Nghiên cứu Microbiome toàn cầu đưa ra quan điểm mới về rủi ro sức khỏe chung

Cơ thể chúng ta bao gồm khoảng 30 nghìn tỷ tế bào người, nhưng chúng cũng chứa khoảng 39 nghìn tỷ tế bào vi sinh vật. Những cộng đồng vi khuẩn, vi rút, động vật nguyên sinh và nấm đông đúc này trong ruột, trong miệng, trên da và những nơi khác của chúng ta - được gọi chung là hệ vi sinh vật của con người - không chỉ bao gồm những kẻ ăn bám tự do và mầm bệnh ẩn nấp. Thay vào đó, khi các nhà khoa học ngày càng đánh giá cao, những vi khuẩn này tạo thành hệ sinh thái cần thiết cho sức khỏe của chúng ta. Một nhóm nghiên cứu đang phát triển nhằm mục đích tìm hiểu làm thế nào sự gián đoạn của các hệ thống tinh vi này có thể cướp đi các chất dinh dưỡng cần thiết của chúng ta, cản trở quá trình tiêu hóa thức ăn và có thể gây ra những phiền não cho cơ thể và tâm trí của chúng ta.

Nhưng chúng ta vẫn biết rất ít về hệ vi sinh vật của mình nên chúng ta mới bắt đầu trả lời một câu hỏi cơ bản hơn nhiều: Những vi khuẩn này đến từ đâu? Chúng có thể lây lan từ người khác như vi-rút cảm lạnh hoặc vi-rút dạ dày không?

Giờ đây, phân tích lớn nhất và toàn diện nhất về sự lây truyền của hệ vi sinh vật ở người đã cung cấp một số manh mối quan trọng. Nghiên cứu do các nhà di truyền học tại Đại học Trento ở Ý dẫn đầu đã phát hiện ra những dấu hiệu cho thấy các vi sinh vật thuộc quần xã vi sinh vật có khả năng lây lan rộng rãi giữa con người với nhau, đặc biệt là giữa những người dành nhiều thời gian bên nhau. Những phát hiện, được xuất bản vào tháng XNUMX năm Thiên nhiên, lấp đầy những khoảng trống quan trọng trong hiểu biết của chúng ta về cách mọi người lắp ráp hệ vi sinh vật của họ và cải tổ chúng trong suốt cuộc đời của họ.

Các nhà khoa học khác đã hoan nghênh nghiên cứu này. Jose Clémente Litran, một phó giáo sư về di truyền học và khoa học bộ gen tại Trường Y khoa Icahn ở Mount Sinai, đã ca ngợi công trình này là “xuất sắc” và cho biết nó cung cấp thước đo rõ ràng đầu tiên về mức độ chia sẻ mong đợi giữa các thành viên trong gia đình hoặc những người sống cùng nhau.

Nghiên cứu cũng thúc đẩy những suy đoán hấp dẫn về việc liệu vi khuẩn có thể làm tăng hoặc giảm nguy cơ mắc các bệnh như tiểu đường hoặc ung thư của chúng ta hay không - và do đó mang lại khả năng lây truyền cho các bệnh thường không được coi là truyền nhiễm. Vì Brett Finlay, một giáo sư vi sinh học tại Đại học British Columbia, người đã viết một bài bình luận cho Khoa học vào năm 2020 về khả năng đó, những phát hiện “đặt chiếc đinh cuối cùng vào quan tài rằng các bệnh không lây nhiễm có lẽ không nên được gọi như vậy.”

Sự đa dạng không thể dò được

Hệ vi sinh vật giống như dấu vân tay: đa dạng đến mức không thể có hai người giống hệt nhau. Chúng cũng cực kỳ năng động — lớn lên, thu nhỏ lại và tiến hóa rất nhiều trong suốt cuộc đời của một người đến mức hệ vi sinh vật của trẻ sơ sinh sẽ khác biệt rõ rệt khi chúng lớn lên. Một số loài vi sinh vật được tìm thấy ở hơn 90% người dân ở các xã hội phương Tây, nhưng hầu hết các loài được tìm thấy ở 20% đến 90% người dân. (Thậm chí Escherichia coli, có lẽ là loại vi khuẩn đường ruột duy nhất mà hầu hết mọi người có thể kể tên, không đạt tần suất 90%.) Các nghiên cứu cho thấy rằng các xã hội không bị phương Tây hóa thậm chí còn có nhiều loại vi khuẩn đa dạng hơn và nhiều quần xã vi sinh vật biến đổi hơn.

Trong một quần thể, hai cá thể được chọn ngẫu nhiên bất kỳ thường có ít hơn một nửa số loài vi sinh vật chung của chúng — trung bình, sự chồng chéo trong thành phần vi sinh vật trong ruột là từ 30% đến 35%. Các nhà vi trùng học tranh luận liệu có một tập hợp các loài vi sinh vật “cốt lõi” mà tất cả những người khỏe mạnh đều có hay không, nhưng nếu nó tồn tại, thì đó có thể là một tỷ lệ phần trăm một chữ số trong tổng số.

Tuy nhiên, việc xác định tần suất vi khuẩn di chuyển giữa người với người là một vấn đề khó khăn hơn nhiều so với việc tìm kiếm loài. Một loài duy nhất có thể bao gồm nhiều chủng hoặc biến thể di truyền khác nhau. Do đó, các nhà nghiên cứu cần có khả năng xác định các chủng riêng lẻ bằng cách xem xét các gen trong các mẫu vi sinh vật. Và trong một hệ vi sinh vật của con người, có thể có từ 2 triệu đến 20 triệu gen vi sinh vật duy nhất, với các vi khuẩn liên tục sắp xếp lại gen của chúng, biến đổi và tiến hóa.

Đây là lý do tại sao việc tìm hiểu cách thức lây lan của vô số tế bào trong hệ vi sinh vật “khó khăn hơn nhiều so với việc học cách theo dõi sự lây lan của một mầm bệnh,” cho biết Mireia Valles-Colomer, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Trento và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu mới. Cho đến gần đây, việc truy tìm các chủng trong quần thể là không thể.

Trong 2010, khi nào Nicola Segata lần đầu tiên bắt đầu phân tích các bộ dữ liệu di truyền khổng lồ cho Dự án Hệ vi sinh vật ở người với tư cách là một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Harvard, các công cụ hiện có thiếu độ phân giải cần thiết để xác định loài nào có trong hệ vi sinh vật của con người. Họ có thể xác định nhóm phân loại chung mà một vi sinh vật thuộc về, nhưng điều đó giống như thu hẹp vị trí của ai đó ở vùng Trung Tây Hoa Kỳ.

Trong vài năm tới, nhiều phòng thí nghiệm đã tìm thấy bằng chứng cho thấy sự tương tác xã hội và sống gần nhau ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật của loài linh trưởng và chuột. Các nghiên cứu về con người được tiến hành trên quần thể tương đối biệt lập ở Papua New Guinea và các nơi khác cũng tìm thấy dấu hiệu chia sẻ vi sinh vật. Một số thậm chí còn tìm thấy dấu vết của khả năng lây truyền từ vật nuôi. Nhưng do những hạn chế của những nghiên cứu đó, không rõ mức độ lây truyền đang xảy ra và liệu nó có xảy ra ở mọi nơi với cùng mức độ hay không.

Điều này đã thay đổi sau khi Segata thành lập phòng thí nghiệm của mình tại Đại học Trento vào năm 2013. Ông và nhóm của mình bắt đầu tạo và tinh chỉnh các công cụ metagenomics có thể phân biệt giữa các chủng cùng loài, giúp nghiên cứu sự lây truyền của hệ vi sinh vật một cách chi tiết hơn.

Segata bắt đầu thăm dò câu hỏi này vào năm 2018 bằng cách phân tích vi khuẩn của các bà mẹ và trẻ sơ sinh của họ. Segata cho biết phát hiện của nhóm của ông và một số nghiên cứu khác đã xác nhận những nghi ngờ trước đó rằng có một lượng lớn sự lây truyền từ mẹ sang con, do đó người mẹ đang “in dấu hệ vi sinh vật khi sinh”. Công việc gần đây đã chỉ ra rằng các bà mẹ tiếp tục tạo khuôn cho các vi sinh vật của trẻ sơ sinh của họ trong vài năm.

Nhưng sự đa dạng của hệ vi sinh vật thay đổi đáng kể giữa thời thơ ấu và tuổi trưởng thành, vì vậy sự di truyền sớm này từ các bà mẹ “không giải thích được các vi khuẩn mà chúng ta đang thấy ở người lớn,” Segata nói. Trong các thí nghiệm tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã loại trừ phần lớn khả năng vi khuẩn mới đến từ thực phẩm mà mọi người ăn, bởi vì những vi khuẩn đó không thể xâm chiếm ruột rất tốt.

Vì vậy, “nó phải được truyền tải,” Segata nói. “Chắc chắn những gì chúng ta có trong ruột đến từ ruột của những cá nhân khác.”

Chia sẻ với gia đình và bạn bè

Đối với phân tích toàn cầu mới về hệ vi sinh vật, Segata, Valles-Colomer và các đồng nghiệp của họ đã mài giũa các công cụ của họ đủ để nhận ra các loài chưa biết trước đây và các chủng khác nhau của cùng một loài. Sử dụng những công cụ này, họ đã kiểm tra hơn 9,700 mẫu phân và nước bọt từ 20 quốc gia trên 800,000 châu lục, đại diện cho các cộng đồng có lối sống rất đa dạng và bao trùm toàn bộ vòng đời con người cũng như nhiều cách sắp xếp cuộc sống khác nhau. Họ đã truy tìm hơn XNUMX chủng vi khuẩn giữa các gia đình, bạn cùng phòng, hàng xóm và làng mạc và tính toán tỷ lệ phần trăm các loài được chia sẻ là cùng một chủng.

Đúng như dự đoán, họ phát hiện ra rằng sự chia sẻ các chủng xảy ra nhiều nhất giữa mẹ và trẻ sơ sinh trong năm đầu đời - khoảng 50% các chủng được chia sẻ được tìm thấy trong ruột của trẻ sơ sinh là các chủng lây lan từ mẹ. Ảnh hưởng của người mẹ giảm dần theo thời gian — giảm từ 27% khi trẻ 3 tuổi xuống còn 14% khi trẻ 30 tuổi — nhưng không biến mất. Một số người cao tuổi ở Trung Quốc được chứng minh là vẫn có chung sức khỏe với những bà mẹ trăm tuổi còn sống của họ.

Trong Veena Taneja, một nhà miễn dịch học tại Mayo Clinic, người không tham gia vào nghiên cứu, một trong những điều đáng ngạc nhiên hơn trong các phát hiện là mặc dù trẻ sinh thường có nhiều căng thẳng với mẹ hơn so với trẻ sinh mổ, sự khác biệt này biến mất sau ba năm tuổi. Cô ấy nói: “Mọi người đã làm to chuyện” rằng trẻ sinh mổ có thể có nhiều nguy cơ mắc một số bệnh nhất định. Nhưng những phát hiện cho thấy rằng có lẽ nó “không phải là một vấn đề lớn.”

(Quan điểm đó đã được chứng thực bởi một nghiên cứu mới được xuất bản trong tháng này trong Máy chủ Tế bào & Vi khuẩn. Nó phát hiện ra rằng trẻ sinh mổ nhận được ít hệ vi sinh vật từ mẹ hơn trẻ sinh thường, nhưng chúng không bỏ lỡ điều gì vì chúng nhận được nhiều vi khuẩn hơn từ sữa mẹ.)

Khi chúng ta già đi, một phần lớn hệ vi sinh vật của chúng ta tiếp tục đến từ những người chúng ta sống cùng hoặc ở gần. Không có gì đáng ngạc nhiên, nghiên cứu của Segata và các đồng nghiệp đã phát hiện ra rằng vợ chồng và những người bạn tình thân thiết khác có chung rất nhiều vi khuẩn: 13% các loài vi khuẩn trong ruột mà họ dùng chung là cùng một chủng, cũng như 38% các loài dùng chung ở miệng.

Nhưng những người sống cùng nhau theo nguyên tắc cũng không kém xa, ở mức 12% đối với các loài có chung đường ruột và 32% đối với các loài có chung miệng. Đó là bởi vì, như Segata, Valles-Colomer và nhóm của họ đã tìm thấy, yếu tố quan trọng nhất quyết định sự lây truyền là thời gian ở bên nhau. Những người sống chung dưới một mái nhà có chung nhiều căng thẳng nhất, nhưng ngay cả những người sống trong cùng một ngôi làng cũng có xu hướng có nhiều điểm chung hơn những người ở cách xa nhau hơn. Tần suất chia sẻ chủng là nhất quán giữa các xã hội khác nhau, nhưng nhóm nghiên cứu đã xác nhận những phát hiện trước đó rằng người dân ở các quốc gia không thuộc phương Tây hóa có xu hướng có hệ vi sinh vật đa dạng hơn.

Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng các chủng giống nhau có thể bị mất theo thời gian. Các cặp song sinh lớn lên cùng nhau có mức chia sẻ căng thẳng khoảng 30%, giảm xuống còn khoảng 10% sau 30 năm sống xa nhau.

Segata cho rằng có khả năng là hầu hết các dòng khác của các loài được chia sẻ cũng đến từ những người khác — chủ yếu từ những người tiếp xúc gần gũi như bạn bè hoặc đồng nghiệp, nhưng cũng có thể từ những người chúng ta gặp thoáng qua và tình cờ hơn. (Tuy nhiên, vật nuôi có lẽ không đóng góp lớn: Segata nói rằng động vật chủ yếu chứa các loài vi sinh vật thường không xâm chiếm hoặc tồn tại trong chúng ta.)

Những phát hiện này là bằng chứng mạnh mẽ nhất cho đến nay rằng chúng ta chia sẻ các bộ phận của hệ vi sinh vật của mình với những người mà chúng ta dành nhiều thời gian nhất. Thực tế là các tác giả có thể nhìn thấy mô hình lây truyền này trên toàn cầu, và không chỉ trong một nhóm dân số, là “đáng kinh ngạc,” cho biết Ilana Brito, phó giáo sư về kỹ thuật y sinh tại Đại học Cornell. Cô ấy nói thêm, những bộ dữ liệu này cực kỳ ồn ào, với nhiều đột biến xảy ra trên các sinh vật khác nhau này. Nhưng nhóm đã phát hiện thành công “tín hiệu xuyên qua tiếng ồn”.

Không rõ các vi sinh vật microbiome lây lan giữa người với người như thế nào. Hôn và quan hệ tình dục giải thích được phần nào điều đó, nhưng vi khuẩn cũng có thể lây truyền qua các giọt bắn ra khi ho và hắt hơi hoặc chúng có thể được lấy từ các bề mặt bị ô nhiễm. Vẫn còn nhiều điều cần tìm hiểu về loại vi khuẩn nào dễ lây lan hơn những loại vi khuẩn khác. Trả lời câu hỏi đó là rất quan trọng để hiểu ý nghĩa của ý tưởng rằng các sinh vật microbiome có thể lây lan.

Lây lan sức khỏe hoặc bệnh tật

Giờ đây, khi mức độ chia sẻ đã tiết lộ mô hình phân bố của các vi khuẩn độc nhất, chúng ta có thể kiểm tra điều gì xảy ra trong bệnh tật. “Theo nghĩa đó, tôi nghĩ công việc này thực sự cơ bản,” Clemente nói.

Một số bệnh thường không được coi là truyền nhiễm có thể có khía cạnh truyền nhiễm bị bỏ qua. Học tìm được, tìm thấy, tìm ra Finlay nói rằng nhiều người mắc các bệnh không lây từ người sang người có hệ vi sinh vật dường như bị “làm hỏng”.

Một số E. coli ví dụ, các chủng có thể giải phóng độc tố có thể làm tăng nguy cơ ung thư. Những người mắc một số bệnh ung thư đại trực tràng có hệ vi sinh vật chứa nhiều vi khuẩn Fuso loài có xu hướng có một tiên lượng xấu hơn và kết quả tồi tệ hơn với điều trị. Các vi khuẩn đường ruột ảnh hưởng đến lượng glucose và insulin trong cơ thể có liên quan đến bệnh béo phì và các tình trạng như hội chứng chuyển hóa và thậm chí bệnh tiểu đường loại 2. Một hệ vi sinh vật đường ruột không cân bằng có liên quan đến thoái hóa thần kinh và theo giả thuyết, nó có thể đóng một vai trò trong các tình trạng não như Bệnh Alzheimer.

Segata cho biết: “Nếu những bệnh này ít nhất phụ thuộc một phần vào hệ vi sinh vật và thì hệ vi sinh vật đó ít nhất có thể lây truyền một phần, thì những bệnh này ít nhất cũng có thể lây truyền một phần”.

Nhưng “hiểu được mức độ mà một hệ vi sinh vật nhất định góp phần vào rủi ro [bệnh tật], đó là một câu hỏi khó,” Clemente nói. Ngay cả hầu hết các nghiên cứu tìm thấy các mối liên hệ như vậy cũng không thể phân biệt được liệu vi khuẩn có gây bệnh hay chỉ đơn giản là việc xâm chiếm một người có nguy cơ mắc bệnh dễ dàng hơn.

Nếu vi khuẩn “xấu” làm tăng nguy cơ mắc các vấn đề sức khỏe không lây nhiễm có thể lây truyền giữa người với người, thì về lý thuyết, vi khuẩn “tốt” làm giảm những rủi ro đó cũng có thể lây truyền. Một số nghiên cứu cho rằng vi khuẩn có thể bảo vệ, đặc biệt là trong giai đoạn đầu đời, chống lại các bệnh như hen suyễn và dị ứng. Cố ý chia sẻ các phần vi sinh vật khỏe mạnh, chẳng hạn như thông qua cấy ghép phân, đã chứng minh thành công đáng kinh ngạc trong việc điều trị một số bệnh và nhiễm trùng như vi khuẩn Clostridium difficile.

Chúng tôi đã phát triển để duy trì quần thể vi sinh vật của mình vì chúng tôi được hưởng lợi rất nhiều từ chúng, cho biết Jens Walter, giáo sư sinh thái học, thực phẩm và hệ vi sinh vật tại Đại học Cao đẳng Cork và APC Microbiome Ireland. Đó là lý do tại sao Walter không tin vào giả thuyết rằng các vi khuẩn được chia sẻ của chúng ta có thể gây bệnh và càng bị thu hút bởi ý kiến ​​ngược lại, đôi khi được gọi là “những người bạn cũ” hoặc giả thuyết vệ sinh. Nó đề xuất rằng trong suốt quá trình tiến hóa, hệ vi sinh vật của chúng ta có thể đã giúp huấn luyện các phản ứng của hệ thống miễn dịch của chúng ta. Do đó, sự gia tăng hiện đại trong việc sử dụng thuốc kháng sinh và thuốc sát trùng cũng như sự sạch sẽ chung của chúng ta hơn có thể đang làm thay đổi cấu trúc của hệ vi sinh vật và tạo ra nhiều lỗ hổng sức khỏe hơn cho chúng ta.

So với một thế kỷ trước, “chúng ta chắc chắn không lây lan vi khuẩn dễ dàng hơn trong thế giới ngày nay,” Walter nói. Bệnh viêm ruột, bệnh đa xơ cứng, viêm khớp dạng thấp và bệnh tiểu đường Loại 1 - tất cả đều được coi là rối loạn miễn dịch hơn là bệnh truyền nhiễm - phổ biến hơn ở các xã hội phương Tây có xu hướng sử dụng rộng rãi thuốc kháng sinh và thuốc sát trùng.

Tác động có lợi hoặc có hại của việc chia sẻ có thể phụ thuộc vào loài và chủng nào được chia sẻ, đây vẫn là một phần của hộp đen. Brito nói, chúng ta cũng nên xem xét rằng có thể không phải các sinh vật riêng lẻ trong hệ vi sinh vật của chúng ta ảnh hưởng đến sức khỏe của chúng ta mà là các cộng đồng của chúng lây truyền cùng nhau. Một số sinh vật có thể quan trọng hơn trong bối cảnh cộng đồng này so với bối cảnh cộng đồng khác.

Segata, Valles-Colomer và nhóm của họ chỉ phân tích những người khỏe mạnh trong nghiên cứu của họ, nhưng trong nghiên cứu đang diễn ra, họ đang áp dụng các công cụ metagenomic của mình cho các tập dữ liệu từ những người mắc bệnh để xem liệu những phát hiện đó có làm sáng tỏ mối liên hệ giữa sức khỏe và hệ vi sinh vật hay không.

Họ hiện cũng đang lấy mẫu dữ liệu từ ba trung tâm giữ trẻ - từ trẻ sơ sinh và cha mẹ, anh chị em, vật nuôi và giáo viên của chúng. Các nhà nghiên cứu đang hy vọng tìm ra cách vi khuẩn lây truyền và mất bao lâu để các vi khuẩn đường ruột và miệng cụ thể lây lan giữa người với người.

Valles-Colomer cho biết, việc theo dõi sự lây lan của các vi sinh vật trong một thời gian dài đã bị bỏ quên vì “chúng tôi không nghĩ rằng nó sẽ ảnh hưởng nhiều đến sức khỏe của chúng ta như vậy”. Giờ đây, chúng tôi đã có các kỹ thuật để thăm dò hệ vi sinh vật, “chúng tôi thấy nó liên quan đến hầu như mọi bệnh tật”.

Ghi chú của biên tập viên: Nghiên cứu của Segata và nhóm của ông đã nhận được tài trợ từ Quỹ Simons, cũng tài trợ cho việc này tạp chí độc lập biên tập. Các quyết định tài trợ của Quỹ Simons không ảnh hưởng đến phạm vi bảo hiểm của chúng tôi.