Jak wykazali naukowcy z University of Michigan, Karolinska Institutet i Mount Sinai Medical Center, bakterie stanowią większość mikrobiomu jelitowego i około 60 proc. suchej masy kału człowieka. Jest ich od 300 do 1000 gatunków, zaś średnia ich liczba wynosi około 500, przy czym 99 proc. należy do 30-40 gatunków. Mniejszą część mikrobiomu stanowią pierwotniaki, grzyby i archaea, ale o ich aktywności niewiele wiadomo. Około 99 proc. to bakterie anaerobowe, zaś aerobowe koncentrują się przede wszystkim w kątnicy.

Dla swojego ludzkiego gospodarza bakterie są w większości komensalami, rzadziej relacje te są mutualistyczne. Ludzki gospodarz jest w stanie przeżyć bez obecności bakterii, ale jak dowodzą badania - egzystencja taka zakończyłaby się szybko zgonem z powodu drobnych nawet infekcji. Bakterie mikroflory jelitowej - poza przekształcaniem nieużytecznych energetycznie substancji i osłoną przed wzrostem patogenów, produkcją witamin, jak biotyna czy witamina K oraz hormonów ułatwiających składowanie tłuszczów - są także „polem treningowym” dla układu immunologicznego, osłabiając patogeny, które jego komórki mogą rozpoznawać i niszczyć. Jednak w przypadkach osłabienia odporności stale obecna w mikrobiomie część patogenów może powodować zakażenia lub schorzenia, a nawet przyczyniać się do powstania nowotworów.

Skład mikrobiomu jest zależny od wielu czynników: nie tylko diety gospodarza, ale także historii kolonizacji czy działania układu immunologicznego. Niektóre z bakterii należących do mikrobiomu są komplementarne w stosunku do specyficznych enzymów metabolicznych, np. zmiany w Bacteroides następują wtedy, gdy rozbiją one węglowodory przy dostawie odpowiednich substratów. W przypadku zbyt intensywnego dostarczania pokarmu, przewód pokarmowy zaczyna „przepuszczać”. Powoduje to translokację bakterii i przestymulowanie układu immunologicznego, co zagraża zdrowiu, a nawet życiu człowieka (np. przez rozwój chorób autoimmunologicznych).

Wpływ mikrobiomu na komórki układu odpornościowego

Ważne odkrycie dotyczące mikrobiomu wiąże się z badaniami prowadzonymi przez zespół z California Institute of Technology. Jak ustalili naukowcy, niepatogenne bakterie mikrobiomu bytujące w jelicie są niezbędne do rozwoju komórek odporności wrodzonej, gwarantujących szybką odpowiedź immunologiczną. 

Zespół naukowców pod kierownictwem prof. biologii Sarkisa Mazmaniana badał wpływ mikrobiomu na działanie systemu immunologicznego. Uczeni prowadzili badania na modelu mysim, wykorzystując myszy germ-free, czyli naturalnie pozbawione mikrobiomu jelitowego i myszy linii C57/BL6 (szczep dziki). W trakcie pierwszych testów okazało się, że myszy germ-free posiadają mniejszą liczbę komórek systemu immunologicznego: makrofagów, monocytów i neutrofili niż myszy C57/BL6.

Myszy nieposiadające mikrobiomu miały także mniej komórek progenitorowych, różnicujących się na poszczególne typy dojrzałych komórek systemu immunologicznego. Istniejące w śledzionie komórki odporności wrodzonej był nieprawidłowe - nie osiągały ani proporcji, ani wyglądu komórek tego typu znajdowanych w śledzionie myszy dzikich.

Jak stwierdził prof. Mazmanian, niepatogenne bakterie w mikrobiomie jelitowym mają wielki wpływ na komórki układu immunologicznego w obszarach nawet bardzo odległych, we krwi, śledzionie czy szpiku.

Antybiotykoterapia uszkadza mikrobiom i osłabia układ immunologiczny

W toku dalszych doświadczeń zespół zbadał odporność myszy C57/BL6i germ-free na infekcje. Obie grupy zostały zakażone bakterią Listeria monocytogenes (często używanym patogenem w badaniach odpowiedzi immunologicznej). Myszy pozbawione bakterii jelitowych masowo padały po zakażeniu, natomiast myszy dzikie z bardzo nielicznymi wyjątkami przeżywały infekcję.

Naukowcy wprowadzili mikrobiom myszy dzikich do części myszy germ-free i po jego ustaleniu zakazili je listerią. Jak się okazało, populacja komórek układu immunologicznego u myszy ze sztucznie wprowadzonym mikrobiomem osiągnęła rozmiar i wygląd stwierdzony u myszy dzikich. Niemal wszystkie z tych myszy przeżyły infekcję listerią. Z kolei grupa myszy dzikich została poddana działaniu antybiotyku o szerokim spektrum, niszczącego sporą część mikrobiomu jelitowego. W efekcie następcze zakażenie listerią nie okazało się co prawda dla tych myszy równie zabójcze, co dla myszy germ-free, ale upadki stanowiły około 50 proc.

„Na podstawie tych wyników można stawiać hipotezy dotyczące tego, co dzieje się w lecznictwie zamkniętym, np. w szpitalach. Jeśli pacjentowi np. po operacji biodra poda się antybiotyk, to wbrew pozorom będzie on bardziej podatny na infekcję. Antybiotyk o szerokim spektrum uszkodzi jego mikrobiom i co za tym idzie osłabi jego układ immunologiczny. Następcza infekcja, której przebieg byłby ciężki, w ogóle nie będzie mieć związku z operacją biodra” - stwierdził prof. Mazmanian w pracy opublikowanej w „Cell Host & Microbe”.

Jak zauważyli naukowcy, odkrycie to udowadnia ważną rolę mikrobiomu jelitowego. W uzasadnionych przypadkach uzupełnianie deficytów bakterii może działać prewencyjnie i chronić przed zakażeniami, zwłaszcza bakteryjnymi, zastępując w ten sposób antybiotyki.

Trudności w ustaleniu optymalnego składu mikrobiomu

Konieczne są jednak dalsze badania ustalające optymalny skład mikrobiomu. Staje się to tym bardziej istotne w świetle badań prowadzonych przez naukowców z Johns Hopkins Medicine w Baltimore. Ustalili oni, że infekcja gruźlicza w płucach powoduje taką odpowiedź immunologiczną, iż spada zróżnicowanie bakterii mikrobiomu przewodu pokarmowego.

Zespół naukowców pod kierownictwem dr Kathryn Winglee badał na modelu mysim uogólnioną odpowiedź immunologiczną na infekcję prątkami gruźlicy. „Często przedstawiany jest pogląd, że systemy immunologiczne błon śluzowych przewodu pokarmowego i płuc są od siebie odseparowane. Jednak fakt, że infekcja drogą kropelkową powoduje szybkie zmiany w przewodzie pokarmowym sugeruje, że system immunologiczny w różnych tkankach funkcjonuje jak jeden organ” - stwierdziła dr Winglee w opisie badań.

Naukowcy z Baltimore twierdzą, że spadek zróżnicowania bakterii w przewodzie pokarmowym (mierzonego według próbek kału myszy) następuje szybko, już po 6 dniach od zakażenia Mycobacterium tuberculosis. Tak szybka reakcja sugeruje, że to komórki układu immunologicznego likwidują część bakterii, umożliwiając rozrost innym gatunkom. Według badaczy, testowanie składu bakterii kałowych może stanowić istotny wskaźnik zakażenia Mycobacterium tuberculosis. 

W trakcie badań naukowcy zakażali myszy dzikie szczepu C57/BL6 Mycobacterium tuberculosis zawartym w aerozolu. Następnie badali skład ich mikrobiomu jelitowego. Próbki porównywali z pobranymi wcześniej, przed infekcją. W analizie użyto technik identyfikacji genetycznej i analizy rozkładu statystycznego gatunków, szczepów oraz liczby bakterii w próbce. Stwierdzono, że infekcja prątkami powoduje gwałtowne zmiany w składzie bakterii jelitowych u wszystkich myszy. Jak określili badacze, przed samą infekcją dwie grupy bakterii prezentowały najwyższą frekwencję: Lachnospiraceae i Ruminococcaceae (najwięcej tych bakterii było w nigdy nieinfekowanej grupie kontrolnej). W grupie zakażonej TB zróżnicowanie bakterii było zdecydowanie najmniejsze, przy czym część populacji bakterii ekspandowała, podczas gdy wzrost innych był wyraźnie ograniczany.

Według dr Winglee, Mycobacterium tuberculosis nie jest obecna w jelitach badanych myszy, nie można wiec wiązać zmian w zróżnicowaniu mikrobiomu jelitowego z ich obecnością. Za to jest niemal pewne, że czas, w którym zmienia się zróżnicowanie bakterii mikrobiomu jelitowego jest tożsamy z okresem odpowiedzi immunologicznej i za ten proces odpowiedzialny jest lokalny system immunologiczny śluzówki. Oznacza to, iż ta lokalna odpowiedź może być kluczowa dla mechanizmu infekcji.

Opisane badania nie są jedynym przykładem zmiany składu bakterii przewodu pokarmowego pod wpływem wystąpienia schorzenia przewlekłego. Pacjenci z cukrzycą typu 2, artretyzmem czy astmą mają inny skład bakterii przewodu pokarmowego niż osoby zdrowe. Zróżnicowanie to można wykazać, zanim skład mikrobiomu jelitowego zostanie zmieniony przez takie środki lecznicze, jak antybiotyki.

Zachowanie integralności bariery krew-mózg

O podobnym zachowaniu systemu immunologicznego świadczą wyniki badań prowadzonych przez naukowców z Karolinska Institutet pod kierownictwem dr Viorici Braniste, przy współpracy zespołów naukowych z USA i Singapuru. Według tych badań, mikrobiom jelitowy wpływa na integralność bariery krew-mózg. Jak wiadomo, bariera ta zabezpiecza mózg przed działaniem wirusów, patogenów oraz substancji szkodliwych pochodzących z układu krwionośnego i jest jednym z najważniejszych elementów systemu immunologicznego.

Badania prowadzono zarówno in vitro, jak i na modelu mysim; ich pierwsze efekty wskazują, że mikrobiom jelitowy współdziała w zamykaniu bariery krew-mózg jeszcze w okresie płodowym. Świadczy to o tym, że bakterie jelitowe mają wpływ na wykształcanie się i rozwój mózgu, ponieważ transport molekuł poprzez barierę krew-mózg jest prawdopodobnie przez nie modulowany w okresie życia płodowego. 

Badania in vivo wykonano na dwóch grupach myszy: dzikich C57/BL6 rozwijających się w normalnym środowisku bakteryjnym i posiadających sprawny mikrobiom jelitowy oraz myszy germ-free, czyli rozwijających się w środowisku sterylnym, pozbawionych mikrobiomu jelitowego. 

„W trakcie badań wykazaliśmy, że u myszy dzikich matczyny mikrobiom jelitowy nie dopuszcza w późnym okresie ciąży do przechodzenia oznakowanych przeciwciał z krwi obwodowej do tkanki mózgowej rosnącego płodu. U myszy germ-free znakowane przeciwciała bez problemu trafiają do mózgu płodu i można je tam wykryć” - stwierdziła w opisie badań dr Braniste.

Zespół wykazał też, że „przecieki” przez barierę krew-mózg, obserwowane u myszy pozbawionych mikrobiomu w życiu płodowym, trwają także w życiu dorosłym. Co ciekawe, te „przecieki” ulegają zniesieniu, jeśli mysz germ-free otrzyma mikrobiom bakteryjny wyizolowany z kału myszy dzikich. Szczegóły mechanizmu sterującego takimi działaniami pozostają jeszcze niejasne, ale naukowcy przypuszczają, iż kluczową rolę odgrywają tu białka obwódki zamykającej (ang. tight junction), we wcześniejszych badaniach określone jako kluczowe dla przepuszczalności bariery, które ulegają zmianom strukturalnym oraz zmieniają poziomy ekspresji w przypadku nieobecności bakterii jelitowych.

Odkrycia te, zdaniem naukowców, potwierdzają wcześniejsze doniesienia, wskazujące, iż mikrobiom jelitowy odgrywa istotną rolę w funkcjonowaniu bariery krew-mózg w całym okresie życia. Jak sądzą badacze, matczyny mikrobiom przekazywany we wczesnych stadiach życia oraz ukształtowany przez niego mikrobiom własny potomstwa jest stałym komponentem fizjologii każdego ssaka, w tym człowieka. Integralność i zmiany w barierze krew-mózg prawdopodobnie także zależą od zmian mikrobiomu jelitowego i jego zróżnicowania. Jest to znaczące odkrycie, mogące prowadzić do sterowania przepuszczalnością tej bariery, co jest bardzo istotne np. w terapii nowotworowych guzów mózgu oraz blokowaniu dostępu do mózgu wysoce inwazyjnych patogenów atakujących człowieka.

Bakterie mikrobiomu - działania pozytywne

Szczep / Efekt wykrywalny doświadczalnie in vivo i in vitro

• Bacillus coagulans GBI-30, 6086 - zmniejsza bóle brzucha i wzdęcia u pacjentów z zespołem jelita drażliwego. Prawdopodobnie zwiększa odpowiedź układu immunologicznego na infekcje wirusowe.
• Bifidobacterium longum subsp. infantis 35624 - prawdopodobnie przynosi ulgę we wzdęciach, zwłaszcza dziecięcych, bólach brzucha i zaparciach.
• Lactobacillus acidophilus NCFM - zmniejszenie skutków ubocznych terapii antybiotykowej.
• Lactobacillus paracasei St11 (lub NCC2461) - zmniejszenie objawów biegunkowych u dzieci.
• Lactobacillus johnsonii La1 (= Lactobacillus LC1, Lactobacillus johnsonii NCC533) - przeciwdziała zapaleniom błony śluzowej żołądka oraz podrażnieniom spowodowanym przez Helicobacter pylori.
• Lactobacillus plantarum 299v - zmniejsza dolegliwości związane z zespołem jelita drażliwego.
• Lactobacillus reuteri ATCC 55730 (Lactobacillus reuteri SD2112) - zmniejszenie objawów biegunkowych u dzieci, kolki dziecięcej, objawów w zakażeniu H. pylori, skutków ubocznych antybiotykoterapii, skutków zakażeń rotawirusem u dzieci oraz zmniejszenie okresu choroby u dorosłych.
• Lactobacillus reuteri Protectis (DSM 17938, szczep potomny ATCC 55730) - zmniejszenie objawów biegunkowych u dzieci i dorosłych, spadek zagrożenia biegunką, bólów brzucha i zaparć.
• Lactobacillus reuteri Prodentis (DSM 17938/ATCC 55730 i ATCC PTA 5289 w połączeniu) - zmniejszenie zagrożenia zapalenia przyzębia i dziąseł, także objawów przy wystąpieniu schorzenia, likwidacja nieprzyjemnego zapachu z ust, spadek zagrożenia próchnicą.
• Saccharomyces boulardii - zmniejszenie o ponad 60 proc. zagrożenia biegunką poantybiotykową oraz ostrymi stanami biegunkowymi.
• Lactobacillus rhamnosus GR-1 i Lactobacillus reuteri RC-14 - zapobiega vaginitis i patogennej kolonizacji pochwy.
• Lactobacillus acidophilus CL1285 i Lactobacillus casei LBC80R - zmniejszenie zagrożenia kolonizacją patogenną: Listeria monocytogenes, L. innocua, Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Enterococcus faecalis i Enterococcus faecium. Poprawia stan przewodu pokarmowego.
• Lactobacillus plantarum HEAL 9 i Lactobacillus paracasei 8700:2 - pozytywne oddziaływanie w przypadku sezonowych przeziębień.