Квинтилони микроби в човек определят нашата същност

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Колкото повече учените изучават микробите, които живеят в човешкото тяло, толкова повече научават за мощното влияние на тези трохи върху нашия външен вид, поведение, дори върху начина на мислене и чувства.

Наистина ли вирусите, бактериите, едноклетъчните гъбички и други организми, които живеят в белите дробове и червата, кожата и очните ябълки, наистина зависят от нашето здраве и благополучие? Не е ли твърде странно да вярваме, че микроскопичните същества, които носим в себе си и върху себе си, в много отношения определят самата ни същност?

Влиянието на микробиома - това е името на този мини-зоопарк - може да бъде основно още в ранните етапи на развитие.

Едно от проучванията, резултатите от които бяха публикувани миналата година, показва, че дори привидно вродено качество като темперамента на бебето може да зависи от това дали по-голямата част от бактериите в червата му принадлежат към един и същи род: колкото повече бифидобактерии, толкова по-весело дете.

Заключенията, до които стигнаха Анна-Катарина Аацинки и нейните колеги от университета в Турку във Финландия, се основават на анализ на проби от изпражнения от 301 бебета. Тези деца, които са имали повече бифидобактерии на два месеца, са по-склонни да проявяват „положителни емоции“, както установиха изследователите, на шест месеца.

Изучаването на микробиома започна сравнително наскоро - всъщност само преди 15 години. Това означава, че повечето от изследванията, направени до момента, са били предварителни и скромен по обхват, включвайки само десетки мишки или хора. Учените са открили определена връзка между състоянието на микробиома и различни заболявания, но все още не са успели да установят ясни причинно-следствени връзки между конкретни обитатели на гъсто населен „вътрешен свят“на човек и неговото здраве.

Дори броят на тези жители е невероятен: днес се смята, че около 38 квинтилона (1012) микроби живеят в тялото на обикновен млад човек - това е дори повече от техните собствени човешки клетки. Ако се научим да разбираме как да се разпореждаме с това – собствено – богатство, пред нас ще се открият очарователни перспективи.

Според оптимистите в близко бъдеще ще стане обичайно да се инжектира човек със здрави комплекси от микроби под формата на пребиотици (съединения, които действат като субстрат, върху който могат да се размножават полезните бактерии), пробиотици (самите тези бактерии) или чрез фекалии. трансплантация (трансплантация на богата чревна микробиома от донори) - за да се чувства здрав.

Когато хората говорят за микробиома, те имат предвид преди всичко обитателите на стомашно-чревния тракт, които съставляват 90 процента от нашите микроорганизми. Други органи обаче гъмжат от живот: микробите изпълват всяка част от тялото, която е в контакт с външния свят: очи, уши, нос, уста, анус, пикочно-полова система. Освен това микроби присъстват на всяко парче кожа, особено в подмишниците, перинеума, между пръстите на краката и в пъпа.

И ето какво е наистина невероятно: всеки от нас има уникален набор от микроби, които никой друг няма. Днес, според Роб Найт от Центъра за микробиомни иновации в Калифорнийския университет (Сан Диего), вече може да се твърди, че вероятността за двама души с еднакъв набор от видове в микробиомите се доближава до нула. Уникалността на микробиома може да бъде използвана в криминалистиката, каза Найт. „Който е докоснал обект, се проследява от „пръстовия отпечатък“на микробиома, който остава върху кожата на човек“, обяснява той. Е, някой ден следователите, търсещи доказателства, ще започнат да събират проби от микроби, живеещи върху кожата, точно както правят днес за пръстови отпечатъци.

В тази статия ще споделим някои от значимите открития, направени от учени, които са изследвали микробиома и как той ни влияе от ранна детска възраст до напреднала възраст.

Детска възраст

Плодът в утробата е практически стерилен. Притискайки се през родовия канал, той среща безброй бактерии. При нормално раждане бебето се „измива“от микробите, които живеят във влагалището; освен това върху него попадат чревните бактерии на майката. Тези микроби веднага започват да обитават собствените му черва, влизайки в един вид комуникация с развиващата се имунна система. Така че още в най-ранните етапи от своето съществуване микробиомът подготвя имунната система да функционира правилно в бъдеще.

Ако бебето се роди чрез цезарово сечение, няма контакт с бактериите на майката, а други микроорганизми колонизират червата му – от кожата на майката и от майчиното мляко, от ръцете на медицинска сестра, дори от болнично бельо. Такъв чужд микробиом може да усложни целия бъдещ живот на човек.

През 2018 г. Пол Уилмс от Центъра за системна медицина към Люксембургския университет публикува резултатите от проучване на 13 естествено родени бебета и 18 бебета, родени по хирургичен път. Уилмс и колеги анализираха изпражненията на новородени и техните майки, както и вагинални натривки на родилки. "Цезаровите" имаха значително по-малко бактерии, които произвеждат липополизахариди и по този начин стимулират развитието на имунната система. Поне пет дни след раждането остават малко такива микроби – това според Уилмс е достатъчно, за да доведе до дългосрочни последици за имунитета.

След известно време, обикновено до първия рожден ден, микробиомите на децата от двете групи придобиват прилики. Въпреки това, според Уилмс, разликата, наблюдавана в първите дни от живота, означава, че в тялото на бебетата, родени чрез цезарово сечение, може да не премине първичната имунизация, по време на която имунните клетки се научават да реагират правилно на външни влияния. Това вероятно обяснява защо тези деца са по-склонни да развият различни проблеми, свързани с функционирането на имунната система, включително алергии, възпаления и затлъстяване. Според Уилмс в бъдеще може би на "цезаровците" ще се дават пробиотици, създадени на базата на щамове на майчините бактерии, за да населят храносмилателната им система с полезни микроби.

Детство

Хранителните алергии са станали толкова чести, че някои училища са наложили ограничения върху храната, която децата могат да вземат от вкъщи (например, не им е позволено да носят фъстъчени блокчета или сандвичи с конфитюр), така че някои съученици да не развият алергична реакция. В САЩ 5,6 милиона деца страдат от хранителни алергии, тоест във всеки клас има поне две до три такива деца.

Посочват се различни причини, които биха могли да доведат до разпространение на алергии, включително увеличаване на броя на бебетата, родени чрез цезарово сечение, и прекомерната употреба на антибиотици, които могат да унищожат бактериите, които ни защитават. Катрин Наглер и нейните колеги от Чикагския университет решиха да проверят дали разпространението на хранителните алергии сред децата е свързано със състава на техния микробиом. Миналата година те публикуваха резултатите от проучване, в което участваха осем шестмесечни деца, половината от които бяха алергични към краве мляко. Оказа се, че микробиомите на представителите на двете групи са доста различни: в червата на здравите бебета има бактерии, характерни за правилно развиващите се деца на тяхната възраст, а бактерии, които са по-характерни за възрастните, са открити при страдащите от краве алергии към мляко.

При алергичните деца, каза Наглер, обикновено бавният преход от детски микробиом към възрастен "се случва с необичайна скорост".

Наглер и нейните колеги трансплантираха (с помощта на фекални трансплантации) чревните бактерии на „техните“бебета на мишки, родени чрез цезарово сечение и отгледани при стерилни условия, тоест напълно свободни от микроби. Оказа се, че само мишки, трансплантирани от здрави бебета, не показват алергична реакция към кравето мляко. Други, като техните донори, са станали алергични.

По-нататъшни проучвания показват, че основната роля в защитата на първата група мишки, очевидно, е изиграна от бактерии от един вид, открит само при деца: Anaerostipes caccae от групата Clostridia. Clostridia също така предотвратява алергиите към фъстъци, установиха Наглер и нейните колеги в едно проучване.

Наглер, президент и съосновател на базираната в Чикаго фармацевтична компания ClostraBio, се надява да тества терапевтичния потенциал на Anaerostipes caccae при лабораторни мишки и след това при алергични хора. Първата задача била да се намери място в червата, където да се разтоварят отряд от полезни бактерии. Дори в нездравословен микробиом, казва Наглер, всички ниши вече са запълнени; така че, за да може клостридиите да се вкоренят на ново място, трябва да изгоните предишните жители. Затова ClostraBio създаде лекарство, което изчиства определена ниша в микробиома. Наглер и колегите му го „предписват“на мишки и след това им инжектират няколко вида клостридии, както и диетични фибри, които насърчават размножаването на микробите. Наглер се надява да започне клинични изпитвания на Clostridia при хора през следващите две години и в крайна сметка да създаде лекарство за деца с хранителни алергии.

Чревните микроби могат да бъдат свързани и с други заболявания при деца, включително диабет тип I. В Австралия учените анализирали проби от изпражнения от 93 деца, чиито роднини страдали от диабет, и установили, че тези от тях, които впоследствие са развили заболяването, са имали повишени нива на ентеровирус А в изпражненията си. Един от експериментаторите, W. Ian Lipkin от Meilmanovskaya, обаче Училището по обществено здраве към Колумбийския университет предупреждава колегите да не правят прибързани заключения, че причините за определени заболявания се дължат единствено на различията в микробиома. „Всичко, което знаем със сигурност“, казва той, „е, че определени микроби по някакъв начин са свързани с определени заболявания.“

Все пак Липкин е ентусиазиран за бъдещето на науката за микробиомите. Според неговата прогноза през следващите петдесет години учените ще разкрият механизма на ефекта на микробиома върху тялото и ще започнат клинични изпитвания при хора, за да покажат как здравето може да се подобри чрез „редактиране” на микробиома.

младостта

Много юноши имат предразположение към акне – и изглежда има феномен, наречен „мастен микробиом“. Кожата на момчетата е особено приветлива към два щама на бактериите Cutibacterium acnes, свързани с акне. Повечето щамове на тази бактерия са безопасни или дори полезни, защото инхибират растежа на патогенни микроби; всъщност тази бактерия е основен компонент на нормалния микробиом на лицето и шията.

Лошият щам обаче може да причини много вреда: неговото присъствие, според Аманда Нелсън, дерматолог от Медицинския колеж на Университета на Пенсилвания, е една от предпоставките за развитие на възпаление. Сред другите причини за развитието на болестта учените наричат себум (произведен от мастните жлези за овлажняване на кожата), който служи като място за размножаване на C. acnes, космени фоликули и склонност към възпаление. Всичко работи заедно и според Нелсън все още не знаем кое е по-важно.

Изследователи от Медицинския факултет на Университета на Вашингтон изследват микробиома на мастните жлези и установяват, че единственото дълготрайно лечение на акне, изотретиноин (известен с различни търговски наименования), действа отчасти чрез промяна на микробиома на кожата, увеличавайки общото разнообразие на микроби, сред които по-трудно се вкореняват вредните щамове.

Сега, когато учените са научили, че изотретиноинът действа чрез промяна на състава на микробиома, те може да се опитат да създадат други лекарства със същия ефект, но да се надяваме, че са по-безопасни - в края на краищата изотретиноинът може да доведе до вродени дефекти при деца, ако майките са приемали лекарството по време на по време на бременност.

Зрелост

Ами ако можете да направите повече с тренировките си, като просто вземете назаем микроби от червата на спортист? Този въпрос зададоха учени от Харвардския университет. В продължение на две седмици те събираха ежедневни проби от изпражнения от 15 бегачи, които участваха в Бостънския маратон през 2015 г. - като започнаха седмица преди състезанието и завършиха седмица по-късно - и ги сравняваха с проби от изпражнения, събрани от десет души в контролната група, също над двама седмици.не работи. Изследователите установиха, че няколко дни след маратона пробите, взети от бегачите, съдържат значително повече бактерии Veillonella atypica, отколкото тези от контролната група.

„Това откритие обяснява много, защото Вейлонела има уникален метаболизъм: любимият й източник на енергия е лактатът, солта на млечната киселина“, казва Александър Костич от Центъра за изследване на диабета в Джослин и Медицинското училище в Харвард. „И си помислихме: може би Veilonella разгражда мускулния лактат в тялото на спортиста?“И, ако това наистина е така, възможно ли е чрез въвеждането на неговите щамове на хора, далеч от професионалния спорт, да се повиши тяхната издръжливост?

След това учените се заеха с лабораторни мишки: Veilonella, изолирана от изпражненията на един от бегачите, беше инжектирана на 16 мишки с нормален микробиом, тестван за патогени. След това субектите бяха поставени на бягаща пътека и принудени да тичат до изчерпване. Същото беше направено с 16 контролни мишки; само те са били инжектирани с бактерии, които не консумират лактат. Както се оказа, мишките, „заразени“с Veilonella, бягаха много по-дълго от контролните животни, което означава, че изследователите смятат, че микробиомът може да играе решаваща роля за поддържане на производителността.

Според Костич този експеримент е „прекрасен пример за това какво ни дава симбиозата“. Veilonella процъфтява, когато човек, неговият носител, в резултат на физическа активност произвежда лактат, с който се храни, и от своя страна е от полза за човека, като превръща лактата в пропионат, което се отразява на работата на гостоприемника, тъй като, наред с други неща, увеличава честотата на контракциите на сърцето и подобрява метаболизма на кислорода, а също така, вероятно, предотвратява развитието на възпаление в мускулите.

„Този вид взаимоотношения изглежда лежат в основата на повечето взаимодействия между хората и микробиома“, обяснява Костич. „В крайна сметка връзката между тях е толкова взаимноизгодна.”

Микробиомът може също да е отговорен за по-малко приятните характеристики на човешката природа, включително психични състояния като тревожност и депресия. През 2016 г. учени от Националния университет на Ирландия в Корк публикуваха резултатите от изследване на влиянието на микробиома върху развитието на депресия. Изследователите разделят 28 лабораторни плъха на две групи. Експерименталната група е получила трансплантации на чревна микрофлора от трима мъже, страдащи от тежка депресия, а контролната група - от трима здрави мъже.

Оказа се, че чревната микробиома на хората, страдащи от депресия, се е потопила в депресия и плъхове. В сравнение с контролните животни, те показват загуба на интерес към дейности, които носят удоволствие (при плъховете това се определя от това колко често искат да пият сладка вода) и повишена тревожност, изразена в желанието им да избягват открити или непознати зони на лабораторията лабиринт.

Като се има предвид голямата разлика между плъхове и хора, изследователите отбелязват, че тяхното проучване предоставя нови доказателства, че чревният микробиом може да играе роля при депресия. Рано или късно, казват те, може да дойде ден, когато ще се борим с депресията и други подобни разстройства, включително чрез насочване към определени бактерии в човешкото тяло.

Старост

Микробиомът е едновременно устойчив и течен. Неговата уникална структура до голяма степен се формира до 4-годишна възраст и само много значими фактори могат наистина да я повлияят - например промяна в диетата, интензивността на физическата активност или времето, прекарано на открито, преместване на ново място на пребиваване, употреба на антибиотици и някои други лекарства. Въпреки това, в известен смисъл, микробиомът е в постоянен поток, променяйки се фино с всяко хранене. При възрастните тези промени са толкова предсказуеми, че възрастта ви може да се определи грубо, като просто се запознаете с набора от бактерии, живеещи в червата.

Тази техника, известна като „определяне на възрастта по микробиомния часовник на стареенето“, изисква помощта на изкуствен интелект, като например в експеримент, проведен наскоро от базираната в Хонконг стартираща компания Insilico Medicine. Учените са събрали информация за микробиомите на 1165 души от Европа, Азия и Северна Америка. Една трета от тях са на 20-30 години, друга трета - на 40-50, а последната - на 60-90 години.

Учените, маркирайки възрастта на своите носители, подложиха данните за 90 процента от микробиомите на „компютърна интерпретация“и след това приложиха моделите, идентифицирани от изкуствения интелект, върху микробиомите на останалите десет процента от хората, чиято възраст не беше отбелязана. Беше възможно да се установи възрастта им с грешка от само четири години.

Какво означава да „редактираш“своя микробиом и да живееш в мир? Уви, дори най-големите любители на науката за микробиома казват, че е трудно да се направят точни заключения за връзката между микробиома и човешкото здраве досега и настояват, че трябва да се внимава при преминаването към лечение с бактериални присадки.

Мнозина вече се възхищават от потенциала на микробиота да се използва като лекарство, казва Пол Уилмс от Люксембургския университет, отбелязвайки, че фармацевтичните компании разработват нови пробиотици за балансиране на микробиома.

„Преди да можем наистина да го направим правилно и интелигентно“, казва Уилмс, „трябва да разберем в детайли какво представлява здравият микробиом и как точно влияе върху човешкото тяло. Мисля, че все още сме много далеч от това."

Микроби вътре в нас

• дебело черво - 38 квинтилиона
• плака - 1 квинтилион
• кожа - 180 милиарда
• слюнка - 100 милиарда
• тънки черва - 40 млрд
• стомах - 9 милиона

Вижте микробиома

Всички изображения в тази статия са направени от Мартин Егерли с помощта на сканиращ електронен микроскоп: пробите бяха изсушени, златни атоми бяха напръскани върху тях и поставени във вакуумна камера. Дължината на вълната на електронния лъч на микроскопа е по-къса от видимата светлина, така че лъчът "откроява" най-малките обекти, но извън цветовия спектър. Оцветените в Eggerly микроби, чийто цвят е известен, в тези цветове, в други случаи той е избрал различна гама, за да могат да се разграничат микробите и техните характерни черти.