Cum arată o pădure sănătoasă? O sălbăticie aparent înfloritoare și plină de verdeață poate ascunde semne de poluare, boli sau specii invazive. Numai un ecologist poate depista problemele care ar putea pune în pericol bunăstarea pe termen lung a întregului ecosistem.
Cercetătorii din domeniul microbiomului se luptă cu aceeași problemă. Perturbările comunității de microbi care trăiesc în intestinul uman pot contribui la riscul și gravitatea unei serii de afecțiuni medicale. În consecință, mulți oameni de știință au devenit naturaliști bacterieni desăvârșiți, străduindu-se să catalogheze diversitatea surprinzătoare a acestor comunități comensale. Aproximativ 500-1.000 de specii bacteriene locuiesc în tractul intestinal al fiecărei persoane, alături de un număr nedeterminat de viruși, ciuperci și alți microbi.
Progresele rapide în tehnologia de secvențiere a ADN-ului au accelerat identificarea acestor bacterii, permițând cercetătorilor să creeze „ghiduri de teren” pentru speciile din intestinul uman. „Începem să ne facem o idee despre cine sunt jucătorii”, spune Jeroen Raes, un bioinformatician de la VIB, un institut de științe ale vieții din Ghent, Belgia. „Dar există încă o „materie întunecată” considerabilă.”
În prezent, aceste ghiduri de teren sunt de un folos limitat pentru a distinge un microbiom sănătos de unul nesănătos. O parte a problemei este reprezentată de diferențele potențial uriașe dintre microbiomii unor persoane aparent sănătoase. Aceste diferențe apar printr-o combinație complexă de factori de mediu, genetici și de stil de viață. Acest lucru înseamnă că diferențele relativ subtile pot avea un rol disproporționat în a determina dacă o persoană este relativ sănătoasă sau prezintă un risc crescut de a dezvolta tulburări precum diabetul. Înțelegerea implicațiilor clinice ale acestor diferențe reprezintă, de asemenea, o provocare, având în vedere interacțiunile extinse dintre acești microbi și cu gazda lor, precum și condițiile în care trăiește individul respectiv. „Microbiomul sănătos al unei persoane ar putea să nu fie sănătos într-un alt context – este un concept complicat”, spune Ruth Ley, ecologist microbian la Institutul Max Planck pentru Biologia Dezvoltării din Tübingen, Germania.
Cercetătorii precum Ley încearcă să înțeleagă mai bine forțele care modelează microbiomul intestinal uman – atât în epoca modernă, cât și de-a lungul istoriei evoluției. Imaginea care se conturează indică faptul că, chiar dacă nu există un singur microbiom sănătos, există numeroase oportunități pentru ca stilul nostru de viață să interfereze cu buna funcționare a acestor comunități comensale complexe. Și pentru a înțelege modul în care descompunerea acestor ecosisteme conduce la apariția bolilor, cercetătorii vor trebui să treacă dincolo de ghidurile microbiene de teren și să înceapă să disece modul în care aceste specii interacționează cu gazdele lor și între ele.
Primul dar al unei mame pentru nou-născutul său este o puzderie sănătoasă de microbi. Unii sunt transmise prin alăptare și prin contactul piele-pe-piele, dar mulți microbi sunt dobândiți în timpul trecerii prin canalul de naștere. Acest lucru înseamnă că, dacă bebelușul este adus pe lume prin cezariană, s-ar putea să rateze un kit de pornire bacterian valoros. Deoarece primii ani de viață ai unui copil stabilesc, în general, compoziția unei comunități intestinale care va persista pe tot parcursul vieții adulte, perturbările rezultate pot avea consecințe grave asupra sănătății pe termen lung. „Pe măsură ce acești copii cresc, ei au un risc mai mare de obezitate și de plăgi moderne precum diabetul, alergiile și astmul”, spune Maria Gloria Dominguez-Bello, microbiolog la Universitatea Rutgers din New Brunswick, New Jersey. Într-un mic studiu clinic, echipa ei a descoperit că tamponarea nou-născuților născuți prin cezariană cu fluide din canalul de naștere al mamei lor ar putea ajuta la atenuarea unei părți din diversitatea microbiană pierdută1. Mai multe studii mai mari sunt în curs de desfășurare pentru a evalua beneficiile pentru sănătate pe termen mai lung.
Expunerile la mediul înconjurător la începutul vieții afectează, de asemenea, puternic microbiomul unui copil. Susan Lynch, cercetător în domeniul microbiomului la University of California, San Francisco, a explorat legăturile dintre factorii de mediu din copilărie și riscul ulterior de a dezvolta alergii și astm. Descoperirile ei indică faptul că proaspeții părinți nu ar trebui să se teamă de puțină murdărie – sau blană. După ce au monitorizat o cohortă de aproape 1.200 de bebeluși, Lynch și colegii ei au descoperit că un câine ar putea fi cel mai bun prieten al unui bebeluș atunci când vine vorba de evitarea tulburărilor respiratorii2. „Singurul factor care a discriminat grupurile cu risc ridicat de cele cu risc scăzut a fost deținerea unui câine”, spune Lynch. Potrivit acesteia, câinii (și, într-o măsură mai mică, pisicile) „cresc diversitatea bacteriilor și scad diversitatea ciupercilor din casele în care sunt crescuți acești bebeluși”. Această constatare se aliniază cu alte cercetări care arată că o educație rurală sau creșterea la o fermă ar putea produce un microbiom intestinal mai bogat care reduce riscul de boli respiratorii inflamatorii în raport cu copiii crescuți în medii mai urbane.
La un anumit moment în timpul copilăriei, compoziția microbiomului intestinal încetează, în general, să se schimbe – deși nu este clar când anume. Un studiu realizat în 2012 a analizat microbii intestinali de la persoane din Malawi, Venezuela și Statele Unite și a descoperit un model surprinzător3. „La trei ani, nu mai poți deosebi bebelușii de adulți”, spune Dominguez-Bello, care a fost coautor al lucrării. Cu toate acestea, ea remarcă faptul că există, de asemenea, dovezi că microbiomul rămâne oarecum mutabil dincolo de acest punct. Ceea ce este clar este că, la vârsta adultă, acest ecosistem ajunge la o stare de echilibru. „Este foarte stabil”, spune Eran Segal, un biolog computațional de la Institutul de Științe Weizmann din Rehovot, Israel. „Observăm schimbări, dar veți continua să arătați în mare parte asemănător, chiar și după mulți ani.”
Câteva dintre schimbările observate la vârsta adultă sunt determinate de mediu și de stilul de viață. Într-un studiu realizat în 2018 pe 1.046 de adulți cu diversitate etnică care trăiesc în Israel, Segal a demonstrat diferențe microbiene care au avut puțin de-a face cu etnia4. „Contribuțiile mediului ar putea reprezenta 20-25% din variabilitatea microbiomului”, spune Segal. Medicamentele sunt o sursă evidentă de perturbare, iar antibioticele – administrate fie în mod deliberat pentru a combate o infecție, fie involuntar în alimentele procesate – pot afecta profund microbiota. Chiar și medicamentele care nu au un rol clar în controlul bacteriilor pot provoca perturbări. Raes remarcă faptul că un studiu european major asupra microbiomului a fost încurcat de efectele neașteptate ale medicamentului pentru diabet metformin5.
Dieta este, de asemenea, o influență externă puternică, chiar dacă mecanismele precise prin care își exercită efectele rămân neclare. Un studiu din 2018 a constatat că imigranții din Thailanda care au venit în Statele Unite au cunoscut o „occidentalizare” izbitoare a florei lor intestinale – o transformare care ar putea fi, cel puțin în parte, atribuită adoptării unei diete americane6.
Major adaptare la modernitate
Cele observate la imigranții din Thailanda au fost însoțite de un risc crescut de obezitate. Studiul nu a stabilit o legătură de cauzalitate, dar rezultatele sunt în concordanță cu o ipoteză din ce în ce mai populară conform căreia urbanizarea – și viața modernă în general – ar putea fi foarte perturbatoare pentru relația strânsă care a evoluat între oameni și microbii lor. „Am pornit de la ipoteza că microbiomul occidental al unei persoane sănătoase este un microbiom sănătos”, spune microbiologul Justin Sonnenburg de la Universitatea Stanford din California. În schimb, el și alții sunt de părere că intersecția dintre dietă, precauțiile antimicrobiene și igiena generală duce la o eliminare a comunității intestinale și că această perturbare ar putea contribui la riscul ridicat de boli cronice în societățile industrializate. „Această combinație între dieta occidentală și un microbiom epuizat a condus probabil la o stare inflamatorie care fierbe la foc mic”, spune Sonnenburg.
Diverse studii au identificat o diferență marcantă între microbiota populațiilor urbane și cea a populațiilor indigene care duc un stil de viață tradițional agrar sau de vânător-culegător, care seamănă mai mult cu cel al primilor noștri strămoși. Aceste diferențe par să fie atribuite în principal pierderii diversității bacteriene, care ar putea fi legată de lipsa fibrelor din dietele occidentale. Hadza, o populație de vânători-culegători care trăiește în Tanzania, consumă 100-150 de grame de fibre alimentare pe zi, spune Sonnenburg – de zece ori mai mult decât o persoană obișnuită din Statele Unite. Ca urmare, bacteriile care digeră fibrele, cum ar fi cele aparținând genului Prevotella, care pot forma până la 60% din microbiomul intestinal la populațiile non-occidentale, sunt mult mai puțin abundente în Statele Unite. Echipa lui Sonnenburg a demonstrat modul în care aceste schimbări pot deveni ferm înrădăcinate într-o populație în decursul a doar câteva generații7. Șoarecii colonizați cu microbiota umană și hrăniți cu o dietă săracă în fibre au pierdut specii microbiene care au rămas la șoarecii care consumau o dietă bogată în fibre. Atunci când urmașilor șoarecilor cu dietă săracă în fibre li s-a administrat o dietă bogată în fibre, pierderea speciilor a fost reversibilă, dar după patru generații, bacteriile lipsă dispăruseră definitiv.
Creșterea cu un câine în casă crește diversitatea bacteriilor la care sunt expuși copiii.Credit: Rachael Porter/Getty
Katherine Amato, antropolog la Universitatea Northwestern din Evanston, Illinois, a încercat să ajungă la rădăcina evolutivă a unui microbiom uman sănătos prin studierea primatelor non-umane și prin urmărirea efectelor schimbărilor în stilul de viață și fiziologia umană. În general, spune Amato, asemănările în compoziția microbiomului între speciile de primate sunt strâns legate de înrudirea lor evolutivă. Însă, într-o analiză comparativă din 2019, Amato a constatat că componentele microbiotei umane (în special microbii de la persoanele care trăiesc în societăți neindustrializate) nu se corelează atât de strâns pe cât se așteptau cu cele ale celor mai apropiate rude ale noastre – maimuțele mari, cimpanzeii și bonobo8. În schimb, microbiota semăna izbitor cu cea a babuinilor – o rudă mai îndepărtată, dar care are un stil de viață mai asemănător cu cel al primilor oameni. „Majoritatea maimuțelor mari trăiesc în păduri tropicale și au o dietă bazată pe fructe”, spune Amato, „dar avem tendința de a ne gândi la strămoșii noștri ca trăind în păduri deschise sau în habitate de savană și având o dietă omnivoră – precum babuinii”. Acest lucru sugerează că factorii alimentari și de mediu au jucat un rol proeminent în modelarea microbiomului uman.
Ley crede că microbiomul oferă un mecanism puternic pentru adaptarea rapidă la schimbările stilului de viață – cel puțin, în raport cu ritmul glacial normal al evoluției. Într-adevăr, grupul ei a găsit dovezi de adaptare a microbiomului ca răspuns la evoluția toleranței la lactoză9 și la digestia dietelor bogate în amidon – adaptări genetice care au apărut doar la anumite populații în ultimii 10.000 de ani sau cam așa ceva. Dar dacă schimbările se produc rapid, așa cum demonstrează industrializarea rapidă care a avut loc în ultimele secole, relația sănătoasă din punct de vedere istoric dintre gazdă și microbiom ar putea deveni dezadaptativă, pe măsură ce se pierd specii pe care organismul ar fi evoluat să se bazeze. „Antibioticele și salubrizarea au fost esențiale în controlul bolilor infecțioase”, spune Dominguez-Bello, „dar au consecințele colaterale, neintenționate, de a dăuna microbilor noștri buni.”
Văzând pădurea
Deși cercetătorii au obținut o mai bună înțelegere a modului în care arată microbiomul intestinal uman, ei încă se străduiesc să stabilească ce componente sunt esențiale pentru bunăstarea noastră. Una dintre probleme este că există mult prea puține seturi de date care să le permită cercetătorilor să stabilească legături robuste din punct de vedere statistic între microbiom și sănătate sau boală. Segal face o comparație cu genomul uman – doar atunci când au fost disponibile multe secvențe de înaltă calitate, acesta a început să ofere valoare clinică. „Există probabil 30 de milioane de persoane care au fost secvențiate până în prezent pentru genom, în timp ce în cazul microbiomului există aproximativ 10.000 de eșantioane disponibile în mod public”, spune el.
Această problemă este agravată de părtinirea geografică a datelor despre microbiom. Dincolo de o mână de studii ale unor grupuri selectate, cum ar fi Hadza, majoritatea datelor provin din Statele Unite, Europa și China. „Știm foarte puțin despre variația microbiomului în Africa, Asia de sud-est și America de Sud”, spune Raes. Acest decalaj de informații va fi deosebit de relevant pentru a înțelege amploarea problemei sugerate a „microbilor lipsă” în lumea industrializată.
Un set de date mai mare și mai global ar oferi un punct de plecare mai bine informat pentru a înțelege pe larg cum poate arăta un microbiom normal la un individ sănătos – și, astfel, ar face mai ușor de recunoscut perturbările legate de boli. Dar cercetătorii trebuie, de asemenea, să treacă dincolo de studiile care evaluează pur și simplu corelația pe baza prezenței sau absenței unui microb specific la un individ sănătos sau la o persoană cu o boală la un anumit moment dat.
Există acum o serie de studii longitudinale, multianuale, care monitorizează atât sănătatea, cât și compoziția microbiomului multor indivizi pe perioade extinse. Studiul canadian Healthy Infant Longitudinal Development, de exemplu, monitorizează mai mult de 3.400 de copii pe parcursul a 5 ani, în încercarea de a identifica factorii care contribuie la afecțiuni precum astmul și alergiile. „Dacă putem vedea că o schimbare a microbiomului precede o schimbare clinică, atunci poate putem stabili cauzalitatea”, spune Segal. Astfel de modele le-ar oferi medicilor mai multă încredere în valoarea potențială a unui rezultat de diagnosticare sau a unei intervenții și ar fi de neprețuit pentru a studia contribuția microbiomului la afecțiunile cronice care se manifestă treptat, cum ar fi diabetul.
Cercetătorii își fac, de asemenea, recensămintele bacteriene mai detaliate. Primele cercetări ale microbiomului au fost limitate de gama îngustă de specii intestinale pe care oamenii de știință le puteau crește în laborator. Dar costul în scădere drastică al secvențierii a făcut posibilă capturarea unor instantanee detaliate ale ADN-ului extras din microbii fecali. Cercetătorii pot acum să treacă dincolo de nivelul speciilor pentru a identifica tulpini de bacterii și chiar variantele genomice din aceste tulpini. Sonnenburg, de exemplu, folosește această abordare pentru a căuta mutații care ar putea afecta activitatea metabolică sau preferințele alimentare ale diferiților microbi intestinali.
Mulți microbi încă scapă totuși prin plasă. Metodele standard de analiză a microbiomului favorizează identificarea bacteriilor și nu sunt la fel de bune la identificarea altor microorganisme intestinale comune. „Rareori vedem semnături de ciuperci în datele noastre, dar știm că sunt acolo”, spune Lynch. „Și știm că ele contribuie la interacțiunea generală dintre microbiom și gazdă”. Tehnicile alternative de analiză a microbiomului oferă o soluție de rezolvare. Recoltarea și analizarea ARN-ului, mai degrabă decât a ADN-ului, de exemplu, permite investigatorilor să capteze schimbările în expresia genelor care pot dezvălui disfuncții în specii intestinale aparent normale. „Un microbiom care arată perfect arătând bine ar putea face lucruri care nu sunt sănătoase”, spune Ley. Alți cercetători se orientează către tehnicile metabolomice – analiza chimică completă a diferitelor biomolecule produse într-o probă de microbiom. Acest lucru le permite cercetătorilor să tragă cu urechea la modul în care microbii comunică între ei și cu celulele gazdei lor. „Aceste molecule sunt produsele finale”, spune Lynch. „Acolo este carnea în încercarea de a defini biomarkeri ai unui microbiom sănătos”. Laboratorul ei a făcut pași importanți cu astfel de abordări, inclusiv localizarea unei lipide microbiene cunoscute sub numele de 12,13-diHOME, care pare a fi un motor al inflamației la copiii cu risc ridicat de astm10.
Aceste date ar putea oferi cea mai bună citire de până acum a modului în care prosperă ecosistemul nostru intern – în esență, inspectarea solului, a apei și a frunzelor din pădure, mai degrabă decât simpla numărare a copacilor. „Nu va exista „microbiomul” sănătos, așa cum nu există un genom perfect”, spune Segal. „Ar putea exista mai multe configurații sănătoase”. Aceste profiluri ale activității microbiene s-ar putea dovedi a fi cea mai rapidă cale de validare a ipotezelor privind funcția și disfuncția microbiomului și de accelerare a transpunerii descoperirilor în studii clinice. „Vremea observației nu s-a încheiat, dar cred că a venit cu adevărat timpul să trecem la intervenții”, spune Raes. „Poți înțelege un sistem doar dacă îi dai o lovitură bună și vezi ce se întâmplă.”
.