A globális mikrobiomtanulmány új képet ad a közös egészségügyi kockázatokról

Testünk körülbelül 30 billió emberi sejtből áll, de körülbelül 39 billió mikrobiális sejtet is tartalmaznak. Ezek a baktériumok, vírusok, protozoonok és gombák zsúfolt közösségei a bélrendszerünkben, a szánkban, a bőrünkön és másutt – összefoglaló néven emberi mikrobiómnak – nem csak szabadlábon és lappangó kórokozókból állnak. Ehelyett, ahogy a tudósok egyre jobban értékelik, ezek a mikrobák egészségünkhöz nélkülözhetetlen ökoszisztémákat alkotnak. Egyre több kutatás célja annak megértése, hogy ezeknek a kényes rendszereknek a megzavarása miként foszthatja meg tőlünk a szükséges tápanyagokat, zavarhatja táplálékunk emésztését, és hogyan válthatja ki testünk és elménk szenvedését.

De még mindig olyan keveset tudunk a mikrobiómunkról, hogy most kezdünk megválaszolni egy sokkal alapvetőbb kérdést: honnan származnak ezek a mikrobák? Terjedhetnek-e másoktól, mint egy megfázás vírus vagy gyomorbaj?

Most az emberi mikrobiom átvitelének legnagyobb és legátfogóbb elemzése néhány fontos támpontot adott. Az olaszországi Trentói Egyetem genomikusai által vezetett kutatás arra utal, hogy a mikrobiom organizmusok nagymértékben ugrálnak az emberek között, különösen azok körében, akik sok időt töltenek együtt. Az eredményekjanuárjában jelent meg ben Természet, fontos hiányosságokat pótolhat abban, hogy megértsük, hogyan állítják össze az emberek mikrobiómáikat és alakítják át őket életük során.

Más tudósok is üdvözölték a tanulmányt. Jose Clemente Litran, a Sínai-hegyi Icahn Orvostudományi Iskola genetikai és genomikus tudományok docense „kiemelkedőnek” üdvözölte a munkát, és azt mondta, hogy ez az első egyértelmű mérőszám arra vonatkozóan, hogy mekkora megosztásra számíthatunk a családtagok vagy az együtt élők között.

A tanulmány emellett érdekes spekulációkat is ébreszt arról, hogy a mikrobák növelhetik-e vagy csökkenthetik-e az olyan betegségek kockázatát, mint a cukorbetegség vagy a rák – és ezáltal átvihető dimenziót hoznak az olyan betegségekbe, amelyeket általában nem tekintenek fertőzőnek. Mert Brett Finlay, a British Columbia Egyetem mikrobiológia professzora, aki írta egy kommentár mert Tudomány 2020-ban ezzel a lehetőséggel kapcsolatban a megállapítások „beletették az utolsó szöget a koporsóba, hogy a nem fertőző betegségeket talán nem szabad így nevezni”.

Felmérhetetlen sokszínűség

A mikrobiómák olyanok, mint az ujjlenyomatok: annyira sokfélék, hogy nincs két egyforma embernek. Emellett hihetetlenül dinamikusak – annyira nőnek, zsugorodnak és fejlődnek az ember élete során, hogy a baba mikrobiomja drasztikusan másképp fog kinézni, mire felnő. Egy maroknyi mikrobiális faj az emberek több mint 90%-ában található meg a nyugati társadalmakban, de a legtöbb faj az emberek 20-90%-ában található meg. (Még Escherichia coli, amely valószínűleg az egyetlen bélbaktérium, amelyet a legtöbb ember megnevezhet, elmarad a 90%-os gyakoriságtól.) A tanulmányok szerint a nem nyugatias társadalmakban még nagyobb a mikrobák sokfélesége és változatosabb mikrobiomák.

Egy populáción belül bármely két véletlenszerűen kiválasztott egyedben általában a mikrobiomfajok kevesebb mint fele közös – átlagosan a bélrendszer mikrobiális felépítésében az átfedés 30% és 35% között van. A mikrobiológusok azon vitatkoznak, hogy létezik-e a mikrobiális fajok „mag” halmaza, amely minden egészséges emberben megtalálható, de ha létezik, akkor ez valószínűleg egy számjegyű százaléka az összesnek.

Annak meghatározása azonban, hogy milyen gyakran vándorolnak át a mikrobák az emberek között, sokkal nagyobb probléma, mint a fajok keresése. Egy faj több különböző törzsből vagy genetikai változatból állhat. A kutatóknak ezért képesnek kell lenniük az egyes törzsek azonosítására a mikrobiomminták génjei alapján. Az emberi mikrobiomban pedig 2 millió és 20 millió közötti egyedi mikrobiális gén lehet jelen, a mikrobák pedig folyamatosan átalakítják génjeiket, mutálódnak és fejlődnek.

Ezért „sokkal nehezebb megtanulni, hogyan terjednek a sejtek sokasága a mikrobiomban, mint megtanulni, hogyan lehet nyomon követni egy kórokozó terjedését” – mondta. Mireia Valles-Colomer, a Trentoi Egyetem posztdoktori ösztöndíjasa és az új tanulmány első szerzője. Egészen a közelmúltig lehetetlen volt nyomon követni a törzseket a populáción keresztül.

2010-ban, mikor Nicola Segata Először a Harvard Egyetem posztdoktorijaként kezdte el elemezni a Human Microbiome Project számára készült hatalmas genetikai adatkészleteket, de a rendelkezésre álló eszközökből hiányzott a szükséges felbontás ahhoz, hogy meghatározzák, mely fajok találhatók az emberek mikrobiómájában. Meg tudták azonosítani azt az általános taxonómiai csoportot, amelyhez egy mikroorganizmus tartozik, de ez olyan volt, mintha valakinek az Egyesült Államok középnyugati területére szűkítenék a tartózkodási helyét.

Az elkövetkező néhány évben különböző laboratóriumok bizonyítékokat találtak arra vonatkozóan, hogy a társadalmi interakció és a közeli élet befolyásolta a főemlősök mikrobiómái és egerek. Embereken végzett vizsgálatok viszonylag elszigetelt populációk Pápua Új-Guineában és másutt is találtak mikrobák megosztására utaló jeleket. Néhányan a lehetséges nyomait is megtalálták átvitel háziállatokról. De e tanulmányok korlátai miatt nem volt világos, hogy mennyi átvitel történik, és hogy mindenhol ugyanolyan mértékben történt-e.

Ez megváltozott, miután Segata 2013-ban létrehozta laboratóriumát a Trentói Egyetemen. Csapatával elkezdett olyan metagenomikai eszközöket létrehozni és finomítani, amelyek képesek különbséget tenni ugyanazon faj törzsei között, ami lehetővé tette a mikrobiom transzmissziójának részletesebb tanulmányozását.

A Segata 2018-ban kezdte el vizsgálni ezt a kérdést az anyák és csecsemőik mikrobáinak elemzésével. Csoportja eredményei és számos más tanulmány megerősítette azt a korábbi gyanút, miszerint hatalmas mennyiségben terjed az anyától a babáig, így az anya „születéskor benyomja a mikrobiomot” – mondta Segata. A legújabb kutatások azt mutatták, hogy az anyák továbbra is formálja a mikrobiomákat csecsemőikről néhány év alatt.

De a mikrobiom sokfélesége jelentősen változik a gyermekkor és a felnőttkor között, így ez a korai anyáktól való öröklődés „nem magyarázza meg a mikrobákat, amelyeket a felnőtteknél látunk” – mondta Segata. Az utókísérletek során a kutatók nagyrészt kizárták annak lehetőségét, hogy az új mikrobák az emberek által elfogyasztott élelmiszerekből származnak, mivel ezek a mikrobák nem voltak képesek nagyon jól megtelepedni a bélben.

Tehát „átvitelnek kell lennie” – mondta Segata. „Az kell, hogy legyen, ami a bélünkben van, az más egyének zsigeréből származik.”

Megosztás a családdal és a barátokkal

A mikrobiomák új globális elemzéséhez Segata, Valles-Colomer és munkatársai eléggé csiszolták eszközeiket ahhoz, hogy felismerjék a korábban ismeretlen fajokat és ugyanazon faj különböző törzseit. Ezekkel az eszközökkel több mint 9,700 széklet- és nyálmintát vizsgáltak meg öt kontinens 20 országából, amelyek nagyon változatos életmódot folytató közösségeket képviseltek, és lefedik az emberi élet teljes skáláját és sokféle életbeosztást. Több mint 800,000 XNUMX mikrobatörzsnek nyomon követték a családokat, lakótársakat, szomszédokat és falvakat, és kiszámolták, hogy a közös fajok hány százaléka ugyanaz a törzs.

Ahogyan azt várták, azt találták, hogy a legtöbb törzs az anyák és a csecsemők között az első életévben történt meg – a csecsemők beleiben talált közös fajok körülbelül 50%-a olyan törzs volt, amely az anyától terjedt. Az anya befolyása idővel csökkent – ​​a 27 éves kor 3%-áról 14 éves korára 30%-ra esett vissza –, de nem tűnt el. Kínában néhány idős emberről kimutatták, hogy még mindig megosztják a törzset túlélő százéves anyjukkal.

A Veena Taneja, a Mayo Clinic immunológusa, aki nem vett részt a vizsgálatban, az eredmények egyik meglepőbb aprósága az volt, hogy bár a hüvelyi úton született csecsemők több feszültséget osztottak meg anyjukkal, mint a C-metszeten született csecsemők, ez a különbség hárommal eltűnt. éves korig. „Az emberek nagy ügyet csinálnak belőle”, hogy a C-metszeten keresztül született babák nagyobb kockázatnak vannak kitéve bizonyos betegségekre – mondta. De az eredmények azt sugallják, hogy talán „nem kellene nagy dolognak lennie”.

(Ezt a nézetet megerősítette egy új tanulmány ebben a hónapban jelent meg Cell Host & Microb. Kiderült, hogy a C-metszeten keresztül született babák kevesebbet kaptak anyjuk mikrobiomjából, mint a hüvelyben született babák, de nem maradtak ki, mert több mikrobát kaptak az anyatejből.)

Ahogy öregszünk, mikrobiómáink jelentős része továbbra is azoktól az emberektől származik, akikkel együtt vagy közel élünk. Nem meglepő módon a Segata és munkatársai által végzett tanulmány kimutatta, hogy a házastársak és más fizikailag intim partnereik sok mikrobát osztottak meg egymással: a közös bélfajok 13%-a ugyanabból a törzsből származott, csakúgy, mint a közös orális fajok 38%-a.

De az emberek, akik plátóilag együtt éltek, nem maradtak el sokkal lemaradva: 12% a közös bélfajok és 32% a közös szájfajták esetében. Ennek az az oka, hogy amint a Segata, Valles-Colomer és csapatuk megállapította, az átvitel legfontosabb meghatározója az együtt töltött idő volt. Az egy fedél alatt élők osztoztak a legtöbben, de még az egy faluban élőkben is több volt a közös feszültség, mint azokban, akiket nagyobb távolság választ el egymástól. A törzsek megosztásának gyakorisága konzisztens volt a különböző társadalmakban, de a csapat megerősítette a korábbi megállapításokat, miszerint a nem nyugati országokban élő emberek mikrobiomája változatosabb.

A kutatók azt is megállapították, hogy a közös törzsek idővel elveszhetnek. Az együtt felnövő ikrek feszültség-megosztási szintje körülbelül 30%, ami 10 év különélés után körülbelül 30%-ra esett vissza.

A Segata valószínűnek tartja, hogy a közös fajok többi törzse is más emberektől származik – elsősorban közeli kapcsolatoktól, például barátoktól vagy munkatársaktól, de talán olyan emberektől is, akikkel sokkal rövidebben és véletlenszerűen találkozunk. (A háziállatok azonban valószínűleg nem járulnak hozzá nagy mértékben: Segata azt mondta, hogy az állatok többnyire olyan mikrobiális fajokat rejtenek magukban, amelyek jellemzően nem kolonizálnak vagy nem maradnak meg bennünk.)

Az eredmények az eddigi legerősebb bizonyítékok arra vonatkozóan, hogy mikrobiomunk egy részét megosztjuk azokkal az emberekkel, akikkel a legtöbb időt töltjük. Az a tény, hogy a szerzők ezt a terjedési mintát az egész világon, és nem csak egyetlen populációban láthatták, „feltűnő” Ilana Brito, a Cornell Egyetem orvosbiológiai mérnöki docense. Ezek az adatkészletek rendkívül zajosak, és sok mutáció történik ezekben a különböző organizmusokban – tette hozzá. De a csapat sikeresen feltárta „a jelet a zajon keresztül”.

Nem világos, hogy a mikrobiom szervezetek hogyan terjednek az emberek között. A csókolózás és a szex egy részét megmagyarázzák, de a mikrobák a köhögés és tüsszentés által kipermetezett cseppeken keresztül is átterjedhetnek, vagy a szennyezett felületekről is felszedhetők. Sokat kell még tanulni arról is, hogy mely mikrobák terjednek könnyebben, mint mások. A kérdés megválaszolása kritikus fontosságú annak az elképzelésnek a következményeinek megértéséhez, hogy a mikrobióm szervezetek terjedhetnek.

Egészség vagy betegség terjesztése

Most, hogy a megosztás mértéke feltárta az egyedi mikrobák eloszlási mintáit, megvizsgálhatjuk, mi történik a betegségekben. „Ebben az értelemben úgy gondolom, hogy ez a munka valóban alapvető” – mondta Clemente.

Egyes betegségek, amelyeket általában nem tekintenek fertőzőnek, figyelmen kívül hagyhatják a fertőző vonatkozásait. Tanulmányok megtalálta hogy sok olyan betegségben szenvedő embernél, akik nem terjednek át emberről emberre, mikrobiomjuk van, amelyek úgy tűnik, hogy „összetévedtek” – mondta Finlay.

Néhány E. coli törzsek például olyan méreganyagokat szabadíthatnak fel, amelyek növelhetik a rák kockázatát. Bizonyos vastagbélrákos betegek, akiknek mikrobiomája több a Fusobacterium fajok általában a rosszabb prognózis és rosszabb eredményeket a kezeléssel. A szervezet glükóz- és inzulinszintjét befolyásoló bélmikrobák az elhízáshoz és olyan állapotokhoz kötődnek, mint a metabolikus szindróma és még a 2-es típusú cukorbetegség is. Egy kiegyensúlyozatlan bélmikrobiómát összefüggésbe hozták a neurodegenerációval, és az elmélet szerint szerepet játszhat olyan agyi állapotokban, mint pl. Alzheimer kór.

"Ha ezek a betegségek legalább részben a mikrobiomtól függenek, és a mikrobiom legalább részben átvihető, akkor ezek a betegségek legalább részben átvihetővé válnak" - mondta Segata.

De „nehéz kérdés annak megértése, hogy egy bizonyos mikrobiom mekkora mértékben járul hozzá a [betegség] kockázatához” – mondta Clemente. Még a legtöbb ilyen összefüggést találó tanulmány sem tudja eldönteni, hogy a mikrobák okozzák-e a betegséget, vagy egyszerűen csak könnyebbnek találják a betegség kockázatának kitett személy megtelepedését.

Ha a „rossz” mikrobák, amelyek növelik a nem fertőző egészségügyi problémák kockázatát, átterjedhetnek emberek között, akkor elméletileg a „jó” mikrobák is, amelyek csökkentik ezeket a kockázatokat. Egyes tanulmányok azt sugallják, hogy a mikrobák védelmet nyújthatnak, különösen a korai életszakaszban, olyan állapotokkal szemben, mint az asztma és az allergiák. Az egészséges mikrobiómák darabjainak szándékos megosztása, például keresztül székletátültetések, elképesztően sikeresnek bizonyult bizonyos betegségek és fertőzések, például a baktériumok kezelésében Clostridium difficile.

Azért fejlődtünk, hogy fenntartsuk mikrobiális populációinkat, mert nagy hasznot húzunk belőlük – mondta Jens Walter, az ökológia, az élelmiszerek és a mikrobiom professzora a University College Cork-nál és az APC Microbiome Irelandnél. Ez az oka annak, hogy Waltert nem győzi meg az a hipotézis, hogy a közös mikrobáink betegségeket okozhatnak, és jobban vonzza az ellenkező gondolat, amelyet néha „régi barátok” vagy higiéniai hipotézis. Azt sugallja, hogy az evolúció során mikrobiómáink segíthettek az immunrendszerünk reakcióinak képzésében. Az antibiotikumok és antiszeptikumok használatának korszerű növekedése, valamint általánosabb tisztaságunk tehát megváltoztathatja a mikrobiom összetételét, és több egészségügyi sérülékenységet okozhat számunkra.

Az egy évszázaddal ezelőttihez képest „a mai világban biztosan nem terjesztjük könnyebben a mikrobákat” – mondta Walter. A gyulladásos bélbetegség, a sclerosis multiplex, a reumás ízületi gyulladás és az 1-es típusú cukorbetegség – amelyek mindegyike inkább immunológiai rendellenességnek minősül, mint fertőző betegségnek – elterjedtebb a nyugati társadalmakban, amelyek hajlamosak széles körben használni az antibiotikumokat és antiszeptikumokat.

A megosztás jótékony vagy káros hatásai attól függhetnek, hogy melyik fajt és törzset osztják meg, ami még mindig egy kis fekete doboz. Azt is meg kell fontolnunk, mondta Brito, hogy nem a mikrobiómunkban lévő egyes organizmusok lehetnek hatással az egészségünkre, hanem azok közösségei, amelyek együtt terjednek. Bizonyos organizmusok fontosabbak lehetnek az egyik közösségi kontextusban, mint a másikban.

Segata, Valles-Colomer és csapatuk csak egészséges egyéneket elemeztek tanulmányukban, de folyamatban lévő kutatásaik során metagenomikai eszközeiket betegségben szenvedőktől származó adathalmazokra alkalmazzák, hogy megnézzék, vajon ezek az eredmények megvilágítják-e az egészség és a mikrobiomák közötti összefüggéseket.

Jelenleg három napközi óvoda adataiból is gyűjtenek mintát – csecsemőktől és szüleiktől, testvéreiktől, háziállatoktól és tanároktól. A kutatók azt remélik, hogy kiderítik, hogyan terjednek a mikrobák, és mennyi időbe telik, amíg bizonyos bél- és szájmikrobák ugrálnak az emberek között.

A mikrobiom organizmusok terjedésének nyomon követését sokáig elhanyagolták, mert "nem gondoltuk, hogy ez ekkora hatással lesz az egészségünkre" - mondta Valles-Colomer. Most, hogy megvannak a technikák a mikrobiom vizsgálatára, „gyakorlatilag bármilyen betegséggel kapcsolatban látjuk”.

A szerkesztő megjegyzése: A Segata és csoportja által végzett kutatás támogatást kapott a Simons Alapítvány, amely ezt is finanszírozza szerkesztőileg független folyóirat. A Simons Foundation finanszírozási döntései nincsenek hatással a fedezetünkre.