Quintiljoner mikrober i en person definierar vår essens

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

Ju mer forskare studerar mikroberna som lever i människokroppen, desto mer lär de sig om den kraftfulla påverkan av dessa smulor på vårt utseende, beteende, till och med på sättet att tänka och känna.

Beror verkligen virus, bakterier, encelliga svampar och andra organismer som lever i lungor och tarmar, hud och ögonglober på vår hälsa och vårt välmående? Är det inte för konstigt att tro att de mikroskopiska varelser som vi bär i oss själva och på oss själva, på många sätt bestämmer själva vårt väsen?

Mikrobiomets inflytande - det här är namnet på denna minizoo - kan vara grundläggande redan i de tidiga utvecklingsstadierna.

En av studierna, vars resultat publicerades förra året, visar att även en till synes medfödd egenskap som ett spädbarns temperament kan bero på om majoriteten av bakterierna i dess tarmar tillhör samma släkte: ju fler bifidobakterier, desto gladare barn.

Slutsatserna av Anna-Katariina Aatsinki och hennes kollegor vid Åbo universitet i Finland bygger på analys av avföringsprover från 301 barn. De barn som hade fler bifidobakterier vid två månader var mer benägna att visa "positiva känslor", som forskarna fastställde, vid sex månader.

Studiet av mikrobiomet började relativt nyligen - faktiskt bara för 15 år sedan. Detta innebär att det mesta av forskningen som har gjorts hittills har varit preliminär och blygsam i omfattning, och endast involverat dussintals möss eller människor. Forskare har hittat ett definitivt samband mellan tillståndet i mikrobiomet och olika sjukdomar, men har ännu inte kunnat identifiera tydliga orsak-och-verkan-samband mellan specifika invånare i en tätbefolkad "inre värld" hos en person och hans hälsa.

Till och med antalet av dessa invånare är häpnadsväckande: idag tros det att cirka 38 kvintiljoner (1012) mikrober lever i en vanlig ung mans kropp - detta är till och med mer än deras egna mänskliga celler. Om vi lär oss att förstå hur vi ska göra oss av med denna - vår egen - rikedom kommer fascinerande framtidsutsikter att öppna sig för oss.

Enligt optimister kommer det inom en snar framtid att bli vanligt att injicera en person med friska komplex av mikrober i form av prebiotika (föreningar som fungerar som ett substrat på vilket nyttiga bakterier kan föröka sig), probiotika (dessa bakterier själva) eller genom fekalier transplantation (transplantation av ett rikt tarmmikrobiom från donatorer) - så att han kan känna sig frisk.

När man pratar om mikrobiomet menar man i första hand invånarna i mag-tarmkanalen, som utgör 90 procent av våra mikroorganismer. Men andra organ vimlar av liv: mikrober fyller alla delar av kroppen som är i kontakt med omvärlden: ögon, öron, näsa, mun, anus, genitourinary system. Dessutom finns bakterier på alla delar av huden, särskilt i armhålorna, perineum, mellan tårna och i naveln.

Och här är det som verkligen är fantastiskt: var och en av oss har en unik uppsättning mikrober som ingen annan har. Idag, enligt Rob Knight från Center for Microbiome Innovation vid University of California (San Diego), kan det redan hävdas att sannolikheten för två personer med samma uppsättning arter i mikrobiomer närmar sig noll. Det unika med mikrobiomet kan utnyttjas inom kriminalteknik, sa Knight. "Den som rörde ett föremål spåras av mikrobiomets "fingeravtryck" som finns kvar på huden på en person, förklarar han. Nåväl, en dag kommer utredare, som letar efter bevis, börja samla in prover av mikrober som lever på huden, precis som de gör idag för fingeravtryck.

I den här artikeln kommer vi att dela några av de betydande upptäckterna som gjorts av forskare som har studerat mikrobiomet och hur det påverkar oss från spädbarn till hög ålder.

Barndom

Fostret i livmodern är praktiskt taget sterilt. När han klämmer sig genom födelsekanalen möter han en myriad av bakterier. Under normal förlossning "tvättas" barnet av mikroberna som lever i slidan; dessutom kommer mammans tarmbakterier på det. Dessa mikrober börjar omedelbart bo i sina egna tarmar och går in i en slags kommunikation med det utvecklande immunsystemet. Så redan i de tidigaste stadierna av sin existens förbereder mikrobiomet immunförsvaret för att fungera korrekt i framtiden.

Om barnet föds genom ett kejsarsnitt, finns det ingen kontakt med mammans bakterier, och andra mikroorganismer koloniserar hans tarmar - från mammans hud och från bröstmjölk, från händerna på en sjuksköterska, till och med från sjukhuslinne. En sådan främmande mikrobiom kan komplicera en persons hela framtida liv.

2018 publicerade Paul Wilms från Center for Systems Medicine vid universitetet i Luxemburg resultaten av en studie av 13 naturligt födda barn och 18 kirurgiskt födda barn. Wilms och kollegor analyserade avföringen från nyfödda och deras mödrar, såväl som vaginalprover från kvinnor i förlossning. "Kejsarsnitten" hade betydligt färre bakterier som producerar lipopolysackarider och därigenom stimulerar utvecklingen av immunförsvaret. Det finns få sådana mikrober kvar i minst fem dagar efter födseln – detta är enligt Wilms tillräckligt för att leda till långsiktiga konsekvenser för immuniteten.

Efter en tid, vanligtvis vid första födelsedagen, får mikrobiomen hos barn i båda grupperna likheter. Men enligt Wilms betyder skillnaden som observerades under de första dagarna av livet att i kroppen hos spädbarn som föds med kejsarsnitt kan primärimmunisering inte passera, under vilken immunceller lär sig att reagera korrekt på yttre påverkan. Detta förklarar förmodligen varför dessa barn är mer benägna att utveckla en mängd olika problem relaterade till immunsystemets funktion, inklusive allergier, inflammation och fetma. Enligt Wilms kommer kanske "kejsarsnitt" i framtiden att ges probiotika, skapad på basis av stammar av moderns bakterier, för att befolka deras matsmältningssystem med nyttiga mikrober.

Barndom

Matallergier har blivit så vanliga att vissa skolor har infört restriktioner för den mat som barn får ta hemifrån (de får till exempel inte ta med jordnötsbars eller syltmackor) så att vissa klasskamrater inte utvecklar allergier. I USA lider 5,6 miljoner barn av matallergier, det vill säga det finns minst två till tre sådana barn i varje klass.

En mängd olika orsaker nämns som kan leda till spridning av allergier, inklusive en ökning av antalet barn som föds med kejsarsnitt och överanvändning av antibiotika som kan förstöra bakterierna som skyddar oss. Katherine Nagler och hennes kollegor vid University of Chicago bestämde sig för att testa om spridningen av födoämnesallergier bland barn är relaterad till sammansättningen av deras mikrobiom. Förra året publicerade de resultaten av en studie som involverade åtta sexmånadersbarn, varav hälften var allergiska mot komjölk. Det visade sig att mikrobiomen för representanterna för de två grupperna är ganska olika: i tarmarna hos friska spädbarn fanns det bakterier som är typiska för korrekt utvecklande barn i deras ålder, och bakterier som är mer karakteristiska för vuxna hittades hos dem som lider av ko. mjölkallergier.

Hos allergiska barn, sa Nagler, inträffade den vanligtvis långsamma övergången från barndomsmikrobiom till vuxen "i en onormal takt."

Nagler och hennes kollegor transplanterade (med fekala transplantationer) tarmbakterierna från "sina" bebisar till möss, födda med kejsarsnitt och uppvuxna under sterila förhållanden, det vill säga helt fria från mikrober. Det visade sig att endast möss transplanterade från friska bebisar inte visade en allergisk reaktion mot komjölk. Andra, som deras donatorer, har blivit allergiska.

Ytterligare studier visade att huvudrollen i skyddet av den första gruppen möss uppenbarligen spelades av bakterier av en art, som bara finns hos barn: Anaerostipes caccae från Clostridia-gruppen. Clostridia förebygger också jordnötsallergier, fann Nagler och hennes kollegor i en studie.

Nagler, president och medgrundare av den Chicago-baserade farmaceutiska startupen ClostraBio, hoppas kunna testa den terapeutiska potentialen hos Anaerostipes caccae i laboratoriemöss och sedan hos allergiska människor. Den första uppgiften var att hitta en plats i tarmarna där en trupp nyttiga bakterier kunde landsättas. Även i ett ohälsosamt mikrobiom, säger Nagler, är alla nischer redan fyllda; så att för att Clostridia ska slå rot på en ny plats måste du driva ut de tidigare invånarna. Därför har ClostraBio skapat ett läkemedel som rensar en viss nisch i mikrobiomet. Nagler och hans kollegor "ordinerar" det till möss, och injicerar dem sedan med flera typer av Clostridia, samt kostfiber som främjar reproduktionen av mikrober. Nagler hoppas kunna påbörja mänskliga kliniska prövningar av Clostridia inom de kommande två åren och så småningom skapa ett läkemedel för barn med matallergier.

Tarmmikrober kan också associeras med andra sjukdomar hos barn, inklusive typ I-diabetes. I Australien analyserade forskare avföringsprover från 93 barn vars släktingar led av diabetes och fann att de av dem som senare utvecklade sjukdomen hade ökade nivåer av enterovirus A i avföringen. Men en av försöksledarna, W. Ian Lipkin från Meilmanovskaya School of Public Health vid Columbia University, varnar kollegor för att dra slutsatser om att orsakerna till vissa sjukdomar enbart beror på skillnader i mikrobiomet. "Allt vi med säkerhet vet," säger han, "är att vissa mikrober på något sätt är kopplade till vissa sjukdomar."

Ändå är Lipkin entusiastisk över framtiden för mikrobiomvetenskap. Enligt hans prognos kommer forskare under de kommande femtio åren att avslöja mekanismen för mikrobiomens effekt på kroppen och påbörja kliniska prövningar på människor för att visa hur hälsan kan förbättras genom att "redigera" mikrobiomen.

Ungdom

Många ungdomar har anlag för akne - och det verkar finnas ett fenomen som kallas "talgmikrobiomet". Killarnas hud är särskilt välkomnande för två stammar av Cutibacterium acnes-bakterier förknippade med akne. De flesta stammar av denna bakterie är säkra eller till och med fördelaktiga eftersom de hämmar tillväxten av patogena mikrober; i själva verket är denna bakterie en viktig komponent i det normala ansikts- och halsmikrobiomet.

Men en dålig stam kan göra mycket skada: dess närvaro, enligt Amanda Nelson, en hudläkare vid University of Pennsylvania College of Medicine, är en av förutsättningarna för utvecklingen av inflammation. Bland andra orsaker till utvecklingen av sjukdomen, kallar forskare talg (som produceras av talgkörtlarna för att återfukta huden), som fungerar som en grogrund för C. acnes, hårsäckar och en tendens till inflammation. Allt fungerar tillsammans, och enligt Nelson vet vi ännu inte vilket som är viktigast.

Forskare vid University of Washington School of Medicine undersökte mikrobiomet i talgkörtlarna och fann att den enda långvariga aknebehandlingen, isotretinoin (känd under olika handelsnamn), fungerar delvis genom att förändra hudens mikrobiomet, vilket ökar den övergripande mångfalden av mikrober, bland vilka är svårare för skadliga stammar att slå rot.

Nu när forskare har lärt sig att isotretinoin verkar genom att förändra sammansättningen av mikrobiomet kan de försöka skapa andra läkemedel med samma effekt, men förhoppningsvis säkrare - trots allt kan isotretinoin leda till fosterskador hos barn om mammor tog läkemedlet under under graviditet.

Mognad

Tänk om du kan göra mer med dina träningspass genom att helt enkelt låna en idrottsmans tarmmikrober? Denna fråga ställdes av forskare från Harvard University. Under två veckor samlade de in dagliga avföringsprover från 15 löpare som deltog i Boston Marathon 2015 - med start en vecka före loppet och avslutade en vecka senare - och jämförde dem med avföringsprover som samlats in från tio personer i kontrollgruppen också över två veckor. Forskarna fann att några dagar efter maratonloppet innehöll proverna från löparna betydligt fler Veillonella atypica-bakterier än de från kontrollgruppen.

"Denna upptäckt förklarar mycket, eftersom Veilonella har en unik metabolism: hennes favoritenergikälla är laktat, saltet av mjölksyra", säger Aleksandar Kostić från Joslin Diabetes Research Center och Harvard Medical School. "Och vi tänkte: Veilonella kanske bryter ner muskellaktat i idrottarens kropp?" Och, om det verkligen är så, är det möjligt att öka sin uthållighet genom att introducera dess påfrestningar för människor långt från professionella idrotter?

Sedan tog forskarna sig an laboratoriemöss: Veilonella, isolerad från avföringen från en av löparna, injicerades i 16 möss med ett normalt mikrobiom som testades för patogener. Försökspersonerna placerades sedan på ett löpband och tvingades springa tills de var utmattade. Detsamma gjordes med 16 kontrollmöss; bara de injicerades med bakterier som inte konsumerar laktat. Det visade sig att möss "infekterade" med Veilonella sprang mycket längre än kontrolldjur, vilket betyder, tror forskarna, att mikrobiomet kan spela en avgörande roll för att upprätthålla prestanda.

Enligt Kostich är detta experiment "ett underbart exempel på vad symbios ger oss." Veilonella trivs när en person, dess bärare, till följd av fysisk aktivitet producerar laktat, som hon livnär sig på, och i sin tur gynnar personen genom att omvandla laktat till propionat, vilket påverkar värdens prestation, eftersom bl.a., ökar frekvensen av sammandragningar av hjärtat och förbättrar syreomsättningen, och förhindrar också eventuellt utvecklingen av inflammation i musklerna.

"Den här typen av relation verkar ligga bakom de flesta av interaktionerna mellan människor och mikrobiomet", förklarar Kostich. "I slutändan är förhållandet mellan dem så ömsesidigt fördelaktigt."

Mikrobiomet kan också vara ansvarigt för de mindre tilltalande egenskaperna hos den mänskliga naturen, inklusive mentala tillstånd som ångest och depression. 2016 publicerade forskare från National University of Ireland i Cork resultaten av en studie av mikrobiomens inverkan på utvecklingen av depression. Forskarna delade in 28 laboratorieråttor i två grupper. Experimentgruppen fick transplantationer av tarmmikroflora från tre män som led av svår depression, och kontrollgruppen - från tre friska män.

Det visade sig att tarmmikrobiomet hos människor som led av depression störtade i depression och råttor. Jämfört med kontrolldjur visade de ett förlorat intresse för aktiviteter som ger glädje (hos råttor bestäms detta av hur ofta de vill dricka sött vatten), och ökad oro, uttryckt i deras önskan att undvika öppna eller okända områden i laboratoriet labyrint.

Med tanke på den stora skillnaden mellan råttor och människor, noterar forskarna att deras studie ger nya bevis för att tarmmikrobiomet kan spela en roll vid depression. Förr eller senare, säger de, kan dagen komma då depression och andra liknande störningar kommer att bekämpas, bland annat genom att rikta in sig på vissa bakterier i människokroppen.

Gammal ålder

Mikrobiomet är både elastiskt och flytande på samma gång. Dess unika struktur bildas till stor del av fyra års ålder, och endast mycket betydande faktorer kan verkligen påverka den - till exempel en förändring i kosten, intensiteten av fysisk aktivitet eller tid utomhus, flytt till en ny bostad, användning antibiotika och vissa andra läkemedel. Men på sätt och vis är mikrobiomet i konstant flöde och förändras subtilt med varje måltid. Hos vuxna är dessa förändringar så förutsägbara att din ålder kan bestämmas ungefär genom att bara bekanta dig med de bakterier som lever i tarmarna.

Denna teknik, känd som "bestämma ålder genom åldrandets mikrobiomklocka", kräver hjälp av artificiell intelligens, till exempel i ett experiment som nyligen genomfördes av Hongkong-baserade startupen Insilico Medicine. Forskare har samlat in information om mikrobiomen hos 1165 personer från Europa, Asien och Nordamerika. En tredjedel av dem var 20-30 år, en annan tredjedel - 40-50 och den sista - 60-90 år.

Forskare, genom att markera åldern på sina bärare, utsatte data om 90 procent av mikrobiomen för "datortolkning" och tillämpade sedan mönstren som identifierats av artificiell intelligens på mikrobiomen hos de återstående tio procenten av människor vars ålder inte var märkt. Det gick att fastställa deras ålder med ett fel på endast fyra år.

Vad innebär det att "redigera" sin mikrobiom och leva i fred? Tyvärr säger även de största mikrobiomvetenskapentusiasterna att det är svårt att dra exakta slutsatser om förhållandet mellan mikrobiomet och människors hälsa hittills, och insisterar på att stor försiktighet måste iakttas vid övergången till behandling med bakterietransplantat.

Många tjatar nu om potentialen för mikrobiota att användas som läkemedel, säger Paul Wilms vid universitetet i Luxemburg och noterar att läkemedelsföretagen utvecklar nya probiotika för att balansera mikrobiomet.

"Innan vi verkligen kan göra det rätt och intelligent", säger Wilms, "måste vi förstå i detalj vad en hälsosam mikrobiom är och exakt hur den påverkar människokroppen. Jag tror att vi fortfarande är väldigt långt ifrån det."

Mikrober inom oss

• kolon - 38 kvintiljoner
• plack - 1 kvintiljon
• hud - 180 miljarder
• saliv - 100 miljarder
• tunntarmen - 40 miljarder
• mage - 9 miljoner

Se mikrobiomet

Alla bilder i denna artikel togs av Martin Eggerly med hjälp av ett svepelektronmikroskop: proverna torkades, guldatomer sprayades på dem och placerades i en vakuumkammare. Våglängden på mikroskopets elektronstråle är kortare än det synliga ljuset, så strålen "markerar" de minsta föremålen, men utanför färgspektrumet. Eggerly färgade mikrober, vars färg är känd, i dessa färger, i andra fall valde han en annan färgskala så att mikrober och deras karakteristiska egenskaper kunde urskiljas.