Bakterie układu pokarmowego wpływają na rozwój naszego mózgu

Przez żołądek do głowy: Czyli jak bakterie układu pokarmowego wpływają na rozwój naszego mózgu?

– Fakt, że nasz układ pokarmowy zamieszkują ogromne ilości bakterii nikogo już dziś nie dziwi. Jednak najnowsze badania naukowe ujawniające nieznane dotąd funkcje naszego mikrobiomu zakrawają na prawdziwą sensację. Ostatnie dwie dekady przyniosły wiele rewolucyjnych odkryć w temacie mikrobiomu jelitowego – wskazuje prof. Łukasz Krych, dyrektor ds. badań i rozwoju genXone, profesor Uniwersytetu w Kopenhadze.

Prof. Łukasz Krych – Pierwszym zaskoczeniem jest ilość i różnorodność bakterii zamieszkujących nasz układ pokarmowy. To, co przez lata wydawało nam się być niewielką wioską bakterii, teraz okazało się prawdziwą metropolią zamieszkaną przez setki różnych gatunków, których funkcje nie ograniczają się jedynie do pomocy w trawieniu. Oszacowano, że ich całkowita liczba wynosi mniej więcej tyle samo co liczba komórek budujących całe nasze ciało, a ich łączna masa sięga do 0,2 kg. Oznacza to, że stając na wadze możesz śmiało odjąć 200 gramów na same bakterie znajdujące się w Twoich jelitach (1).

Kolejne badania wykazały zależności pomiędzy mikrobiomem a licznymi zaburzeniami układu immunologicznego prowadzącymi między innymi do chorób takich jak: cukrzyca, otyłość, astma, nieswoiste zapalenie jelita czy łuszczyca, ale także zaburzenia psychiczne, w tym depresja. Jednym z bardziej reprezentacyjnych badań w tej dziedzinie było to, w którym pobrano bakterie od myszy cierpiących na otyłość i przetransplantowano je w jelita szczupłych myszy. Szczupłe myszy w niedługim czasie zaczęły przybierać na wadze pomimo stosowania niezmiennie tej samej diety. Ponadto transplantacja bakterii od szczupłych myszy do otyłych spowodowała, że otyłe myszy nagle zaczęły chudnąć. Okazało się bowiem, że pewne grupy bakterii efektywniej rozkładają to, co jemy dostarczając tym samym więcej kalorii. Właśnie dlatego osoby posiadające takie bakterie mogą łatwiej przybierać na wadze niż osoby, których bakterie są mniej „wydajne” w rozkładzie pokarmów (2).

– Jak zapewnić sobie „dobry” pakiet bakterii?

– Kiedy przychodzimy na świat, nasz układ pokarmowy jest w zasadzie sterylny. Poszczególne bakterie zaczynają kolonizować jelito poprzez pierwszy kontakt ze środowiskiem zewnętrznym. Pierwsze bakterie pochodzą zwykle z kontaktu z drogami rodnymi oraz skórą matki, a ich główną pożywką jest mleko matki. Układ immunologiczny niemowlaka w kontakcie z nowymi przybyszami jest stymulowany i w pewnym sensie uczy się, by je tolerować. Badania naukowe wykazały, że proces kolonizacji bakterii na wczesnym etapie życia jest niezwykle ważny dla prawidłowego rozwoju układu immunologicznego. Wszelkie zaburzenia mikroflory jelitowej na tym etapie mogą skutkować wystąpieniem wspomnianych wyżej chorób w późniejszym czasie.

– Jak to możliwe by bakterie wywołały chorobę autoimmunologiczną?

– Sama obecność bakterii nie jest powodem wystąpienia choroby autoimmunologicznej, jednak przyczynia się ona do wystąpienia szeregu zdarzeń, które ostatecznie prowadzą do powstania niektórych schorzeń. Obrazując – u małego Jasia doszło do zakłócenia naturalnego procesu kolonizacji bakterii wskutek na przykład wczesnej antybiotykoterapii. Bakterie, które ostatecznie skolonizowały jego jelito, okazały się więc niewystarczające do prawidłowego rozwoju układu immunologicznego. Spowodowało to, że w późniejszym okresie życia układ odpornościowy Jasia zaczyna zwalczać „dobre” bakterie układu pokarmowego. Długotrwały stan zapalny prowadzi do uszkodzenia trzustki i w efekcie zaburzeń w produkcji insuliny, przez co dorosły Jan cierpi na cukrzycę.

– Skąd zaburzenia w naturalnym procesie kolonizacji bakterii?

– Zaburzenia w kompozycji bakterii jelitowych, określane jako dysbioza jelitowa, mogą być wynikiem wielu czynników. Do najbardziej opisanych należą: poród przez cesarskie cięcie, karmienie wyłącznie sztucznym mlekiem lub wczesne i długotrwałe antybiotykoterapie.

Zespół naukowców z uniwersytetu w Kopenhadze wykazał, że myszy, które przyszły na świat poprzez cesarskie ciecie miały wyraźnie odmienną florę bakteryjną w porównaniu z myszami, które przyszły na świat w sposób naturalny. Miało to bezpośrednie przełożenie na ich układ immunologiczny, który u myszy po cesarskim cieciu był jednoznacznie gorzej rozwinięty (3). W najnowszym badaniu zauważyliśmy dodatkowo związek pomiędzy sposobem urodzenia a zmianami behawioralnymi. W prostych słowach: myszy, które przyszły na świat przez cesarskie cięcie prezentowały wyższy stan lękowy, obniżoną aktywność ruchową oraz niższe zainteresowanie innymi myszami. Nasze badania wspierają hipotezę ścisłego powiązania flory jelitowej z rozwojem i funkcjonowaniem mózgu opisywanej jako oś jelitowo-mózgowa (4).

W jednym z pierwszych badań nad florą jelitową zespołowi naukowców z Kopenhagi udało się zmniejszyć ryzyko wystąpienia cukrzycy u myszy poprzez zmianę kompozycji ich mikrobiomu (5). Co ciekawe, można było to zrobić wyłącznie na wczesnym etapie życia, gdy ich układ odpornościowy jeszcze nie zaczął się rozwijać. Ingerencja w mikrobiom u dorosłych myszy nie przyniosła żadnego efektu. Badanie to było jednym z pierwszych udowadniających związek pomiędzy mikrobiomem a wystąpieniem chorób o podłożu autoimmunologicznym. Teraz okazuje się, że nie tylko zdrowie fizyczne, ale i psychiczne zależy od mikrobiomu.

– Jak to możliwe, że bakterie mogą wpływać na nasze samopoczucie?

– Podobnie jak w przypadku chorób autoimmunologicznych, bakterie są pierwszym dominem w szeregu reakcji prowadzących do zmian neurologicznych. Dzieje się to poprzez stymulację innych systemów, takich jak neuroendokrynny, układ nerwowy neuroimmunologiczny czy też układ nerwowy autonomiczny. Dokładny mechanizm nie jest jeszcze poznany, ale wygląda na to, że mikrobiom może być odpowiedzią na dotychczas niewyjaśnione zaburzenia, takie jak np. autyzm czy depresja. Niewątpliwie przed nami jeszcze wiele interesujących odkryć z mikrobiomem jelitowym w roli głównej.

– Jak sprawdzić swoje bakterie?

– Do tej pory w analizach mikrobiomu jelitowego wykorzystywane były w większości metody genetyczne oparte o sekwencjonowanie regionu genu 16S rRNA. Jednak mało kto wie, że ten sposób badania nie może być analizowany ilościowo. Otóż zawarty w tym regionie procentowy udział bakterii nie odzwierciedla ich prawdziwego udziału, a jedynie kopie genów, które niestety nie przekładają się na rzeczywistą ilość samych bakterii. Dodatkowo metoda ta jest dość ograniczona taksonomicznie. Co to oznacza? Gdyby gatunki bakterii były samochodami to testy genetyczne w oparciu o sekwencjonowanie genu 16S rRNA powiedziałyby nam jedynie, że mamy w asortymencie auta niemieckie, japońskie i francuskie. Natomiast informacja, której potrzebujemy do precyzyjnej analizy – to konkretne modele pojazdów. Takiej informacji dostarcza wyłącznie technika sekwencjonowania całogenomowego.

***

Spółka genXone prowadzi aktualnie projekt badawczo-rozwojowy NANOBIOME, którego celem jest charakterystyka mikrobiomu jelitowego Polaków. Dodatkowym atutem projektu realizowanego przez spółkę jest wykorzystanie w tym celu nanoporowej technologii sekwencjonowania, która zapewnia najdłuższe możliwe odczyty nukleotydów. Połączenie tej technologii z metodą badania całogenomowego gwarantuje najbardziej precyzyjną analizę i identyfikację bakterii zasiedlających jelita.

Prof. Łukasz Krych – dyrektor ds. badań i rozwoju genXone, profesor Uniwersytetu w Kopenhadze. Jeden ze światowych pionierów badań nad związkiem mikrobiomu jelitowego oraz zdrowiem i chorobami w modelach ludzkich i zwierzęcych. Posiada doświadczenie w szerokim zakresie technik molekularnych oraz analizie danych sekwencjonowania nowej generacji (Next Generation Sequencing). Inicjator i opiekun naukowy projektu NANOBIOME spółki genXone.

Sender, R., Fuchs, S. & Milo, R. Revised Estimates for the Number of Human and Bacteria Cells in the Body. PLoS Biol. (2016). doi:10.1371/journal.pbio.1002533
Turnbaugh, P. J. et al. An obesity-associated gut microbiome with increased capacity for energy harvest. 444, 1027–1031 (2006).
Zachariassen, L. F. et al. Cesarean section increases sensitivity to oxazolone-induced colitis in C57BL/6 mice. Mucosal Immunol. (2019). doi:10.1038/s41385-019-0207-8
Fisker, L. et al. Physiology & Behavior Effects of delivery mode on behavior in mouse offspring. Physiol. Behav. 230, (2020).
Hansen, C. H. F. et al. Early life treatment with vancomycin propagates Akkermansia muciniphila and reduces diabetes incidence in the NOD mouse. Diabetologia 55, 2285–2294 (2012).