Mikroskopijni sprzymierzeńcy: jak bakterie wpływają na nasze ciało i umysł

„W ludzkim ciele jest więcej komórek bakteryjnych niż naszych własnych” – to zdanie obiło się o uszy chyba każdemu. Ale co ono naprawdę oznacza? Czy bylibyśmy tymi samymi ludźmi, gdyby nie obecność bakterii w naszych ciałach? Czy rozwijalibyśmy się tak samo bez nich? Czy bakterie wpływają na nasze decyzje i samopoczucie? A już bardziej przyziemnie – dlaczego stres powoduje, że musimy biec do łazienki? Większość z nas nie ma pojęcia jak wiele w ich życiu zależy od tej tajemniczej międzygatunkowej komunikacji oraz o tym jak nasze codzienne wybory mogą na nią wpływać.

Ale zacznijmy od początku

– od samego momentu narodzin, kiedy nasz pierwszy kontakt ze światem jest także pierwszym spotkaniem z bakteriami. W zależności od tego, czy przychodzimy na świat drogą „naturalną” czy przez cesarskie cięcie, zostajemy skolonizowani przez różne szczepy bakterii. A to, które z nich osiedlą się w naszym organizmie, ma wpływ na rozwój kluczowych układów naszego organizmu: odpornościowego, hormonalnego i nerwowego, a nawet na zdolność trawienia i przyswajania składników odżywczych. Jeśli rodzimy się naturalnie, pierwsze organizmy, które nas zasiedlają pochodzą głównie od matki. Ten pierwszy mikrobiom zdominowany jest przez „dobre” bakterie, takie jak Lactobacillus, Bifidobacterium czy Prevotella. Przykładowo, niektóre bakterie z rodzaju Bifidobacterium mogą być obecne w dolnych drogach oddechowych dziecka już 10 minut po narodzinach, co sugeruje ich ogromne znaczenie w budowaniu naszego zdrowia. Bifidobakterie pomagają maluchom trawić cukry zawarte w mleku matki, wspierają rozwój układu pokarmowego, a także wzmacniają barierę ochronną jelit i dróg oddechowych. W przypadku cesarskiego cięcia proces wygląda jednak inaczej. Dziecko nie przechodzi przez drogi rodne, a jego pierwszymi „kolonizatorami” są mikroby ze środowiska szpitalnego, w tym często patogenne Staphylococcus aureus. Kolonizacja „dobrymi” bakteriami jest opóźniona, co może prowadzić do powstawania stanów zapalnych, zaburzeń odporności i zwiększonego ryzyka chorób, takich jak noworodkowy zespół zaburzeń oddechowych czy otyłość w późniejszych latach życia. Oczywiście nie oznacza to, że każde dziecko urodzone drogą cesarskiego cięcia będzie chore, bo sprawa jest dużo bardziej skomplikowana i powiązana z czynnikami genetycznymi oraz stylem życia matki i dziecka, ale poród naturalny zdecydowanie zwiększa nasze szanse na zdrowy rozwój.
Następny czynnik, który determinuje skład naszego mikrobiomu to rodzaj pokarmu jaki otrzymywaliśmy od pierwszych dni życia. Jednym z najważniejszych składników mleka matki są oligosacharydy mleka ludzkiego (ang. Human Milk Oligosaccharides, HMO), które wspierają rozwój korzystnych bakterii, a co za tym idzie zdrowego wzrostu dziecka. Warto tu wspomnieć, że nie zawsze karmienie piersią jest możliwe i dlatego producenci mleka dla niemowląt dodają HMO do swoich mieszanek. Podczas karmienia mlekiem matki, mikrobiota jelitowa niemowlęcia jest stosunkowo ograniczona pod względem liczby i rodzaju bakterii ale doskonale przystosowana do swojego zadania. Z chwilą wprowadzenia pokarmów stałych, różnorodność mikrobioty szybko się zwiększa i nabiera ona nowych funkcji. Kolejne bakterie, które pojawiają się w jelitach dziecka, są zdolne do trawienia złożonych węglowodanów, takich jak glikany i mucyny, a także produkcji krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych (maślan, octan i propionian), które wspierają zdrowie jelit i procesy metaboliczne. Dzięki temu mikrobiota staje się ważnym źródłem energii i odgrywa kluczową rolę w zdrowiu i rozwoju dziecka. Proces ustalania się „naszej mikrobioty” trwa do trzeciego roku życia, po tym okresie jej skład jest w miarę stały i specyficzny dla każdego z nas aż do okresu starości.

Niestety, większość z nas traktuje swój mikrobiom raczej nieświadomie,

zapominając, że jego zdrowie jest kluczowe dla naszego własnego. Przetworzona dieta, alkohol, częste kuracje antybiotykowe, a także zbyt „czysty” styl życia skutecznie zubożają naszą mikrobiotę, a to prosta droga do osłabienia odporności. Ale dlaczego tak się dzieje? Tajemnica tkwi w tym, co jedzą bakterie i jak się rozwijają: pożyteczne bakterie uwielbiają błonnik i złożone cukry, które znajdują w nieprzetworzonym jedzeniu. Mają jednak spokojne tempo wzrostu i potrzebują stabilnych warunków. Patogeny z kolei, szybko mnożą się na prostych cukrach, błyskawicznie opanowując jelita, zwłaszcza jeśli przy antybiotykoterapii znikają z nich „dobre” bakterie. Po kuracji antybiotykowej, czy też innych nagłych zmianach, mikrobiom potrzebuje czasu i właściwej diety, aby się odbudować – niestety, często pierwsze pojawiają się chorobotwórcze drobnoustroje, które podnoszą ryzyko rozwoju kolejnych schorzeń. To dlatego lekarze zalecają probiotyki podczas kuracji antybiotykowej, które pomagają naszemu mikrobiomowi w regeneracji. Jak wykazano w badaniach, pełna odbudowa mikrobioty po kuracji antybiotykowej może potrwać nawet rok! A dysbioza, czyli niekorzystne zmiany w mikrobiomie, została powiązana ze zwiększonym ryzykiem rozwoju chorób takich jak astma, otyłość, cukrzyca i schorzenia autoimmunologiczne (np. choroba Leśniowskiego-Crohna) – wszystkie mające wspólne cechy: nadaktywność układu odpornościowego i przewlekły stan zapalny.
Jeszcze do niedawna nie byliśmy świadomi tego jak leki, które przyjmujemy (oprócz antybiotyków) wpływają na nasz mikrobiom i na odwrót. Mikrobiom jelitowy dysponuje imponującą różnorodnością enzymów, które umożliwiają rozkład związków chemicznych, w tym również tych zawartych w stosowanych przez nas lekach. Mikrobiom może np. aktywować formy nieczynne leków, zmieniać ich toksyczność lub całkowicie je dezaktywować. Na przykład, leki przeciwzapalne, takie jak diklofenak (Voltaren, Olfen), mogą być w wyniku działania mikrobiomu dłużej aktywne w organizmie, co z jednej strony zwiększa ich skuteczność, ale z drugiej – ryzyko działań niepożądanych. Mikrobiom wpływa również na poziom enzymów produkowanych przez gospodarza, a potrzebnych do metabolizmu leków. Przykładowo, zmiana przez mikrobiotę poziomu jednego z enzymów wątrobowych (CYP3A4), kluczowego dla metabolizmu antybiotyków czy leków na nadciśnienie, będzie wpływać na efektywność leczenia lub powodować skutki uboczne. To oddziaływanie zachodzi również w drugą stronę – leki które przyjmujemy wpływają również na nasz mikrobiom i to nie tylko dobrze nam już znane antybiotyki. Przykładowo, stosowanie inhibitorów pomp protonowych, np. w przypadku zgagi, prowadzi do podwyższenia pH w układzie pokarmowym przez co łatwiej rozwijają się w nim patogeny. Zmiany w składzie mikrobiomu zostały udokumentowane również w przypadku stosowania leków antydepresyjnych, doustnej antykoncepcji czy nawet paracetamolu.
Zdrowy mikrobiom to mikrobiom różnorodny, stabilny i elastycznie reagujący na zmiany. Oznacza to, że nawet po antybiotykach czy stresujących sytuacjach szybko wraca do równowagi. Nie ma czegoś takiego jak „wzorcowy” mikrobiom, bo zależy on od naszego stylu życia, uwarunkowań genetycznych, lokalizacji, leków jakie spożywamy czy naszego wieku. Grupa zupełnie zdrowych ludzi może mieć zupełnie różny skład mikrobiomu jelit, co pokazały badania na 3000 próbek pobranych od Europejczyków, u których tylko 17 szczepów bakteryjnych było obecnych w 95% próbek. Dziś naukowcy coraz mniej skupiają się na składzie mikrobiomu, a bardziej na jego funkcjach. Jedną z najważniejszych jest produkcja wspomnianych już krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych powstających podczas fermentacji błonnika. Te związki działają jak naturalna tarcza jelit, regulując ich pH, wspomagając wchłanianie składników odżywczych i wzmacniając naszą odporność. Co więcej, mikrobiota pełni funkcję fabryki witamin – produkując witaminy z grupy B, takie jak biotyna, kwas foliowy, niacyna i kobalamina. Wprawdzie występują one w naszej diecie, ale w małych ilościach, więc ich produkcja przez bakterie jest dla nas nieoceniona. Co więcej, bakterie wytwarzają witaminy w formach najlepiej przyswajanych przez nasz organizm, w odróżnieniu do tego co możemy znaleźć w suplementach. A jeszcze wracając do metabolizmu leków – ludzie mogą mieć zupełnie różne mikrobiomy, a te mogą w zupełnie różny sposób wpływać na metabolizm przyjmowanych leków i przez to u niektórych osób ten sam lek może być zupełnie nieefektywny. Są to zagadnienia jeszcze bardzo słabo poznane ale są istotne pod kątem rozwoju bardziej spersonalizowanych terapii np. przeciwnowotworowych, kardiologicznych czy psychiatrycznych.

A gdzie w tym wszystkim mózg?

Eksperymenty na myszach pokazały, że przeszczep mikrobioty jelitowej może zmieniać ich zachowanie – myszy biorcy przejmują cechy myszy dawcy. U ludzi również zaobserwowano wpływ niektórych bakterii na obniżenie poziomu lęku i objawów depresji. Na przykład wybrane gatunki Lactobacillus i Bifidobacterium pomagają zmniejszać stres i poprawiają samopoczucie. Jak to się dzieje? Jelita są połączone z naszym mózgiem za pomocą sieci nerwów oraz krwioobiegiem. Dochodzi tu do dwukierunkowej komunikacji – jelita przesyłają hormony, cząsteczki zapalne i metabolity bakteryjne, a mózg w odpowiedzi wysyła hormony, które regulują pracę jelit. Liczne „czujniki” znajdujące się w jelitach informują jelitowy układ nerwowy o tym co się dzieje po to aby ten mógł zareagować np. zwiększoną perystaltyką, produkcją kwasu żołądkowego i żółci. Ten sam system informuje o stanie mikrobioty i ewentualnym stanie zapalnym lub infekcji. W razie wykrycia zagrożenia „drugi mózg” w jelitach odwraca kierunek perystaltyki i zwiększa wydzielanie wody po to aby żołądek pozbył się tego co jeszcze w nim jest oraz przyspiesza ruchy jelit powodując biegunkę. Około 90% tych informacji nigdy nie trafia do naszej świadomości, no i bardzo dobrze, bo kto chciałby się przejmować ruchami robaczkowymi swoich jelit? „Pierwszy” mózg wymienia informacje z jelitem poprzez nerw błędny i zawiaduje ogólnym stanem zdrowia i samopoczuciem. Gdy działają na ciebie silne emocje np. strach twój mózg wysyła informację do jelit aby pozbyły się zawartości po to aby nie tracić energii, tak potrzebnej w sytuacji stresowej. Następnie, krew zostaje przekierowana do mięśni po to aby umożliwić ci ewentualną ucieczkę.
Dzięki badaniom naukowym wiemy coraz więcej na temat tego jak mikrobiom wpływa na nasze samopoczucie. Jelita są największym magazynem serotoniny, która reguluje pracę jelit i nasz nastrój, a jednocześnie pełni rolę przekaźnika w komunikacji mikrobiom-gospodarz. Komórki nabłonka jelita produkują serotoninę z tryptofanu pochodzącego z diety, tak samo jak i bakterie zasiedlające jelito. Co więcej, dobre bakterie stymulują wydzielanie serotoniny przez komórki jelit poprzez regulację ekspresji genów związanych z wytwarzaniem serotoniny, co może oddziaływać na zdrowie zarówno fizyczne, jak i psychiczne. Badania na myszach, które zostały skolonizowane ludzkimi bakteriami jelitowymi wykazały, że mają one wyższy poziom serotoniny w jelitach niż myszy pozbawione mikrobiomu. Kluczowy gen do syntezy serotoniny, Tph1, miał wyższą aktywność w jelitach skolonizowanych myszy. Odkryto również, że produkcję serotoniny zwiększają, już parokrotnie wspomniane, krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe, takie jak octan i maślan, wytwarzane przez bakterie. Podobny efekt zaobserwowano w badaniach z probiotykami Lactobacillus plantarum i Lactobacillus rhamnosus, które również regulowały poziom serotoniny u laboratoryjnych myszy i ryb. Nie wszystkie bakterie mikrobiomu wywołują jednak te same efekty. Przykładowo, bakteria występująca w naszych jelitach Bacteroides ovatus, nie ma wpływu na produkcję serotoniny, co wskazuje, że efekt ten nie jest uniwersalny dla wszystkich gatunków. Ostatnie badania pokazały, że zmiany w poziomach serotoniny i składzie mikrobiomu jelitowego mogą być związane z różnymi chorobami, w tym zespołem jelita drażliwego (IBS), chorobą Parkinsona, Alzheimerem i zaburzeniami ze spektrum autyzmu (ASD). Jedno z badań wykazało, że podanie bakterii Bacteroides fragilis łagodziło problemy behawioralne i poprawiało szczelność bariery jelitowej u myszy z ASD. Takie doniesienia otwierają drogę do zastosowania kuracji probiotycznych w schorzeniach neurologicznych, o czym byśmy nawet nie pomyśleli jeszcze jakiś czas temu.

A czy to oznacza że nasze bakterie nami manipulują?

W świecie przyrody istnieje wiele przykładów pasożytów, które wpływają na zachowanie swoich gospodarzy. Słynny drapieżny grzyb Ophiocordyceps unilateralis, który zakaża mrówki, zmusza je do wspinania się na odpowiednią wysokość w lesie, co sprzyja rozwojowi grzyba. U ssaków, podobne manipulacje można zaobserwować u wirusa wścieklizny, który zwiększa agresję u zarażonych zwierząt, ułatwiając transmisję wirusa. Jednak dowody na ewolucyjne „manipulacje” przez mikroorganizmy jelitowe są mniej jednoznaczne. Naukowcy sugerują, że zmiany w zachowaniu gospodarza mogą być raczej efektem ubocznym ich naturalnych procesów metabolicznych, a nie celowym działaniem. Opisane powyżej interakcje wskazują raczej na to, że w toku ewolucji nauczyliśmy się współpracować tak aby uzyskać jak najlepsze efekty dla obu stron. Pamiętajmy, abyśmy byli dla naszego mikrobiomu dobrymi gospodarzami i dbali o niego a odwdzięczy się nam utrzymaniem naszego organizmu w zdrowiu.

---

Źródła:

Abdelsalam NA, et al. Frontiers in pharmacology 11 (2020): 390
Johnson K.VA., Foster, K.R. Nat Rev Microbiol 16, 647-655 (2018)
Mayer E.„Twój drugi mózg” wydawnictwo Feeria Science 2018
Robertson RC. et al. Volume 27, Issue 2, 131 – 147
Ruan W.et al. Dig Dis Sci 65, 695-705 (2020)
Selma-Royo M. et al. Advances in Experimental Medicine and Biology (2019) vol 1125. Springer, Cham.
Weersma Rinse K. et al. Gut 69.8 (2020): 1510-1519.

---

Słowa kluczowe:

mikrobiom, zdrowie, probiotyk, dysbioza, dziecko

---

• aktualności
• Nauki biologiczne i rolnicze
• Nauki ścisłe i nauki o Ziemi
• Polska Akademia Nauk
• popularyzacja