z 2012 r. zbadano mikrobiom jelitowy osób z Malawi, Wenezueli i Stanów Zjednoczonych i odkryto uderzający wzór3. „W wieku trzech lat nie można już odróżnić dzieci od dorosłych” – mówi Dominguez-Bello, która była współautorką pracy. Zauważa ona jednak, że istnieją również dowody na to, że mikrobiom pozostaje w pewnym stopniu zmienny po przekroczeniu tego punktu. Jasne jest natomiast, że w wieku dojrzałym ekosystem ten osiąga stan równowagi. „Jest bardzo stabilny” – mówi Eran Segal, biolog obliczeniowy z Weizmann Institute of Science w Rehovot w Izraelu. „Widzimy zmiany, ale nadal będziesz wyglądać w większości podobnie, nawet przez wiele lat.”
Niektóre ze zmian obserwowanych w dorosłości są napędzane przez środowisko i styl życia. W badaniu z 2018 roku 1 046 etnicznie zróżnicowanych dorosłych mieszkających w Izraelu, Segal wykazał różnice mikrobiologiczne, które miały niewiele wspólnego z etnicznością4. „Wejścia środowiskowe mogą odpowiadać za 20-25% zmienności w mikrobiomie” – mówi Segal. Leki są oczywistym źródłem zakłóceń, a antybiotyki – przyjmowane świadomie w celu zwalczania infekcji lub nieświadomie w przetworzonej żywności – mogą głęboko wpływać na mikrobiotę. Nawet leki, które nie odgrywają wyraźnej roli w kontrolowaniu bakterii, mogą powodować zakłócenia. Raes zauważa, że jedno duże europejskie badanie mikrobiomu zostało zmącone nieoczekiwanymi efektami wywołanymi przez lek przeciwcukrzycowy metforminę5.
Dieta jest również potężnym wpływem zewnętrznym, nawet jeśli dokładne mechanizmy, za pomocą których wywiera swoje skutki, pozostają niejasne. W jednym z badań z 2018 r. stwierdzono, że imigranci do Stanów Zjednoczonych z Tajlandii doświadczyli uderzającej „westernizacji” swojej flory jelitowej – transformacji, którą można, przynajmniej częściowo, przypisać przyjęciu amerykańskiej diety6.
Niedopasowanie do nowoczesności
Zmianom zaobserwowanym u imigrantów z Tajlandii towarzyszyło zwiększone ryzyko otyłości. Badanie nie wykazało związku przyczynowego, ale wyniki są zgodne z coraz bardziej popularną hipotezą, że urbanizacja – i nowoczesne życie w ogóle – może być bardzo destrukcyjne dla ścisłej relacji, która rozwinęła się między ludźmi i ich mikrobami. „Przyjęliśmy założenie, że zachodni mikrobiom zdrowej osoby jest zdrowym mikrobiomem” – mówi mikrobiolog Justin Sonnenburg z Uniwersytetu Stanforda w Kalifornii. Zamiast tego on i inni uważają, że skrzyżowanie diety, antybakteryjnych środków ostrożności i ogólnej higieny prowadzi do uboju społeczności jelitowej, i że to zaburzenie może przyczynić się do podwyższonego ryzyka chorób przewlekłych w społeczeństwach uprzemysłowionych. „To połączenie zachodniej diety i uszczuplonego mikrobiomu prawdopodobnie doprowadziło do stanu zapalnego”, mówi Sonnenburg.
Wiele badań zidentyfikowało wyraźną różnicę między mikrobiotą populacji miejskich a tymi z rdzennych populacji, które prowadzą tradycyjny agrarny lub łowiecko-zbieracki tryb życia, który bardziej przypomina te z naszych wczesnych przodków. Różnice te wydają się być przypisane głównie do utraty różnorodności bakterii, które mogą być związane z brakiem błonnika w zachodnich dietach. Hadza, populacja myśliwych-zbieraczy żyjących w Tanzanii, jeść 100-150 gramów błonnika dziennie, Sonnenburg mówi – dziesięć razy więcej niż typowa osoba w Stanach Zjednoczonych. W rezultacie, bakterie trawiące błonnik, takie jak te należące do rodzaju Prevotella, które mogą stanowić do 60% mikrobiomu jelitowego w populacjach niezachodnich, są znacznie mniej obfite w Stanach Zjednoczonych. Zespół Sonnenburga wykazał, jak te zmiany mogą się mocno zakorzenić w populacji w ciągu zaledwie kilku pokoleń7. Myszy skolonizowane ludzką mikrobiotą i karmione dietą o niskiej zawartości błonnika straciły gatunki bakterii, które pozostały w myszach jedzących dietę o wysokiej zawartości błonnika. Kiedy potomstwo myszy stosujących dietę niskobłonnikową otrzymywało dietę wysokobłonnikową, utrata gatunków była odwracalna, ale po czterech pokoleniach brakujące bakterie zniknęły na dobre.
Dorastanie z psem w domu zwiększa różnorodność bakterii, na które narażone są dzieci.Credit: Rachael Porter/Getty
Katherine Amato, antropolog z Northwestern University w Evanston, Illinois, próbuje dotrzeć do ewolucyjnych korzeni zdrowego ludzkiego mikrobiomu, badając zwierzęta naczelne i śledząc skutki zmian w ludzkim stylu życia i fizjologii. Ogólnie rzecz biorąc, Amato mówi, że podobieństwa w składzie mikrobiomu wśród gatunków naczelnych są ściśle powiązane z ich ewolucyjnym pokrewieństwem. Jednak w analizie porównawczej z 2019 roku Amato stwierdził, że składniki ludzkiej mikrobioty (w szczególności mikroby pochodzące od ludzi żyjących w społeczeństwach nieuprzemysłowionych) nie odwzorowują się tak ściśle, jak oczekiwano, w mikrobiotę naszych najbliższych krewnych – małp człekokształtnych, szympansów i bonobo8. Zamiast tego, mikrobiota wykazywała uderzające podobieństwo do mikrobioty pawianów – bardziej odległego krewnego, ale prowadzącego styl życia bardziej zbliżony do wczesnych ludzi. „Większość małp człekokształtnych żyje w lasach deszczowych i odżywia się owocami”, mówi Amato, „ale my myślimy o naszych przodkach, że żyli w otwartych lasach lub na sawannach i stosowali dietę wszystkożerną – jak pawiany”. Sugeruje to, że czynniki dietetyczne i środowiskowe odegrały znaczącą rolę w kształtowaniu ludzkiego mikrobiomu.
Ley uważa, że mikrobiom oferuje potężny mechanizm szybkiego dostosowywania się do zmian stylu życia – przynajmniej w stosunku do normalnego lodowatego tempa ewolucji. Rzeczywiście, jej grupa znalazła dowody na adaptację mikrobiomu w odpowiedzi na ewolucję tolerancji na laktozę9 i trawienie diet wysokoskrobiowych – adaptacje genetyczne, które pojawiły się tylko w niektórych populacjach w ciągu ostatnich około 10 000 lat. Ale jeśli zmiany następują szybko, jak pokazała gwałtowna industrializacja, która miała miejsce w ciągu ostatnich kilku stuleci, historycznie zdrowe relacje między gospodarzem a mikrobiomem mogą stać się nieprzystosowawcze, ponieważ gatunki, na których organizm mógł się oprzeć, zostały utracone. „Antybiotyki i warunki sanitarne były kluczowe w kontrolowaniu chorób zakaźnych”, mówi Dominguez-Bello, „ale mają uboczne, niezamierzone konsekwencje szkodzenia naszym dobrym mikrobom.”
Widzenie lasu
Ale naukowcy uzyskali lepsze zrozumienie tego, jak wyglądają ludzkie mikrobiomy jelitowe, wciąż walczą o to, by określić, które składniki są niezbędne dla naszego dobrego samopoczucia. Jednym z problemów jest to, że istnieje o wiele za mało zestawów danych, które pozwoliłyby badaczom na wyciągnięcie statystycznie solidnych powiązań między mikrobiomem a zdrowiem lub chorobą. Segal porównuje to z ludzkim genomem – dopiero gdy dostępnych było wiele wysokiej jakości sekwencji, zaczął on oferować wartość kliniczną. „Prawdopodobnie do dziś sekwencjonowano genom 30 milionów ludzi, podczas gdy w przypadku mikrobiomu publicznie dostępnych jest około 10 000 próbek” – mówi Segal.
Kwestię tę potęguje geograficzna stronniczość danych dotyczących mikrobiomu. Poza kilkoma badaniami wybranych grup, takich jak Hadza, większość danych pochodzi ze Stanów Zjednoczonych, Europy i Chin. „Wiemy bardzo niewiele na temat zmienności mikrobiomu w Afryce, południowo-wschodniej Azji i Ameryce Południowej” – mówi Raes. Ta luka informacyjna będzie szczególnie istotna dla zrozumienia zakresu sugerowanego problemu „brakujących mikrobów” w świecie uprzemysłowionym.
Większy, bardziej globalny zestaw danych dałby lepiej poinformowany punkt wyjścia do szerokiego zrozumienia, jak może wyglądać normalny mikrobiom u zdrowej osoby – a tym samym ułatwiłby rozpoznanie związanych z chorobą perturbacji. Ale naukowcy muszą również wyjść poza badania, które po prostu oceniają korelację na podstawie obecności lub braku określonego mikroba u zdrowej osoby lub osoby z chorobą w określonym punkcie w czasie.
Istnieje obecnie szereg wieloletnich, podłużnych badań, które monitorują zarówno zdrowie, jak i skład mikrobiomu wielu osób w dłuższych okresach. Kanadyjskie badanie Healthy Infant Longitudinal Development, na przykład, monitoruje ponad 3400 dzieci w ciągu 5 lat w celu zidentyfikowania czynników, które przyczyniają się do warunków takich jak astma i alergie. „Jeśli zauważymy, że zmiany w mikrobiomie poprzedzają zmiany kliniczne, być może uda nam się ustalić związek przyczynowo-skutkowy” – mówi Segal. Takie wzorce dałyby klinicystom większą pewność co do potencjalnej wartości wyników diagnostycznych lub interwencji i byłyby nieocenione przy badaniu udziału mikrobiomu w przewlekłych schorzeniach, które ujawniają się stopniowo, takich jak cukrzyca.
Badacze czynią również swoje spisy bakterii bardziej szczegółowymi. Wczesne badania mikrobiomu były ograniczone przez wąski zakres gatunków jelitowych, które naukowcy mogli hodować w laboratorium. Jednak gwałtownie spadające koszty sekwencjonowania umożliwiły wykonanie szczegółowych zdjęć DNA pobranego z mikrobów kałowych. Naukowcy mogą teraz wyjść poza poziom gatunku, aby zidentyfikować szczepy bakterii, a nawet warianty genomowe w tych szczepach. Sonnenburg, na przykład, wykorzystuje to podejście do poszukiwania mutacji, które mogą wpływać na aktywność metaboliczną lub preferencje żywieniowe różnych mikrobów jelitowych.
Mnóstwo mikrobów wciąż jednak umyka przez sieć. Standardowe metody analizy mikrobiomu faworyzują identyfikację bakterii, a nie są tak dobre w identyfikacji innych powszechnych mikroorganizmów jelitowych. „Rzadko widzimy sygnatury grzybów w naszych danych, ale wiemy, że one tam są” – mówi Lynch. „I wiemy, że przyczyniają się one do ogólnej interakcji między mikrobiomem a gospodarzem”. Alternatywne techniki analizy mikrobiomu oferują obejście tego problemu. Na przykład zbieranie i analizowanie RNA, a nie DNA, pozwala badaczom uchwycić zmiany w ekspresji genów, które mogą ujawnić dysfunkcję w pozornie normalnych gatunkach jelit. „Doskonale wyglądający mikrobiom może robić rzeczy, które nie są zdrowe” – mówi Ley. Inni badacze zwracają się ku technikom metabolomicznym – kompleksowej analizie chemicznej różnych biomolekuł wytwarzanych w próbce mikrobiomu. Dzięki temu badacze mogą podsłuchiwać, w jaki sposób mikroby komunikują się między sobą i z komórkami gospodarza. „Te cząsteczki są produktami końcowymi” – mówi Lynch. „To właśnie w nich tkwi sedno próby zdefiniowania biomarkerów zdrowego mikrobiomu”. Jej laboratorium poczyniło ważne postępy z takimi podejściami, w tym naprowadzając się na lipid mikrobiologiczny znany jako 12,13-diHOME, który wydaje się być czynnikiem napędzającym stan zapalny u niemowląt z wysokim ryzykiem astmy10.
Dane takie mogą oferować najlepszy jak dotąd odczyt tego, jak dobrze prosperuje nasz wewnętrzny ekosystem – zasadniczo sprawdzając glebę, wodę i liście lasu, a nie tylko licząc drzewa. „Nie będzie 'tego’ zdrowego mikrobiomu, tak jak nie ma idealnego genomu” – mówi Segal. „Może istnieć wiele zdrowych konfiguracji”. Te profile aktywności mikrobiomu mogą okazać się najszybszą drogą do zatwierdzenia hipotez dotyczących funkcji i dysfunkcji mikrobiomu, a także przyspieszyć przełożenie odkryć na próby kliniczne. „Czas obserwacji jeszcze się nie skończył, ale myślę, że nadszedł już czas, aby przejść do interwencji” – mówi Raes. „Możesz zrozumieć system tylko wtedy, gdy dasz mu porządnego kopa i zobaczysz, co się stanie.”
.