Global mikrobiomstudie gir nytt syn på delte helserisikoer

Kroppene våre består av rundt 30 billioner menneskeceller, men de er også vert for rundt 39 billioner mikrobielle celler. Disse myldrende samfunnene av bakterier, virus, protozoer og sopp i tarmene våre, i munnen, på huden vår og andre steder – samlet kalt det menneskelige mikrobiomet – består ikke bare av frilastere og lurende patogener. I stedet, som forskere i økende grad setter pris på, danner disse mikrobene økosystemer som er avgjørende for helsen vår. En voksende mengde forskning tar sikte på å forstå hvordan forstyrrelser av disse ømfintlige systemene kan frarøve oss næringsstoffer vi trenger, forstyrre fordøyelsen av maten vår og muligens utløse plager i kroppen og sinnet vårt.

Men vi vet fortsatt så lite om mikrobiomet vårt at vi akkurat begynner å svare på et mye mer grunnleggende spørsmål: Hvor kommer disse mikrobene fra? Kan de spre seg fra andre mennesker som et forkjølelsesvirus eller magesyke?

Nå har den største og mest omfattende analysen av menneskelig mikrobiomoverføring gitt noen viktige ledetråder. Forskning ledet av genomikere ved Universitetet i Trento i Italia har funnet hint om at mikrobiome organismer hopper mye mellom mennesker, spesielt blant de som tilbringer mye tid sammen. Funnene, publisert i januar i Natur, fylle viktige hull i vår forståelse av hvordan mennesker setter sammen mikrobiomene sine og omformulerer dem gjennom livet.

Andre forskere har applaudert studien. Jose Clemente Litran, en førsteamanuensis i genetikk og genomiske vitenskaper ved Icahn School of Medicine ved Mount Sinai, hyllet arbeidet som "enestående" og sa at det ga det første klare målet på hvor mye deling man kan forvente blant familiemedlemmer eller de som bor sammen.

Studien gir også næring til spennende spekulasjoner om hvorvidt mikrober kan øke eller redusere risikoen vår for sykdommer som diabetes eller kreft - og dermed gi en overførbar dimensjon til sykdommer som vanligvis ikke anses som smittsomme. Til Brett Finlay, en professor i mikrobiologi ved University of British Columbia som skrev en kommentar forum Vitenskap i 2020 om den muligheten, "satte funnene den siste spikeren i kisten om at ikke-smittsomme sykdommer kanskje ikke bør kalles det."

Ufattelig mangfold

Mikrobiomer er som fingeravtrykk: så forskjellige at ikke to personer kan ha identiske. De er også utrolig dynamiske - vokser, krymper og utvikler seg så mye gjennom en persons levetid at en babys mikrobiom vil se drastisk annerledes ut når de vokser opp. En håndfull mikrobielle arter finnes hos mer enn 90 % av mennesker i vestlige samfunn, men de fleste arter finnes hos 20 % til 90 % av menneskene. (Til og med Escherichia coli, som sannsynligvis er den eneste tarmbakterien de fleste kan navngi, faller under 90 % frekvens.) Studier tyder på at ikke-vestlige samfunn har et enda større mangfold av mikrober og mer variable mikrobiomer.

Innenfor en populasjon har to tilfeldig utvalgte individer vanligvis mindre enn halvparten av mikrobiomartene til felles - i gjennomsnitt er overlappingen i den mikrobielle sammensetningen av tarmen mellom 30 % og 35 %. Mikrobiologer diskuterer om det er et "kjerne" sett med mikrobielle arter som alle friske mennesker har, men hvis det eksisterer, er det sannsynligvis en ensifret prosentandel av totalen.

Å bestemme hvor ofte mikrober passerer mellom mennesker, er imidlertid et mye mer formidabelt problem enn å lete etter arter. En enkelt art kan bestå av mange forskjellige stammer, eller genetiske varianter. Forskere må derfor kunne identifisere individuelle stammer ved å se på genene i mikrobiomprøver. Og i et menneskelig mikrobiom kan mellom 2 millioner og 20 millioner unike mikrobielle gener være tilstede, med mikrobene som stadig omstokker genene sine, muterer og utvikler seg.

Dette er grunnen til at det å lære hvordan mengden av celler i mikrobiomet sprer seg er "mye vanskeligere enn å lære å spore spredningen av ett patogen," sa Mireia Valles-Colomer, en postdoktor ved University of Trento og førsteforfatter på den nye studien. Inntil nylig var det umulig å spore stammer gjennom en populasjon.

I 2010, når Nicola Segata først begynte å analysere massive genetiske datasett for Human Microbiome Project som postdoktor ved Harvard University, manglet de tilgjengelige verktøyene oppløsningen som trengs for å finne ut hvilke arter som var i folks mikrobiomer. De kunne identifisere den generelle taksonomiske gruppen som en mikroorganisme tilhørte, men det var som å begrense noens plassering til det amerikanske midtvesten.

I løpet av de neste årene fant forskjellige laboratorier bevis på at sosial interaksjon og nærhet påvirket mikrobiomer av primater og mus. Studier av mennesker utført på relativt isolerte bestander i Papua Ny-Guinea og andre steder også funnet signaturer på mikrobiell deling. Noen fant til og med spor etter evt overføring fra kjæledyr. Men på grunn av begrensningene til disse studiene, var det ikke klart hvor mye overføring som skjedde og om det skjedde overalt i samme grad.

Dette endret seg etter at Segata etablerte laboratoriet sitt ved Universitetet i Trento i 2013. Han og teamet hans begynte å lage og foredle metagenomiske verktøy som kunne skille mellom stammer av samme art, noe som gjorde det mulig å studere mikrobiomoverføring mer detaljert.

Segata begynte å undersøke dette spørsmålet i 2018 ved å analysere mikrobene til mødre og deres spedbarn. Hans gruppes funn og flere andre studier bekreftet tidligere mistanker om at det er en enorm mengde overføring fra mor til baby, slik at moren "preger mikrobiomet ved fødselen," sa Segata. Nyere arbeid har vist at mødre fortsetter med det forme mikrobiomene av deres spedbarn i løpet av få år.

Men mangfoldet av mikrobiomet endrer seg betydelig mellom barndom og voksen alder, så denne tidlige arven fra mødre "forklarer ikke mikrobene vi ser hos de voksne," sa Segata. I oppfølgingseksperimenter utelukket forskerne stort sett muligheten for at de nye mikrobene kom fra maten folk spiste, fordi disse mikrobene ikke var i stand til å kolonisere tarmen veldig godt.

Så "det må være overføring," sa Segata. "Det må være at det vi har i tarmen kommer fra tarmen til andre individer."

Deling med familie og venner

For den nye globale analysen av mikrobiomer har Segata, Valles-Colomer og deres kolleger finpusset verktøyene sine nok til å gjenkjenne tidligere ukjente arter og forskjellige stammer av samme art. Ved å bruke disse verktøyene undersøkte de mer enn 9,700 20 prøver av avføring og spytt fra 800,000 land på fem kontinenter, som representerte samfunn med svært variert livsstil og dekker hele spekteret av menneskelig levetid og mange forskjellige livsformer. De sporet mer enn XNUMX XNUMX stammer av mikrober mellom familier, romkamerater, naboer og landsbyer og beregnet hvor stor prosentandel av delte arter som var den samme stammen.

Som de forventet, fant de ut at de fleste stammer skjedde mellom mødre og spedbarn i det første leveåret - omtrent 50 % av de delte artene som ble funnet i spedbarnets tarm, var stammer som spredte seg fra moren. Morens innflytelse avtok med tiden – falt fra 27 % i en alder av 3 til 14 % ved 30 år – men forsvant ikke. Noen eldre mennesker i Kina ble vist å fortsatt dele belastninger med sine overlevende hundreåringsmødre.

Til Veena Taneja, en immunolog ved Mayo Clinic som ikke var involvert i studien, var en av de mer overraskende godbitene i funnene at selv om spedbarn født vaginalt delte flere belastninger med mødrene sine enn spedbarn født med keisersnitt gjorde, forsvant denne forskjellen med tre års alder. "Folk gjør en stor sak ut av det" at babyer født via keisersnitt kan være mer utsatt for visse sykdommer, sa hun. Men funnene tyder på at det kanskje "ikke burde være en stor ting."

(Det synet ble bekreftet av en ny studie publisert denne måneden i Cell Host & Microbe. Den fant at babyer født via keisersnitt fikk mindre av mors mikrobiomer enn babyer født vaginalt, men at de ikke gikk glipp av det fordi de fikk flere mikrober fra morsmelk.)

Etter hvert som vi blir eldre, fortsetter en betydelig del av mikrobiomene våre å komme fra menneskene vi bor med eller i nærheten av. Ikke overraskende fant studien av Segata og kolleger at ektefeller og andre fysisk intime partnere delte mange mikrober: 13 % av tarmartene de delte var av samme stamme, og det samme var 38 % av deres delte orale arter.

Men folk som levde sammen platonisk var ikke langt bak, med 12 % for delte tarmarter og 32 % for delte orale arter. Det er fordi, som Segata, Valles-Colomer og teamet deres fant, var den viktigste determinanten for overføring tid tilbrakt sammen. Folk som bodde under ett tak delte flest belastninger, men selv folk som bodde i samme landsby hadde en tendens til å ha flere belastninger til felles enn mennesker som var adskilt med større avstander. Frekvensen av belastningsdeling var konsistent på tvers av forskjellige samfunn, men teamet bekreftet tidligere funn om at mennesker i ikke-vestlige land har en tendens til å ha mer forskjellige mikrobiomer.

Forskerne fant også at stammer holdt til felles kan gå tapt over tid. Tvillinger som vokste opp sammen hadde omtrent 30 % belastningsdelingsnivå som falt til omtrent 10 % etter 30 års bosetting fra hverandre.

Segata tror det er sannsynlig at de fleste andre stammer av delte arter også kommer fra andre mennesker - først og fremst fra nære kontakter som venner eller kolleger, men kanskje også fra mennesker vi møter langt mer kort og tilfeldig. (Kjæledyr er sannsynligvis ikke store bidragsytere: Segata sa at dyr for det meste har mikrobielle arter som vanligvis ikke koloniserer eller vedvarer i oss.)

Funnene er det sterkeste beviset til dags dato på at vi deler deler av mikrobiomene våre med menneskene vi tilbringer mest tid med. Det faktum at forfatterne var i stand til å se dette overføringsmønsteret over hele kloden, og ikke bare i en enkelt befolkning, var "påfallende," sa Ilana Brito, en førsteamanuensis i biomedisinsk ingeniørfag ved Cornell University. Disse datasettene er ekstremt støyende, med mange mutasjoner som skjer på tvers av disse forskjellige organismene, la hun til. Men teamet klarte å avdekke "signalet over støyen."

Det er ikke klart hvordan mikrobiome organismer sprer seg mellom mennesker. Kyssing og sex forklarer noe av det, men mikrober kan også overføres gjennom dråper som spys ut av hoste og nysing, eller de kan bli plukket opp fra forurensede overflater. Det er også fortsatt mye å lære om hvilke mikrober som spres lettere enn andre. Å svare på det spørsmålet er avgjørende for å forstå implikasjonene av ideen om at mikrobiome organismer kan spre seg.

Spredning av helse eller sykdom

Nå som omfanget av deling har avslørt distribusjonsmønstrene til unike mikrober, kan vi undersøke hva som skjer ved sykdom. "I den forstand tror jeg dette arbeidet er veldig grunnleggende," sa Clemente.

Noen sykdommer som vanligvis ikke anses som smittsomme, kan ha et oversett smittsomt aspekt. Studier har funnet at mange mennesker med sykdommer som ikke sprer seg person til person har mikrobiomer som ser ut til å være "skrudd opp," sa Finlay.

Litt E. coli stammer, for eksempel, kan frigjøre giftstoffer som kan øke risikoen for kreft. Personer med visse kolorektale kreftformer hvis mikrobiomer inneholder mer av en Fusobacterium arter har en tendens til å ha en dårligere prognose og dårligere resultater med behandling. Tarmmikrober som påvirker glukose- og insulinnivået i kroppen har vært knyttet til fedme og tilstander som metabolsk syndrom og selv type 2 diabetes. Et ubalansert tarmmikrobiom har vært knyttet til nevrodegenerasjon, og det er teoretisert at det kan spille en rolle i hjernesykdommer som Alzheimers sykdom.

"Hvis disse sykdommene er i det minste delvis avhengige av mikrobiomet, og så er mikrobiomet i det minste delvis overførbart, så blir disse sykdommene i det minste delvis overførbare," sa Segata.

Men "å forstå hvor mye et visst mikrobiom bidrar til [sykdoms]risiko, det er det vanskelige spørsmålet," sa Clemente. Selv de fleste studier som finner slike assosiasjoner kan ikke erte fra hverandre om mikrobene forårsaker sykdommen eller ganske enkelt finner det lettere å kolonisere en person med risiko for sykdommen.

Hvis "dårlige" mikrober som øker risikoen for ikke-smittsomme helseproblemer kan overføres mellom mennesker, så kan i teorien "gode" mikrober som reduserer risikoen også være det. Noen studier tyder på at mikrober kan være beskyttende, spesielt tidlig i livet, mot tilstander som astma og allergier. Bevisst dele deler av sunne mikrobiomer, for eksempel gjennom fekale transplantasjoner, har vist seg forbløffende vellykket i å behandle visse sykdommer og infeksjoner som bakteriene Clostridium difficile.

Vi utviklet oss for å opprettholde våre mikrobielle populasjoner fordi vi har stor nytte av dem, sa Jens Walter, professor i økologi, mat og mikrobiomet ved University College Cork og APC Microbiome Ireland. Det er derfor Walter ikke er overbevist av hypotesen om at våre delte mikrober kan forårsake sykdommer og er mer tiltrukket av den motsatte ideen, noen ganger kalt "gamle venner" eller hygienehypotese. Den foreslår at mikrobiomene våre gjennom hele evolusjonen kan ha bidratt til å trene opp responsene til immunsystemet vårt. Den moderne økningen i bruken av antibiotika og antiseptika og vår større generelle renslighet kan derfor endre sammensetningen av mikrobiomet og skape flere helsesårbarheter for oss.

Sammenlignet med et århundre siden, "spredning vi definitivt ikke mikrober lettere i dagens verden," sa Walter. Inflammatorisk tarmsykdom, multippel sklerose, revmatoid artritt og type 1 diabetes - som alle regnes som immunologiske lidelser i stedet for smittsomme sykdommer - er mer utbredt i vestlige samfunn som har en tendens til å bruke antibiotika og antiseptika i utstrakt grad.

De gunstige eller skadelige effektene av deling kan avhenge av hvilke arter og stammer som deles, noe som fortsatt er litt svart boks. Vi bør også vurdere, sa Brito, at det kanskje ikke er individuelle organismer i mikrobiomet vårt som påvirker helsen vår, men heller fellesskap av dem som overføres sammen. Visse organismer kan ha større betydning i en fellesskapssammenheng enn en annen.

Segata, Valles-Colomer og teamet deres analyserte bare friske individer i studien deres, men i deres pågående forskning bruker de sine metagenomiske verktøy på datasett fra mennesker med sykdommer for å se om disse funnene belyser sammenhengene mellom helse og mikrobiomer.

De prøver for tiden også data fra tre barnehager - fra spedbarn og deres foreldre, søsken, kjæledyr og lærere. Forskerne håper å finne ut hvordan mikrobene overføres og hvor lang tid det tar før spesifikke tarm- og orale mikrober hopper mellom mennesker.

Sporing av spredning av mikrobiome organismer ble neglisjert i lang tid fordi "vi ikke trodde det ville ha så stor innvirkning på helsen vår," sa Valles-Colomer. Nå som vi har teknikkene for å undersøke mikrobiomet, "ser vi det assosiert med praktisk talt enhver sykdom."

Redaktørens merknad: Forskning av Segata og hans gruppe har mottatt finansiering fra Simons Foundation, som også finansierer dette redaksjonelt uavhengig magasin. Simons Foundations finansieringsbeslutninger har ingen innflytelse på vår dekning.