Studiul global asupra microbiomului oferă o nouă perspectivă asupra riscurilor comune pentru sănătate

Corpurile noastre sunt formate din aproximativ 30 de trilioane de celule umane, dar găzduiesc și aproximativ 39 de trilioane de celule microbiene. Aceste comunități pline de bacterii, viruși, protozoare și ciuperci din intestinele noastre, în gură, pe pielea noastră și în alte părți - numite colectiv microbiomul uman - nu constau doar din încărcătoare libere și agenți patogeni ascunși. În schimb, așa cum oamenii de știință apreciază din ce în ce mai mult, acești microbi formează ecosisteme esențiale pentru sănătatea noastră. Un număr tot mai mare de cercetări își propune să înțeleagă modul în care întreruperile acestor sisteme delicate ne pot răpi nutrienții de care avem nevoie, pot interfera cu digestia alimentelor noastre și, eventual, pot declanșa afecțiuni ale corpului și minții noastre.

Dar știm încă atât de puține despre microbiomul nostru, încât abia începem să răspundem la o întrebare mult mai fundamentală: de unde provin acești microbi? Se pot răspândi de la alți oameni ca un virus al răcelii sau o insectă stomacală?

Acum, cea mai mare și mai cuprinzătoare analiză a transmiterii microbiomului uman a oferit câteva indicii importante. Cercetările conduse de genomici de la Universitatea din Trento din Italia au descoperit indicii că organismele microbiome țopăie mult între oameni, în special printre cei care petrec mult timp împreună. Descoperirile, publicat în ianuarie în Natură, umple goluri importante în înțelegerea noastră a modului în care oamenii își adună microbiomele și le reformulează de-a lungul vieții.

Alți oameni de știință au aplaudat studiul. Jose Clemente Litran, profesor asociat de genetică și științe genomice la Școala de Medicină Icahn din Muntele Sinai, a salutat munca ca fiind „excepțională” și a spus că oferă prima măsură clară a cât de mult se așteaptă împărtășirea între membrii familiei sau cei care locuiesc împreună.

Studiul alimentează, de asemenea, speculații interesante despre dacă microbii ne pot crește sau reduce riscurile pentru boli precum diabetul sau cancerul - și, prin urmare, aduc o dimensiune transmisibilă bolilor care de obicei nu sunt considerate contagioase. Pentru Brett Finlay, un profesor de microbiologie la Universitatea din British Columbia, care a scris un comentariu pentru Ştiinţă în 2020, despre această posibilitate, descoperirile „pun ultimul cui în sicriu că bolile netransmisibile poate nu ar trebui să se numească așa”.

Diversitate insondabilă

Microbiomii sunt ca amprentele digitale: atât de diversi încât nici doi oameni nu pot avea unul identic. Sunt, de asemenea, incredibil de dinamici – cresc, se micșorează și evoluează atât de mult de-a lungul vieții unei persoane, încât microbiomul bebelușului va arăta drastic diferit în momentul în care acesta va crește. O mână de specii microbiene se găsesc la peste 90% dintre oameni din societățile occidentalizate, dar majoritatea speciilor se găsesc la 20% până la 90% dintre oameni. (Chiar Escherichia coli, care este probabil singura bacterie intestinală pe care majoritatea oamenilor ar putea-o denumi, nu atinge o frecvență de 90%.) Studiile sugerează că societățile neoccidentalizate au o diversitate și mai mare de microbi și microbiomi mai variabili.

În cadrul unei populații, oricare doi indivizi aleși aleatoriu au, de obicei, mai puțin de jumătate din speciile lor de microbiom în comun - în medie, suprapunerea în componența microbiană a intestinului este între 30% și 35%. Microbiologii dezbat dacă există un set „de bază” de specii microbiene pe care toți oamenii sănătoși le au, dar dacă există, probabil că este un procent de o singură cifră din total.

Totuși, a determina cât de des microbii trec între oameni este o problemă mult mai formidabilă decât căutarea speciilor. O singură specie poate consta din mai multe tulpini diferite sau variante genetice. Prin urmare, cercetătorii trebuie să fie capabili să identifice tulpini individuale analizând genele din probele de microbiom. Și într-un microbiom uman, pot fi prezente între 2 și 20 de milioane de gene microbiene unice, microbii remaniându-și constant genele, mutând și evoluând.

Acesta este motivul pentru care să înveți cum se răspândesc multitudinea de celule din microbiom este „mult mai dificil decât să înveți cum să urmărești răspândirea unui agent patogen”, a spus. Mireia Valles-Colomer, un bursier postdoctoral la Universitatea din Trento și primul autor al noului studiu. Până de curând, urmărirea tulpinilor printr-o populație era imposibilă.

În 2010, când Nicola Segata A început mai întâi să analizeze seturi masive de date genetice pentru Proiectul Microbiomului Uman ca post-doctorat la Universitatea Harvard, instrumentele disponibile nu aveau rezoluția necesară pentru a identifica speciile care se află în microbiomul oamenilor. Ei puteau identifica grupul taxonomic general căruia îi aparține un microorganism, dar asta a fost ca și cum ar fi restrâns locația cuiva în Vestul Mijlociu al SUA.

În următorii câțiva ani, diferite laboratoare au găsit dovezi că interacțiunea socială și viața în proximitate au afectat microbiomele primatelor si soareci. Studii asupra oamenilor efectuate pe populaţii relativ izolate în Papua Noua Guinee și în alte părți au găsit, de asemenea, semnături ale partajării microbiene. Unii au găsit chiar urme de posibil transmitere de la animalele de companie. Dar, din cauza limitărilor acestor studii, nu era clar cât de multă transmisie se petrecea și dacă s-a întâmplat peste tot în același grad.

Acest lucru s-a schimbat după ce Segata și-a stabilit laboratorul la Universitatea din Trento în 2013. El și echipa sa au început să creeze și să perfecționeze instrumente metagenomice care ar putea face distincția între tulpinile aceleiași specii, ceea ce a făcut posibilă studierea transmiterii microbiomului mai detaliat.

Segata a început să cerceteze această întrebare în 2018, analizând microbii mamelor și copiilor lor. Descoperirile grupului său și alte câteva studii au confirmat suspiciunile anterioare că există o cantitate masivă de transmitere de la mamă la copil, astfel încât mama „imprimă microbiomul la naștere”, a spus Segata. Lucrările recente au arătat că mamele continuă să o facă modelează microbiomul a bebelușilor lor de-a lungul câțiva ani.

Dar diversitatea microbiomului se schimbă semnificativ între copilărie și vârsta adultă, așa că această moștenire timpurie de la mame „nu explică microbii pe care îi vedem la adulți”, a spus Segata. În experimentele ulterioare, cercetătorii au exclus în mare măsură posibilitatea ca noii microbi să provină din alimentele consumate de oameni, deoarece acei microbi nu au fost capabili să colonizeze intestinul foarte bine.

Deci „trebuie să fie transmisie”, a spus Segata. „Trebuie să fie că ceea ce avem în intestin provine din intestinele altor persoane.”

Distribuirea cu familia și prietenii

Pentru noua analiză globală a microbiomilor, Segata, Valles-Colomer și colegii lor și-au perfecționat instrumentele suficient pentru a recunoaște speciile necunoscute anterior și diferite tulpini ale aceleiași specii. Folosind aceste instrumente, ei au examinat peste 9,700 de mostre de scaun și salivă din 20 de țări de pe cinci continente, reprezentând comunități cu stiluri de viață foarte diverse și care acoperă întreaga gamă a duratei de viață umană și multe modalități de viață diferite. Ei au urmărit peste 800,000 de tulpini de microbi între familii, colegi de cameră, vecini și sate și au calculat ce procent din speciile comune erau aceeași tulpină.

După cum se așteptau, ei au descoperit că cea mai mare parte a tulpinilor a avut loc între mame și sugari în primul an de viață - aproximativ 50% din speciile comune găsite în intestinele sugarilor au fost tulpini care se răspândesc de la mamă. Influența mamei s-a diminuat odată cu trecerea timpului - scăzând de la 27% la 3 ani la 14% până la 30 de ani - dar nu a dispărut. S-a demonstrat că unii bătrâni din China încă împărtășesc tulpini cu mamele lor centenare supraviețuitoare.

Pentru Veena Taneja, un imunolog de la Clinica Mayo care nu a fost implicat în studiu, una dintre cele mai surprinzătoare informații din descoperiri a fost că, deși sugarii născuți vaginal au împărtășit mai multe tulpini cu mamele lor decât copiii născuți prin cezarană, această diferență a dispărut cu trei. ani de vârstă. „Oamenii fac foarte mult din asta” că bebelușii născuți prin cezarană ar putea fi mai expuși la anumite boli, a spus ea. Dar descoperirile sugerează că poate „nu ar trebui să fie un lucru mare”.

(Această părere a fost coroborată de un nou studiu publicat luna aceasta în Celulă gazdă și Microbi. S-a constatat că bebelușii născuți prin cezarană au primit mai puțin microbiomul mamei lor decât bebelușii născuți vaginal, dar că nu au ratat acest lucru deoarece au primit mai mulți microbi din laptele matern.)

Pe măsură ce îmbătrânim, o parte considerabilă din microbiomul nostru continuă să provină de la oamenii cu care trăim sau din apropiere. Deloc surprinzător, studiul realizat de Segata și colegii a descoperit că soții și alți parteneri fizici intimi au împărtășit o mulțime de microbi: 13% din speciile intestinale pe care le împărtășeau erau de aceeași tulpină, la fel ca 38% din speciile orale comune.

Dar oamenii care au trăit împreună din punct de vedere platonic nu au rămas cu mult în urmă, la 12% pentru speciile intestinale comune și 32% pentru speciile orale comune. Asta pentru că, după cum au descoperit Segata, Valles-Colomer și echipa lor, cel mai important factor determinant al transmiterii a fost timpul petrecut împreună. Oamenii care trăiau sub un singur acoperiș au împărtășit cele mai multe tulpini, dar chiar și oamenii care locuiesc în același sat tindeau să aibă mai multe tulpini în comun decât oamenii separați de distanțe mai mari. Frecvența partajării tulpinilor a fost consecventă în diferite societăți, dar echipa a confirmat descoperirile anterioare că oamenii din țările neoccidentale tind să aibă microbiomi mai diversi.

Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că tulpinile comune ar putea fi pierdute în timp. Gemenii care cresc împreună au avut un nivel de partajare a tulpinii de aproximativ 30%, care a scăzut la aproximativ 10% după 30 de ani de viață separată.

Segata crede că este probabil ca majoritatea celorlalte tulpini de specii comune să provină și de la alți oameni - în primul rând din contacte apropiate, cum ar fi prietenii sau colegii de muncă, dar poate și de la oameni pe care îi întâlnim mult mai pe scurt și mai casual. (Totuși, animalele de companie, probabil, nu contribuie foarte mult: Segata a spus că animalele adăpostesc în mare parte specii microbiene care de obicei nu colonizează sau persistă în noi.)

Descoperirile sunt cele mai puternice dovezi de până acum că împărtășim părți din microbiomurile noastre cu oamenii cu care petrecem cel mai mult timp. Faptul că autorii au putut să vadă acest model de transmitere pe tot globul, și nu doar într-o singură populație, a fost „surprinzător”, a spus Ilana Brito, profesor asociat în inginerie biomedicală la Universitatea Cornell. Aceste seturi de date sunt extrem de zgomotoase, cu multe mutații care au loc în aceste organisme diferite, a adăugat ea. Dar echipa a descoperit cu succes „semnalul peste zgomot”.

Nu este clar cum se răspândesc organismele microbiome între oameni. Sărutul și sexul explică unele dintre ele, dar microbii ar putea fi transmisi și prin picături aruncate de tuse și strănut, sau ar putea fi culeși de pe suprafețe contaminate. Mai sunt încă multe de învățat despre care microbi sunt mai ușor răspândiți decât alții. Răspunsul la această întrebare este esențial pentru înțelegerea implicațiilor ideii că organismele microbiom se pot răspândi.

Răspândirea sănătății sau a bolii

Acum că amploarea partajării a dezvăluit modelele de distribuție a microbilor unici, putem examina ce se întâmplă în boli. „În acest sens, cred că această lucrare este cu adevărat fundamentală”, a spus Clemente.

Unele boli care de obicei nu sunt considerate contagioase ar putea avea un aspect transmisibil trecut cu vederea. Studii am găsit că mulți oameni cu boli care nu se răspândesc de la o persoană la alta au microbiomi care par a fi „în râs”, a spus Finlay.

niste E. coli tulpinile, de exemplu, pot elibera toxine care ar putea crește riscul de cancer. Persoanele cu anumite tipuri de cancer colorectal ai căror microbiomi conțin mai mult a Fusobacterium speciile tind să aibă a prognostic mai prost și rezultate mai rele cu tratament. Microbii intestinali care afectează nivelul de glucoză și insulină din organism au fost legați de obezitate și de afecțiuni precum sindromul metabolic și chiar și diabet de tip 2. Un microbiom intestinal dezechilibrat a fost legat de neurodegenerare și se presupune că ar putea juca un rol în afecțiuni ale creierului, cum ar fi Boala Alzheimer.

„Dacă aceste boli sunt cel puțin parțial dependente de microbiom și atunci microbiomul este cel puțin parțial transmisibil, atunci aceste boli devin cel puțin parțial transmisibile”, a spus Segata.

Dar „înțelegerea cantității la care un anumit microbiom contribuie la riscul [de boală], aceasta este întrebarea grea”, a spus Clemente. Chiar și majoritatea studiilor care găsesc astfel de asocieri nu pot distinge dacă microbii cauzează boala sau pur și simplu consideră că este mai ușor să colonizeze o persoană cu risc de boală.

Dacă microbii „răi” care cresc riscul de probleme de sănătate netransmisibile pot fi transmisi între oameni, atunci, teoretic, microbii „bune” care scad aceste riscuri pot fi și ei. Unele studii sugerează că microbii pot fi protectori, în special la începutul vieții, împotriva afecțiunilor precum astmul și alergiile. Distribuirea în mod deliberat de bucăți de microbiomi sănătoși, cum ar fi prin transplanturi fecale, s-a dovedit uimitor de succes în tratarea anumitor boli și infecții precum cea a bacteriilor Clostridium difficile.

Am evoluat pentru a ne menține populațiile microbiene, deoarece beneficiem foarte mult de pe urma lor, a spus Jens Walter, profesor de ecologie, alimente și microbiom la University College Cork și APC Microbiome Ireland. De aceea, Walter nu este convins de ipoteza că microbii noștri comuni ar putea cauza boli și este mai atras de ideea opusă, uneori numită „prieteni vechi” sau ipoteza de igienă. Acesta propune că de-a lungul evoluției, microbiomii noștri ar fi putut ajuta la antrenarea răspunsurilor sistemului nostru imunitar. Creșterea modernă a utilizării antibioticelor și antisepticelor și curățenia noastră generală mai mare ar putea, prin urmare, să modifice structura microbiomului și să creeze mai multe vulnerabilități pentru sănătate.

Comparativ cu acum un secol, „cu siguranță nu răspândim microbi mai ușor în lumea de astăzi”, a spus Walter. Boala inflamatorie intestinală, scleroza multiplă, artrita reumatoidă și diabetul de tip 1 – toate fiind considerate tulburări imunologice mai degrabă decât boli transmisibile – sunt mai răspândite în societățile occidentalizate care tind să utilizeze pe scară largă antibiotice și antiseptice.

Efectele benefice sau dăunătoare ale partajării ar putea depinde de speciile și tulpinile care sunt împărtășite, ceea ce este încă un pic de cutie neagră. De asemenea, ar trebui să luăm în considerare, a spus Brito, că s-ar putea să nu fie organismele individuale din microbiomul nostru care ne afectează sănătatea, ci mai degrabă comunitățile dintre ele care se transmit împreună. Anumite organisme ar putea conta mai mult într-un context comunitar decât în ​​altul.

Segata, Valles-Colomer și echipa lor au analizat doar indivizi sănătoși în studiul lor, dar în cercetările lor în curs de desfășurare, aceștia își aplică instrumentele metagenomice la seturi de date de la persoanele cu boli pentru a vedea dacă aceste constatări luminează legăturile dintre sănătate și microbiomi.

De asemenea, în prezent eșantionează date din trei centre de zi - de la sugari și părinți, frați, animale de companie și profesori. Cercetătorii speră să descopere cum se transmit microbii și cât timp durează pentru ca microbii specifici intestinali și orali să sară între oameni.

Urmărirea răspândirii organismelor microbiom a fost neglijată pentru o lungă perioadă de timp, deoarece „nu credeam că va avea atât de multă influență asupra sănătății noastre”, a spus Valles-Colomer. Acum că avem tehnicile pentru a sonda microbiomul, „l vedem asociat cu aproape orice boală”.

Nota editorului: Cercetările efectuate de Segata și grupul său au primit finanțare de la Fundația Simons, care finanțează și asta revistă independentă din punct de vedere editorial. Deciziile de finanțare ale Fundației Simons nu au nicio influență asupra acoperirii noastre.