Como é uma floresta saudável? Uma floresta aparentemente próspera e verdejante pode esconder sinais de poluição, doenças ou espécies invasivas. Apenas um ecologista pode detectar problemas que podem comprometer o bem-estar a longo prazo de todo o ecossistema.
Procologistasicrobianos lutam com o mesmo problema. As perturbações na comunidade de micróbios que vivem no intestino humano podem contribuir para o risco e severidade de uma série de condições médicas. Assim, muitos cientistas tornaram-se naturalistas bacterianos, trabalhando para catalogar a surpreendente diversidade destas comunidades comensal. Cerca de 500-1.000 espécies bacterianas residem no trato intestinal de cada pessoa, juntamente com um número indeterminado de vírus, fungos e outros micróbios.
Os avanços na tecnologia de sequenciamento de DNA aceleraram a identificação dessas bactérias, permitindo aos pesquisadores criar ‘guias de campo’ para as espécies no intestino humano. “Estamos começando a sentir quem são os jogadores”, diz Jeroen Raes, bioinformático do VIB, um instituto de ciências da vida em Ghent, Bélgica. “Mas ainda há uma ‘matéria negra’ considerável.”
Currentemente, estes guias de campo são de utilidade limitada para distinguir um microbioma saudável de um não saudável. Parte do problema são as diferenças potencialmente vastas entre os microbiomas de pessoas aparentemente saudáveis. Estas diferenças surgem através de uma combinação complexa de factores ambientais, genéticos e de estilo de vida. Isto significa que diferenças relativamente subtis podem ter um papel desproporcional na determinação se um indivíduo é relativamente saudável ou se está em risco acrescido de desenvolver doenças como a diabetes. Compreender as implicações clínicas dessas diferenças também é um desafio, dadas as extensas interações entre esses micróbios, e com seu hospedeiro, bem como as condições em que esse indivíduo vive. “O microbioma saudável de uma pessoa pode não ser saudável em outro contexto – é um conceito complicado”, diz Ruth Ley, uma ecologista microbiana do Instituto Max Planck de Biologia do Desenvolvimento em Tübingen, Alemanha.
Investigadores como Ley estão tentando entender melhor as forças que moldam o microbioma intestinal humano – tanto na era moderna, como ao longo da história evolutiva. O quadro emergente indica que mesmo que não exista um microbioma saudável, existem amplas oportunidades para o nosso estilo de vida interferir com o funcionamento adequado dessas complexas comunidades comensais. E para entender como a quebra desses ecossistemas impulsiona as doenças, os pesquisadores precisarão ir além dos guias de campo microbianos e começar a dissecar como essas espécies interagem com seus hospedeiros e entre si.
Um primeiro presente da mãe para seu recém-nascido é um saudável smattering de micróbios. Alguns são passados através da amamentação e contato pele com pele, mas muitos micróbios são adquiridos durante a passagem através do canal de parto. Isto significa que se o bebé nascer por cesariana, pode perder um valioso kit de iniciação bacteriana. Como os primeiros anos da criança geralmente estabelecem a composição de uma comunidade intestinal que persistirá ao longo da idade adulta, as perturbações resultantes podem ter graves consequências a longo prazo para a saúde. “À medida que essas crianças crescem, elas têm maior risco de obesidade e de pragas modernas como diabetes, alergias e asma”, diz Maria Gloria Dominguez-Bello, microbiologista da Universidade Rutgers em New Brunswick, New Jersey. Em um pequeno estudo clínico, sua equipe descobriu que esfregar os recém-nascidos que nasceram por cesariana com líquidos do canal de parto de sua mãe poderia ajudar a mitigar parte da diversidade microbiana perdida1. Vários testes maiores estão em andamento para avaliar os benefícios à saúde a longo prazo.
Exposições ambientais no início da vida também afetam fortemente o microbioma de uma criança. Susan Lynch, uma pesquisadora de microbiologia da Universidade da Califórnia, São Francisco, tem explorado as ligações entre fatores ambientais durante a infância e o risco subsequente de desenvolver alergias e asma. Suas descobertas indicam que os novos pais não devem ter medo de um pouco de sujeira – ou pêlo. Depois de monitorar uma coorte de quase 1.200 bebês, Lynch e seus colegas descobriram que um cão pode ser o melhor amigo de um bebê quando se trata de evitar distúrbios respiratórios2. “O único fator que discriminava os grupos de alto risco dos de baixo risco era a posse do cão”, diz Lynch. Ela diz que os cães (e, em menor grau, os gatos) “aumentam a diversidade de bactérias e diminuem a diversidade de fungos nas casas onde esses bebês são criados”. Esta descoberta se alinha com outras pesquisas mostrando que uma criação rural ou crescimento em uma fazenda pode produzir um microbioma intestinal mais rico que reduz o risco de doenças respiratórias inflamatórias relativas a crianças criadas em ambientes mais urbanos.
Em certo ponto durante a infância, a composição do microbioma intestinal geralmente pára de mudar – embora precisamente quando não está claro. Um estudo realizado em 2012 pesquisou micróbios intestinais de indivíduos no Malawi, Venezuela e Estados Unidos, e encontrou um padrão marcante3. “Por três, você não pode mais distinguir os bebês dos adultos”, diz Dominguez-Bello, que foi co-autor do estudo. No entanto, ela observa que também há evidências de que o microbioma permanece um pouco mutável para além deste ponto. O que é claro é que, na idade adulta, este ecossistema atinge um estado de equilíbrio. “É muito estável”, diz Eran Segal, biólogo computacional do Instituto Weizmann de Ciências em Rehovot, Israel. “Nós vemos mudanças, mas você ainda parecerá mais parecido, mesmo durante muitos anos”
Algumas das mudanças vistas na vida adulta são impulsionadas pelo ambiente e pelo estilo de vida. Em um estudo de 2018 com 1.046 adultos etnicamente diversos vivendo em Israel, Segal demonstrou diferenças microbianas que tinham pouco a ver com etnia4. “Os insumos ambientais poderiam ser responsáveis por 20-25% da variabilidade do microbioma”, diz Segal. Os medicamentos são uma fonte óbvia de perturbação e os antibióticos – tomados deliberadamente para combater infecções ou involuntariamente em alimentos processados – podem afetar profundamente a microbiota. Mesmo medicamentos sem um papel claro no controle de bactérias podem causar perturbações. Raes observa que um grande estudo microbiológico europeu foi confundido com os efeitos inesperados da metformina do medicamento para diabetes5,
Aiet também é uma poderosa influência externa, mesmo que os mecanismos precisos pelos quais exerce os seus efeitos permaneçam pouco claros. Um estudo em 2018 descobriu que imigrantes da Tailândia para os Estados Unidos experimentaram uma impressionante “ocidentalização” da sua flora intestinal – uma transformação que poderia ser, pelo menos em parte, atribuída à adopção de uma dieta americana6.
Desigualdadeira modernidade
As mudanças observadas nos imigrantes da Tailândia foram acompanhadas por um aumento do risco de obesidade. O estudo não estabeleceu uma relação causal, mas os resultados são consistentes com uma hipótese cada vez mais popular de que a urbanização – e a vida moderna em geral – pode ser altamente perturbadora para a estreita relação que tem evoluído entre os humanos e seus micróbios. “Nós assumimos que o microbioma ocidental de uma pessoa saudável é um microbioma saudável”, diz o microbiologista Justin Sonnenburg, da Universidade de Stanford, na Califórnia. Em vez disso, ele e outros pensam que a intersecção de dieta, precauções antimicrobianas e higiene geral leva a um abate da comunidade intestinal, e que essa ruptura pode contribuir para o elevado risco de doenças crônicas nas sociedades industrializadas. “Esta combinação de dieta ocidental e de microbioma esgotado provavelmente levou a um estado inflamatório latente”, diz Sonnenburg.
Estudos universais identificaram uma grande diferença entre a microbiota das populações urbanas e as das populações indígenas que levam estilos de vida agrários ou caçadores-colectores tradicionais, que se assemelham mais aos dos nossos antepassados primitivos. Estas diferenças parecem ser atribuídas principalmente à perda da diversidade bacteriana, que pode estar ligada à falta de fibra nas dietas ocidentais. A Hadza, uma população de caçadores-colectores que vive na Tanzânia, come 100-150 gramas de fibra alimentar por dia, diz Sonnenburg – dez vezes mais do que uma pessoa típica dos Estados Unidos. Como resultado, bactérias que digerem fibras, como as pertencentes ao gênero Prevotella, que podem formar até 60% do microbioma intestinal em populações não-ocidentais, são muito menos abundantes nos Estados Unidos. A equipa da Sonnenburg demonstrou como estas mudanças podem ficar firmemente enraizadas numa população ao longo de apenas algumas gerações7. Ratos colonizados com microbiota humana e alimentados com uma dieta pobre em fibras perderam espécies microbianas que permaneceram em ratos comendo uma dieta rica em fibras. Quando os descendentes dos ratos de dieta pobre em fibras receberam uma dieta rica em fibras, a perda da espécie foi reversível, mas após quatro gerações, as bactérias em falta desapareceram para sempre.
Criar com um cão em casa aumenta a diversidade de bactérias a que as crianças estão expostas.Crédito: Rachael Porter/Getty
Katherine Amato, antropóloga da Northwestern University em Evanston, Illinois, tem tentado chegar à raiz evolutiva de um microbioma humano saudável, estudando primatas não humanos e rastreando os efeitos das mudanças no estilo de vida e na fisiologia humana. Em geral, diz Amato, as semelhanças na composição microbiológica entre as espécies de primatas são mapeadas de perto para a sua relação evolutiva. Mas em uma análise comparativa de 2019, Amato descobriu que os componentes da microbiota humana (em particular, micróbios de pessoas que vivem em sociedades não industrializadas) não mapearam tão estreitamente quanto se esperava dos nossos parentes mais próximos – os grandes símios, chimpanzés e bonobos8. Em vez disso, a microbiota tinha uma semelhança impressionante com as dos babuínos – uma relação mais distante, mas que tem um estilo de vida mais parecido com o dos primeiros humanos. “A maioria dos grandes símios vive em florestas tropicais e come dietas frutíferas”, diz Amato, “mas tendemos a pensar em nossos ancestrais como vivendo em bosques abertos ou habitats de savana, e comendo uma dieta onívora – como os babuínos”. Isto sugere que factores alimentares e ambientais têm desempenhado um papel proeminente na formação do microbioma humano.
Ley pensa que o microbioma oferece um mecanismo poderoso para se adaptar rapidamente às mudanças no estilo de vida – pelo menos, em relação ao ritmo normal de evolução glaciar. De facto, o seu grupo encontrou provas de adaptação microbiológica em resposta à evolução da tolerância à lactose9 e à digestão de dietas de amido alto – adaptações genéticas que surgiram apenas em certas populações nos últimos 10.000 anos, aproximadamente. Mas se as mudanças acontecerem rapidamente, como demonstrado pela rápida industrialização ocorrida nos últimos séculos, a relação historicamente saudável entre o hospedeiro e o microbioma pode tornar-se desadaptada à medida que se perdem espécies com as quais o organismo pode ter evoluído para depender. “Os antibióticos e o saneamento têm sido fundamentais no controle de doenças infecciosas”, diz Dominguez-Bello, “mas têm as consequências colaterais, não intencionais, de prejudicar os nossos bons micróbios”
Vendo a floresta
Embora os pesquisadores tenham adquirido uma melhor compreensão de como são os microbiomas intestinais humanos, eles ainda estão lutando para determinar quais componentes são essenciais para o nosso bem-estar. Um problema é que existem muito poucos conjuntos de dados que permitam aos investigadores estabelecer ligações estatisticamente robustas entre o microbioma e a saúde ou doença. O Segal faz uma comparação com o genoma humano – só quando muitas sequências de alta qualidade estavam disponíveis é que ele começou a oferecer valor clínico. “Há provavelmente 30 milhões de pessoas que foram sequenciadas até hoje, enquanto no microbioma há cerca de 10.000 amostras disponíveis publicamente”, diz ele.
Esta questão é agravada pelo viés geográfico nos dados do microbioma. Além de um punhado de estudos de grupos selecionados como o Hadza, a maioria dos dados é dos Estados Unidos, Europa e China. “Sabemos muito pouco sobre variação microbiológica na África, sudeste da Ásia e América do Sul”, diz Raes. Essa lacuna de informação será especialmente relevante para entender a extensão do problema de ‘micróbios ausentes’ sugerido no mundo industrializado.
Um conjunto de dados maior e mais global daria um ponto de partida melhor informado para entender amplamente como um microbioma normal em um indivíduo saudável pode se parecer – e assim facilitar o reconhecimento de perturbações ligadas a doenças. Mas os pesquisadores também precisam ir além dos estudos que simplesmente avaliam a correlação com base na presença ou ausência de um micróbio específico em um indivíduo saudável ou uma pessoa com uma doença em um determinado momento.
Existem agora vários estudos longitudinais plurianuais que monitoram tanto a saúde quanto a composição microbiológica de muitos indivíduos por períodos longos. O estudo Canadian Healthy Infant Longitudinal Development, por exemplo, está monitorando mais de 3.400 crianças ao longo de 5 anos, num esforço para identificar fatores que contribuem para condições como asma e alergias. “Se pudermos ver que uma mudança microbiológica precede uma mudança clínica, então talvez possamos estabelecer a causalidade”, diz Segal. Tais padrões dariam aos clínicos mais confiança no valor potencial de um resultado diagnóstico ou intervenção, e seriam inestimáveis para estudar a contribuição do microbioma para condições crônicas que se manifestam gradualmente, como diabetes.
Investigadores também estão tornando seus censos bacterianos mais detalhados. As primeiras investigações microbiológicas foram limitadas pela estreita gama de espécies intestinais que os cientistas podiam cultivar no laboratório. Mas o custo de sequenciamento em queda tornou possível a captura de instantâneos detalhados do DNA extraído de micróbios fecais. Os pesquisadores agora podem ir além do nível das espécies para identificar cepas de bactérias, e até mesmo variantes genômicas nessas cepas. Sonnenburg, por exemplo, está usando esta abordagem para procurar mutações que possam afetar a atividade metabólica ou preferências dietéticas de diferentes micróbios intestinais.
Muitos micróbios ainda deslizam pela rede, no entanto. Os métodos padrão de análise microbiológica favorecem a identificação de bactérias e não são tão bons na identificação de outros microrganismos intestinais comuns. “Raramente vemos assinaturas de fungos em nossos dados, mas sabemos que eles estão lá”, diz Lynch. “E sabemos que eles estão contribuindo para a interação geral entre o microbioma e o hospedeiro.” As técnicas alternativas de análise microbiológica oferecem uma solução. Colher e analisar RNA em vez de ADN, por exemplo, permite aos investigadores captar alterações na expressão genética que podem revelar disfunções em espécies aparentemente normais do intestino. “Um microbioma de aparência perfeita pode estar fazendo coisas que não são saudáveis”, diz Ley. Outros pesquisadores estão se voltando para técnicas metabólicas – análise química abrangente das várias biomoléculas produzidas em uma amostra microbiana. Isto está permitindo aos pesquisadores escutar como os micróbios estão se comunicando uns com os outros e com as células do seu hospedeiro. “Estas moléculas são os produtos finais”, diz Lynch. “É aí que a carne está ao tentar definir biomarcadores de um microbioma saudável.” Seu laboratório tem feito avanços importantes com tais abordagens, incluindo a identificação de um lipídio microbiano conhecido como 12,13-diHOME, que parece ser um condutor de inflamação em bebês com alto risco de asma10,
Estes dados podem oferecer a melhor leitura até agora de como nosso ecossistema interno está prosperando – essencialmente, inspecionando o solo, a água e as folhas da floresta, em vez de simplesmente contar as árvores. “Não haverá ‘o’ microbioma saudável, assim como não há um genoma perfeito”, diz Segal. “Pode haver múltiplas configurações saudáveis.” Estes perfis de atividade microbiana podem ser o caminho mais rápido para validar hipóteses sobre a função e disfunção microbiana, e acelerar a tradução das descobertas em ensaios clínicos. “O tempo de observação ainda não chegou ao fim, mas acho que é realmente a hora de passar às intervenções”, diz Raes. “Você só pode entender um sistema se você der um bom chute e ver o que acontece”