The Human Gastrointestinal Tract Microbiome – Selected Data

Współczesny człowiek na każdym kroku styka się z mikroskopijnymi zarazkami, które często postrzegane są jako nasi „wrogowie”, kojarząc je głównie z mikroorganizmami o właściwościach patogennych. Lata badań nad nimi prowadzone przez mikrobiologów przyczyniły się do opracowania zabiegów profilaktycznych w postaci szczepionek zabezpieczających przed zainfekowaniem się nimi. Jednym z wielkich naukowców – mikrobiologów był Ludwik Pasteur, który opracował szczepionkę przeciw takim chorobom bakteryjnym jak wąglik, pastereloza drobiu, różyca świń, a przede wszystkim przeciw chorobie wirusowej, śmiertelnej dla człowieka, jaką jest wścieklizna. W dzisiejszej dobie oprócz już wielu opracowanych szczepionek, możemy sięgać po chemioterapeutyki i antybiotyki w celu likwidacji mikroorganizmów stanowiących grupę tzw.: „wrogów”. Nierzadko jednak czynimy tym sposobem więcej szkody, niż pożytku, gdyż ich eradykacja powoduje szkodliwe skutki wobec ludzkiego organizmu, bo wśród nich są mikroorganizmy egzystujące w symbiozie z organizmem człowieka [1, 29, 71]. Wynika i wiąże się to z faktem, że wiele społeczności mikroorganizmów od zarania dziejów to nasi „sojusznicy”, odpowiedzialni za niezliczoną ilość interakcji, zarówno pomiędzy ludzkim organizmem jak i pomiędzy sobą, przez co tworzą one “tarczę” ochronną, w powiązaniu z układem immunologicznym makroorganizmu [17, 79, 94]. Także ich wzajemne oddziaływania w tym na makroorganizm, układają się w dość zawiłą “mapę”, co powoduje, że mikroorganizmy oraz balans w proporcjach ich populacji, w sposób bardzo istotny wpływa na zachowanie homeostazy, w tym status odpornościowy organizmu [17, 41, 79, 87, 94]. Wykazano także, że oddziaływanie mikroorganizmów, warunkuje wiele stanów patologicznych m.in. choroby o podłożu immunologicznym, choroby metaboliczne, a nawet nowotworowe [1, 23, 40, 44, 71, 79, 92, 94, 102]. Stany te warunkowane są i tym, że więcej niż połowę komórek w organizmie człowieka stanowią mikroorganizmy przekraczające liczbę 100 trylionów, z czego większość kolonizuje przewód pokarmowy w postaci mikroorganizmów symbiotycznych i komensalnych [71, 102]. Właśnie bakterie symbiotyczne i komensalne zapewniają “ochronę” człowieka przed bakteriami chorobotwórczymi, stąd niszczenie ich stosując choćby chemioterapeutyki, powoduje wyjałowienie organizmu, co prowadzi do zachwiania w ich równowadze i dysbiozę [44]. Charakteryzując skład mikrobiomu należy dodać, że składa się on nie tylko ze „społeczności” mikroorganizmów symbiotycznych i komensalnych, ale także chorobotwórczych [66, 102]. Taki układ ekologiczny mikrobiomu u ssaków, w tym ludzi, jest bardzo dynamiczny, bo zmienia się w zależności od miejsca i trybu życia makroorganizmu, predyspozycji genetycznych, wieku, płci oraz diety, wliczając także stosowanie prebiotyków, probiotyków i ksenobiotyków [102, 114, 120]. Stąd przyjmuje się, że ssaki, w tym człowiek, wraz ze swoim mikrobiomem tworzą “superorganizm” [93].

Przewód pokarmowy człowieka, który osiąga długość nawet do 7,6 metra, stanowi “dom” dla wielu różnorodnych mikroorganizmów [48]. Mikrobiom przewodu pokarmowego człowieka, tworzą bakterie, archeony, wirusy i grzyby, tworzące swoiste konsorcjum oddziaływujące wzajemnie na siebie, a które można przyrównać do “lasu deszczowego” [10, 102]. Dzieli się on na mikrobiom rdzeniowy – stały i mikrobiom zmienny [110]. Mikrobiom rdzeniowy tworzą dominujące gatunki mikroorganizmów, które znajdują się w różnych częściach zdrowego organizmu, uniwersalne dla większości populacji ludzkiej, natomiast mikrobiom zmienny będąc specyficzny dla danej osoby, ewoluuje w odpowiedzi m.in. na styl życia, miejsce zamieszkania czy jej dietę [110]. Efektem tego występujące w mikrobiomie rodzaje, gatunki i szczepy bakterii, archeonów, wirusów i grzybów, są specyficzne, odmienne i wyjątkowe dla danego osobnika, co można porównać do “odcisku palca” [28]. To konsorcjum mikroorganizmów w przewodzie pokarmowym pełni wiele istotnych funkcji m.in. tworzy ochronę przed patogenami, syntezuje witaminy i bierze udział w wytwarzaniu energii, przez co często określane jest jako “zapomniany organ” [17, 102].

Bakterie występujące i tworzące mikrobiom przewodu pokarmowego stanowią drugą po bakteriofagach największą grupę mikroorganizmów, bo zarejestrowano w jelitach ponad 1000 gatunków bakterii jelitowych, których liczba wciąż rośnie [102]. Dethlefsen i wsp.[28] przyjmują, że co najmniej 80% wszystkich gatunków bakterii w jelitach ludzkich jedynie identyfikować można metodami genetycznymi [64, 102, 110]. Niezależnie od tego faktu bakterie tworzące mikrobiom przewodu pokarmowego, zwiększają swoją liczbę także poprzez zdolność do spontanicznych mutacji i horyzontalnego transferu genów, przez co cechują się dynamiczną adaptacją do zmieniających się warunków, w tym nabywania oporności na działanie chemioterapeutyków [17]. Te jednokomórkowe mikroskopijne mikroorganizmy o tendencji do wszędobylskości i kolonizujące niemal każdy zakątek naszego organizmu, a także wiele środowisk naszego życia, cechują się dużą różnorodnością, choćby w zakresie wielkości. Otóż występująca w środowisku wodnym Thiomargarita namibiensis może osiągnąć 750 μm i być widoczna gołym okiem, za to Francisella tularensis kolonizująca organizm ssaków, w tym ludzki, ma jedynie 0,2 μm [104, 116, 117]. Pod względem morfologii bakterii można je podzielić na formy cylindryczne, kuliste, spiralne i nietypowe, zaś ze względu na metabolizm wyodrębnić można wśród nich, bakterie beztlenowe i tlenowe, zaś ze względu na grubość ich ściany komórkowej, bakterie Gram− i Gram+ [86]. Rozmnażanie bakterii zachodzi głownie na drodze bezpłciowej i odbywa się poprzez podział komórki bakteryjnej, z której powstają dwie identyczne komórki potomne [59, 112]. Opisano także u nich podział asymetryczny [83], rozmnażanie przez pączkowanie [55] oraz procesy parapłciowe – transdukcję [3, 121]. Tempo rozmnażania ich jest bardzo duże, bo potrafią w prawie każdym biotypie w dynamiczny sposób dostosowywać swój metabolizm do swoiście wydajnego wykorzystania wszystkich dostępnych składników odżywczych, nawet wbrew zmieniającym się warunkom [12].

Drugą grupą mikroorganizmów tworzących mikrobiom przewodu pokarmowego są archeony, których nazwa pochodzi od greckiego słowa „archaios” oznaczającego „prymitywny” lub „starożytny” [98]. Archeony to organizmy prokariotyczne, żyjące w warunkach termofilnych, ale także mające zdolność rozwoju i przetrwania nawet w warunkach ekstremalnych jak np. w podwodnych hydrotermalnych kominy [5, 37, 48, 63, 98]. Bytują one w warunkach mezofilnych w organizmach ssaków, w tym człowieka [5, 37, 48, 63, 98]. Archeony jako składowe mikrobiomu przewodu pokarmowego człowieka, badane były w mniejszym stopniu niż bakterie. Szacuje się, że w jelitach u ludzi archeony mogą stanowić do 21,1% wszystkich mikroorganizmów, przez co regulują i wpływają na mikrobiom tego biotopu [5, 7, 58, 81]. Większość z nich w ludzkim przewodzie pokarmowym to archeony metanogenne, cechujące się syntrofią bazującą na transporcie wodoru pomiędzy metanogennymi archeonami, a innymi rodzajami mikroorganizmów [58, 81]. Niektóre z nich metabolizują metan i redukują tym samym poziom wodoru, co stymuluje wzrost bakterii sacharolitycznych, choć także opisano archeony uczestniczące w metabolizmie węglowodanów [5, 113]. Archeony mogą być w pewnym stopniu powiązane z chorobami u ludzi [37]. Ich elementy procesów informacyjnych, bardziej przypominają eukariotyczne niż bakteryjne odpowiedniki, choć czasami są wspólne dla domeny Eukaryota i Prokaryota [42]. Cechują się one odmienną w stosunku do bakterii budową ściany komórkowej, w której brak peptydoglikanu, a ich błona posiada wiązania eterowe oraz występują u nich specyficzne enzymy i szlaki metaboliczne [33, 37, 54, 62, 81, 98]. Mają one wielkość od 0,1 μm do 15 μm i podobnie jak w przypadku bakterii, mogą przybierać kształt kulisty, cylindryczny i spiralny, choć także rejestruje się kształty nietypowe [33, 37, 116]. Brak u nich mitochondriów, aparatu Golgiego, retikulum endoplazmatycznego i lizosomów, zaś obecne u nich rybosomy, są zbliżone swoją strukturą do występujących u bakterii [33]. Rozmnażanie u archeonów podobnie jak u bakterii odbywa się drogą bezpłciową przez podział komórkowy, bądź poprzez pączkowanie [32]. Ich struktura genetyczna, a także ich szlaki transkrypcyjne i translacyjne, są bardziej podobne do domeny Eucaryota [5, 62].

Trzecią grupą zarazków, które tworzą mikrobiom przewodu pokarmowego ssaków, w tym człowieka są wirusy, które nie posiadają struktury komórkowej z organellami i układem metabolicznym [13]. Ich nazwa pochodzi od łacińskiego słowa vīrus oznaczającego truciznę/śluz, bądź jad [39]. Wirusy są najliczniejszymi jednostkami biologicznymi na Ziemi i wszechobecnymi pasożytami form życia komórkowego, w tym w przewodzie pokarmowym [100]. Ich wielkość może się wahać od rozmiaru około 18–26 nm u parwowirusów, do 250 nm – 2000 nm u wirusów olbrzymich [19, 27, 62, 90]. Wirusy zbudowane są z kapsydu o symetrii helikalnej lub kubicznej z zamkniętym w środku kwasem nukleinowym w postaci DNA lub RNA, będącym kodem genetycznym, który służy do replikacji wirusów [100]. Wirusy, podobnie jak bakterie, mutują, ale także ewoluują i adaptują się do układu odpornościowego gospodarza, co pozwala im kolonizować i infekować wiele makroorganizmów, w tym nie tylko ssaków ale także rośliny, bakterie, archeony oraz wirusy olbrzymie np. wirusy z rodziny – np. Mimiviridae, infekujące m.in. pierwotniaki występujące w ludzkich jelitach [15, 19, 27, 60, 65, 100]. W tej części przewodu pokarmowego człowieka (jelitach) zidentyfikowano ponad 140 000 gatunków wirusów, z których większość stanowią bakteriofagi [13], a których jest co najmniej dziesięciokrotnie więcej niż bakterii [13, 76, 99]. Laceuit i wsp. [65] wykazali że w treści jelit człowieka bez określenia w którym odcinku, zarejestrowano wirusy ssacze rodziny Picornaviridae (rodzaj Enterovirus, Parechovirus, Cardiovirus i Salivirus), Picobirnaviridae (rodzaj Picobirnavirus), Astroviridae (rodzaj Astrovirus), Reoviridae (rodzaj Rotavirus), Caliciviridae (rodzaj Norovirus, Sapovirus), Adenoviridae (rodzaj Mastadenovirus C and F i inne), Anelloviridae (rodzaj Anellovirus), Cycloviridae (Circovirus, Cyclovirus) i Parvoviridae (Bocavirus). Inne badania [7] wykazały w jamie ustnej, nosie, płynie gardłowym i ślinie, że zawartość wirusów waha się od 10⁹ cząstek na gram do 10⁸ na mililitr i są to głównie bakteriofagi. W płytce nazębnej stwierdzono 10¹⁰ cząsteczek wirusowych na miligram płytki [68, 74, 108].

Następną grupę mikroorganizmów tworzących mikrobiom przewodu pokarmowego człowieka stanowią grzyby, które są organizmami eukariotycznymi i heterotroficznymi, a ich populację określa się jako mykobiom [86]. Cechą charakterystyczną grzybów jest tworzenie sieci rozgałęzionych kanalikowych komórek, które tworzą grzybnię oraz występowanie w ich ścianie komórkowej ergosterolu jako substancji przypominającej cholesterol błon komórkowych ssaków oraz chitynę (30, 78, 97). Grzyby tworzą także mikroskopijne, odporne na czynniki zewnętrzne, zarodniki o wielkości od 3 do 30 mikronów, służące do ich rozprzestrzeniania i pełniące rolę propaguli, cechujące się dużą różnorodnością kształtów oraz pigmentacją [30, 78, 97]. Rozmnażanie grzybów może być bezpłciowe i zachodzi przez fragmentację grzybni, bądź poprzez wytwarzanie zarodników lub na drodze blastokonidiogenezy zwanej potocznie pączkowaniem oraz płciowe odbywające się poprzez zlewanie się ze sobą różnoimiennych strzępek grzybni [78]. Mykobiom ludzkiego przewodu pokarmowego i w stosunku do bakteriomu stanowi tylko około 0,03–2% mikroorganizmów, stąd określa się go jako “rzadką biosferę” w ludzkim mikrobiomie [73, 109]. Niemniej jednak, wpływa on na homeostazę makroorganizmu [36, 111], mimo że charakteryzuje się mniejszym zróżnicowaniem w stosunku do bakterii i wirusów [109]. Komórki grzybów ze względu na to, że są około 100 razy większe niż komórki bakteryjne, mimo mniejszej ich ilości, stwarzają stosunkowo dużą biomasę [73, 80].

Mikrobiom przewodu pokarmowego człowieka, to jest jamy ustnej, gardła, przełyku, żołądka, jelita cienkiego i grubego, tworzy swoisty jakościowo-ilościowy bogaty i zróżnicowany, swoisty ekosystem [96]. Jest on nadal ciągle poznawany i wzbogacany wiadomościami z zakresu jego nowych “elementów” w wyniku stosowania metod bioinformatycznych, molekularnych oraz sekwencjonowania metagenomowego, które to metody umożliwiają lepszą jego analizę [1, 17, 61, 102, 110].

Mikrobiom przewodu pokarmowego człowieka pod względem jego elementów składowych (bakterii, archeonów, wirusów i grzybów) w jego poszczególnych odcinkach jest bardzo zróżnicowany. Najliczniej reprezentowaną jego składową są bakterie, a najuboższą zarówno w kontekście ilościowym i jakościowym archeony. Wirusy reprezentowane są w tym biotopie w ilościach pośrednich między bakteriami, a grzybami. Natomiast rozpatrując ich ilości w poszczególnych odcinkach przewodu pokarmowego, najbardziej obfitym w gatunki mikrobiomem jest środowisko jelita grubego i jamy ustnej, a najuboższym gardło i przełyk (tab. I–VII). Wśród mikrobiomu przewodu pokarmowego bakterie występują we wszystkich jego odcinkach, z tym że reprezentowane najliczniej są w jamie ustnej i jelicie cienkim, zaś najmniej w gardle i przełyku, natomiast archeony najliczniej zostały opisane w jelicie grubym i jamie ustnej, a nie stwierdzono ich w gardle i w jelicie cienkim. W przypadku wirusów stwierdza się, że najliczniej reprezentują one odcinek jelicie grubego oraz jamę ustną, a nie stwierdzono ich w żołądku, natomiast grzyby są najobficiej stwierdzane w jelicie grubym i żołądku, a najmniej w gardle i jelicie cienkim.