Studi Microbiome Global Memberikan Pandangan Baru tentang Risiko Kesehatan Bersama

Tubuh kita terdiri dari sekitar 30 triliun sel manusia, tetapi mereka juga menampung sekitar 39 triliun sel mikroba. Komunitas bakteri, virus, protozoa, dan jamur yang penuh sesak di usus kita, di mulut kita, di kulit kita, dan di tempat lain - secara kolektif disebut mikrobioma manusia - tidak hanya terdiri dari freeloader dan patogen yang mengintai. Sebaliknya, seperti yang semakin dihargai oleh para ilmuwan, mikroba ini membentuk ekosistem yang penting bagi kesehatan kita. Semakin banyak penelitian bertujuan untuk memahami bagaimana gangguan pada sistem halus ini dapat merampok nutrisi yang kita butuhkan, mengganggu pencernaan makanan kita, dan mungkin memicu penderitaan tubuh dan pikiran kita.

Tapi kita masih tahu sedikit tentang mikrobioma kita sehingga kita baru saja mulai menjawab pertanyaan yang jauh lebih mendasar: Dari mana asal mikroba ini? Bisakah mereka menyebar dari orang lain seperti virus flu atau sakit perut?

Sekarang, analisis transmisi microbiome manusia terbesar dan terlengkap telah memberikan beberapa petunjuk penting. Penelitian yang dipimpin oleh ahli genom di University of Trento di Italia telah menemukan petunjuk bahwa organisme mikrobioma berpindah secara luas di antara manusia, terutama di antara mereka yang menghabiskan banyak waktu bersama. Temuan itu, diterbitkan pada bulan Januari di Alam, mengisi kekosongan penting dalam pemahaman kita tentang bagaimana orang mengumpulkan mikrobioma mereka dan memformulasi ulang sepanjang hidup mereka.

Ilmuwan lain memuji penelitian ini. Jose Clemente LiteranDr.

Studi ini juga memicu spekulasi menarik tentang apakah mikroba dapat meningkatkan atau menurunkan risiko penyakit seperti diabetes atau kanker - dan dengan demikian membawa dimensi menular ke penyakit yang biasanya tidak dianggap menular. Untuk Brett Finlay, seorang profesor mikrobiologi di University of British Columbia yang menulis sebuah komentar untuk Ilmu pada tahun 2020 tentang kemungkinan itu, temuan "menempatkan paku terakhir di peti mati bahwa penyakit tidak menular mungkin tidak boleh disebut demikian."

Keanekaragaman yang Tak Terbayangkan

Mikrobiom seperti sidik jari: sangat beragam sehingga tidak ada dua orang yang memiliki sidik jari yang identik. Mereka juga sangat dinamis - tumbuh, menyusut, dan berkembang sedemikian rupa sepanjang hidup seseorang sehingga mikrobioma bayi akan terlihat sangat berbeda pada saat mereka tumbuh dewasa. Segelintir spesies mikroba ditemukan di lebih dari 90% orang di masyarakat kebarat-baratan, tetapi sebagian besar spesies ditemukan di 20% hingga 90% orang. (Bahkan Escherichia coli, yang mungkin satu-satunya bakteri usus yang dapat disebutkan oleh kebanyakan orang, frekuensinya kurang dari 90%.) Studi menunjukkan bahwa masyarakat non-barat-barat memiliki keragaman mikroba yang lebih besar dan mikrobioma yang lebih bervariasi.

Dalam suatu populasi, dua individu yang dipilih secara acak biasanya memiliki kurang dari setengah spesies mikrobioma mereka yang sama — rata-rata, komposisi mikroba usus yang tumpang tindih adalah antara 30% dan 35%. Ahli mikrobiologi memperdebatkan apakah ada kumpulan "inti" dari spesies mikroba yang dimiliki semua orang sehat, tetapi jika ada, mungkin hanya satu digit persentase dari total.

Namun, menentukan seberapa sering mikroba berpindah di antara manusia, adalah masalah yang jauh lebih berat daripada mencari spesies. Satu spesies dapat terdiri dari banyak strain yang berbeda, atau varian genetik. Oleh karena itu, para peneliti harus dapat mengidentifikasi strain individu dengan melihat gen dalam sampel mikrobioma. Dan dalam mikrobioma manusia, antara 2 juta hingga 20 juta gen mikroba unik mungkin ada, dengan mikroba terus-menerus mengubah gen mereka, bermutasi, dan berevolusi.

Inilah sebabnya mengapa mempelajari bagaimana banyak sel dalam penyebaran mikrobioma “jauh lebih sulit daripada mempelajari cara melacak penyebaran satu patogen,” kata Mireia Valles-Colomer, seorang postdoctoral fellow di University of Trento dan penulis pertama pada studi baru tersebut. Sampai saat ini, melacak strain melalui populasi tidak mungkin dilakukan.

Di 2010, kapan Nicola Segata pertama mulai menganalisis set data genetik besar untuk Proyek Microbiome Manusia sebagai pascadoktoral di Universitas Harvard, alat yang tersedia tidak memiliki resolusi yang diperlukan untuk menentukan spesies mana yang ada di mikrobioma manusia. Mereka dapat mengidentifikasi kelompok taksonomi umum yang dimiliki mikroorganisme, tetapi itu seperti mempersempit lokasi seseorang ke Midwest AS.

Selama beberapa tahun berikutnya, berbagai laboratorium menemukan bukti bahwa interaksi sosial dan kehidupan yang berdekatan mempengaruhi kehidupan mikrobioma primata dan tikus. Studi manusia dilakukan pada populasi yang relatif terisolasi di Papua Nugini dan di tempat lain juga ditemukan tanda tangan berbagi mikroba. Beberapa bahkan menemukan jejak kemungkinan penularan dari hewan peliharaan. Tetapi karena keterbatasan penelitian tersebut, tidak jelas berapa banyak penularan yang terjadi dan apakah terjadi di mana-mana pada tingkat yang sama.

Ini berubah setelah Segata mendirikan labnya di Universitas Trento pada 2013. Dia dan timnya mulai membuat dan menyempurnakan alat metagenomik yang dapat membedakan strain dari spesies yang sama, yang memungkinkan untuk mempelajari transmisi mikrobioma secara lebih detail.

Segata mulai menyelidiki pertanyaan ini pada tahun 2018 dengan menganalisis mikroba ibu dan bayinya. Temuan kelompoknya dan beberapa penelitian lain mengkonfirmasi kecurigaan sebelumnya bahwa ada penularan dalam jumlah besar dari ibu ke bayi, sehingga ibu "mencetak microbiome saat lahir," kata Segata. Pekerjaan terbaru telah menunjukkan bahwa ibu terus membentuk mikrobioma bayi mereka selama beberapa tahun.

Tetapi keragaman mikrobioma berubah secara signifikan antara masa kanak-kanak dan dewasa, jadi warisan awal dari ibu ini “tidak menjelaskan mikroba yang kita lihat pada orang dewasa,” kata Segata. Dalam percobaan lanjutan, para peneliti sebagian besar mengesampingkan kemungkinan bahwa mikroba baru berasal dari makanan yang dimakan manusia, karena mikroba tersebut tidak dapat menjajah usus dengan baik.

Jadi “harus transmisi,” kata Segata. “Pasti apa yang kita miliki di usus berasal dari usus orang lain.”

Berbagi Dengan Keluarga dan Teman

Untuk analisis mikrobioma global baru, Segata, Valles-Colomer dan rekan mereka cukup mengasah alat mereka untuk mengenali spesies yang sebelumnya tidak dikenal dan strain berbeda dari spesies yang sama. Dengan menggunakan alat ini, mereka memeriksa lebih dari 9,700 sampel feses dan air liur dari 20 negara di lima benua, mewakili komunitas dengan gaya hidup yang sangat beragam dan mencakup rentang hidup manusia dan banyak tatanan kehidupan yang berbeda. Mereka melacak lebih dari 800,000 strain mikroba antara keluarga, teman sekamar, tetangga dan desa dan menghitung berapa persen spesies yang sama adalah strain yang sama.

Seperti yang mereka perkirakan, mereka menemukan bahwa kebanyakan berbagi strain terjadi antara ibu dan bayi pada tahun pertama kehidupan — sekitar 50% dari spesies bersama yang ditemukan di usus bayi adalah strain yang menyebar dari ibu. Pengaruh ibu berkurang seiring waktu — merosot dari 27% pada usia 3 tahun menjadi 14% pada usia 30 — tetapi tidak hilang. Beberapa orang lanjut usia di China terbukti masih berbagi strain dengan ibu centenarian mereka yang masih hidup.

Untuk Veena Taneja, seorang ahli imunologi di Mayo Clinic yang tidak terlibat dalam penelitian ini, salah satu informasi yang lebih mengejutkan dalam temuan ini adalah bahwa meskipun bayi yang lahir secara pervaginam berbagi lebih banyak strain dengan ibunya daripada bayi yang lahir melalui operasi caesar, perbedaan ini menghilang tiga kali. tahun. “Orang-orang mempermasalahkannya” bahwa bayi yang lahir melalui operasi caesar mungkin lebih berisiko terkena penyakit tertentu, katanya. Tetapi temuan menunjukkan bahwa mungkin itu “seharusnya tidak menjadi hal yang besar.”

(Pandangan tersebut diperkuat oleh sebuah studi baru diterbitkan bulan ini di Sel Host & Mikroba. Ditemukan bahwa bayi yang lahir melalui operasi caesar menerima lebih sedikit mikrobioma ibunya daripada bayi yang lahir secara normal, tetapi mereka tidak ketinggalan karena mereka menerima lebih banyak mikroba dari ASI.)

Seiring bertambahnya usia, sebagian besar mikrobioma kita terus berasal dari orang yang tinggal atau dekat dengan kita. Tidak mengherankan, studi oleh Segata dan rekannya menemukan bahwa pasangan dan pasangan intim lainnya berbagi banyak mikroba: 13% dari spesies usus yang mereka bagikan adalah dari strain yang sama, seperti 38% dari spesies oral yang sama.

Tetapi orang-orang yang hidup bersama secara platonis tidak ketinggalan, 12% untuk spesies usus yang sama dan 32% untuk spesies mulut yang sama. Itu karena, seperti yang ditemukan Segata, Valles-Colomer, dan tim mereka, satu-satunya penentu transmisi yang paling penting adalah waktu yang dihabiskan bersama. Orang yang tinggal di bawah satu atap berbagi paling banyak ketegangan, tetapi bahkan orang yang tinggal di desa yang sama cenderung memiliki lebih banyak ketegangan yang sama daripada orang yang dipisahkan oleh jarak yang lebih jauh. Frekuensi pembagian ketegangan konsisten di berbagai masyarakat, tetapi tim tersebut mengkonfirmasi temuan sebelumnya bahwa orang-orang di negara-negara non-Barat cenderung memiliki mikrobioma yang lebih beragam.

Para peneliti juga menemukan bahwa strain yang dimiliki bersama bisa hilang dari waktu ke waktu. Anak kembar yang tumbuh bersama memiliki tingkat pembagian ketegangan sekitar 30% yang turun menjadi sekitar 10% setelah 30 tahun hidup terpisah.

Segata berpikir kemungkinan besar strain lain dari spesies bersama juga berasal dari orang lain - terutama dari kontak dekat seperti teman atau rekan kerja, tetapi mungkin juga dari orang yang kita temui jauh lebih singkat dan santai. (Hewan peliharaan, bagaimanapun, mungkin bukan kontributor besar: Segata mengatakan bahwa hewan kebanyakan mengandung spesies mikroba yang biasanya tidak menjajah atau bertahan di dalam kita.)

Temuan ini adalah bukti terkuat hingga saat ini bahwa kita berbagi bagian dari mikrobioma kita dengan orang-orang yang paling sering menghabiskan waktu bersama kita. Fakta bahwa penulis dapat melihat pola penularan ini di seluruh dunia, dan tidak hanya dalam satu populasi, “mencolok”, kata Ilana Brito, seorang profesor teknik biomedis di Cornell University. Kumpulan data ini sangat bising, dengan banyak mutasi terjadi di berbagai organisme ini, tambahnya. Tetapi tim berhasil mengungkap "sinyal di seberang kebisingan".

Tidak jelas bagaimana organisme microbiome menyebar di antara manusia. Ciuman dan seks menjelaskan beberapa di antaranya, tetapi mikroba juga dapat ditularkan melalui tetesan yang dimuntahkan oleh batuk dan bersin, atau dapat diambil dari permukaan yang terkontaminasi. Masih banyak yang harus dipelajari tentang mikroba mana yang lebih mudah menyebar daripada yang lain. Menjawab pertanyaan itu sangat penting untuk memahami implikasi dari gagasan bahwa organisme mikrobioma dapat menyebar.

Menyebarkan Kesehatan atau Penyakit

Sekarang sejauh mana berbagi telah mengungkapkan pola distribusi mikroba unik, kita dapat memeriksa apa yang terjadi pada penyakit. “Dalam hal itu, menurut saya pekerjaan ini sangat mendasar,” kata Clemente.

Beberapa penyakit yang biasanya tidak dianggap menular dapat memiliki aspek menular yang terabaikan. Studi telah ditemukan bahwa banyak orang dengan penyakit yang tidak menyebar dari orang ke orang memiliki mikrobioma yang tampaknya "kacau," kata Finlay.

Beberapa E. coli strain, misalnya, dapat melepaskan racun yang dapat meningkatkan risiko kanker. Orang dengan kanker kolorektal tertentu yang mikrobiomanya mengandung lebih banyak a Fusobakteri spesies cenderung memiliki a prognosis yang lebih buruk dan hasil yang lebih buruk dengan pengobatan. Mikroba usus yang memengaruhi kadar glukosa dan insulin dalam tubuh telah dikaitkan dengan obesitas dan kondisi seperti sindrom metabolik dan bahkan diabetes tipe 2. Mikrobioma usus yang tidak seimbang telah dikaitkan dengan degenerasi saraf, dan berteori bahwa hal itu mungkin berperan dalam kondisi otak seperti Penyakit Alzheimer.

“Jika penyakit ini setidaknya sebagian bergantung pada microbiome, dan kemudian microbiome setidaknya sebagian dapat menular, maka penyakit ini setidaknya sebagian dapat menular,” kata Segata.

Tapi "memahami jumlah mikrobioma tertentu yang berkontribusi terhadap risiko [penyakit], itu pertanyaan yang sulit," kata Clemente. Bahkan sebagian besar penelitian yang menemukan hubungan semacam itu tidak dapat membedakan apakah mikroba menyebabkan penyakit atau hanya merasa lebih mudah menjajah orang yang berisiko terkena penyakit.

Jika mikroba "jahat" yang meningkatkan risiko masalah kesehatan tidak menular dapat ditularkan antar manusia, maka secara teori mikroba "baik" yang menurunkan risiko tersebut juga bisa. Beberapa penelitian menunjukkan bahwa mikroba dapat menjadi pelindung, terutama di awal kehidupan, terhadap kondisi seperti asma dan alergi. Sengaja berbagi potongan mikrobioma sehat, seperti melalui transplantasi feses, telah terbukti sangat berhasil dalam mengobati penyakit dan infeksi tertentu seperti bakteri Clostridium difficile.

Kami berevolusi untuk mempertahankan populasi mikroba kami karena kami sangat diuntungkan dari mereka, kata Jens Walter, seorang profesor ekologi, pangan, dan mikrobioma di University College Cork dan APC Microbiome Irlandia. Itu sebabnya Walter tidak yakin dengan hipotesis bahwa mikroba kita bersama mungkin menyebabkan penyakit dan lebih tertarik pada ide yang berlawanan, terkadang disebut "teman lama" atau hipotesis kebersihan. Ini mengusulkan bahwa sepanjang evolusi, mikrobioma kita mungkin telah membantu melatih respons sistem kekebalan kita. Oleh karena itu, peningkatan modern dalam penggunaan antibiotik dan antiseptik serta kebersihan umum kita yang lebih besar dapat mengubah susunan mikrobioma dan menciptakan lebih banyak kerentanan kesehatan bagi kita.

Dibandingkan dengan seabad yang lalu, “kita pasti tidak menyebarkan mikroba dengan lebih mudah di dunia saat ini,” kata Walter. Penyakit radang usus, multiple sclerosis, rheumatoid arthritis dan diabetes tipe 1 - yang semuanya dianggap sebagai gangguan imunologi daripada penyakit menular - lebih umum di masyarakat kebarat-baratan yang cenderung menggunakan antibiotik dan antiseptik secara ekstensif.

Efek menguntungkan atau merugikan dari berbagi dapat bergantung pada spesies dan strain mana yang dibagikan, yang masih merupakan kotak hitam. Kita juga harus mempertimbangkan, kata Brito, bahwa mungkin bukan organisme individu dalam microbiome kita yang memengaruhi kesehatan kita, melainkan komunitas mereka yang ditularkan bersama. Organisme tertentu mungkin lebih penting dalam satu konteks komunitas daripada yang lain.

Segata, Valles-Colomer dan tim mereka hanya menganalisis individu sehat dalam studi mereka, tetapi dalam penelitian mereka yang sedang berlangsung, mereka menerapkan alat metagenomik mereka ke kumpulan data dari orang dengan penyakit untuk melihat apakah temuan tersebut menerangi hubungan antara kesehatan dan mikrobioma.

Mereka juga saat ini mengambil sampel data dari tiga pusat penitipan anak — dari bayi dan orang tua, saudara kandung, hewan peliharaan, dan guru mereka. Para peneliti berharap untuk mengetahui bagaimana mikroba ditransmisikan dan berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk mikroba usus dan mulut tertentu untuk berpindah antar manusia.

Pelacakan penyebaran organisme microbiome diabaikan untuk waktu yang lama karena "kami tidak berpikir itu akan memiliki banyak pengaruh pada kesehatan kami," kata Valles-Colomer. Sekarang kami memiliki teknik untuk menyelidiki microbiome, "kami melihatnya terkait dengan hampir semua penyakit."

Catatan redaksi: Penelitian oleh Segata dan kelompoknya telah menerima dana dari Yayasan Simons, yang juga mendanai ini majalah editorial independen. Keputusan pendanaan Simons Foundation tidak berpengaruh pada liputan kami.