Hur ser en hälsosam skog ut? En till synes blomstrande, grönskande vildmark kan dölja tecken på föroreningar, sjukdomar eller invasiva arter. Endast en ekolog kan upptäcka problem som kan äventyra hela ekosystemets långsiktiga välbefinnande.
Mikrobiomforskare brottas med samma problem. Störningar i det samhälle av mikrober som lever i människans tarm kan bidra till risken för och svårighetsgraden av en mängd medicinska tillstånd. Följaktligen har många forskare blivit skickliga bakteriella naturforskare som arbetar med att katalogisera den häpnadsväckande mångfalden i dessa kommensala samhällen. Cirka 500-1 000 bakteriearter finns i varje människas tarmkanal, tillsammans med ett obestämt antal virus, svampar och andra mikrober.
Snabba framsteg inom DNA-sekvenseringstekniken har påskyndat identifieringen av dessa bakterier, vilket har gjort det möjligt för forskarna att skapa ”fältguider” över de arter som finns i människans tarm. ”Vi börjar få en känsla för vilka aktörerna är”, säger Jeroen Raes, bioinformatiker vid VIB, ett institut för biovetenskap i Gent, Belgien. ”Men det finns fortfarande ett stort mörkertal.”
För närvarande är dessa fältguider av begränsad nytta när det gäller att skilja ett friskt mikrobiom från ett ohälsosamt mikrobiom. En del av problemet är de potentiellt stora skillnaderna mellan mikrobiomerna hos till synes friska människor. Dessa skillnader uppstår genom en komplex kombination av miljö-, genetiska och livsstilsfaktorer. Detta innebär att relativt subtila skillnader kan spela en oproportionerligt stor roll när det gäller att avgöra om en person är relativt frisk eller löper ökad risk att utveckla sjukdomar som diabetes. Att förstå de kliniska konsekvenserna av dessa skillnader är också en utmaning, med tanke på de omfattande interaktionerna mellan dessa mikrober, och med deras värd, samt de förhållanden som individen lever under. ”En persons friska mikrobiom kanske inte är friskt i ett annat sammanhang – det är ett knepigt begrepp”, säger Ruth Ley, mikrobiell ekolog vid Max Planck Institute for Developmental Biology i Tübingen, Tyskland.
Forskare som Ley försöker bättre förstå de krafter som formar människans tarmmikrobiom – både i modern tid och genom den evolutionära historien. Den framväxande bilden visar att även om det inte finns en enda hälsosam mikrobiom, finns det gott om möjligheter för vår livsstil att störa den korrekta funktionen hos dessa komplexa kommensala samhällen. För att förstå hur uppdelningen av dessa ekosystem leder till sjukdom måste forskarna gå bortom mikrobiella guider och börja dissekera hur dessa arter interagerar med sina värdar och med varandra.
En mors första gåva till sitt nyfödda barn är en hälsosam blandning av mikrober. En del av dem förs vidare genom amning och hud-till-hud-kontakt, men många mikrober får man under passagen genom förlossningskanalen. Detta innebär att om barnet föds med kejsarsnitt kan det gå miste om ett värdefullt bakteriellt startpaket. Eftersom ett barns tidigaste år i allmänhet fastställer sammansättningen av det tarmsamhälle som kommer att bestå under hela vuxenlivet, kan de störningar som uppstår ha allvarliga hälsokonsekvenser på lång sikt. ”När dessa barn växer upp löper de större risk att drabbas av fetma och moderna farsoter som diabetes, allergier och astma, säger Maria Gloria Dominguez-Bello, mikrobiolog vid Rutgers University i New Brunswick, New Jersey. I en liten klinisk studie fann hennes grupp att genom att svabba nyfödda som fötts genom kejsarsnitt med vätska från moderns förlossningskanal kan man bidra till att mildra en del av den förlorade mikrobiella mångfalden1. Flera större försök pågår för att bedöma hälsofördelarna på längre sikt.
Miljöexponering tidigt i livet påverkar också starkt ett barns mikrobiom. Susan Lynch, mikrobiomforskare vid University of California i San Francisco, har undersökt kopplingar mellan miljöfaktorer under barndomen och den senare risken för att utveckla allergier och astma. Hennes resultat tyder på att nya föräldrar inte ska vara rädda för lite smuts – eller päls. Efter att ha övervakat en kohort med nästan 1 200 spädbarn fann Lynch och hennes kollegor att en hund kan vara barnets bästa vän när det gäller att undvika andningsstörningar2. ”Den enda faktor som skiljde hög- från lågriskgrupper var hundägande”, säger Lynch. Hon säger att hundar (och i mindre utsträckning katter) ”ökar mångfalden av bakterier och minskar mångfalden av svampar i de hus där dessa bebisar växer upp”. Detta resultat stämmer överens med annan forskning som visar att en uppväxt på landsbygden eller på en gård kan ge ett rikare tarmmikrobiom som minskar risken för inflammatoriska luftvägssjukdomar i förhållande till barn som växer upp i mer urbana miljöer.
Vid en viss tidpunkt under barndomen slutar sammansättningen av tarmmikrobiomet generellt sett att förändras – även om det är oklart exakt när. I en studie från 2012 undersöktes tarmmikrober från individer i Malawi, Venezuela och USA, och man fann ett slående mönster3. ”Vid tre års ålder kan man inte längre skilja bebisar från vuxna”, säger Dominguez-Bello, som var medförfattare till artikeln. Hon påpekar dock att det också finns bevis för att mikrobiomet förblir något föränderligt efter denna tidpunkt. Vad som står klart är att ekosystemet når ett jämviktstillstånd i vuxen ålder. ”Det är mycket stabilt”, säger Eran Segal, en beräkningsbiolog vid Weizmann Institute of Science i Rehovot, Israel. ”Vi ser förändringar, men du kommer fortfarande att se mest likadan ut, även under många år.”
En del av de förändringar som ses i vuxen ålder styrs av miljö och livsstil. I en studie från 2018 av 1 046 etniskt olika vuxna som bodde i Israel visade Segal på mikrobiella skillnader som hade lite att göra med etnicitet4. ”Miljöinsatser kan stå för 20-25 procent av variationen i mikrobiomet”, säger Segal. Läkemedel är en uppenbar källa till störningar, och antibiotika – som tas antingen medvetet för att bekämpa infektioner eller omedvetet i bearbetade livsmedel – kan påverka mikrobiotan i grunden. Även läkemedel som inte har någon tydlig roll i kontrollen av bakterier kan orsaka störningar. Raes påpekar att en stor europeisk mikrobiomstudie förvirrades av oväntade effekter av diabetesläkemedlet metformin5.
Diet är också ett kraftfullt externt inflytande, även om de exakta mekanismerna genom vilka det utövar sina effekter fortfarande är oklara. En studie från 2018 visade att invandrare till USA från Thailand upplevde en slående ”västerländsk” förändring av sin tarmflora – en omvandling som åtminstone delvis kunde tillskrivas antagandet av en amerikansk kost6.
Missanpassad till moderniteten
De förändringar som observerades hos invandrare från Thailand åtföljdes av en ökad risk för fetma. Studien fastställde inget orsakssamband, men resultaten stämmer överens med en alltmer populär hypotes om att urbanisering – och det moderna livet i allmänhet – kan vara mycket störande för den nära relation som har utvecklats mellan människor och deras mikrober. ”Vi har gjort antagandet att det västerländska mikrobiomet hos en frisk person är ett friskt mikrobiomet”, säger mikrobiologen Justin Sonnenburg vid Stanford University i Kalifornien. I stället tror han och andra att skärningspunkten mellan kost, antimikrobiella försiktighetsåtgärder och allmän hygien leder till en gallring av tarmsamhället, och att denna störning kan bidra till den förhöjda risken för kroniska sjukdomar i industrialiserade samhällen. ”Denna kombination av västerländsk kost och utarmat mikrobiom har sannolikt lett till ett sjudande inflammatoriskt tillstånd”, säger Sonnenburg.
Flera studier har identifierat en skarp skillnad mellan stadsbefolkningens mikrobiota och mikrobiotan hos ursprungsbefolkningar som lever enligt traditionell agrar- eller jägar-samlarlivsstil, som mer liknar våra tidiga förfäders livsstil. Dessa skillnader verkar främst bero på förlust av bakteriell mångfald, vilket kan kopplas till bristen på fibrer i västerländsk kost. Hadza, en befolkning av jägare och samlare som lever i Tanzania, äter 100-150 gram kostfiber per dag, säger Sonnenburg – tio gånger så mycket som en typisk person i USA. Som ett resultat av detta är fibersättande bakterier som de som tillhör släktet Prevotella, som kan utgöra upp till 60 procent av tarmmikrobiomet i icke-västerländska befolkningar, mycket mindre vanligt förekommande i USA. Sonnenburgs grupp har visat hur dessa förändringar kan bli fast förankrade i en befolkning under loppet av bara några få generationer7. Möss som koloniserats med mänsklig mikrobiota och som utfodrats med en fiberfattig kost förlorade mikrobiella arter som fanns kvar hos möss som åt en fiberrik kost. När avkomman till mössen med låg fiberkost fick en fiberrik kost var artförlusten reversibel, men efter fyra generationer var de saknade bakterierna borta för gott.
Att växa upp med en hund i huset ökar mångfalden av bakterier som barn utsätts för.Credit: Rachael Porter/Getty
Katherine Amato, antropolog vid Northwestern University i Evanston, Illinois, har försökt komma fram till den evolutionära roten till ett hälsosamt mänskligt mikrobiom genom att studera icke-mänskliga primater och spåra effekterna av förändringar i människans livsstil och fysiologi. I allmänhet, säger Amato, är likheterna i mikrobiomsammansättningen bland primatarter nära kopplade till deras evolutionära släktskap. Men i en jämförande analys från 2019 fann Amato att komponenter i människans mikrobiota (i synnerhet mikrober från människor som lever i icke-industrialiserade samhällen) inte kartlades så nära som förväntat till komponenterna hos våra närmaste släktingar – människoapor, schimpanser och bonobos8. I stället hade mikrobiota en slående likhet med mikrobiota hos babianer – en mer avlägsen släkting, men som har en livsstil som mer liknar de tidiga människornas. ”De flesta människoapor lever i regnskogar och äter fruktkost”, säger Amato, ”men vi tenderar att tänka oss att våra förfäder levde i öppna skogar eller savannområden och åt en allätande kost – som babianer”. Detta tyder på att kost- och miljöfaktorer har spelat en framträdande roll för att forma människans mikrobiom.
Ley menar att mikrobiomet erbjuder en kraftfull mekanism för att snabbt anpassa sig till livsstilsförändringar – åtminstone i förhållande till den normala glaciala evolutionstakten. Hennes grupp har faktiskt funnit bevis för anpassning av mikrobiomet som svar på utvecklingen av laktostolerans9 och matsmältning av stärkelserika dieter – genetiska anpassningar som bara har uppstått i vissa populationer under de senaste 10 000 åren eller så. Men om förändringarna sker snabbt, vilket den snabba industrialiseringen under de senaste århundradena visar, kan det historiskt sett sunda förhållandet mellan värd och mikrobiom bli olämpligt eftersom arter som kroppen kan ha utvecklats för att förlita sig på försvinner. ”Antibiotika och sanitet har varit avgörande för att kontrollera infektionssjukdomar”, säger Dominguez-Bello, ”men har de indirekta, oavsiktliga konsekvenserna av att skada våra goda mikrober.”
Seeing the forest
Och även om forskarna har fått en bättre förståelse för hur människans tarmmikrobiom ser ut, kämpar de fortfarande med att fastställa vilka komponenter som är viktiga för vårt välbefinnande. Ett problem är att det finns alldeles för få datamängder för att forskarna ska kunna dra statistiskt robusta kopplingar mellan mikrobiomet och hälsa eller sjukdom. Segal drar en jämförelse med den mänskliga arvsmassan – det var först när många högkvalitativa sekvenser fanns tillgängliga som den började erbjuda ett kliniskt värde. ”Det finns förmodligen 30 miljoner människor som har genomsekvenserats fram till idag, medan det i mikrobiomet finns omkring 10 000 prover som är offentligt tillgängliga”, säger han.
Detta problem förvärras av den geografiska bias som finns i mikrobiomdata. Bortsett från en handfull studier av utvalda grupper som Hadza är de flesta data från USA, Europa och Kina. ”Vi vet väldigt lite om mikrobiomvariation i Afrika, Sydostasien och Sydamerika”, säger Raes. Denna informationsbrist kommer att vara särskilt relevant för att förstå omfattningen av det föreslagna problemet med ”saknade mikrober” i den industrialiserade världen.
En större, mer global datamängd skulle ge en bättre informerad utgångspunkt för en bred förståelse av hur ett normalt mikrobiom hos en frisk individ kan se ut – och därmed göra det lättare att känna igen sjukdomsrelaterade störningar. Men forskarna måste också gå bortom studier som helt enkelt bedömer korrelation på grundval av närvaro eller frånvaro av en specifik mikrob hos en frisk individ eller en person med en sjukdom vid en viss tidpunkt.
Det finns nu ett antal fleråriga, longitudinella studier som övervakar både hälsan och mikrobiomsammansättningen hos många individer under längre perioder. I den kanadensiska studien Healthy Infant Longitudinal Development study, till exempel, övervakar man mer än 3 400 barn under fem år i ett försök att identifiera faktorer som bidrar till tillstånd som astma och allergier. ”Om vi kan se att en mikrobiomförändring föregår en klinisk förändring kan vi kanske fastställa kausalitet”, säger Segal. Sådana mönster skulle ge kliniker större förtroende för det potentiella värdet av ett diagnostiskt resultat eller en åtgärd och skulle vara ovärderliga för att studera mikrobiomets bidrag till kroniska tillstånd som manifesterar sig gradvis, t.ex. diabetes.
Forskare gör också sina bakteriecensurer mer detaljerade. Tidiga mikrobiomundersökningar begränsades av det smala utbud av tarmarter som forskarna kunde odla i laboratoriet. Men de sjunkande kostnaderna för sekvensering har gjort det möjligt att ta detaljerade ögonblicksbilder av det DNA som extraherats från avföringens mikrober. Forskare kan nu gå bortom artnivå för att identifiera bakteriestammar och till och med genomiska varianter i dessa stammar. Sonnenburg använder till exempel detta tillvägagångssätt för att leta efter mutationer som kan påverka den metaboliska aktiviteten eller kostpreferenserna hos olika tarmmikrober.
Många mikrober går dock fortfarande igenom nätet. Standardmetoder för mikrobiomanalys gynnar identifiering av bakterier och är inte lika bra på att identifiera andra vanliga tarmmikroorganismer. ”Vi ser sällan signaturer av svampar i våra data, men vi vet att de finns där”, säger Lynch. ”Och vi vet att de bidrar till den övergripande interaktionen mellan mikrobiom och värd.” Alternativa tekniker för mikrobiomanalys erbjuder en lösning. Genom att till exempel skörda och analysera RNA i stället för DNA kan forskarna fånga upp förändringar i genuttryck som kan avslöja dysfunktion hos till synes normala tarmarter. ”Ett mikrobiom som ser helt och hållet trevligt ut kan göra saker som inte är hälsosamma”, säger Ley. Andra forskare vänder sig till metabolomiska tekniker – omfattande kemisk analys av de olika biomolekyler som produceras i ett mikrobiomprov. Detta gör det möjligt för forskarna att avlyssna hur mikroberna kommunicerar med varandra och med sina värdceller. ”Dessa molekyler är slutprodukterna”, säger Lynch. ”Det är där köttet finns när man försöker definiera biomarkörer för ett friskt mikrobiom.” Hennes labb har gjort viktiga framsteg med sådana metoder, bland annat genom att hitta en mikrobiell lipid som kallas 12,13-diHOME, som verkar vara en drivkraft för inflammation hos spädbarn som löper stor risk att drabbas av astma10.
Sådana data kan ge den bästa avläsningen hittills av hur väl vårt inre ekosystem trivs – i huvudsak genom att inspektera skogens jord, vatten och löv, i stället för att bara räkna träden. Det kommer inte att finnas ”det” friska mikrobiomet, precis som det inte finns något perfekt genom”, säger Segal. ”Det kan finnas flera hälsosamma konfigurationer.” Dessa profiler av mikrobiell aktivitet kan visa sig vara den snabbaste vägen till att validera hypoteser om mikrobiomets funktion och dysfunktion, och påskynda översättningen av upptäckter till kliniska prövningar. ”Observationstiden har inte tagit slut, men jag tror att det verkligen är dags att gå över till interventioner”, säger Raes. ”Man kan bara förstå ett system om man ger det en rejäl spark och ser vad som händer.”