Naturalna flora bakteryjna: uniwersalna czy zmienna

Ludzki mikrobiom jelitowy (flora jelitowa) to ogół mikroorganizmów: bakterii, wirusów, grzybów pierwotniaków przebywających w układzie pokarmowym.

W ciągu milionów lat ewolucji organizm człowieka wraz z zasiedlającymi go mikroorganizmami, zbudował szereg interakcji o charakterze mutualistycznym, bez których nie mogłoby zachodzić wiele procesów życiowych. Komórek bakteryjnych zasiedlających nasz organizm jest więcej (90 %) niż komórek naszego ciała (10 %). W związku z tym, można się zastanawiać czy człowiek nie jest właściwie „superorganizmem” złożonym z komórek własnych i będących jego rezydentami [9].

Skład jakościowy i ilościowy mikrobiomu

Skład jakościowy i ilościowy mikrobiomu jelitowego ma istotne znaczenie dla prawidłowego zdrowia człowieka [14]. Mikroflora przewodu pokarmowego jest układem dynamicznym, który ulega różnym modyfikacjom w czasie trwania życia człowieka. Skład mikroflory jest zależny między innymi od wieku, stanu fizjologicznego, rodzaju diety, mechanizmów odpornościowych, rodzajów stosowanych leków oraz wielu innych czynników zarówno endogennych, jak i egzogennych.Przewód pokarmowy człowieka, w zależności od wartości pH i warunków tlenowych jakie panują w poszczególnych odcinkach tego układu, jest zasiedlony przez różne grupy bakterii. Mogą to być bakterie tlenowe, względnie beztlenowe i obligatoryjnie beztlenowe [1, 9, 36].

Żołądek, z wyjątkiem odźwiernika, jest najmniej zasiedlony przez mikroorganizmy. Dzieje się tak ze względu na bardzo niskie pH soku żołądkowego – u zdrowej osoby nawet poniżej 3,0. Takie warunki dla większości bakterii są zabójcze. Jednak podczas posiłku pH kwasu żołądkowego podwyższa się – masy pokarmowe buforują kwas żołądkowy. Pozwala to niektórym mikroorganizmom, wraz treścią żołądkową, przejść do dalszych odcinków przewodu pokarmowego. W ten sposób przedostają się do jelita cienkiego bakterie występujące naturalnie w ślinie (głównie: rodzaju Streptococcus, Staphylococcus, Neiseria), a także niektóre bakterie chorobotwórcze obecne w pokarmie. U ludzi odżywiających się pokarmem z wysoka zawartością błonnika w żołądku mogą występować specyficzne rodzaje bakterii, ale trwałe zasiedlenie żołądka przez mikroorganizmy jest skutkiem podwyższenia pH kwasu żołądkowego [1, 9].

Jelito cienkie i jelito grube

Jelito cienkie to odcinek przewodu pokarmowego w którym zachodzi proces trawienia pokarmu i absorpcji powstałych w wyniku trawienia substancji odżywczych. W jelicie cienkim absorbowane jest 90 % strawionego pokarmu. Warunki panujące w jelicie cienkim, podobnie jak w żołądku, nie są korzystne dla wielu bakterii – przesądza o tym nadal niskie pH – rzędu 5,0. W jelicie cienkim występują bakterie rodzaju: Lactobacillus, Bacteroides, Bifidobacterium, Clostridium, Fusobacterium, a ze znanych gatunków: Escherichia coli i Enterobacter faecalis [1].

Jelito grube to jeden z najbardziej złożonych, jeden z najbogatszych ekosystemów jakie zna człowiek. Treść pokarmowa zalega w jelicie grubym około 60 godzin. W jelicie grubym następuje rozkład tych składników pożywienia, które nie zostały rozłożone w jelicie cienkim. Węglowodany są degradowane (za pomocą enzymów produkowanych przez bakterie) w początkowym odcinku jelita grubego, a białka w końcowym. Efektem degradacji zarówno węglowodanów i białek są krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe oraz gazy (metan, dwutlenek węgla i wodór w ilości około 0,5 do 4 litrów gazów dziennie). Pierwszy odcinek jelita grubego jest miejscem gdzie następuje intensywny wzrost liczby bakterii – która dochodzi do 10¹² i więcej komórek bakterii w 1 g treści jelitowej. Podstawowym zadaniem mikroorganizmów zasiedlających jelito grube jest dostarczanie produktów fermentacji węglowodanów i białek, jako substratów do dalszych przemian energetycznych w organizmie gospodarza [5]. Głównymi produktami rozkładu węglowodanów i białek w jelicie grubym są kwasy tłuszczowe: octowy, propionowy i masłowy, a także mlekowy i bursztynowy. Rozkład tych kwasów dostarcza organizmowi gospodarza około 10 % całej potrzebnej energii [1, 9].

W jelicie grubym występuje około 500 do 1000 gatunków i około 7000 szczepów bakterii. Dominują cztery typy (Formicides, Bacteroidetes, Proteobacteria i Actionobacteria) z 55 typów bakterii obecnych w treści jelita. Gatunki do nich należące stanowią 98 % wszystkich bakterii występujących w jelicie grubym. Są to między innymi: Clostridium spp., Lactobacillus spp., Bifidobacterium spp., Streptococuss spp., Bacterioides spp. Escherichia coli. Oprócz bakterii autochtonicznych w jelicie grubym występują także patogeny takie jak Salmonella, Shigella, Yersinia czy enterokrwotoczne Escherichia coli [1, 36].

Stał wzrost poziomu wiedzy na temat mikrobiomu jelitowego człowieka prowadzi nieuchronnie do pytania jak zdefiniować „normalny” ludzki mikrobiom i czy w ogóle coś takiego istnieje. Zastosowanie metod biologii molekularnej umożliwia poznanie metagenomu flory jelitowej. Wyniki badań genetycznych dostarczają dowodów na zróżnicowanie mikrobiomu nie tylko w obrębie populacji, ale także poszczególnych ludzi. Ogólnie przyjmuje się, że u ludzi dorosłych mikrobiom jelitowy jest stabilny na poziomie taksonów dominujących: Bacteroidetes, Firmicutes i Actinobacteria, różnice występują na poziomie gatunków i szczepów bakterii. Nawet bliźnięta monozygotyczne mają jedynie ok. 50 % lub mniej wspólnych gatunków.

Skład jakościowy I ilościowy mikrobiomu zmienia się z wiekiem. Przez pierwsze trzy lata życia zmiany są niewielkie, w następnych latach zmiany są bardziej widoczne. Jest to skorelowane z coraz bardziej zróżnicowaną dietą, chociaż dieta nie jest jedynym czynnikiem mającym wpływ na skład mikrobiomu (ważne są również m.in. uwarunkowania genetyczne).

Sposoby żywienia – zachodnioeuropejski i nie-zachodnioeuropejski

Najczęściej porównuje są dwa sposoby żywienia: zachodnioeuropejski (w tym USA i Kanada) oraz nie-zachodnioeurpoejski (w tej grupie znajdują się wszystkie pozostałe regiony świata). W mikrobiomach ludzi zamieszkujących Azję czy Afrykę często występują unikalne szczepy bakterii. Przykładem mogą być Japończycy, w ich jelitach występuje bakteria Bacteroides plebeius. Bakteria ta pozwala na trawienie wodorostów, które są częstym składnikiem potraw w Japonii. W mikroflorze jelitowej dzieci żyjących na wsiach w Burkina Faso, w porównaniu do dzieci europejskich, więcej było Bacteroidetes niż Firmicutes. Porównanie mikrobiomów ludzi żyjących w USA, w Malawi i wenezuelskiej Amazonii doprowadziło do wniosku, że dieta bogata w węglowodany, typowa dla krajów zachodnich, prowadzi do wzrostu liczby bakterii rodzaju Prevotella.

Pomimo mierzalnych różnic w składzie mikrobiomu ludzkich populacji nadal nie wiadomo które różnice są wynikiem diety, które wynikają z predyspozycji genetycznych, a które są wynikiem presji czynników środowiskowych, stylu życia czy uwarunkowań kulturowych. Spośród wymienionych czynników dieta jest czynnikiem, za pomocą którego można w najprostszy sposób wpłynąć na skład mikrobiomu. Udowodniono, że korzystny dla zdrowia wzrost liczby Bacteroidetes w stosunku do Firmicutes występuje u ludzi stosujących niskotłuszczową i niskowęglowodanową dietę przynajmniej przez rok, oraz u ludzi, którzy znacznie zmniejszyli wagę ciała. Wyniki innych krótkoterminowych eksperymentów dietetycznych wskazują, że zmiany składu mikrobiomu mogą być bardzo szybkie nawet w ciągu 24 godzin. Co ciekawe ekstremalna dieta może znieść indywidualną zmienność mikrobiomu.

Skład mikrobiomu to indywidualna cecha człowieka

Skład mikrobiomu jest cechą indywidualną człowieka, ulega zmianom w ciągu życia, zmienia się z wiekiem, w wyniku stosowanej diety, pochodzenia etnicznego i stylu życia. Ta fizjologiczna równowaga pomiędzy składem jakościowy i ilościowym mikroflory jelitowej ma fundamentalne znaczenie dla utrzymania zdrowia, a w przypadku choroby dla przywrócenia zdrowia. Pomimo tego zróżnicowania ludzki mikrobiom posiada pewne cechy uniwersalne widoczne na poziomie wyższych taksonów (wspólne dla wszystkich są typy: Bacteroidetes, Firmicutes i Actinobacteria), świadczą o tym sukcesy w leczeniu zakażeń Clostridium difficile przeszczepami mikroflory jelitowej od obcych dawców. Kompozycja mikrobiomu człowieka zależy od mikrobiomu matki, która jest źródłem pierwszego inokulum bakterii zasiedlających przewód pokarmowy dziecka. Ponadto substancje chemiczne występujące w mleku matki są wyjątkowo skutecznym prebiotykiem, ułatwiającym kolonizację jelit dziecka przez bakterie względnie beztlenowe, a ograniczającym liczbę bakterii bezwzględnie beztlenowych takich jak te rodzaju Clostridium. Ten wielowiekowy łańcuch powiązań między mikorbiomem matki i dziecka został w ostatnich latach przerwany. Charakterystyczne dla społeczeństw zachodnich, ale nie tylko zachodnich: medykalizacja urodzin oraz wzrost liczby urodzeń przez cesarskie cięcie jest tego najlepszym przykładem. W jelitach dzieci urodzonych przez cesarskie ciecie jest więcej bakterii rodzaju Closridiumw porównaniu do mikorbiomu dzieci urodzonych siłami natury. Transfer „matczynych” bakterii wywiera wypływ na przyszłe życie i zdrowie dziecka. Dzieci urodzone przez cesarskie cięcie mają miedzy innymi większą skłonność do chorób alergicznych czy astmy.

Zaburzenia równowagi składu mikroflory jelitowej mogą być powodowane przez wiele czynników. Najważniejsze z nich to: stres, niewłaściwy sposób żywienia, kuracje antybiotykowe i sterydowe, radioterapia, doustne środki antykoncepcyjne i hormonalne, środki przeciwbólowe a także zwykłe zmęczenie. Nie można też wykluczyć przypadkowego przedostania szkodliwych czynników do przewodu pokarmowego wraz z pożywieniem.

Wpływ mikrobiomu jelitowego w powstawaniu schorzeń alergicznych został potwierdzony wynikami wielu badań. Ale zachwianie równowagi mikrobiologicznej w przewodzie pokarmowym może prowadzić także do innych problemów zdrowotnych takich jak: niestrawność, osłabienie systemu odpornościowego i podatność na biegunki oraz otyłość. Zdaniem badaczy dysbioza flory jelitowych może być powiązana ze schorzeniami kardiologicznymi, otyłością, syndromem metabolicznym, a nawet nowotworami.

Im więcej wiadomo o składzie i funkcjach ludzkiego mikrobiomu, tym bardziej aktualny staje się pogląd, że: zdrowe jelita to klucz do ludzkiego zdrowia w ogóle.

Piśmiennictwo

1. Roy D.Sleator, The human superorganism – Of microbes and men, Medical Hypotheses
2. Volume 74, Issue 2, February 2010, Pages 214-215.
3. Mariona Pascalet. Al. Microbiome and Allergic Diseases, Front. Immunol., 17 July 2018
4. Kjetil Garborg^, Bjørn Waagsbø, Asbjørn Stallemo, Jon Matre, Anders Sundøy, Results of Faecal Donor Instillation Therapy for Recurrent Clostridium Difficile-Associated Diarrhoea, Scand J Infect Dis. 2010
5. Dachao Liang, Ross Ka-Kit Leung, Wenda Guan & William W. AuInvolvement of gut microbiome in human health and disease: brief overview, knowledge gaps and research opportunities,  Gut Pathogens volume 10, Article number: 3 (2018)
6. David LA, Maurice CF, Carmody RN, Gootenberg DB, Button JE, Wolfe BE, Ling AV, Devlin AS, Varma Y, Fischbach MA, Biddinger SB, Dutton RJ, Turnbaugh PJ, Diet rapidly and reproducibly alters the human gut microbiome. Nature. 2014 Jan 23; 505(7484):559-63.
7. Wu GD, Chen J, Hoffmann C, Bittinger K, Chen YY, Keilbaugh SA, Bewtra M, Knights D, Walters WA, Knight R, Sinha R, Gilroy E, Gupta K, Baldassano R, Nessel L, Li H, Bushman FD, Lewis JD, Linking long-term dietary patterns with gut microbial enterotypes. Science. 2011 Oct 7; 334(6052):105-8.
8. Ley RE, Turnbaugh PJ, Klein S, Gordon JI, Microbial ecology: human gut microbes associated with obesity. Nature. 2006 Dec 21; 444(7122):1022-3.
9. De Filippo C, Cavalieri D, Di Paola M, Ramazzotti M, Poullet JB, Massart S, Collini S, Pieraccini G, Lionetti P, Impact of diet in shaping gut microbiota revealed by a comparative study in children from Europe and rural Africa. Proc Natl Acad Sci U S A. 2010 Aug 17; 107(33):14691-6.
10. Yatsunenko T, Rey FE, Manary MJ, Trehan I, Dominguez-Bello MG, Contreras M, Magris M, Hidalgo G, Baldassano RN, Anokhin AP, Heath AC, Warner B, Reeder J, Kuczynski J, Caporaso JG, Lozupone CA, Lauber C, Clemente JC, Knights D, Knight R, Gordon JI, Human gut microbiome viewed across age and geography. Nature. 2012 May 9; 486(7402):222-7.
11. Zhenjiang Xu1and Rob Knight, Dietary effects on human gut microbiome diversity , Microorganisms. 2019 Jan; 7(1): 14.
12. Emeanuele Rinninella et al.What is the Healthy Gut Microbiota Composition? A Changing Ecosystem across Age, Environment, Diet, and Diseases, Microorganisms 2019 Jan 10;7(1):14.
13. Simon Carding, Kristin Verbeke, Daniel T. Vipond, Bernard M. Corfe & Lauren J. Owen, Dysbiosis of the gut microbiota in disease, Microbial Ecology in Health and Disease Volume 26, 2015.
14. Salminen S, G R Gibson,A L McCartney, E Isolauri Influence of mode of delivery on gut microbiota composition in seven year old children, Gut. 2004 Sep; 53(9): 1388–1389.
15. Dunn A. et al. , The Maternal Infant Microbiome: Considerations for Labor and Birth, MCN Am J Matern Child Nurs. 2017 Nov-Dec; 42(6): 318–325.
16. Black M, Bhattacharya S, Philip S, Norman JE, McLernon DJ, Planned Repeat Cesarean Section at Term and Adverse Childhood Health Outcomes: A Record-Linkage Study.PLoS Med. 2016 Mar; 13(3).
17. Arya Biragyn, LuigiFerrucci Gut dysbiosis: a potential link between increased cancer risk in ageing and inflammaging, The Lancet Oncology, Volume 19, Issue 6, June 2018, Pages e295-e304.