Pytaniem nie jest już, czy mikrobiom jelitowy wpływa na odległe narządy: mózg czy płuca, przyczyniając się do chorób zapalnych np. astmy, stwardnienia rozsianego czy chorób neurodegeneracyjnych, ale za pomocą jakiego „języka” to robi? Jesteśmy coraz bliżsi rozwikłania tej zagadki. Jak blisko, opowiada prof. Tomasz Wypych, kierownik Pracowni Badań Mikrobiomu w Instytucie Biologii Doświadczalnej im. Marcelego Nenckiego PAN.
Czym jest mikrobiota?
Mikrobiota to zbiór mikroorganizmów, takich jak bakterie, wirusy, grzyby, archeony, protozoa, które zamieszkują na nas i w naszym organizmie, czyli na skórze, w jelitach czy płucach itd. Coraz więcej o niej wiemy. Również o tej, która zamieszkuje jelita.
Mikrobiota jelitowa jest niezbędnym „organem” człowieka, waży prawie tyle co mózg…
To różnorodne mikroorganizmy, w zależności od człowieka. Mamy w sobie tyle samo komórek ludzkich, co komórek bakteryjnych. W ostatnich dwóch dekadach dowiadujemy się o mikrobiomie coraz więcej. Te bakterie odgrywają niezwykle istotną rolę w kształtowaniu różnych procesów fizjologicznych człowieka. Są niezwykle różnorodne, także pod względem genów. Mikrobiota ma zdecydowanie więcej genów niż my.
Te geny bakterie mogą przejmować od siebie, inaczej niż człowiek, który je dziedziczy?
Tak, to horyzontalny transfer genów. To mechanizm, w którym bakterie przekazują sobie DNA nie tylko z rodzica na potomka, ale także bezpośrednio między współistniejącymi komórkami. Proces ten umożliwia im szybką adaptację do zmieniających się warunków – bakterie przekazują sobie gotowe geny, zamiast czekać, aż korzystna mutacja pojawi się w ich własnym genomie.
Mikrobiom mózgu. Kontrowersyjna hipoteza, która może zmienić neurologię
Siedemdziesięciokilkuletni ogrodnik z zaawansowaną demencją powrócił za kierownicę i do pracy po dwóch latach terapii przeciwgrzybiczej – brzmi to jak cud medyczny, ale jest faktem udokumentowanym w naukowym piśmiennictwie. Czy odkrycie mikrobiomu mózgu może zmienić neurologię?
Jednym słowem nasze „mikrobiologiczne” ja jest niezwykle bogate?
To olbrzymia różnorodność mikrobiomu. Między nami są subtelne różnice. To też zależy, w jakiej rozdzielczości na mikrobiom patrzymy. Im jest ona niższa, tym większe podobieństwa. Ale już na poziomie szczepów czy gatunków różnorodność jest ogromna. Wszystko zależy od proporcji, a może – co ważniejsze – jak zachowują się same mikroorganizmy. To zależy m.in. od środowiska, w którym się znajdują. Mówimy o środowisku mikrobiologicznym, takim jak skład mikrobiomu, ale również o fizjologiczno-immunologicznym profilu człowieka.
Siła i charakter odpowiedzi układu odpornościowego zależy od składu mikrobioty?
W naszych badaniach skupiamy się na funkcji mikrobioty. Jak wpływa na zdrowie człowieka. Innymi słowy, badamy, jak jej skład moduluje procesy zapalne i choroby. Koncentrujemy się na produktach, które są modyfikowane przez bakterie, czyli np. na kwasach żółciowych, które są wytwarzane przez człowieka, by wchłaniać tłuszcz. Są one generalnie toksyczne dla bakterii, więc te, w toku ewolucji, wykształciły szereg mechanizmów detoksyfikujących. Jednocześnie, by pozostać atrakcyjnym dla człowieka, ale też przetrwać w czystej kompetycji (rywalizacji – red.) z innymi mikroorganizmami, zaczęły wytwarzać pozytywne substancje. Staramy się w naszych badaniach określić, w jakich chorobach możemy praktycznie te związki wykorzystać.
Mówiąc obrazowo, badacie w laboratorium „wydech” bakterii?
To takie listy, które wysyła mikrobiota jelitowa po całym organizmie do komórek, instruując je – nawet w odległych tkankach i organach, np. płucach czy mózgu – jak się mają zachować. Określiliśmy pewne eksperymentalne parametry, jak te substancje wyłowić. Tak naprawdę skupiliśmy się na substancjach przeciwzapalnych, czyli metabolitach, które mogą hamować rozwój konkretnej odpowiedzi immunologicznej organizmu. Koncertujemy się na zespole ostrej niewydolności oddechowej, astmie, atopowym zapaleniu skóry, stwardnieniu rozsianym.
Infolinia „Helpline” nie tylko dla osób żyjących z chorobą Alzheimera
Pod numerem 800 201 801 osoby żyjące z chorobą Alzheimera i innymi chorobami otępiennymi oraz osoby im towarzyszące mogą uzyskać bezpłatne wsparcie m.in. psychologa, prawnika czy terapeuty zajęciowego. 14 kwietnia ruszyła ogólnopolska kampania informacyjno-edukacyjna, by ułatwić przejście przez systemowy labirynt.
Wydawać by się mogło, że to bardzo odległe choroby, a jednak coś je łączy…
Ich wspólnym mianownikiem jest zbyt agresywna odpowiedź immunologiczna, która często daje podobną odpowiedź na poziomie wrodzonego układu odpornościowego, czyli komórek, które są w pierwszej linii obrony, pierwsze wyczuwają zagrożenie. W przypadku astmy to są komórki nabłonkowe płuc oraz makrofagi płucne, które w przypadku np. osób z astmą odpowiadają zbyt agresywnie na roztocza kurzu domowego. Wiemy już, że możemy teraz znaleźć substancje, które modulują metabolizm oraz wrodzoną odpowiedź immunologiczną układu odpornościowego makrofagów. Będą one miały przełożenie na dalszą kaskadę reakcji immunologicznych, prowadzących do powstawania odporności nabytej (ang. adaptive immunities), która w przypadku astmy opiera się na limfocytach Th2, a w przypadku stwardnienia rozsianego, na limfocytach Th1 oraz Th17. Podstawą jest zawsze układ odpornościowy wrodzony, który ma pewne elementy bardzo podobne, takie jak np. wydzielenie chemokin. To są specjale związki, które mają za zadanie rekrutację prozapalnych komórek efektorowych, takich jak neutrofile czy komórki dendrytyczne. Odkryliśmy pewne metabolity bakteryjne, które silnie hamują produkcję chemokiny (białko sygnalizacyjne – red.), która nazywa się CCL20. To ona powoduje napływ niedojrzałych komórek dendrytycznych do miejsca stanu zapalnego. Komórki dendrytyczne w stanie zapalnym, ulegają tzw. dojrzewaniu i inicjują odpowiedź prozapalną (w przypadku chorób o podłożu autoimmunologicznym jest to odpowiedź patologiczna).
To chyba bardzo obiecujące odkrycia?
Zdecydowanie. Wskazują one bardzo jasno, że grupa metabolitów, które zidentyfikowaliśmy, działa na bardzo odległe od siebie komórki pod względem funkcjonalnym, np. na makrofagi płucne, ale również na fibroblasty, komórki naskórka, komórki glejowe w mózgu. To są tak odległe od siebie komórki. Tego się nie spodziewaliśmy.
„Przejdźmy od słów do czynów”. Jak można wykorzystać mikrobiom do ograniczania stanów zapalnych w organizmie?
Chcemy opracować lek, który będzie działał na różne choroby zapalne, głównie choroby płuc: zespół ostrej niewydolności oddechowej czy astmę, ale też stwardnienie rozsiane. Zauważyliśmy, że podanie pewnego metabolitu myszom, które zaczęły rozwijać objawy stwardnienia rozsianego, leczyło je. Więc wiemy, że działa tutaj rzeczywiście oś płuco–mózg. Możemy w atrakcyjny komercyjnie i przystępny sposób opracować leki – na podstawie konkretnego metabolitu – nie tylko przeciwko chorobom płuc, ale też neurodegeneracyjnym: stwardnieniu rozsianemu, chorobie Parkinsona czy Alzheimera. Ubiegamy się o patenty na różne postaci leków, w tym tzw. probiotyki nowej generacji, które mogą być skuteczne w różnych wskazaniach. W przypadku probiotyków, opracowaliśmy specjalny miks szczepów bakteryjnych posiadujących odpowiednie enzymy niezbędne do powstawania określonych metabolitów po doustnym podaniu.
Jak dbać o zdrowy mikrobiom skóry
Powiedzenie: „częste mycie skraca życie” nie powstało bezpodstawnie. Zbyt częste zabiegi higieniczne i pielęgnacyjne mogą doprowadzić do zaburzenia mikrobiomu skóry, a stąd krótka droga do problemów. Dowiedz się, co daje szansę na utrzymanie skóry w dobrym stanie, a co wydaje się chwytem marketingowym.
Enzymy bakterii mogą przeciwdziałać wielu chorobom czy je leczyć?
Zaletą naszych badań i rozwiązań jest to, że sięgamy głęboko do korzeni choroby, do układu odpornościowego wrodzonego i do produkcji tych chemokin, które powodują napływ komórek efektorowych. Więc w przeciwieństwie do innych leków, nie zwalczamy jedynie symptomów choroby, tylko jej podłoże. Ale czy będą to na tyle głęboko osadzone efekty, by wyleczyć chorobę, trudno przewidzieć. To muszą wykazać badania kliniczne. Nasze wyniki badań dają jednak potencjał, by skutecznie odwracać mechanizmy prowadzące do stanów immunopatologicznych, a nie tylko działać na powierzchni choroby.
Kiedy realnie pacjent mógłby kupić taki lek?
Musimy badanie skomercjalizować, poszukać inwestora. To jest długa ścieżka. Opracowanie leku zajmuje co najmniej 10 lat. Ale jeśli chodzi o probiotyki, to ta ścieżka jest zdecydowanie krótsza, bo w świetle prawa to nie są leki, ale suplementy diety. Można je wprowadzić szybciej na rynek niż leki. Nasze badania natomiast trwają już od 5 lat, a na pełnych obrotach od 4 lat.
Potwierdzacie, że wiele procesów zapalnych zaczyna się w jelitach i tam trzeba uderzać?
Zawsze jest problem jajka i kury, czyli co było najpierw – choroba czy dysbioza (zaburzenie mikrobioty jelitowej – red.). W większości przypadków to wciąż jest nierozstrzygnięte. Relatywnie łatwo jest zrobić analizę składu i funkcji mikrobioty u chorych i zdrowych osób. Takich badań jest wiele. Większość takich badań wykazało, że jednostka chorobowa wiąże się ze zmienionym mikrobiomem. Nowsze badania próbują właśnie zbadać po pierwsze funkcje mikrobiomu, stosując bardziej zaawansowane technologie, takie jak metabolomika, na której bazujemy czy sekwencjonowanie całego genomu mikrobiomu, analizując enzymy, geny w mikrobiomie. To pozwala badać funkcję mikrobiomu i testować zależność przyczynowo-skutkową danych obserwacji.
Udało nam się zdefiniować i opublikowanać jedną zależność przyczynowo-skutkową dysbiozy, na podstawie silnie udokumentowanej korelacji (antybiotykoterapia w dzieciństwie a rozwój astmy). Do końca nie było przedtem wiadomo, czy ta korelacja ma właśnie zależność przyczynowo-skutkową. W naszych badaniach usunęliśmy mikrobiom u młodych myszy (deplecja mikrobioty) antybiotykami, a następnie rekolonizując, czyli pozwalając mikrobiomowi się odbudować sprawdziliśmy, czy te myszy nadal będą narażone na większą odpowiedź alergiczną. I rzeczywiście te myszy miały większą odpowiedź alergiczną. Mieliśmy hipotezę: skład mikrobioty zmienił się trwale. Jednak po analizie jej składu, okazało się, że wcale nie. Nie było różnic taksonomicznych, czyli w składzie mikrobioty. Dopiero wtedy sprawdziliśmy funkcję mikrobioty. Zrobiliśmy sekwencjonowanie całego genomu mikrobioty. Zauważyliśmy, że chociaż skład się nie zmienił – bakterie były te same, to ich funkcja się zmieniła. Bakterie nie produkowały pewnego związku metabolitu – kwasu indolo-3-propionowego. Zauważyliśmy, że na wczesnym etapie dzieciństwa ten związek był odpowiedzialny za przedostawanie się do płuc i „tłumaczenie” komórkom nabłonkowym, że roztocza kurzu domowego nie stanowią realnego zagrożenia. Jeśli go nie było na wczesnym etapie dzieciństwa, to komórki nie zostały tego nauczone. Odpowiadały później zawsze bardzo agresywnie na roztocza kurzu domowego.
Do tej pory patrzyliśmy tylko na to jak „wyglądają” bakterie, a teraz przyglądacie się bardzo szczegółowo jeszcze metabolitom bakterii, czyli substancjom, które one produkują. Chcecie się dowiedzieć jak one przekładają się na stan zapalny w organizmie?
Dokładnie tak. Badamy głównie odpowiedzi immunologiczne na metabolity bakteryjne, ale również metabolizm komórkowy. Zauważyliśmy, że te obszary są bardzo silnie zazębione. W przypadku kwasu żółciowego cały proces przeciwzapalny makrofagów płucnych polegał na trwałej zmianie ich metabolizmu. Czyli te komórki były bardziej podatne na pewien typ oddychania komórkowego, w skrócie OXPHOS, a mniej na glikolizę (beztlenowy rozkład jednej cząsteczki glukozy – red.). To reprogramowanie metaboliczne komórek było wymagane do ich funkcji przeciwzapalnych. Wiemy teraz, że metabolity bakteryjne komunikują się z komórkami człowieka i zmieniają ich metabolizm oraz próg aktywacji odpowiedzi immunologicznych.
Flora jelitowa wskazuje na poziom zdrowia u starszych ludzi?
To jest już ostatni poziom, do którego człowiek może się dostać, czyli metabolity bakterii?
Wiemy teraz, że metabolity działają na metabolizm, ale też w niektórych przypadkach mogą działać na zmiany epigenetyczne komórki, modyfikując epigenetykę, czyli poziom regulacji ekspresji genów (odczytywanie informacji zawartej w genie – red.). Więc trwale zmieniają status epigenetyczny komórek. W przypadku kwasów żółciowych to jeszcze nie zostało opisane. Zostało to jednak opisane w przypadku krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych. Zawsze identyfikujemy, jak ten metabolizm jest rozpoznawany, określamy różne receptory. Wiemy na przykład, że jeden ze związków, który odkryliśmy działa przez określony receptor Sphingosine-1-phosphate receptor 2. Wiemy jak wchodzi do komórek, co robi. W naszym przypadku wiemy, że moduluje metabolizm i ma przełożenie na transkrypcję, czyli produkowanie związków zapalnych. Obniża ich produkcję, głównie chemokin, które zapraszają komórki efektorowe, takie jak neutrofile czy eozynofile, które, działając niespecyficzne, sieją zniszczenia w organizmie. Ewolucyjnie skierowane na bakterie, wirusa, ale w praktyce niszczącą także nasze własne tkanki. Kolejnym krokiem mogą być zmiany epigenetyczne, powodujące trwałą zmianę regulacji ekspresji genów. Do tego rzeczywiście jeszcze możemy dotrzeć.
Wciąż możemy jeszcze odkrywać zupełnie nowe, nieoczekiwane sposoby komunikacji mikrobiomu z naszymi komórkami. Doświadczyliśmy tego na przykładzie komórek glejowych w mózgu, które regulują jego funkcje. To komórki, który nie stanowią jedynie wsparcia dla neuronów, ale również są centralą modulowania układu odpornościowego i odpowiedzi w kontekście chorób, takich jak stwardnienie rozsiane czy choroba Parkinsona.
W naszym laboratorium odkryliśmy metabolit mikrobiomu który reguluje ich odpowiedzi zapalne. Długo zastanawialiśmy się przez jaki receptor działa – zdawało się, że niezależnie jaki receptor blokujemy, metabolit zawsze działa. Wtedy wpadliśmy na pomysł – być może wcale nie działa przez receptor! Postawiliśmy hipotezę, że inkorporuje się z „tratwami lipidowymi” badanych komórek. Są to struktury w błonie komórkowej niezbędne do prawidłowego przesyłu danych, czyli szlaków immunologicznych. Zaburzając tę organizację, modulujemy, czyli zaburzamy siłę sygnału, która jest przekazywana do komórek. I w tym samym powodujemy, że te komórki są mniej prozapalne. Do tej pory nikt jeszcze nie pokazał, że mikrobiom ma cokolwiek wspólnego z tratwami lipidowymi. Eksperymentalnie udowodniła to doktorantka w moim laboratorium.
Photo by Vitaly Gariev on Unsplash