Maailmanlaajuinen mikrobiomitutkimus antaa uuden kuvan yhteisistä terveysriskeistä

Kehomme koostuu noin 30 biljoonasta ihmissolusta, mutta niissä on myös noin 39 biljoonaa mikrobisolua. Nämä kuhisevat bakteerien, virusten, alkueläinten ja sienten yhteisöt suolistossamme, suussamme, ihollamme ja muualla – joita kutsutaan yhteisesti ihmisen mikrobiomiksi – eivät koostu vain vapaalataajista ja piilevistä taudinaiheuttajista. Sen sijaan, kuten tiedemiehet yhä enemmän ymmärtävät, nämä mikrobit muodostavat terveydellemme tärkeitä ekosysteemejä. Yhä useampi tutkimus pyrkii ymmärtämään, kuinka näiden herkkien järjestelmien häiriöt voivat ryöstää meiltä tarvitsemamme ravintoaineet, häiritä ruoansulatusta ja mahdollisesti laukaista kehomme ja mielemme vaivoja.

Mutta tiedämme silti niin vähän mikrobiomistamme, että olemme vasta alkamassa vastata paljon perustavanlaatuisempaan kysymykseen: Mistä nämä mikrobit tulevat? Voivatko ne levitä muista ihmisistä kuten vilustumisvirus tai vatsatauti?

Nyt suurin ja kattavin ihmisen mikrobiomin leviämisen analyysi on antanut tärkeitä vihjeitä. Italian Trenton yliopiston genomitieteilijöiden johtamassa tutkimuksessa on löydetty vihjeitä siitä, että mikrobiomiorganismit hyppivät laajalti ihmisten välillä, erityisesti niillä, jotka viettävät paljon aikaa yhdessä. Tulokset, julkaistu tammikuussa vuonna luonto, täyttää tärkeitä aukkoja ymmärryksessämme siitä, kuinka ihmiset kokoavat mikrobiomiaan ja muotoilevat niitä uudelleen koko elämänsä ajan.

Muut tutkijat ovat kiittäneet tutkimusta. Jose Clemente Litran, genetiikan ja genomitieteiden apulaisprofessori Icahn School of Medicine -koulusta Siinai-vuorella, ylisti työtä "erinomaisena" ja sanoi, että se oli ensimmäinen selkeä mittari siitä, kuinka paljon jakamista perheenjäsenten tai yhdessä asuvien kesken on odotettavissa.

Tutkimus herättää myös kiehtovia spekulaatioita siitä, voivatko mikrobit lisätä tai vähentää riskejämme sairastua diabetekseen tai syöpään – ja siten tuoda tarttuvan ulottuvuuden sairauksiin, joita ei yleensä pidetä tarttuvina. varten Brett Finlay, British Columbian yliopiston mikrobiologian professori, joka kirjoitti kommentti varten tiede Vuonna 2020 tästä mahdollisuudesta tehdyt havainnot "panivat viimeisen naulan arkkuun, että tarttumattomia sairauksia ei ehkä pitäisi kutsua sellaiseksi".

Käsittämätöntä monimuotoisuutta

Mikrobiomit ovat kuin sormenjäljet: niin erilaisia, ettei kahdella ihmisellä voi olla samanlaista. Ne ovat myös uskomattoman dynaamisia – kasvavat, kutistuvat ja kehittyvät niin paljon ihmisen eliniän aikana, että vauvan mikrobiomi näyttää dramaattisesti erilaiselta hänen kasvaessaan. Kourallinen mikrobilajeja esiintyy yli 90 prosentilla länsimaisten yhteiskuntien ihmisistä, mutta useimmat lajit löytyvät 20–90 prosentista ihmisistä. (Jopa Escherichia coli, joka on luultavasti ainoa suolistobakteeri, jonka useimmat ihmiset voisivat nimetä, jää alle 90 prosentin esiintymistiheyden.) Tutkimukset viittaavat siihen, että ei-länsimaisissa yhteiskunnissa on vieläkin enemmän erilaisia ​​mikrobeja ja vaihtelevampia mikrobiomeja.

Populaatiossa millä tahansa kahdella satunnaisesti valitulla yksilöllä on tavallisesti alle puolet heidän mikrobiomilajistaan ​​yhteisiä – keskimääräinen päällekkäisyys suoliston mikrobien koostumuksessa on 30–35 prosenttia. Mikrobiologit kiistelevät siitä, onko olemassa "ydinjoukkoa" mikrobilajeja, joita kaikilla terveillä ihmisillä on, mutta jos sellainen on olemassa, se on luultavasti yksinumeroinen prosenttiosuus kokonaismäärästä.

Sen määrittäminen, kuinka usein mikrobit kulkevat ihmisten välillä, on kuitenkin paljon pelottavampi ongelma kuin lajien etsiminen. Yksi laji voi koostua useista eri kannoista tai geneettisistä varianteista. Siksi tutkijoiden on kyettävä tunnistamaan yksittäiset kannat tarkastelemalla mikrobiominäytteiden geenejä. Ja ihmisen mikrobiomissa voi olla 2–20 miljoonaa ainutlaatuista mikrobigeeniä, ja mikrobit vaihtavat geenejä jatkuvasti, mutatoituvat ja kehittyvät.

Tästä syystä mikrobiomin lukuisten solujen leviämisen oppiminen on "paljon vaikeampaa kuin oppia jäljittämään yhden patogeenin leviäminen", sanoi Mireia Valles-Colomer, tutkijatohtori Trenton yliopistossa ja ensimmäinen kirjoittaja uudesta tutkimuksesta. Viime aikoihin asti kantojen jäljittäminen populaation läpi oli mahdotonta.

2010: ssa, milloin Nicola Segata Alkoi ensin analysoida massiivisia geneettisiä tietojoukkoja Human Microbiome Project -projektia varten Harvardin yliopiston postdocina, mutta käytettävissä olevista työkaluista puuttui resoluutio, jota tarvittiin ihmisten mikrobiomeissa olevien lajien määrittämiseen. He pystyivät tunnistamaan yleisen taksonomisen ryhmän, johon mikro-organismi kuului, mutta se oli kuin jonkun sijainnin rajoittamista Yhdysvaltain keskilänteen.

Muutaman seuraavan vuoden aikana useat laboratoriot löysivät todisteita siitä, että sosiaalinen vuorovaikutus ja asuminen läheisyydessä vaikuttivat kädellisten mikrobiomit ja hiiret. Ihmisillä tehdyt tutkimukset suhteellisen eristyneitä populaatioita Papua-Uudessa-Guineassa ja muualla löydettiin myös mikrobien jakamisen merkkejä. Jotkut jopa löysivät jälkiä mahdollisista siirto lemmikeistä. Mutta näiden tutkimusten rajoitusten vuoksi ei ollut selvää, kuinka paljon tartuntaa tapahtui ja tapahtuiko se kaikkialla samalla tavalla.

Tämä muuttui sen jälkeen, kun Segata perusti laboratorionsa Trenton yliopistoon vuonna 2013. Hän ja hänen tiiminsä alkoivat luoda ja jalostaa metagenomiikkatyökaluja, jotka pystyivät erottamaan saman lajin kannat, mikä mahdollisti mikrobiomin leviämisen tarkemmin.

Segata aloitti tämän kysymyksen tutkimisen vuonna 2018 analysoimalla äitien ja heidän vauvojensa mikrobeja. Hänen ryhmänsä löydökset ja useat muut tutkimukset vahvistivat aikaisemmat epäilyt siitä, että äidistä vauvaan on valtava määrä tartuntaa, joten äiti "jäljittää mikrobiomiin syntyessään", Segata sanoi. Viimeaikainen työ on osoittanut, että äidit jatkavat muovaa mikrobiomeja vauvoistaan ​​muutaman vuoden aikana.

Mutta mikrobiomin monimuotoisuus muuttuu merkittävästi lapsuuden ja aikuisuuden välillä, joten tämä varhainen perinnöllisyys äideiltä "ei selitä mikrobeja, joita näemme aikuisilla", Segata sanoi. Seurantakokeissa tutkijat sulkivat suurelta osin pois mahdollisuuden, että uudet mikrobit olisivat peräisin ihmisten syömästä ruoasta, koska nuo mikrobit eivät pystyneet kolonisoimaan suolistossa kovin hyvin.

Joten "sen täytyy olla lähetystä", Segata sanoi. "On oltava, että se, mitä meillä on suolistossa, tulee muiden yksilöiden suolesta."

Jakaminen perheen ja ystävien kanssa

Uutta globaalia mikrobiomien analyysiä varten Segata, Valles-Colomer ja heidän kollegansa hioivat työkalujaan riittävästi tunnistaakseen aiemmin tuntemattomat lajit ja saman lajin erilaiset kannat. Näiden työkalujen avulla he tutkivat yli 9,700 20 uloste- ja sylkinäytettä 800,000 maasta viideltä mantereelta, jotka edustivat yhteisöjä, joilla on hyvin erilaisia ​​elämäntapoja ja jotka kattavat koko ihmisen elinkaaren ja monia erilaisia ​​asumisjärjestelyjä. He jäljittivät yli XNUMX XNUMX mikrobikantaa perheiden, kämppäkavereiden, naapureiden ja kylien välillä ja laskivat, kuinka monta prosenttia yhteisistä lajeista oli samaa kantaa.

Kuten he odottivatkin, he havaitsivat, että suurin osa kannoista jakaantui äitien ja vauvojen välillä ensimmäisenä elinvuotena – noin 50 % vauvojen suolistosta löytyneistä yhteisistä lajeista oli kantoja, jotka levisivät äidistä. Äidin vaikutus väheni ajan myötä – 27 %:sta 3-vuotiaana 14 %:iin 30-vuotiaana mennessä – mutta ei kadonnut. Joidenkin Kiinan vanhusten osoitettiin edelleen jakavan kantansa elossa olevien satavuotiaiden äitiensä kanssa.

varten Veena Taneja, Mayo Clinicin immunologi, joka ei osallistunut tutkimukseen, yksi yllättävistä löydöistä oli se, että vaikka emättimellä syntyneet lapset jakoivat enemmän rasitusta äitinsä kanssa kuin C-leikkauksella syntyneet lapset, tämä ero katosi kolmella. vuoden iässä. "Ihmiset tekevät ison asian", hän sanoi, että C-leikkauksen kautta syntyneet vauvat saattavat olla suuremmassa vaarassa sairastua tiettyihin sairauksiin. Mutta havainnot viittaavat siihen, että ehkä sen "ei pitäisi olla iso asia".

(Tämän näkemyksen vahvisti uusi tutkimus julkaistu tässä kuussa Solun isäntä ja mikrobi. Se havaitsi, että C-leikkauksen kautta syntyneet vauvat saivat vähemmän äitinsä mikrobiomeja kuin emättimen kautta syntyneet vauvat, mutta he eivät jääneet paitsi, koska he saivat enemmän mikrobeja äidinmaidosta.)

Ikääntyessämme suuri osa mikrobiomeistamme tulee edelleen ihmisiltä, ​​joiden kanssa elämme tai joiden lähellä. Ei ole yllättävää, että Segatan ja kollegoiden tekemässä tutkimuksessa havaittiin, että puolisoilla ja muilla fyysisesti läheisillä kumppaneilla oli paljon mikrobeja: 13 prosenttia heidän jakamistaan ​​suolilajeista oli samaa kantaa, kuten myös 38 prosenttia heidän yhteisistä suulajeistaan.

Mutta platonisesti yhdessä eläneet ihmiset eivät olleet paljon jäljessä, 12 % yhteisistä suolistolajeista ja 32 % yhteisistä suulajeista. Tämä johtuu siitä, kuten Segata, Valles-Colomer ja heidän tiiminsä huomasivat, että tärkein yksittäinen leviämisen määräävä tekijä oli yhdessä vietetyt aika. Saman katon alla asuvat ihmiset jakoivat eniten rasituksia, mutta jopa samassa kylässä asuvilla ihmisillä oli yleensä enemmän yhteisiä rasituksia kuin ihmisillä, joita erottaa suuremmat etäisyydet. Kantojen jakamisen taajuus oli johdonmukainen eri yhteiskunnissa, mutta ryhmä vahvisti aikaisemmat havainnot, joiden mukaan ei-länsimaiden ihmisillä on yleensä monimuotoisempia mikrobiomia.

Tutkijat havaitsivat myös, että yhteiset kannat voivat kadota ajan myötä. Yhdessä kasvaneiden kaksosten rasitustaso oli noin 30 %, joka putosi noin 10 prosenttiin 30 vuoden erillään elämisen jälkeen.

Segata pitää todennäköisenä, että useimmat muutkin yhteisten lajien kannat ovat peräisin muilta ihmisiltä – ensisijaisesti läheisistä kontakteista, kuten ystävistä tai työtovereista, mutta ehkä myös ihmisiltä, ​​joita kohtaamme paljon lyhyemmin ja rennommin. (Lemmikit eivät kuitenkaan luultavasti ole suuria vaikuttajia: Segata sanoi, että eläimillä on enimmäkseen mikrobilajeja, jotka eivät tyypillisesti asu tai säily meissä.)

Löydökset ovat tähän mennessä vahvin todiste siitä, että jaamme osia mikrobiomeistamme niiden ihmisten kanssa, joiden kanssa vietämme eniten aikaa. Se tosiasia, että kirjoittajat pystyivät näkemään tämän leviämismallin kaikkialla maailmassa, eivät vain yksittäisessä populaatiossa, oli "hämmästyttävää", sanoi. Ilana Brito, biolääketieteen tekniikan apulaisprofessori Cornellin yliopistossa. Nämä tietojoukot ovat erittäin meluisia, ja näissä eri organismeissa tapahtuu monia mutaatioita, hän lisäsi. Mutta tiimi onnistui paljastamaan "signaalin kohinan yli".

Ei ole selvää, kuinka mikrobiomiorganismit leviävät ihmisten välillä. Suuteleminen ja seksi selittävät osan siitä, mutta mikrobit voivat tarttua myös yskimisen ja aivastamisen aiheuttamien pisaroiden välityksellä tai ne voivat poimia saastuneilta pinnoilta. On myös vielä paljon opittavaa siitä, mitkä mikrobit leviävät helpommin kuin muut. Tähän kysymykseen vastaaminen on ratkaisevan tärkeää ymmärtääksesi mikrobiomiorganismien leviämisen vaikutukset.

Terveyden tai taudin leviäminen

Nyt kun jakamisen laajuus on paljastanut ainutlaatuisten mikrobien leviämismallit, voimme tutkia, mitä taudeissa tapahtuu. "Siinä mielessä tämä työ on mielestäni todella perustavanlaatuinen", Clemente sanoi.

Joillakin sairauksilla, joita ei yleensä pidetä tarttuvina, saattaa olla huomiotta tarttuva puoli. Opinnot on löytänyt että monilla ihmisillä, joilla on sairauksia, jotka eivät leviä ihmisestä toiseen, on mikrobiomit, jotka näyttävät olevan "seos", Finlay sanoi.

jotkut E. coli Esimerkiksi kannat voivat vapauttaa myrkkyjä, jotka voivat lisätä syöpäriskiä. Ihmiset, joilla on tiettyjä paksusuolensyöpiä, joiden mikrobiomit sisältävät enemmän a Fusobacterium lajeilla on yleensä a huonompi ennuste ja huonommat tulokset hoidolla. Suoliston mikrobit, jotka vaikuttavat kehon glukoosi- ja insuliinitasoihin, on yhdistetty liikalihavuuteen ja sairauksiin, kuten metaboliseen oireyhtymään ja jopa tyypin 2 diabetes. Epätasapainoinen suoliston mikrobiomi on yhdistetty hermosolujen rappeutumiseen, ja teorian mukaan sillä voi olla rooli aivosairauksissa, kuten Alzheimerin tauti.

"Jos nämä sairaudet ovat ainakin osittain riippuvaisia ​​mikrobiomista, ja sitten mikrobiomi on ainakin osittain tarttuva, nämä sairaudet tulevat ainakin osittain tarttuvia", Segata sanoi.

Mutta "se on vaikea kysymys ymmärtää, kuinka paljon tietty mikrobiomi edistää [sairaus]riskiä", Clemente sanoi. Jopa useimmat tutkimukset, jotka löytävät tällaisia ​​​​assosiaatioita, eivät voi kiusoitella, aiheuttavatko mikrobit taudin vai onko yksinkertaisesti helpompi asuttaa henkilö, jolla on riski sairastua.

Jos "huonoja" mikrobeja, jotka lisäävät tarttumattomien terveysongelmien riskiä, ​​voidaan tarttua ihmisten välillä, niin teoriassa voi olla myös "hyviä" mikrobeja, jotka alentavat näitä riskejä. Jotkut tutkimukset viittaavat siihen, että mikrobit voivat suojata varsinkin varhaisessa vaiheessa astmaa ja allergioita vastaan. Terveiden mikrobiomien osien tarkoituksellinen jakaminen, kuten kautta ulosteensiirrot, on osoittautunut hämmästyttävän menestyksekkääksi tiettyjen sairauksien ja infektioiden, kuten bakteerien, hoidossa Clostridium difficile.

Kehityimme ylläpitämään mikrobipopulaatioita, koska hyödymme niistä suuresti, sanoi Jens Walter, ekologian, ruoan ja mikrobiomin professori University College Corkissa ja APC Microbiome Irelandissa. Siksi Walter ei ole vakuuttunut hypoteesista, että yhteiset mikrobimme saattavat aiheuttaa sairauksia, ja hän vetää enemmän päinvastaiseen ajatukseen, jota joskus kutsutaan "vanhat ystävät" tai hygieniahypoteesi. Se ehdottaa, että koko evoluution ajan mikrobiomimme ovat saattaneet auttaa kouluttamaan immuunijärjestelmämme vasteita. Antibioottien ja antiseptisten aineiden käytön nykyaikainen lisääntyminen ja yleisen puhtautemme voivat siksi muuttaa mikrobiomin rakennetta ja luoda meille lisää terveyshaavoittuvuuksia.

Verrattuna sata vuotta sitten "emme todellakaan levitä mikrobeja helpommin nykymaailmassa", Walter sanoi. Tulehduksellinen suolistosairaus, multippeliskleroosi, nivelreuma ja tyypin 1 diabetes – joita kaikkia pidetään immunologisina sairauksina eikä tartuntatauteina – ovat yleisempiä länsimaisissa yhteiskunnissa, joissa on taipumus käyttää antibiootteja ja antiseptisiä aineita laajasti.

Jakamisen hyödylliset tai haitalliset vaikutukset voivat riippua siitä, mitä lajeja ja kantoja jaetaan, mikä on silti hieman musta laatikko. Brito sanoi, että meidän pitäisi myös harkita, että terveyteemme eivät välttämättä vaikuta yksittäiset organismit mikrobiomissamme vaan niiden yhteisöt, jotka tarttuvat yhdessä. Tietyt organismit voivat olla tärkeämpiä yhdessä yhteisön kontekstissa kuin toisessa.

Segata, Valles-Colomer ja heidän tiiminsä analysoivat tutkimuksessaan vain terveitä yksilöitä, mutta meneillään olevassa tutkimuksessaan he soveltavat metagenomisia työkalujaan sairauksia sairastavien ihmisten tietosarjoihin nähdäkseen, valaisevatko nämä havainnot terveyden ja mikrobiomien välisiä yhteyksiä.

He myös ottavat parhaillaan näytteitä kolmesta päiväkodista – vauvoista ja heidän vanhemmistaan, sisaruksistaan, lemmikkeistä ja opettajista. Tutkijat toivovat saavansa selville, miten mikrobit tarttuvat ja kuinka kauan kestää tiettyjen suoli- ja suun mikrobien hyppääminen ihmisten välillä.

Mikrobiomieliöiden leviämisen seurantaa laiminlyötiin pitkään, koska "emme uskoneet, että sillä olisi niin paljon vaikutusta terveyteemme", Valles-Colomer sanoi. Nyt kun meillä on tekniikat mikrobiomin tutkimiseen, "näemme sen liittyvän käytännössä mihin tahansa sairauteen".

Toimittajan huomautus: Segatan ja hänen ryhmänsä tutkimus on saanut rahoitusta Simonsin säätiö, joka myös rahoittaa tätä toimituksellisesti riippumaton lehti. Simons Foundationin rahoituspäätökset eivät vaikuta kattavuuteemme.