Przez lata rozwoju mikrobiologii dominowało podejście wiążące występowanie mikroorganizmów w i na ciele człowieka z licznymi chorobami i innymi stanami patologicznymi. W dzisiejszych czasach znacząca część badań skupia się na pozytywnych oddziaływaniach między mikrobiotą a człowiekiem. Mikrobiotą określa się zespół wszystkich gatunków tworzących społeczność mikroorganizmów, najczęściej w odniesieniu do konkretnej lokalizacji (np. mikrobiota jelitowa – wszystkie mikroorganizmy występujące w ludzkich jelitach, a więc bakterie, archeony, drożdże i inne grzyby, a często także wirusy) [1]. Bywa zarówno w języku polskim, jak i angielskim, stosowana zamiennie z terminem mikrobiom. Przez lata liczni badacze formułowali i stosowali różne definicje mikrobiomu, ale w 2020 r. zespół ekspertów z różnych gałęzi mikrobiologii, ustalił wspólną definicję. Według niej mikrobiom to charakterystyczna społeczność mikroorganizmów zasiedlająca precyzyjnie określony obszar cechujący się wyróżnialnymi właściwościami fizykochemicznymi. Przy czym definicja ma obejmować nie tylko mikroorganizmy (mikrobiotę), ale także ich różne struktury pozakomórkowe, metabolity i ruchome elementy genetyczne, tworzące swoistą ekologiczną niszę. Mikrobiom jest więc terminem szerszym, w którym zawiera się mikrobiota [2].
Szacowana liczba komórek bakteryjnych w i na organizmie człowieka wynosi 3,8 x 1013, co znacznie przekracza liczbę komórek samego gospodarza (szacowaną na 3,0 x 1013) [3]. Miejscem najliczniejszego występowania mikroorganizmów w organizmie człowieka jest jelito grube, a dokładniej okrężnica. Do innych bogatych w nie miejsc (i z tego powodu uwzględnianych w badaniach oddziaływań między mikrobiotą a gospodarzem) należą: płytka nazębna, ślina, skóra i jelito cienkie [3]. Liczne i ścisłe zależności między mikroorganizmami bytującymi w człowieku a nim samym powodują coraz częstsze użycie terminu superorganizm, mające na celu podkreślenie znaczenia mikrobioty w rozwoju człowieka i zachowaniu jego zdrowia.
Przyjęło się uważać, że płód jest organizmem sterylnym. Jednak możliwe, że komórki bakteryjne, zamieszkujące szyjkę macicy, w trakcie zaplemnienia przedostaną się w głąb układu rozrodczego kobiety i dosięgną komórki jajowej (w chwili zapłodnienia) lub zarodka (na etapie implantacji bądź wczesnego rozwoju embrionalnego). Mimo to mechanizmy odpornościowe działające w macicy uniemożliwiają utworzenie społeczności bakteryjnej, dlatego nie istnieje mikrobiota macicy, łożyska czy płodu. Pojawia się jednak pytanie, czy nadal można mówić o sterylności, jeśli odnajduje się tam fragmenty bakteryjnego DNA lub pojedyncze komórki bakteryjne [4]. Warto także pamiętać, że mikrobiota matki może mieć pośredni wpływ na rozwój dziecka, przez oddziaływanie z układem odpornościowym matki czy też przez przenikające przez łożysko metabolity mikroorganizmów [5]. Sugeruje się, że niektóre zmiany zachodzące w czasie ciąży w mikrobiocie jelitowej i pochwowej matki mogą mieć znaczenie adaptacyjne, np. umożliwiające dziecku efektywniejsze pobieranie energii z krwi matki [6]. Pierwszy bezpośredni kontakt dziecka z mikroorganizmami następuje w trakcie porodu. Kolejny ważny etap w rozwoju mikrobioty człowieka związany jest ze spożywaniem mleka matki. Prawidłowy rozwój zarówno dziecka, jak i jego mikrobioty jest możliwy dzięki odżywczemu, prebiotycznemu i stymulującemu odporność działaniu substancji zawartych w mleku matki, które w początkach życia człowieka jest jego jedynym pokarmem [4]. Przez pierwsze sześć miesięcy życia, wskutek spożywania mleka matki, dochodzi u niemowląt do takiego ukształtowania mikrobioty jelitowej, które (przez bakteryjne metabolity) promuje rozwój peryferycznych limfocytów T regulatorowych (odpowiedzialnych za hamowanie zbyt silnej bądź wynikającej z autoagresji, odpowiedzi immunologicznej) i przyczynia się tym samym do prawidłowego rozwoju układu odpornościowego [7]. W późniejszym okresie, m.in. w następstwie ząbkowania, niemowlęta nabywają zdolność przyjmowania także pokarmów stałych, co powoduje wzrost różnorodnych mikroorganizmów zasiedlających przewód pokarmowy dziecka, analogicznie do wzrostu różnorodnych substancji przyjmowanych z pożywieniem. Wtedy to też pojawiają się w diecie dziecka pierwsze składniki pokarmowe oporne na trawienie, za których fermentację odpowiedzialne stają się bakterie licznie zasiedlające jelito grube. W wyniku tej fermentacji powstaje wiele metabolitów, takich jak np. krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe (SCFAs, short-chain fatty acids), wpływających korzystnie na metabolizm oraz procesy odpornościowe organizmu gospodarza [4]. Należy przy tym zaznaczyć, że opisana kolonizacja przewodu pokarmowego człowieka przez mikroorganizmy stanowi pewien modelowy przykład i będzie się różnić przebiegiem u dzieci urodzonych przez cesarskie cięcie. Inaczej też będzie się rozwijała mikrobiota jelitowa u niemowląt karmionych sztucznymi mieszankami odżywczymi. Wszelkie komplikacje w czasie ciąży i porodu również mogą wpływać na omówione procesy. Warto wspomnieć, że także w dorosłym życiu rodzaj przyjmowanego pożywienia w dużej mierze determinuje skład ilościowy i jakościowy mikrobioty jelitowej [8].
W ostatnich latach rozwój metagenomiki i różnorodnych narzędzi analiz genetycznych przyczynił się do znacznego poszerzenia wiedzy o mechanizmach (na poziomie molekularnym) odpowiadających za oddziaływanie metabolitów wytwarzanych przez mikroorganizmy na organizm gospodarza. Spowodowało to wzrost zainteresowania środowisk naukowych tematami związanymi z badaniem potencjalnych zależności między stanem mikrobioty jelitowej (jej składem ilościowym i jakościowym) a rozwojem licznych chorób (w tym chorób cywilizacyjnych, takich jak: otyłość, cukrzyca typu 2 czy zespół metaboliczny). W latach 2013–2017 ukazało się 12 900 publikacji naukowych podejmujących te tematy, co stanowiło więcej niż 80% tego typu prac opublikowanych w ciągu ostatnich 40 lat [1].
Obecnie stosowane w terapiach bakterie o właściwościach probiotycznych (najczęściej z rodzaju
Przynależność taksonomiczna
Królestwo | Bakterie |
---|---|
Typ | |
Klasa | |
Rząd | |
Rodzina | |
Rodzaj | |
Gatunek |
Początkowo
Najbardziej charakterystyczną cechą
Jak wynika z badań próbek kału zdrowych osób w różnym wieku,
Liczebność
Wiek pacjenta | Liczebność |
---|---|
1 miesiąc | 2,05–4,36 |
6 miesięcy | 2,50–7,30 |
12 miesięcy | 2,80–9,50 |
25-35 lat | 5,00–8,80 |
Analiza próbek kału w ramach projektu Metagenomics of the Human Intestinal Tract (MetaHit), w którym udział wzięli Duńczycy i Chińczycy, odkryła różnice w składzie mikrobioty jelitowej zależne od narodowości [17]. Ponadto niedawne badania wykazały, że sekwencje genomowe
Ważnym aspektem badań dotyczących
W 2019 r. ukazała się praca podsumowująca pilotażowe (randomizowane, podwójnie zaślepione i zawierające odniesienie do grupy kontrolnej przyjmującej placebo) badania prowadzone w grupie kilkudziesięciu osób z nadwagą lub otyłością i współwystępującą insulinoopornością. Jej autorzy wykazali, że codzienna, trzymiesięczna suplementacja 1010 żywych lub pasteryzowanych komórek
Zamieszkiwaną przez
Śluz jest nieustannie wydzielany, a następnie degradowany. Proces ten może zająć od kilku minut do wielu godzin, w zależności od tego, w jakim narządzie zachodzi, i od sytuacji, w której znajduje się organizm – np. w razie inwazji patogenów odpowiedź ze strony komórek nabłonka musi być szybka. Grubość i dynamika zmian śluzu różnią się znacznie między narządami. Grubość błony śluzowej żołądka (chroniącej jego komórki przed szkodliwymi warunkami środowiska – wysokim stężeniem kwasu solnego) jest większa niż błony śluzowej jamy ustnej. Jelito cienkie pokryte jest głównie luźno związaną błoną śluzową, która jest najcieńsza w jelicie czczym, gdzie najintensywniej są pobierane substancje odżywcze przez komórki nabłonkowe jelita. W jelicie grubym grubość błony śluzowej zwiększa się stopniowo, poczynając od jelita ślepego, gdzie jest najmniejsza, aż do odbytnicy, gdzie występuje najgrubsza warstwa śluzu [14].
Histochemiczne analizy biopsji jelita grubego wykazały, że jego błona śluzowa składa się
Śluz spełnia w organizmie wiele funkcji: działa jako lubrykant, np. w drogach oddechowych czy też w układzie pokarmowym, gdzie ułatwia przepływ pokarmu. Tworzy również selektywną barierę umożliwiającą transport do komórek nabłonka jedynie związków drobnocząsteczkowych, np. składników odżywczych. Jednocześnie zapewnia tym komórkom ochronę przed uszkodzeniem mechanicznym lub kontaktem ze szkodliwymi substancjami natury biologicznej (pepsyna, kwasy organiczne) czy chemicznej (narkotyki, toksyny, metale ciężkie), a także patogennymi bakteriami, wirusami i pasożytami. Inna rola śluzu, której niedawno zaczęto poświęcać więcej uwagi, związana jest z tym, że może być substratem do wzrostu i powierzchnią adhezji dla mikroorganizmów obecnych w świetle przewodu pokarmowego człowieka [15].
Mucyny nie mają żadnych udokumentowanych właściwości antybakteryjnych. Gdyby pełniły w organizmie jedynie funkcję bariery ochronnej, jak przyjęło się początkowo uważać, najprawdopodobniej w toku ewolucji nabyłyby takich właściwości. Zdaje się więc, że rola mucyn jako substratu dla różnych bakterii jest istotniejsza niż dotąd sądzono. Ochronna i prebiotyczna funkcja mucyn wydają się kolidować ze sobą. Dzieje się tak, ponieważ zmiany w strukturze glikoprotein wpływają na ich fizyczne właściwości i podatność na degradację przez enzymy bakteryjne, a przez to na obie wspomniane funkcje mucyny (większa podatność na degradację ułatwia stanie się substratem dla bakterii, ale wpływa niekorzystnie na skuteczność funkcji ochronnej). Mimo to obie funkcje mogą być świetnie zrównoważone w organizmie (tj. regulowane niezależnie od siebie) dzięki występowaniu różnych typów mucyn w różnych odcinkach przewodu pokarmowego, różnicom w fizykochemicznym składzie mucyn (determinowanym przez typ glikozylacji i stopień oligomeryzacji cząsteczek) oraz różnemu komórkowemu umiejscowieniu cząsteczek mucyny (tj. mucyn wydzielanych na zewnątrz komórek lub związanych z błoną komórkową) [14].
Bakterie bytujące w śluzie prawdopodobnie mają przewagę nad bakteriami zamieszkującymi światło przewodu pokarmowego. Są bowiem mniej podatne na usunięcie z organizmu wraz z przesuwaniem treści pokarmowej oraz mają zwiększony dostęp do źródeł węgla zapewnionych przez błonę śluzową. Patogeny mogą być wiązane w świetle przewodu pokarmowego przez proteolitycznie zdegradowane mucyny, a następnie usuwane z nimi. Mucyny mogą również wiązać patogeny w błonie śluzowej i dzięki temu uniemożliwiać im dotarcie do nabłonka. Zapobiega to wiązaniu się patogenów z receptorami komórek nabłonkowych i przenikaniu bakterii przez nabłonek, co występuje w razie braku błony śluzowej lub bakterii zdolnych do przejścia przez nią (np.
Bakterie kolonizujące błonę śluzową jelit tworzą społeczność pełną zależności o różnym charakterze. Gatunki kluczowe dla tego ekosystemu to te zdolne do degradacji mucyny, którą wykorzystują jako źródło węgla, azotu i energii. Jednak zróżnicowana struktura mucyny powoduje, że większość mikroorganizmów nie może skutecznie pozyskiwać z niej aminokwasów i monosacharydów. Bakterie rezydujące w błonie śluzowej niezdolne do degradacji mucyny muszą więc polegać na aktywności bakterii ją rozkładających, które degradując te złożone cząsteczki, dostarczają im cukrów, węgla i azotu. „Producenci” kwasu masłowego
Zależności między różnymi producentami kwasu masłowego a
W trakcie poszukiwań przyczyn obniżenia liczebności poszczególnych gatunków bakterii komensalnych w przebiegu różnych chorób, postulowano, że jest to związane ze zmianami warunków panujących w układzie pokarmowym, takimi jak zmiany wartości pH czy stężenia soli żółciowych. Niedawno zasugerowano, że także zachwianie relacji ekologicznych między daną bakterią a innymi symbiontami jelitowymi może wpływać na jej liczebność. Wzrost
Innym przykładem symbiozy między kluczowymi gatunkami mikrobioty błony śluzowej może być efektywne uwalnianie przez
Bakterie zamieszkujące ciało człowieka nie tylko tworzą złożone sieci zależności między sobą, lecz także wywierają znaczący wpływ na organizm swojego gospodarza. Pozytywny wpływ
Przez barierę jelitową rozumie się funkcjonalną jednostkę, która składa się z dwóch głównych komponentów. Pierwszym jest bariera fizyczna zapobiegająca adhezji patogenów i regulująca dyfuzję związków ze światła przewodu pokarmowego, za pośrednictwem krwi, w głąb tkanek gospodarza. Drugim – bariera funkcjonalna, odpowiedzialna za rozróżnianie bakterii patogennych od niepatogennych i za wdrażanie mechanizmów immunologicznej odpowiedzi bądź tolerancji. Bariera jelitowa spełnia swoje funkcje bardzo efektywnie dzięki różnym elementom: odpowiedniej grubości i kompozycji błony śluzowej, obecności TJs i AMPs, limfocytów i innych komórek odporności nabytej oraz wytwarzaniu immunoglobuliny A [1]. Zaburzenia funkcjonowania bariery jelitowej korelują z rozwojem nie tylko wielu chorób układu pokarmowego, lecz także chorób i stanów niezwiązanych bezpośrednio, czy też wyłącznie, z układem pokarmowym, takich jak cukrzyca typu 2, alergie, czy zaburzenia neurologiczne. W związku z tym liczne badania podkreślają rolę probiotyków w redukcji przepuszczalności bariery jelitowej. Wynika to z silnego oddziaływania na nią mikrobioty jelitowej, wpływającej nie tylko na strukturę tej bariery, lecz także na odpowiedź immunologiczną gospodarza [29].
Rozkład mucyny przez
Jak wcześniej wspomniano, na barierę jelitową składa się nie tylko fizyczna bariera złożona z komórek nabłonka i pokrywającej je błony śluzowej, lecz także liczne reakcje organizmu związane z funkcjonowaniem układu odpornościowego. Recyrkulacja płynów jelitowych i transport limfocytów oraz komórek prezentujących antygen odbywają się w organizmie przez system naczyń limfatycznych łączących centralne narządy limfatyczne (szpik kostny, grasica) z obwodowymi narządami limfatycznymi (m.in. węzłami chłonnymi, śledzioną). Komórki prezentujące antygen są wytwarzane w centralnych narządach odpornościowych i aktywowane w obwodowych. Do tych ostatnich zalicza się także MALT (mucosa associated lymphoid tissue), czyli tkankę limfatyczną związaną z błonami śluzowymi. Jednym z jej typów jest GALT (gut associated lymphoid tissue) – występująca w układzie pokarmowym. Jest zbudowana m.in. z grudek limfatycznych izolowanych (ILFs, isolated lymphoid follicles) [30], złożonych przede wszystkim z limfocytów B i otaczającego je nabłonka [31] oraz kępek Peyera, czyli grudek limfatycznych skupionych [32].
Komórki nabłonka przewodu pokarmowego odgrywają znaczącą rolę w rozpoznawaniu obecności mikroorganizmów i monitorowaniu zmian zachodzących w mikrobiocie jelitowej. Przekazują bowiem informacje do komórek układu odpornościowego przebywających w blaszce właściwej (lamina propria) jelit. Rozpoznawanie mikroorganizmów obecnych w jelitach oraz kontrola zmian zachodzących w mikrobiocie odbywają się głównie dzięki receptorom rozpoznającym wzorce molekularne (PRRs, pattern recognition receptors), do których zalicza się receptory Toll-podobne (TLRs, Toll-like receptors) i receptory NOD-podobne (NLRs, NOD-like receptors). Są to receptory używane przez komórki odporności wrodzonej do wykrywania charakterystycznych elementów komórek bakteryjnych lub bakteryjnych metabolitów, zwanych wzorcami molekularnymi związanymi z patogenami (PAMPs, pathogen associated molecular patterns). Do takich elementów zalicza się m.in. LPS, peptydoglikany, kwasy lipotejchojowe, flagelinę i muramylodipeptydy. PRRs zdolne są także do rozpoznawania wzorców molekularnych związanych z uszkodzeniem (DAMPs, damage associated molecular patterns) powstających w trakcie śmierci komórek i uszkodzenia tkanki w wyniku inwazji patogenów [1].
Aktywacja przez mikrobiotę jelit opisanych wyżej receptorów z rodziny PRRs zwiększa w organizmie sekrecję chemokiny CCL20 (należącej do grupy chemokin CC), która wiąże się następnie z receptorem chemokin 6 (CCR6) (białka z rodziny receptorów chemokin CC) (ryc. 6) [32]. CCR6 to receptor występujący na powierzchni limfocytów T oraz B, lecz nieobecny na powierzchni monocytów, granulocytów czy komórek NK [33]. Jest także wysoce eksprymowany w jelitach – w kępkach Peyera i ILFs [34]. Sekrecja CCL20 prowadzi do formowania ILFs z napływających limfocytów T (na powierzchni których eksprymowany był CCR6) [32]. W tych grudkach limfatycznych znaczącym składnikiem są komórki ILC grupy 3 (ILCs, innate lymphoid cells) – komórki linii limfoidalnej pozbawione rearanżowanych, swoistych antygenowo receptorów (ILCs podzielono na trzy grupy ze względu m.in. na pełnione funkcje) [35]. ILC grupy 3 są głównym źródłem interleukiny 22 (IL-22), która stymuluje komórki nabłonka jelit do wytwarzania AMPs. Zaburzenia formowania ILFs (wynikające z niewystarczającej stymulacji układu immunologicznego przez mikrobiotę) przekładają się więc na niedobór IL-22 i w związku z tym na niedobór AMPs [34]. Tak więc oddziaływania bakterii z gospodarzem oparte na powinowactwie CCR6–CCL20 umożliwiają utrzymanie symbiozy jelitowej. Mikrobiota jelitowa przez stymulację wydzielania CCL20 zapobiega nadmiernemu rozrostowi jej samej bądź populacji bakterii patogennych, do czego mogłoby dojść, gdyby spadło wytwarzanie AMPs.
Bakterie komensalne modulują także pierwotną odpowiedź immunologiczną gospodarza. Stymulują wytwarzanie homeostatycznej ilości prointerleukiny 1b (proIL-1b) przez makrofagi tak, że ich odpowiedź na infekcje występujące w jelitach następuje gwałtowniej. Bakterie niepatogenne odgrywają także rolę w modulacji aktywności limfocytów NKT. Komórki NKT wyrażają jednocześnie receptor TCR charakterystyczny dla limfocytów T oraz receptor charakterystyczny dla komórek NK. Promują stan zapalny przez wydzielanie cytokin: IL-2, IL-4, IL-13, IL-17A, IL-21, czynnika martwicy nowotworu – TNF (tumor necrosis factor) – oraz interferonu gamma (IFN-γ). Utrzymanie ich homeostazy, dzięki obecności mikrobioty jelitowej, zapobiega wystąpieniu nasilonej reakcji zapalnej [32].
Odkryto, że
Jak już wspomniano, na powierzchni komórki
Amuc_1100 może utrzymać swoją aktywność stymulującą TLR2 podczas pasteryzacji w temperaturze poniżej 70oC, gdyż dopiero w tej temperaturze następuje jego denaturacja [40]. Możliwość użycia w terapii jedynie fragmentów komórek bakteryjnych, bądź komórek poddanych pasteryzacji, a nie całych, żywych mikroorganizmów, może być szczególnie użyteczna w przypadku leczenia pacjentów z upośledzonymi mechanizmami odpornościowymi [42].
Warto zaznaczyć, że przewód pokarmowy zawiera nie tylko większość mikroorganizmów zamieszkujących organizm człowieka, lecz także gromadzi ogromną liczbę obecnych w ciele człowieka komórek układu odpornościowego. Wywierają one znaczący wpływ na skład mikrobioty, a ich aktywność podlega ciągłej regulacji ze strony mikroorganizmów (ryc. 7). Badania interakcji między mikrobiotą (w tym
SCFAs, do których zalicza się m.in.: kwas octowy, propionowy i masłowy, mogą pełnić w organizmie funkcję cząsteczek sygnałowych, łączących się z receptorami błonowymi związanymi z białkiem G. W nazewnictwie tych receptorów, poza nazwami pochodzącymi od ich ligandów, stosuje się także powszechnie skrót GPR (G protein-coupled receptor) oraz numer receptora. Do takich receptorów zaliczono receptor wolnych kwasów tłuszczowych 3 (FFAR3, free fatty acid receptor 3), zwany także GPR41 oraz receptor niacyny 1 (NIACR1, niacin receptor 1) [43], a także receptor wolnych kwasów tłuszczowych 2 (FFAR2, free fatty acid receptor 2), zwany także GPR43 [1]. Receptory te znaleziono na komórkach nabłonka jelitowego, komórkach odpornościowych i adipocytach [43]. Liczne badania wykazały, że eksprymowany na powierzchni komórek układu odpornościowego GPR43 bierze udział w regulowaniu odpowiedzi zapalnej. GPR43 to receptor związany
Badania na mysich modelach wykazały, że aktywacja GPR43 za pośrednictwem SCFAs hamowała zależną od insuliny akumulację tłuszczów w tkance tłuszczowej, a zwiększała ich (a także glukozy) wykorzystywanie przez mięśnie szkieletowe. W mięśniach wzrosła także ekspresja genów kodujących białka związane z glikolizą i β-oksydacją oraz z innymi szlakami zużycia energii. Badania immunocytochemiczne wykazały, że GPR43 (ale także GPR41) jest eksprymowany na powierzchni endokrynnych komórek L jelita, odpowiedzialnych za sekrecję peptydów zaangażowanych w metabolizm glukozy i łaknienie, takich jak glukagonopodobny peptyd 1 (GLP1, glucagon-like peptide-1) i peptyd YY (PYY, peptide YY) [44]. GLP1 jest hormonem inkretynowym wzmacniającym wydzielanie insuliny i hamującym wydzielanie glukagonu w odpowiedzi na przyjęcie pokarmu. Opóźnia także opróżnianie żołądka i zwiększa poczucie sytości [45]. PYY jest natomiast peptydem wydzielanym przez neuroendokrynne komórki jelita krętego i okrężnicy w odpowiedzi na przyjęcie pokarmu. Spowalnia skurcze mięśni gładkich przewodu pokarmowego, zwiększając efektywność trawienia i wchłaniania składników odżywczych, a także absorpcję wody i elektrolitów w okrężnicy [46]. Aktywacja GPR41 również jest związana ze zwiększonym zużyciem energii przez organizm oraz ekspresją leptyny, a także zmniejszeniem podaży pokarmowej (łaknienia) [43].
SCFAs mogą pełnić różne funkcje w organizmie gospodarza – od regulacji poziomu glukozy do efektów immunomodulacyjnych [1]. Wydaje się, że kwas propionowy, także poprzez receptor GPR41, zapobiega występowaniu w organizmie reakcji alergicznych. Warto zaznaczyć, że kwas ten stymuluje także komórki układu odpornościowego do wytwarzania AMPs i w ten sposób może działać jako regulator odpowiedzi odpornościowej, w tym także redukując proliferacje komórek nowotworowych. Kwas propionowy jest zdolny także do „przyuczania” komórek dendrytycznych do osiągnięcia wysokiego potencjału fagocytarnego oraz wpływa na odpowiedź limfocytów Th2 [42]. Ponadto, kwas propionowy, razem z octowym aktywują GPR43 w sposób prowadzący do indukcji chemotaksji neutrofili [43].
Działający analogicznie do niacyny kwas masłowy aktywuje GPR109A. Niacyna znana jest jako czynnik obniżający stężenie tłuszczów: aktywacja GPR109A hamuje hydrolizę trójglicerydów (lipolizę) w adipocytach, a także obniża poziom trójglicerydów i lipoproteiny o niskiej gęstości – LDL (low-density lipoprotein) we krwi, tym samym redukując ich miażdżycogenne działanie [43].
Wykazano, że kwas masłowy stymuluje komórki jelita grubego do oddychania tlenem przez aktywację β-oksydacji w celu chronienia komórek gospodarza przed ekspansją potencjalnie patogennych bakterii. Ekstremalnie niska ilość tlenu obecna w świetle przewodu pokarmowego (warunki beztlenowe) jest stanem niezbędnym do prewencji ekspansji fakultatywnie anaerobowych patogenów, takich jak
Kwas masłowy jest także epigenetycznym regulatorem ekspresji genów – oddziałuje zarówno na metylację DNA, jak i na hiperacetylację histonów. Przez hamowanie deacetylacji histonów kwas masłowy wpływa na różnicowanie komórek Treg (limfocytów T regulatorowych) [42]. Badacze ustalili także, iż kwas masłowy, działając na makrofagi, naśladuje trichostatynę A (TSA, trichostatin A), czyli dobrze scharakteryzowany inhibitor deacetylazy histonowej (HDAC, histone deacetylase). Oba te związki zmniejszają liczbę wydzielanych przez makrofagi cząsteczek prozapalnych: tlenku azotu (II) – NO, IL-6 i IL-12p40 [47]. Przez oddziaływanie zarówno na limfocyty Treg jak i na makrofagi, kwas masłowy odgrywa znaczącą rolę w zapobieganiu wytworzenia stanu zapalnego. Odkryto także, że działając za pośrednictwem HDAC, kwas masłowy wykazuje aktywność przeciwnowotworową [48]. Inhibitory HDAC zatrzymują bowiem cykl komórkowy komórek nowotworowych, indukują ich różnicowanie oraz apoptozę, a także zmniejszają angiogenezę i modulują odpowiedź immunologiczną. Czyni je to obiecującymi terapeutykami, zwłaszcza w połączeniu z innymi lekami przeciwnowotworowymi bądź radioterapią [49].
Inaczej niż w przypadku kwasów octowego, propionowego i masłowego, niewiele wiadomo na temat oddziaływania z układem immunologicznym innych SCFAs, takich jak rozgałęzione kwasy tłuszczowe – BCFAs (branched chain fatty acids), tj. kwas izomasłowy i izowalerianowy. Są one wspominane w literaturze jako inhibitory HDAC, stąd ich funkcja prawdopodobnie będzie podobna do funkcji kwasu masłowego [42].
Opisany wpływ metabolitów oraz elementów komórkowych
Dodatkowym argumentem, wskazującym na słuszność zastosowania
Duże zainteresowanie
Najwięcej uwagi badacze zdają się poświęcać relacjom między
Cukrzyca typu 2, czyli najczęstszy typ cukrzycy, to chroniczne zaburzenie metaboliczne stanowiące poważny problem zdrowotny na całym świecie. Wraz ze wzrostem liczby ludności i starzeniem się społeczeństwa liczba przypadków cukrzycy w latach 1980–2014 wzrosła ze 108 do 422 milionów. Prognozy zaś mówią, że w 2030 r. powikłania cukrzycy typu 2 stanowić będą siódmą główną przyczynę zgonów. Mimo że różne farmakologiczne metody leczenia cukrzycy są powszechnie dostępne, a ich działanie znacznie poprawia poziom życia osób chorych, to niestety ich stosowanie często wiąże się z występowaniem działań niepożądanych. Stąd w pierwszej kolejności zalecana jest odpowiednia dieta i zwiększenie aktywności fizycznej. Najnowsze badania podkreślają rolę mikrobioty jelitowej w trawieniu pokarmu oraz syntezie kluczowych metabolitów [52]. Wielu badaczy określa mikrobiotę jelitową jako kluczowy element organizmu modyfikujący metabolizm glukozy i lipidów, a zaburzenia w jej składzie mogą prowadzić do rozwoju otyłości i jej progresji do cukrzycy typu 2 [51].
W rozwoju otyłości i insulinooporności znaczącą rolę odgrywają zmiany proporcji między gatunkami mikrobioty. Początkowy zwiększony (w porównaniu z osobami o prawidłowej masie ciała) stosunek Firmicutes/Bacteroidetes i mniejsza liczebność Bacteroidetes, zaobserwowane zostały np. u 12 otyłych osób: dorosłych mężczyzn i kobiet, które następnie losowo przyporządkowano do grup przestrzegających niskotłuszczowej lub niskowęglowodanowej diety przez rok. Stosunek Firmicutes/Bacteroidetes wrócił do normy u osób, które w trakcie trwania badania uzyskały i utrzymały spadek masy ciała [53].
Również dieta powszechna w krajach zachodnich, czyli wysokotłuszczowa oraz wysokowęglowodanowa, przyczynia się do zmian w składzie mikrobioty jelitowej i może powodować dysbiozę jelitową, prowadząc przede wszystkim do proliferacji bakterii Gram-ujemnych, takich jak
Informacje te, choć liczne, stanowią jednak nadal jedynie opis korelacji. Stąd wielu badaczy przeprowadza badania
Z prozdrowotnym działaniem
Jak już wspomniano wcześniej, u bakterii hodowanych na podłożach niezawierających mucyny wzrosła (względem bakterii hodowanych na podłożach zawierających mucynę) ekspresja genów kodujących 78 innych, podobnych do Amuc_1100, białek błony zewnętrznej
W 2019 r. przeprowadzono wspomniane już wcześniej (zob. rozdział pod tytułem „Patogenność”) badanie wpływu suplementacji
Z przeprowadzaniem badań z udziałem pacjentów chorych na cukrzycę typu 2 wiążą się często dodatkowe komplikacje związane z czynnikami środowiskowymi wpływającymi na interpretację wyników. Nie można zapominać, że wpływ na stan mikrobioty u tych osób mają nie tylko ich choroba, lecz także przyjmowane leki oraz dieta. Wspomniana już wcześniej metformina jest lekiem pierwszego wyboru przepisywanym pacjentom od ponad 60 lat w terapii cukrzycy typu 2 (ze względu na jej bezpieczeństwo i pozytywne oddziaływanie na układ sercowo-naczyniowy). Efekt obniżenia poziomu glukozy we krwi pierwotnie przypisywany był redukcji przez metforminę wątrobowej glukoneogenezy. Niezależnie od tego stwierdzono, że ilość metforminy zakumulowanej w błonie śluzowej przewodu pokarmowego jest o wiele wyższa niż wykrywana w osoczu. Dodatkowo okazało się, że efekt obniżenia poziomu glukozy we krwi, wywołany zastosowaniem niedawno wynalezionych tabletek o przedłużonym uwalnianiu metforminy, mimo mniejszej jej biodostępności w takiej postaci, nie różni się zbytnio od efektu wywołanego taką samą dawką metforminy przyjętą w postaci preparatu o natychmiastowym uwalnianiu. Działanie tego leku jest także silniejsze w przypadku podania go bezpośrednio do jelit niż dożylnie. Z tego względu wydaje się możliwe, że metaboliczne korzyści przypisywane stosowaniu metforminy mogą być skutkiem jej oddziaływania na jelita. Zarówno u człowieka jak i u gryzoni wielokrotnie wykazano, iż lek ten zwiększa poziom GLP-1 we krwi. Wynika to z jego oddziaływania na zależny od glukozy efekt insulinotropowy i glukagonostatyczny oraz z opóźnienia opróżnienia gastrycznego [55]. Niedawne badania
Nieswoiste zapalenie jelit (IBD) jest przewlekłą chorobą przewodu pokarmowego, charakteryzującą się nadmierną odpowiedzią immunologiczną na mikrobiotę jelitową. Jest to poważna i wycieńczająca choroba, zwiększająca ryzyko raka jelita grubego i mogąca doprowadzić do zagrażających życiu komplikacji. Wyróżnia się dwie postacie IBD: chorobę Leśniowskiego-Crohna (CD) i wrzodziejące zapalenie jelita grubego (UC). W następstwie spotkania z antygenami, a także z metabolitami mikroorganizmów, które przedostały się przez barierę jelitową, komórki dendrytyczne (i inne komórki prezentujące antygen) inicjują kaskadę sygnałów pro- i przeciwzapalnych. Ich celem jest przyciągnięcie zarówno lokalnych, jak i krążących limfocytów w miejsce wystąpienia stanu zapalnego [58]. Wywołany stanem zapalnym wzrost ilości reaktywnych form tlenu czy azotu prowadzi do stresu oksydacyjnego oddziałującego zarówno na komórki gospodarza, jak i na mikrobiotę jelitową [59]. Skutkiem tego jest stan dysbiozy jelitowej polegający na zmniejszeniu bogactwa społeczności bakteryjnej i proliferacji fakultatywnych beztlenowców z rodziny
Liczne badania wykazały zmniejszenie liczebności
Choroby wątroby zalicza się do skomplikowanych zaburzeń metabolicznych, a jedną z ich przyczyn jest otyłość bądź wywołane nią zmiany w mikrobiocie jelitowej [61]. Liczne badania z udziałem zarówno zwierząt laboratoryjnych, jak i ludzi potwierdzają istnienie związku między dietą i mikrobiotą a stanem wątroby. Uprzednio pozbawione mikrobioty jelitowej myszy po przeszczepieniu im bakterii jelitowych pochodzących od myszy karmionych HFD (charakteryzujących się wysokim stężeniem glukozy we krwi), były bardziej podatne na rozwinięcie stłuszczenia wątroby oraz insulinooporności niż myszy z grupy kontrolnej, którym przeszczepiano mikrobiotę jelitową od zdrowych dawców [62]. Badania z udziałem ludzi wykazały natomiast znacznie mniejszą liczebność
Doustna suplementacja
W ostatnich latach odkryto, iż układ pokarmowy oraz ośrodkowy układ nerwowy połączone są ze sobą siecią komunikacyjną, zwaną osią jelito–mózg. Badania wykazały, że pośredniczy ona w dwukierunkowych interakcjach między mózgiem a jelitami (a konkretniej mikrobiotą jelitową). Głównymi jej elementami są ośrodkowy układ nerwowy, autonomiczny układ nerwowy, jelitowy układ nerwowy, a także oś podwzgórze–przysadka–nadnercza. Komunikacja na osi jelito–mózg zachodzi za pośrednictwem szlaków, które można podzielić na neuronalne, humoralne oraz immunologiczne i umożliwia integrację procesów zachodzących w jelitach (takich jak aktywacja odporności, przepuszczalność jelita, odruch jelitowy czy przekaźnictwo enteroendokrynne) z działaniem ośrodków emocjonalnych i poznawczych mózgu. Wiadomo, że mikrobiota jelitowa za pośrednictwem osi jelito–mózg może wpływać na ośrodkowy układ nerwowy. Wiele badań wskazuje na występowanie zaburzeń w składzie mikrobioty jelitowej, a w konsekwencji zaburzeń w komunikacji jelito–mózg w przebiegu niektórych chorób psychiatrycznych i neurologicznych [65].
Serotonina (5-HT, 5-hydroksytryptamina) jest neuroprzekaźnikiem w ośrodkowym układzie nerwowym (OUN) oraz hormonem regulującym liczne procesy w innych tkankach. Jej najlepiej poznane funkcje, związane z OUN, dotyczą kontroli nastroju, snu czy lęków [66]. W OUN, po aktywacji receptora 5-HTR przez serotoninę, jest ona wychwytywana zwrotnie z przestrzeni synaptycznej przez swoiste transportery. Zmiany w funkcjonowaniu tych receptorów i/lub transporterów są wiązane z licznymi schorzeniami neurologicznymi (schizofrenią, nałogami, spektrum zaburzeń autystycznych oraz zaburzeniami: nastroju, lękowymi i hiperkinetycznymi). OUN nie jest jednak głównym miejscem syntezy 5-HT, około 90% tego hormonu jest wytwarzane przez komórki enterochromafinowe jelita [65]. Wiadomo, że proces ten może być modulowany przez mikrobiotę jelitową i tym samym może pełnić ona kluczową rolę w procesach, w które zaangażowana jest 5-HT [67].
Wykazano, że
Zaburzenia ze spektrum autyzmu, w których często współwystępują także zaparcia, łączone są z dysbiozą jelitową polegającą na zwiększeniu stosunku Firmicutes/ Bacteroidetes oraz dużą liczbą fakultatywnych anaerobów, takich jak bakterie z rodzaju
W ostatnich latach w terapii różnych zaburzeń neurologicznych (w tym lekoopornej epilepsji, zaburzeń ze spektrum autyzmu, choroby Alzheimera i Parkinsona) stosowana była także dieta ketogenna (KD, ketogenic diet), która daje bardzo obiecujące wyniki. Polega ona na ograniczeniu spożycia węglowodanów celem stworzenia stanu ketozy, podczas którego organizm do wytwarzania energii będzie zużywał głównie ciała ketonowe, a nie glukozę. Początkowo zakładano, iż jej działanie wynika z normalizacji nieprawidłowego metabolizmu energetycznego, wiązanego z tymi chorobami. Obecnie uważa się, że i tu mikrobiota jelitowa może odgrywać pewną rolę [43]. Niedawno przeprowadzono badanie porównujące efekt zastosowania KD u myszy o naturalnej mikrobiocie jelitowej z efektem zastosowania KD u myszy traktowanych jednocześnie antybiotykami. Wyniki badania, w którym sprawdzano odporność tych myszy na elektrowstrząsy, wykazały, że do uzyskania przeciwpadaczkowego działania KD niezbędna jest obecność mikrobioty jelitowej [70]. W następstwie stosowania KD zaobserwowano także wzrost populacji bakterii z rodzajów
Przeszczep mikrobioty jelitowej (FMT, fecal microbiota transplantation) to kolejna opcja terapeutyczna, tym razem opierająca się na mikrobiocie pochodzącej bezpośrednio od zdrowego dawcy bądź standaryzowanej ludzkiej mikrobiocie jelitowej (SHGM, standarized human gut microbiota). SHGM składa się z mieszaniny zawierającej w ponad 99% komórki bakteryjne, do której stworzenia jako materiału wyjściowego użyto stolców zdrowych dawców, ściśle przebadanych pod kątem infekcji, chorób metabolicznych, gastrologicznych, neurologicznych czy zaburzeń rozwoju układu nerwowego [71]. W badaniu 18 autystycznych dzieci zastosowano terapię polegającą na doustnym bądź doodbytniczym podawaniu SHGM (poprzedzoną dwutygodniową terapią antybiotykami oraz przeczyszczeniem jelit w celu zniszczenia/usunięcia dotychczasowej mikrobioty). W badaniu zastosowano początkowo większą dawkę SHGM, a następie podawano pacjentom mniejszą dawkę SHGM codziennie przez 7–8 tygodni. Terapia spowodowała poprawę zachowania i 80% zmniejszenie bólu brzucha oraz symptomów ze strony układu pokarmowego. Poprawa utrzymała się po zakończeniu terapii, wspierając tym samym hipotezę, że przynajmniej częściowo za symptomy autyzmu odpowiedzialne są zaburzenia mikrobioty jelitowej [71].
Inną chorobą dotykającą układ nerwowy jest choroba Alzheimera (AD, Alzheimer’s disease), schorzenie neurodegeneracyjne o globalnym znaczeniu, pozbawione skutecznych metod łagodzenia jego przebiegu. Zespół metaboliczny, w tym otyłość i insulinooporność, stanowi jeden z kluczowych czynników ryzyka rozwoju choroby Alzheimera. Wpływ
Mimo iż w większości badań wysoki poziom
Astma charakteryzuje się nawracającą i odwracalną niedrożnością dróg oddechowych, wywołaną występującym w nich stanem zapalnym. Różne mechanizmy molekularne mogą prowadzić do podobnych objawów klinicznych, stąd też wyróżnia się różne typy astmy różniące się mechanizmami patofizjologicznymi. Aby prawidłowo zrozumieć złożone interakcje między wrodzoną i nabytą odpowiedzią immunologiczną w astmie, pod uwagę należy wziąć takie dodatkowe czynniki jak: stan mikrobioty jelitowej, dieta oraz aktywność metaboliczna pacjenta. Podejście takie umożliwia znalezienie terapii wymierzonej precyzyjnie przeciwko zaburzonym mechanizmom, odpowiedniej dla danego pacjenta. Jedną ze zmiennych wyróżniających poszczególne typy astmy jest otyłość. Otyli astmatycy częściej stają się oporni na stosowane w leczeniu astmy kortykosteroidy, co zwiększa u nich ryzyko hospitalizacji i cięższego przebiegu choroby. Badacze postanowili scharakteryzować zmiany zachodzące w układzie immunologicznym oraz mikrobiocie jelitowej u otyłych osób z astmą, aby sprawdzić, czy zmiany te są związane z astmą, otyłością czy obiema tymi przypadłościami. W badaniu udział wzięli otyli astmatycy, astmatycy o prawidłowej masie ciała, osoby otyłe niechorujące na astmę oraz osoby zdrowe o prawidłowej masie ciała. Okazało się, że otyłość koreluje z podniesionym poziomem markerów stanu zapalnego, który dodatkowo wzrastał w przypadku wystąpienia astmy. U obu grup astmatyków zaobserwowano także negatywną korelację między liczbą
Związki
Receptor śmierci programowanej 1 (PD-1, programmed death receptor 1) to receptor występujący na powierzchni komórek limfocytów T, B oraz komórkach linii mieloidalnej, pełniący funkcję regulatora układu odpornościowego. Może promować autotolerancję przez hamowanie odpowiedzi zapalnej limfocytów T. PD-1 stanowi tzw. punkt kontrolny (check point) o podwójnej funkcji: indukuje apoptozę w komórkach limfocytów T antygenoswoistych oraz redukuje apoptozę limfocytów T regulatorowych, które przez hamowanie aktywności układu odpornościowego zapobiegają chorobom autoimmunologicznym. To drugie działanie może jednak prowadzić także do zahamowania odpowiedzi układu odpornościowego na komórki nowotworowe [75].
Początkowe obserwacje wykazały, że pacjenci odpowiadający pozytywnie na terapię anty-PD-1 charakteryzowali się zwiększoną liczbą
W innym badaniu relacje między mikrobiotą a efektywnością terapii zostały przebadane w grupie 249 pacjentów z nowotworami płuc, nerek i pęcherza, u których stosowano terapie anty PD-1. Pacjenci, którzy przyjmowali antybiotyki przed terapią i po niej, wykazywali słabszą odpowiedź na terapię i krótszy czas przeżycia niż pacjenci, którzy nie otrzymali antybiotyków. W jelitach pacjentów odpowiadających pozytywnie na terapię obserwowano zwiększoną liczebność
Dzięki rozwojowi antybiotykoterapii czy powszechności szczepionek możliwe stało się opanowanie bądź całkowite wyeliminowanie wielu zakaźnych chorób bakteryjnych. Obecnie w krajach kultury zachodniej większe zagrożenie stanowią złożone zaburzenia metaboliczne oraz ich powikłania. Choroby sercowo-naczyniowe, cukrzyca typu 2, zespół metaboliczny, nowotwory nie tylko znacząco pogarszają jakość życia, ale mogą prowadzić także do śmierci pacjenta. Za rozwój większości tego typu zaburzeń jest odpowiedzialnych nie jeden, a wiele czynników o różnym charakterze (w tym zarówno czynniki środowiskowe, jak i predyspozycje genetyczne). Są to także schorzenia dotykające nierzadko różnych narządów czy układów. Z tych powodów nie jest łatwo opracować preparat, który skutecznie walczyłby z chorobą. Stąd też, poza leczeniem farmakologicznym, w przebiegu licznych chorób ważny jest zdrowy tryb życia, uwzględniający przede wszystkim odpowiednią do zapotrzebowania pacjenta dietę oraz ćwiczenia fizyczne, ale także odpowiednią ilość snu czy wypoczynku.
Choć zbawienny wpływ zdrowego trybu życia na profilaktykę i leczenie wielu chorób wydaje się oczywisty, to mechanizmy odpowiadające za to działanie nie są dokładnie poznane. Jednym ze sposobów ich odkrycia jest porównywanie wielu parametrów między osobami zdrowymi a cierpiącymi na różne schorzenia. Funkcjonowanie mikrobioty jelitowej było jednym z takich parametrów i okazało się, że wyraźnie koreluje ze stanem zdrowia gospodarza. To z kolei spowodowało ogromne zainteresowanie relacjami przyczynowo-skutkowymi między różnymi gatunkami mikrobioty a patogenezą chorób. Poszukując, wśród gatunków zasiedlających układ pokarmowy człowieka, bakteryjnych kandydatów na probiotyki nowej generacji, badacze trafili na
Liczne badania na zwierzętach laboratoryjnych oraz mniej liczne z udziałem ludzi zdają się potwierdzać, iż suplementacja
Dotychczasowe dane słusznie sugerują, że