Menajeria microbiotică

Escherichia coli, pâlcul de bastonașe galbene pe substrat mov din imagine, pot cauza toxiinfecții alimentare, dar majoritatea tulpinilor nu sunt doar inofensive, ci chiar benefice. E. coli locuiesc în intestinul uman și au funcții esențiale, ca producerea vitaminelor K și B12 și respingerea bacteriilor care cauzează boli.

Organismul nostru este gazdă pentru mii de miliarde de microbi… iar acum aflăm că ne sunt esențiali pentru sănătate.

Text: Robin Marantz Henig
Imagini: Martin Oeggerli

Cu cât mai mult cercetează microbii care trăiesc înăuntrul nostru, cu atât mai multe află oamenii de știință despre impactul surprinzător al acestor organisme microscopice asupra felului în care arătăm, acționăm, gândim și simțim. Chiar să depindă sănătatea și starea noastră de bine de bacteriile, virușii, ciupercile și protozoarele care ne trăiesc în intestine și plămâni, pe piele și pe ochi? Ce idee ciudată – că vietățile pe care le purtăm cu noi ar putea să ne determine natura fundamentală.

Efectele microbiomului, această menajerie de microorganisme, pot fi profunde – și pot începe surprinzător de devreme. Într-un studiu publicat anul trecut, cercetătorii au arătat că temperamentul copiilor, considerat în mare parte înnăscut, poate avea legătură cu genul predominant de bacterii din intestinul lor gros în primul an de viață: cu cât mai multe Bifidobacterium are bebelușul, cu atât mai binedispus este.

Observația aceasta, făcută de Anna-Katariina Aatsinki și colegii ei de la Universitatea Turku din Finlanda, se bazează pe analiza probelor de fecale de la 301 copii. Cei care aveau cea mai mare proporție de Bifidobacterium în organism la două luni prezentau de mai multe ori, la șase luni, trăsăturile numite de cercetători „stare emoțională pozitivă”.

Știința microbiomului e încă tânără. De-abia de 15 ani a început să ia avânt, așa că majoritatea studiilor de până acum sunt preliminare și limitate – pe câte doar 10-15 șoareci sau oameni. Cercetătorii au observat legături între microbiom și unele boli, dar încă nu pot trage concluzii de tip cauză-efect despre vastul nostru inventar de vietăți și influența lor asupra noastră ca gazde. Însă mulțimea lor e amețitoare în sine: în prezent, se consideră că un bărbat tânăr găzduiește circa 38 de mii de miliarde de microbi, ceva mai mulți decât celulele umane din organism. Iar posibilitățile de exploatare a acestui inventar sunt fascinante.

În viitorul nu foarte îndepărtat, conform celor mai entuziaști cercetători, administrarea unei doze de microbi sănătoși sub formă de prebiotice (compuși care servesc drept substrat pentru creșterea microbilor benefici), probiotice (microbii benefici înșiși) sau transplanturi fecale (scaun bogat în microbi de la donatori sănătoși) ar putea deveni o rutină. Astfel am putea spera să funcționăm la capacitate maximă, dinăuntru spre exterior.

Fecale – Microbiomul intestinal își etalează diversitatea în această probă de fecale umane, care include și o bacterie enormă, de circa 50 de ori mai lungă decât E. coli. Fiecare om are un amestec unic de microbi. Oamenii de știință învață numeroasele moduri în care ne afectează microbii sănătatea, greutatea, starea de spirit și chiar personalitatea. Imagine: Martin Oeggerli

Când vorbim de microbiom, ne referim preponderent la tractul digestiv, în care trăiesc peste 90% dintre microorganismele din corpul nostru. Dar și în alte regiuni mișună formele de viață. Microbii colonizează orice zonă de contact dintre organism și mediu: ochi, urechi, nas, gură, vagin, anus, tract urinar. Avem microbi pe fiecare centimetru de piele, cu concentrații mai mari la subsuori, în zona inghinală, între degetele de la picioare și în buric.

Dar cel mai fascinant este că fiecare dintre noi are un amestec de microbi specific, diferit de al celorlalți. Pe baza observațiilor actuale, pare posibil ca doi indivizi să nu aibă nicio suprapunere în speciile microbiale din microbioame, spune Rob Knight de la Centrul pentru Inovare Microbiotică de la Universitatea California – San Diego. Natura unică a microbioamelor ar putea avea aplicații chiar și în medicina legală, spune el. „Putem determina cine a atins anumite obiecte sau suprafețe pe baza urmelor de microbiom de pe piele.” Poate, în viitor, anchetatorii vor lua probe de microbi cutanați de la locul faptei, așa cum prelevează acum amprente.

Iată câteva exemple de revelații științifice despre cum ne afectează microbiomul de-a lungul vieții, de la naștere la bătrânețe.

După naștere

În uter, fătul trăiește aproape izolat de microbi. Apoi trece prin canalul de naștere, unde se confruntă cu o mare de bacterii. La nașterea vaginală, copilul este acoperit cu microbii care trăiesc în vagin și expus la bacteriile din intestinul mamei când fața îi trece pe lângă perineul și anusul ei. Microbii intestinali materni încep imediat să colonizeze intestinul nou-născutului și dezvoltă un fel de conversație cu celulele imunitare în dezvoltare. Astfel, microbiomul foarte timpuriu pregătește sistemul imunitar pentru o funcționare sănătoasă mai târziu.

Dar copiii născuți prin cezariană nu au parte de expunerea aceasta. Intestinul lor ia contact cu alți microbi – nu cei din intestinul și vaginul mamei, ci de pe piele și din laptele matern, de pe mâinile asistentelor, chiar și de pe așternuturile din spital. Aceste diferențe timpurii pot avea efecte pe viață.

În 2018, Paul Wilmes de la Centrul Luxemburg pentru Biomedicina Sistemelor al Universității Luxemburg a publicat un studiu pe 13 copii născuți vaginal și 18 născuți prin cezariană. El și colegii lui au analizat microbii din scaunul nou-născuților și al mamelor, precum și din vaginul mamelor.

Bebelușii născuți prin cezariană aveau mult mai puține bacterii din cele care generează lipopolizaharide, stimul important pentru dezvoltarea sistemului imunitar. Nivelul lor a rămas scăzut timp de cel puțin cinci zile după naștere – suficient, consideră Wilmes, pentru a avea consecințe pe termen lung asupra imunității.

În cele din urmă, de obicei în termen de un an, microbioamele copiilor născuți prin cezariană și ale celor născuți vaginal ajung aproape la fel. Dar Wilmes este de părere că diferențele observate în primele câteva zile de viață fac ca bebelușii născuți prin cezariană să rateze o perioadă de stimulare în care celulele imunitare învață să reacționeze corect la agenți străini. Populațiile microbiene mai sărace ale acestor copii în primele zile de viață ar putea fi motivul pentru care sunt predispuși la o mulțime de probleme imunitare mai târziu, printre care alergii, boli inflamatorii și obezitate.

Wilmes spune că, în viitor, copiilor născuți prin cezariană li s-ar putea administra probiotice obținute din anumite tulpini bacteriene prezente la mame, care, teoretic, le-ar genera în intestine culturi de microbi utili. Dar mai avem mult până la o astfel de terapie probiotică.

În copilărie

Alergiile alimentare au devenit atât de frecvente, încât multe școli din S.U.A. le interzic copiilor să aducă la pachet anumite alimente, de exemplu, sendvișuri cu unt de arahide, de teamă să nu declanșeze reacții alergice la colegi. 5,6 milioane de copii americani suferă de alergii alimentare – adică doi-trei din fiecare clasă.

Creșterea numărului de alergii este motivată, se pare, de mulți factori, printre care înmulțirea nașterilor prin cezariană și uzul excesiv de antibiotice, care pot ucide bacteriile protectoare. Cathryn Nagler și colegii ei de la Universitatea Chicago s-au întrebat dacă proliferarea alergiilor alimentare la copii nu are legătură cu amestecul microbian din intestinele celor mici. Anul trecut, echipa ei a publicat un studiu pe opt bebeluși de șase luni, dintre care jumătate erau alergici la laptele de vacă. S-au observat diferențe mari la microbioamele celor două grupuri: copiii sănătoși aveau bacteriile normale la bebelușii de vârsta lor, în timp ce cei cu alergie la laptele de vacă prezentau bacterii caracteristice adulților.

La copiii alergici, progresia de obicei lentă de la microbiomul de nou-născut la cel de adult se desfășura „cât ai clipi”, spune Nagler.

Cu ajutorul unor probe de fecale, Nagler și colegii ei au transplantat bacterii intestinale de la bebelușii participanți la studiul lor la șoareci fără microbi – născuți prin cezariană și crescuți în condiții sterile.

Odată cu transplanturile de la copii sănătoși, șoarecii au primit bacterii protectoare care împiedicau reacțiile alergice la laptele de vacă. Dar cei cărora li s-au administrat transplanturi de la copiii alergici nu au avut parte de bacterii benefice și au prezentat reacții alergice.

O analiză mai aprofundată a arătat că o specie anume de bacterii prezentă doar la bebeluși – Anaerostipes caccae, din clasa Clostridia – pare să fi avut cel mai important rol în protejarea primului grup de șoareci. Specia este din aceeași familie identificată de echipa lui Nagler într-un studiu anterior drept eficientă împotriva alergiei la alune.

Nagler, președintă și cofondatoare a start-upului din Chicago ClostraBio, speră să testeze potențialul terapeutic al bacteriilor acestora pe cobai – și, în cele din urmă, pe pacienți alergici. Prima provocare a fost să găsească un loc din intestin în care să implanteze bacteriile benefice. Chiar și într-un microbiom nesănătos, explică Nagler, toate nișele sunt ocupate: ca să se instaleze Clostridia trebuie să dispară altceva. Așadar, ClostraBio a dezvoltat un medicament care eliberează o nișă din microbiom.

Nagler și colegii ei au administrat medicamentul șoarecilor, apoi i-au expus la o varietate de microbi Clostridia și la fibrele alimentare care le încurajează dezvoltarea. Cercetătoarea speră să înceapă testele clinice pentru un tratament cu Clostridia la oameni în următorii doi ani, cu scopul final de a-l face disponibil pentru copiii cu alergii alimentare.

Streptococi – Streptococcus pneumoniae, prezentat aici în timp ce se divide în celule-fiică, poate cauza boli grave, ca meningita sau pneumonia. Dar, la fel ca E. coli, unele specii de Streptococcus sunt inofensive. Se găsesc pe piele și în gură, în tractul respirator și în intestine.

S-ar putea ca microbii intestinali să aibă legătură și cu alte boli din copilărie, de exemplu, diabetul de tip I. În Australia, cercetătorii au colectat probe de la 93 de copii cu diabet de tip I în familie și au descoperit că cei care au dezvoltat mai târziu aceeași boală aveau un nivel mai ridicat de enterovirus A în fecale decât cei care nu aveau să sufere mai târziu de diabet.

Unul dintre oamenii de știință implicați în studiu, W. Ian Lipkin de la Facultatea de Sănătate Publică Mailman a Universității Columbia, avertizează cercetătorii că nu trebuie să se grăbească să explice diverse boli (nu numai diabetul) exclusiv prin diferențele dintre microbioame. „Deocamdată, este o știință în mare parte descriptivă”, spune el; nu se știe sigur decât că anumiți microbi au legătură cu anumite afecțiuni.

În ciuda rezervei acesteia, Lipkin privește cu entuziasm viitorul științei microbiomului. Se așteaptă ca, în cinci-zece ani, oamenii de știință să înțeleagă mecanismele prin care acesta afectează organismul și să înceapă teste clinice pe subiecți umani pentru a demonstra efectul schimbărilor din el asupra sănătății. Odată ce știința microbiotică „devine precisă și testabilă”, spun el, „va ajunge o realitate”.

În adolescență

Vasta majoritate a adolescenților din țările dezvoltate au coșuri – iar în cazul lor chiar se pare că putem vorbi de un „microbiom al acneei”. Mulți copii au o piele deosebit de prielnică pentru două tulpini de Cutibacterium acnes (numită până nu demult Proprionibacterium acnes) cu o legătură strânsă cu acneea. Majoritatea tulpinilor acestei bacterii, în ciuda numelui, sunt ori inofensive, ori utile, pentru că ne apără de microbii patogeni; de fapt, C. acnes este componenta predominantă a microbiomului normal de pe față și gât.

Dar tulpinile dăunătoare de C. acnes pot cauza probleme. Sunt unele dintre elementele care cauzează apariția acneei, spune Amanda Nelson, dermatolog cercetător la Facultatea de Medicină a Universității de Stat Pennsylvania. Celelalte sunt sebumul (uleiul produs de glandele sebacee pentru menținerea hidratării pielii), cu care se hrănește C. acnes; foliculii de păr astupați; și reacția inflamatorie. Cei patru factori lucrează în colaborare, spune Nelson, care adaugă: „De fapt, nu știm care apare primul.”

Microbiomul acneic a făcut obiectul unui studiu la Facultatea de Medicină din St. Louis a Universității Washington, unde cercetătorii au descoperit că singurul tratament anti-acnee care duce la remisie pe termen lung – izotretinoina, vândută sub numele de Accutane și nu numai – acționează în parte modificând microbiomul cutanat prin reducerea numărului de bacterii C. acnes și creșterea diversității generale a microbiomului de pe piele. În mediul acesta mai sănătos și mai divers, au observat ei, tulpinile dăunătoare de C. acnes au mai puține șanse de supraviețuire.

Acum că oamenii de știință știu că izotretinoina funcționează prin influențarea microbiomului cutanat, pot încerca să dezvolte tratamente microbiene cu același efect – și mai sigure, speră ei, decât izotretinoina, care poate cauza defecte congenitale dacă se administrează în timpul sarcinii.

Buze – Buzele umede sunt bogate în microbi. O femeie și-a apăsat gura pe un vas Petri pentru a-și cultiva microbiomul și iată rezultatul. Câteva zile mai târziu, înflorea în el o colonie. Perechile care se sărută des dezvoltă microbioame orale similare.

Alternativele acestea pot include microbii numiți de cercetătorii de la Universitatea Washington „fertilizatori prebiotici”, care asigură condiții favorabile pentru un microbiom sănătos al pielii – și „«erbicide» pentru fiecare tulpină”, agenți care elimină tulpinile dăunătoare de C. acnes fără să le afecteze pe cele benefice. Ar putea avea un rol, spun ei, și probioticele – suplimente orale sau topice cu doze directe de tulpini utile de Cutibacterium.

La maturitate

Cum ar fi dacă ne-am putea antrena mai eficient pur și simplu transferându-ne microbi din organismul unui sportiv? Oamenii de știință de la Universitatea Harvard au vrut să exploreze posibilitatea. Timp de două săptămâni, au colectat zilnic probe de scaun de la 15 alergători participanți la Maratonul Boston din 2015 (cu o săptămână înainte și după cursă) și le-au comparat cu cele luate timp de două săptămâni de la un grup de control de 10 non-alergători. La câteva zile după maraton, au observat cercetătorii, scaunul alergătorilor conținea mult mai multe bacterii Veillonella atypica decât al non-alergătorilor.

„Ni s-a aprins beculețul: Veillonella are un metabolism unic, folosește lactatul ca sursă preferențială de energie”, spune Aleksandar Kostic, de la Centrul Joslin pentru Diabet și Facultatea de Medicină Harvard. Lactatul se generează în mușchi în timpul efortului fizic intens. „De aici ne-am întrebat: Dar dacă Veillonella metabolizează lactatul din mușchii sportivilor?” Iar dacă da, se putea îmbunătăți performanța non-sportivilor printr-un aport de Veillonella?

Apoi cercetătorii au făcut apel la cobai. Au extras Veillonella din scaunul unui alergător și au administrat-o unui grup de 16 șoareci cu microbioame normale, testați pentru patogeni. Apoi i-au pus pe benzi de alergare miniaturale până la epuizare. Au făcut același lucru cu un grup de control de 16 șoareci, folosind o altă bacterie, fără legătură cu metabolizarea lactatului. Șoarecii care primiseră Veillonella au alergat cu 13% mai mult decât ceilalți, de unde cercetătorii au conchis că microbiomul poate juca un rol fundamental în capacitatea fizică.

Kostic spune că experimentul oferă „o ilustrație foarte elegantă a simbiozei”. Veillonella are de câștigat dacă mușchii gazdei produc, prin efort, lactatul cu care se hrănește ea. Gazda, la rândul ei, are de câștigat pentru că Veillonella transformă lactatul în propionat, care îi sporește capacitatea fizică, printre altele crescându-i ritmul cardiac și rata de metabolizare a oxigenului și, probabil, reducând inflamația musculară.

„Cred că genul acesta de relație stă la baza celor mai multe legături om-microbiom”, spune Kostic. „În esență, ne leagă această relație reciprocă.”

Se poate ca microbiomul să explice și unele trăsături mai puțin fericite, inclusiv stările mentale ca anxietatea și depresia. În 2016, oamenii de știință de la Universitatea Națională Irlandeză Cork au publicat o demonstrație a legăturii dintre microbiom și depresie, în cadrul căreia au transplantat scaun de la oameni deprimați la șoareci. Au dezvoltat și cobaii depresie?

Picioare mirositoare – Bacteriile din imagine, crescute într-o cultură provenită de pe picioare umede și atașate de o fibră, se înmulțesc în transpirație, care este inodoră. Dar când se adună, creează un teren prielnic pentru microbi odoriferi. Palmele și tălpile au cea mai mare concentrație de glande sudoripare.

Cercetătorii au împărțit 28 de cobai în două grupuri. Primul a primit transplanturi fecale dintr-un preparat mixt de la trei pacienți cu depresie severă, de sex masculin; grupul de control a primit transplanturi dintr-un preparat mixt de la trei bărbați sănătoși.

Dozele fecale de la bărbații deprimați chiar le-a provocat depresie șoarecilor. În comparație cu grupul de control, manifestau un interes mai redus față de activități plăcute (manifestat prin frecvența cu care alegeau să bea apă cu zahăr) și o anxietate mai accentuată (manifestată prin tendința de a evita secțiuni deschise sau nefamiliare dintr-un labirint de probă).

Cercetătorii recunosc că distanța de la cobai la oameni este mare, dar spun că studiul lor generează noi dovezi că microbiomul intestinal poate avea un rol în dezvoltarea depresiei. Menținerea sub control a acestor microorganisme, spun ei, ar putea ajuta în viitor la tratarea depresiei și a altor tulburări de spectru emoțional.

La bătrânețe

Microbiomul este persistent, dar în continuă schimbare. Profilul microbiotic unic fiecăruia dintre noi se stabilește în mare măsură înainte de vârsta de patru ani. Nu îl mai afectează decât alterările majore – schimbări în regimul alimentar sau activitatea fizică, mutarea în altă locuință, petrecerea de mai mult sau mai puțin timp în aer liber, administrarea de antibiotice sau anumite alte medicamente. Dar, într-un anume sens, microbiomul se află într-un flux continuu, cu variații mărunte la fiecare masă. De-a lungul maturității, se modifică în mod previzibil – ba chiar atât de previzibil, încât se poate estima vârsta unui om doar analizându-i microbii intestinali.

Trucul acesta util, numit „ceasul îmbătrânirii microbiomului”, necesită inteligență artificială, așa cum a demonstrat recent start-upul din Hong Kong Insilico Medicine. Oamenii de știință au colectat informații despre microbioamele a 1.165 de persoane din Europa, Asia și America de Nord din seturi de date disponibile public. Cam o treime din probe proveneau de la persoane între 20 și 39 de ani, o treime de la persoane între 40 și 49 de ani și o treime de la persoane între 60 și 90 de ani. Oamenii de știință au procesat microbioamele etichetate cu vârsta provenite de la 90% dintre subiecți printr-un program de învățare al inteligenței artificiale; apoi au aplicat tiparele descoperite la restul de 10% dintre microbioame, neetichetate, ca să vadă dacă le puteau determina vârsta. Ceasul îmbătrânirii microbiomului a dat estimări cu o precizie de patru ani în jurul vârstei reale.

Ce spune asta despre schimbările fizice care apar odată cu vârsta, în special imunitatea redusă, inflamația sistemică și fragilitatea? Cercetătorii de la Institutul Babraham din Cambridge au încercat să afle cu ajutorul transplanturilor fecale. Știau că sistemul imunitar funcționează mai prost odată cu avansarea în vârstă și se întrebau dacă transplantarea de fecale de la șoareci tineri la șoareci bătrâni ar fi avut un efect benefic.

Înainte de transplant, șoarecii bătrâni manifestau o reducere semnificativă a reacției imunitare a maselor de celule care căptușesc intestinul subțire, numite plăci Peyer. Când au primit transplanturi fecale de la șoareci tineri, reacția imunitară a celulelor din plăcile Peyer a revenit la o stare mai tinerească. Se pare, au observat cercetătorii, că încetinirea reacției imunitare la șoarecii bătrâni este reversibilă; o poate „salva” o infuzie de microbi intestinali de la șoareci tineri. Nu putem să nu ne întrebăm dacă o doză de excreții tinerești nu este cumva secretul unei bătrâneți mai sănătoase.

Buricul – În buric predomină șase tipuri de microbi. Dar sunt prezente multe alte specii de bacterii și ciuperci. La fel ca microbiomul interior, și microbii de pe piele variază de la om la om.

Transplanturile fecale sunt o caracteristică distinctivă a cercetării microbiotice pe animale, dar și una dintre principalele intervenții clinice studiate ca posibilă metodă de a introduce, la om, microbi care să lupte cu o largă varietate de boli.

Nu este o simplă speculație; transplantul fecal se folosește de aproximativ zece ani pentru tratarea infecțiilor recurente cu Clostridium difficile, o bacterie rezistentă la antibiotice care provoacă infecții intestinale grave și chiar letale. Anual, numai în S.U.A. se efectuează între 12.000 și 15.000 de transplanturi fecale sub supraveghere medicală, conform lui Colleen Kelly de la Universitatea Brown, copreședintă a Registrului Național pentru Transplantarea de Microbiom Fecal. În general, rezultatele sunt bune, dar în iunie anul trecut Administrația pentru Alimente și Medicamente a raportat moartea unui pacient din cauza unei infecții, în urma unui transplant de fecale insuficient testate pentru bacterii rezistente la medicamente.

Pe lângă transplanturile fecale, cercetătorii studiază și alte metode de a ne manipula microbiomul, inclusiv prebiotice, probiotice și schimbări de regim alimentar sau activitate fizică, pentru a schimba compoziția faunei microbiene din intestine. Dar chiar și cei mai convinși susținători ai științei microbiomului admit că, deocamdată, este greu să tragem concluzii despre legătura dintre microbiom și sănătatea umană și avertizează că terapiile nu trebuie adoptate pripit.

„Transplantul fecal și dezvoltarea medicamentelor pe bază de microbi provoacă mult entuziasm”, spune Wilmes de la Universitatea Luxemburg, care observă că diverse companii dezvoltă acum noi probiotice pentru „restaurarea microbiomului dezechilibrat pentru a se armoniza cu gazda”. Toate bune și frumoase – ca ecologist, Wilmes este conștient de valoarea „ecologiei restauratoare” în mediu –, dar puțin premature.

„Înainte să putem face asta corect și rațional”, spune el, „trebuie să înțelegem ce constituie de fapt un microbiom sănătos și care sunt funcțiile pe care le conferă microbii gazdei umane. Deocamdată nu cred că am ajuns acolo.”

 

 

 

Articol publicat în ediția de ianuarie 2020 a revistei National Geographic
Text: Robin Marantz Henig

Imagini: Martin Oeggerli

Be the first to comment

Leave a Reply

Adresa ta de email nu va fi publicată


*