Kvintillioner af mikrober i en person definerer vores essens

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

Jo mere videnskabsmænd studerer mikroberne, der lever i den menneskelige krop, jo mere lærer de om disse krummers stærke indflydelse på vores udseende, adfærd, endda på måden at tænke og føle på.

Er vira, bakterier, encellede svampe og andre organismer, der lever i lunger og tarme, hud og øjenæbler, virkelig afhængige af vores helbred og velbefindende? Er det ikke for mærkeligt at tro, at de mikroskopiske skabninger, som vi bærer i os selv og på os selv, på mange måder bestemmer vores essens?

Mikrobiomets indflydelse - dette er navnet på denne minizoo - kan være fundamental allerede i de tidlige udviklingsstadier.

En af undersøgelserne, hvis resultater blev offentliggjort sidste år, viser, at selv en tilsyneladende medfødt egenskab som et spædbarns temperament kan afhænge af, om størstedelen af bakterierne i dets tarme tilhører samme slægt: Jo flere bifidobakterier, jo mere muntert barn.

Konklusionerne fra Anna-Katariina Aatsinki og hendes kolleger ved Universitetet i Turku i Finland er baseret på analysen af afføringsprøver fra 301 babyer. De børn, der havde flere bifidobakterier efter to måneder, var mere tilbøjelige til at vise "positive følelser", som forskerne fastslog, efter seks måneder.

Studiet af mikrobiomet begyndte relativt for nylig - faktisk kun 15 år siden. Det betyder, at det meste af den forskning, der er udført til dato, har været foreløbig og beskeden i omfang, og kun involveret snesevis af mus eller mennesker. Forskere har fundet et klart forhold mellem tilstanden af mikrobiomet og forskellige sygdomme, men har endnu ikke været i stand til at identificere klare årsag-og-virkning-forhold mellem specifikke indbyggere i en tætbefolket "indre verden" af en person og hans helbred.

Selv antallet af disse indbyggere er forbløffende: i dag menes det, at omkring 38 quintillioner (1012) mikrober lever i en almindelig ung mands krop - dette er endnu mere end deres egne menneskelige celler. Hvis vi lærer at forstå, hvordan vi kan disponere over denne - vores egen - rigdom, åbner der sig fascinerende udsigter.

Ifølge optimister vil det i den nærmeste fremtid blive almindeligt at injicere en person med sunde komplekser af mikrober i form af præbiotika (forbindelser, der fungerer som et substrat, hvorpå gavnlige bakterier kan formere sig), probiotika (disse bakterier selv) eller med fækalier transplantation (transplantation af et rigt tarmmikrobiom fra donorer) - så han kan føle sig sund.

Når man taler om mikrobiomet, mener de primært indbyggerne i mave-tarmkanalen, som udgør 90 procent af vores mikroorganismer. Men andre organer vrimler med liv: mikrober fylder enhver del af kroppen, der er i kontakt med omverdenen: øjne, ører, næse, mund, anus, genitourinary system. Derudover er bakterier til stede på ethvert stykke hud, især i armhulerne, mellemkødet, mellem tæerne og i navlen.

Og her er det, der virkelig er fantastisk: hver af os har et unikt sæt mikrober, som ingen andre har. I dag kan det ifølge Rob Knight fra Center for Microbiome Innovation ved University of California (San Diego) allerede hævdes, at sandsynligheden for, at to mennesker med samme sæt arter i mikrobiomer nærmer sig nul. Det unikke ved mikrobiomet kunne udnyttes i retsmedicin, sagde Knight. "Den, der rørte ved en genstand, spores af mikrobiomets 'fingeraftryk', der efterlades på en persons hud," forklarer han. Nå, en dag vil efterforskere, der leder efter beviser, begynde at indsamle prøver af mikrober, der lever på huden, ligesom de gør i dag for fingeraftryk.

I denne artikel vil vi dele nogle af de betydningsfulde opdagelser gjort af forskere, der har studeret mikrobiomet, og hvordan det påvirker os fra spædbarn til alderdom.

Barndom

Fosteret i livmoderen er praktisk talt sterilt. Ved at klemme sig gennem fødselskanalen møder han et utal af bakterier. Under normal fødsel bliver barnet "vasket" af de mikrober, der lever i skeden; desuden kommer moderens tarmbakterier på det. Disse mikrober begynder straks at bebo sine egne tarme og indgår i en slags kommunikation med det udviklende immunsystem. Så allerede i de tidligste stadier af sin eksistens forbereder mikrobiomet immunsystemet til at fungere korrekt i fremtiden.

Hvis barnet fødes gennem et kejsersnit, er der ingen kontakt med moderens bakterier, og andre mikroorganismer koloniserer hans tarme – fra moderens hud og fra modermælk, fra en sygeplejerskes hænder, selv fra hospitalslinned. Sådan et fremmed mikrobiom kan komplicere en persons hele fremtidige liv.

I 2018 offentliggjorde Paul Wilms fra Center for Systems Medicine ved University of Luxembourg resultaterne af en undersøgelse af 13 naturligt fødte babyer og 18 kirurgisk fødte babyer. Wilms og kolleger analyserede afføringen fra nyfødte og deres mødre, såvel som vaginale podninger af kvinder i fødsel. "Kæsersnitterne" havde væsentligt færre bakterier, der producerer lipopolysaccharider og derved stimulerer udviklingen af immunforsvaret. Der er få sådanne mikrober tilbage i mindst fem dage efter fødslen - dette er ifølge Wilms nok til at føre til langsigtede konsekvenser for immuniteten.

Efter nogen tid, normalt ved den første fødselsdag, opnår mikrobiomer af børn i begge grupper ligheder. Ifølge Wilms betyder forskellen, der er observeret i de tidlige dage af livet, imidlertid, at i kroppen af babyer født ved kejsersnit kan primær immunisering muligvis ikke passere, hvor immunceller lærer at reagere korrekt på ydre påvirkninger. Dette forklarer sandsynligvis, hvorfor disse børn er mere tilbøjelige til at udvikle en række problemer relateret til immunsystemets funktion, herunder allergier, betændelse og fedme. Ifølge Wilms vil "kejsere" måske i fremtiden få probiotika, skabt på basis af stammer af moderens bakterier, for at befolke deres fordøjelsessystem med gavnlige mikrober.

Barndom

Fødevareallergi er blevet så almindelig, at nogle skoler har indført restriktioner på den mad, som børn må tage med hjemmefra (de må f.eks. ikke medbringe peanutbarer eller marmeladesandwich), så nogle klassekammerater ikke udvikler allergi. I USA lider 5,6 millioner børn af fødevareallergi, det vil sige, at der er mindst to til tre sådanne børn i hver klasse.

Der nævnes en række forskellige årsager, der kan føre til spredning af allergier, herunder en stigning i antallet af babyer født ved kejsersnit og overforbrug af antibiotika, der kan ødelægge de bakterier, der beskytter os. Katherine Nagler og hendes kolleger ved University of Chicago besluttede at teste, om spredningen af fødevareallergi blandt børn er relateret til sammensætningen af deres mikrobiom. Sidste år offentliggjorde de resultaterne af en undersøgelse, der involverede otte seks måneder gamle børn, hvoraf halvdelen var allergiske over for komælk. Det viste sig, at mikrobiomer fra repræsentanterne for de to grupper er ret forskellige: i tarmene hos raske babyer var der bakterier, der var typiske for korrekt udviklede børn i deres alder, og bakterier, der er mere karakteristiske for voksne, blev fundet hos dem, der led af ko. mælkeallergi.

Hos allergiske børn, sagde Nagler, skete den sædvanligvis langsomme overgang fra barndomsmikrobiom til voksen "i en unormal hastighed."

Nagler og hendes kolleger transplanterede (ved hjælp af fækale transplantationer) tarmbakterierne fra "deres" babyer til mus, født ved kejsersnit og opvokset under sterile forhold, det vil sige helt fri for mikrober. Det viste sig, at kun mus transplanteret fra raske babyer ikke udviste en allergisk reaktion over for komælk. Andre er ligesom deres donorer blevet allergiske.

Yderligere undersøgelser viste, at hovedrollen i beskyttelsen af den første gruppe mus tilsyneladende blev spillet af bakterier af en art, som kun findes hos børn: Anaerostipes caccae fra Clostridia-gruppen. Clostridia forhindrer også jordnøddeallergi, fandt Nagler og hendes kolleger i en undersøgelse.

Nagler, præsident og medstifter af den Chicago-baserede farmaceutiske startup ClostraBio, håber at teste det terapeutiske potentiale af Anaerostipes caccae i laboratoriemus og derefter hos allergiske mennesker. Den første opgave var at finde et sted i tarmene, hvor en flok gavnlige bakterier kunne landes. Selv i et usundt mikrobiom, siger Nagler, er alle nicher allerede fyldt; så for at Clostridia kan slå rod et nyt sted, skal du fordrive de tidligere indbyggere. Derfor har ClostraBio skabt et lægemiddel, der rydder en vis niche i mikrobiomet. Nagler og hans kolleger "ordinerer" det til mus, og injicerer dem derefter med flere typer Clostridia, samt kostfibre, der fremmer reproduktionen af mikrober. Nagler håber at påbegynde kliniske forsøg med Clostridia inden for de næste to år og til sidst skabe et lægemiddel til børn med fødevareallergi.

Tarmmikrober kan også være forbundet med andre sygdomme hos børn, herunder type I diabetes. I Australien analyserede forskere afføringsprøver fra 93 børn, hvis slægtninge led af diabetes, og fandt ud af, at de af dem, der efterfølgende udviklede sygdommen, havde forhøjede niveauer af enterovirus A i deres afføring. Men en af forsøgslederne, W. Ian Lipkin fra Meilmanovskaya School of Public Health ved Columbia University, advarer kolleger mod at drage konklusioner om, at årsagerne til visse sygdomme udelukkende skyldes forskelle i mikrobiomet. "Alt, vi ved med sikkerhed," siger han, "er, at visse mikrober på en eller anden måde er forbundet med visse sygdomme."

Alligevel er Lipkin begejstret for fremtiden for mikrobiomvidenskab. Ifølge hans prognose vil forskere i løbet af de næste halvtreds år afsløre mekanismen for mikrobiomets virkning på kroppen og begynde kliniske forsøg på mennesker for at demonstrere, hvordan sundheden kan forbedres ved at "redigere" mikrobiomet.

Ungdom

Mange unge har en disposition for akne - og der ser ud til at være et fænomen, der kaldes "talgmikrobiomet". Drengenes hud er især indbydende til to stammer af Cutibacterium acnes-bakterier forbundet med acne. De fleste stammer af denne bakterie er sikre eller endda gavnlige, fordi de hæmmer væksten af patogene mikrober; faktisk er denne bakterie en vigtig bestanddel af det normale ansigts- og halsmikrobiom.

En dårlig stamme kan dog gøre meget skade: dens tilstedeværelse er ifølge Amanda Nelson, dermatolog ved University of Pennsylvania College of Medicine, en af forudsætningerne for udvikling af betændelse. Blandt andre årsager til udviklingen af sygdommen kalder forskerne talg (fremstillet af talgkirtlerne for at fugte huden), som fungerer som grobund for C. acnes, hårsække og en tendens til betændelse. Det hele hænger sammen, og ifølge Nelson ved vi endnu ikke, hvad der er vigtigst.

Forskere ved University of Washington School of Medicine undersøgte mikrobiomet i talgkirtlerne og fandt ud af, at den eneste langvarige acnebehandling, isotretinoin (kendt under forskellige handelsnavne), virker til dels ved at ændre hudmikrobiomet, hvilket øger den samlede mangfoldighed af mikrober, blandt hvilke det er sværere for skadelige stammer at slå rod.

Nu hvor forskerne har erfaret, at isotretinoin virker ved at ændre sammensætningen af mikrobiomet, kan de forsøge at skabe andre lægemidler med samme effekt, men forhåbentlig sikrere - trods alt kan isotretinoin føre til fødselsdefekter hos børn, hvis mødre tog stoffet under under graviditeten.

Modenhed

Hvad hvis du kan gøre mere med din træning ved blot at låne en atlets tarmmikrober? Dette spørgsmål blev stillet af forskere fra Harvard University. I to uger indsamlede de daglige afføringsprøver fra 15 løbere, der deltog i Boston Marathon 2015 - startende en uge før løbet og sluttede en uge senere - og sammenlignede dem med afføringsprøver indsamlet fra ti personer i kontrolgruppen også over to. uger, kører ikke. Forskerne fandt ud af, at prøverne fra løberne få dage efter maratonløbet indeholdt betydeligt flere Veillonella atypica-bakterier end dem fra kontrolgruppen.

"Denne opdagelse forklarer meget, fordi Veilonella har et unikt stofskifte: hendes foretrukne energikilde er laktat, saltet af mælkesyre," siger Aleksandar Kostić fra Joslin Diabetes Research Center og Harvard Medical School. "Og vi tænkte: Måske nedbryder Veilonella muskellaktat i atletens krop?" Og hvis det virkelig er tilfældet, er det muligt at øge deres udholdenhed ved at introducere dens belastninger til folk langt fra professionel sport?

Derefter tog forskerne fat i laboratoriemus: Veilonella, isoleret fra afføringen fra en af løberne, blev injiceret i 16 mus med et normalt mikrobiom testet for patogener. Forsøgspersonerne blev derefter placeret på et løbebånd og tvunget til at løbe, indtil de var udmattede. Det samme blev gjort med 16 kontrolmus; kun de blev injiceret med bakterier, der ikke indtager laktat. Det viste sig, at mus "inficeret" med Veilonella løb meget længere end kontroldyr, hvilket betyder, forskerne mener, at mikrobiomet kan spille en afgørende rolle i at opretholde ydeevnen.

Ifølge Kostich er dette eksperiment "et vidunderligt eksempel på, hvad symbiose giver os." Veilonella trives, når en person, dens bærer, som følge af fysisk aktivitet producerer laktat, som hun lever af, og til gengæld gavner personen ved at omdanne laktat til propionat, hvilket påvirker værtens ydeevne, fordi bl.a., øger frekvensen af hjertets sammentrækninger og forbedrer iltstofskiftet, og forhindrer muligvis også udviklingen af betændelse i musklerne.

"Denne form for forhold synes at ligge til grund for de fleste af interaktionerne mellem mennesker og mikrobiomet," forklarer Kostich. "I sidste ende er forholdet mellem dem så gensidigt gavnligt."

Mikrobiomet kan også være ansvarlig for de mindre behagelige træk ved den menneskelige natur, herunder mentale tilstande som angst og depression. I 2016 offentliggjorde forskere fra National University of Ireland i Cork resultaterne af en undersøgelse af mikrobiomets indflydelse på udviklingen af depression. Forskerne delte 28 laboratorierotter op i to grupper. Forsøgsgruppen modtog transplantationer af tarmmikroflora fra tre mænd, der led af svær depression, og kontrolgruppen - fra tre raske mænd.

Det viste sig, at tarmmikrobiomet hos mennesker, der led af depression, kastede sig ud i depression og rotter. Sammenlignet med kontroldyr viste de et tab af interesse for aktiviteter, der bringer glæde (hos rotter bestemmes dette af, hvor ofte de ønsker at drikke sødt vand), og øget angst, udtrykt i deres ønske om at undgå åbne eller ukendte områder i laboratoriet labyrint.

I betragtning af den store forskel mellem rotter og mennesker, bemærker forskerne, at deres undersøgelse giver nye beviser for, at tarmmikrobiomet kan spille en rolle i depression. Før eller siden, siger de, kan den dag komme, hvor depression og andre lignende lidelser vil blive bekæmpet, herunder ved at målrette bestemte bakterier i menneskekroppen.

Alderdom

Mikrobiomet er både elastisk og flydende på samme tid. Dens unikke struktur er stort set dannet i en alder af fire, og kun meget væsentlige faktorer kan virkelig påvirke den - for eksempel en ændring i kosten, intensiteten af fysisk aktivitet eller tid udendørs, flytning til et nyt opholdssted, brugen antibiotika og anden medicin. Men på en måde er mikrobiomet i konstant forandring, og det ændrer sig subtilt med hvert måltid. Hos voksne er disse ændringer så forudsigelige, at din alder groft kan bestemmes ved blot at sætte dig ind i det sæt bakterier, der lever i tarmene.

Denne teknik, kendt som "bestemmelse af alder ved mikrobiom-uret for aldring", kræver hjælp fra kunstig intelligens, som i et eksperiment for nylig udført af Hong Kong-baserede startup Insilico Medicine. Forskere har indsamlet oplysninger om mikrobiomer fra 1165 mennesker fra Europa, Asien og Nordamerika. En tredjedel af dem var 20-30 år, en anden tredjedel - 40-50, og den sidste - 60-90 år.

Forskere, ved at markere alderen på deres bærere, udsatte dataene om 90 procent af mikrobiomer for "computerfortolkning" og anvendte derefter mønstrene identificeret af kunstig intelligens på mikrobiomer af de resterende ti procent af mennesker, hvis alder ikke var markeret. Det var muligt at fastslå deres alder med en fejl på kun fire år.

Hvad vil det sige at "redigere" dit mikrobiom og leve i fred? Ak, selv de største mikrobiomvidenskabelige entusiaster siger, at det er svært at drage præcise konklusioner om forholdet mellem mikrobiomet og menneskers sundhed indtil videre, og insisterer på, at der skal udvises stor forsigtighed ved overgangen til behandling med bakterietransplantater.

Mange er nu begejstrede for potentialet for, at mikrobiota kan bruges som medicin, siger Paul Wilms fra University of Luxembourg og bemærker, at medicinalvirksomheder udvikler nye probiotika for at balancere mikrobiomet.

"Før vi virkelig kan gøre det rigtigt og intelligent," siger Wilms, "skal vi forstå i detaljer, hvad et sundt mikrobiom er, og præcis hvordan det påvirker den menneskelige krop. Det tror jeg stadig, vi er meget langt fra."

Mikrober inde i os

• tyktarm - 38 kvintillioner
• plak - 1 kvintillion
• hud - 180 mia
• spyt - 100 mia
• tyndtarm - 40 mia
• mave - 9 mio

Se mikrobiomet

Alle billederne i denne artikel blev taget af Martin Eggerly ved hjælp af et scanningelektronmikroskop: prøverne blev tørret, guldatomer blev sprøjtet på dem og anbragt i et vakuumkammer. Bølgelængden af mikroskopets elektronstråle er kortere end det synlige lys, så strålen "fremhæver" de mindste objekter, men uden for farvespektret. Eggerly farvede mikrober, hvis farve er kendt, i disse farver, i andre tilfælde valgte han en anden farveskala, så mikrober og deres karakteristiske træk kunne skelnes.