Što je mikrobiota i kako utječe na vaše zdravlje

Što je mikrobiota i kako utječe na vaše zdravlje

Filip Ernoić, dr.med.
specijalist gastroenterolog

Crijevni mikrobiom je složeni ekosistem koji se sastoji od mikroorganizama i njihovog mikrookoliša. Mikrobiota je dio mikrobioma, a čine je svi mikroorganizmi na ljudskom tijelu ili unutar njega, uključujući bakterije, gljive i viruse. Svi sudionici mikrobiote zajedno čine složeni uravnoteženi sustav koji je u interakciji s čovjekom (domaćinom). Sastav crijevne mikrobiote je individualan, odnosno različit kod svakog čovjeka, te je vrlo teško odrediti univerzalan „zdravi“ mikrobiom. Uloga svake komponente mikrobioma za sada još nije poznata, a primarni fokus istraživanja je na komponenti koju čine bakterije.

Za razliku od „loših“, patogenih bakterija koje izazivaju bolesti, postoje i one „dobre“ i korisne bakterije koje nastanjuju ljudski organizam. U crijevima čovjeka tako živi oko sto bilijuna bakterija. Najgušće su naseljene u debelom crijevu, dok je njihova raznolikost i gustoća manja u tankom crijevu. Zdrava mikrobiota se kod pojedinca razvija u ranim godinama života te bez obzira na moguće promjene u svojoj količini, svojom funkcionalnosti i sastavom ostaje stabilna kroz život. Jednako tako može biti stabilna i mikrobiota nepovoljnog sastava te tako doprinijeti razvoju kroničnih bolesti.

Svaka mikrobiota ima određenu razinu otpornosti koja se definira kao količina negativnog utjecaja koju može podnijeti prije nego prijeđe u drugo stabilno stanje (nepovoljnog sastava i funkcionalnosti). Visok stupanj otpornosti poželjan je kod zdrave mikrobiote, no nepoželjan je kod nezdrave mikrobiote. Kratkotrajni negativni čimbenici, poput kratkotrajnog uzimanja antibiotika mogu uzrokovati poremećaj strukture mikrobiote koji je najčešće reverzibilan. Dugotrajni negativni učinci poput promjene u prehrani ili dulje primjena antibiotika, kao i negativni učinci za vrijeme razvoja mikrobioma (peripartalno razdoblje i rano djetinjstvo) mogu dovesti do strukturne promjene mikrobioma u nepovoljan, nezdrav oblik otporan na promjene.

Mnogobrojni faktori, kao što su dob, spol, genetika, geografska pripadnost, prehrana, tjelovježba, lijekovi te druge životne navike utječu na varijabilnost i otpornost mikrobioma. Najveće promjene u sastavu mikrobiote počinju u peripartalnom razdoblju. Mikrobiom stečen do 3. godine života više ili manje nalikuje onom odraslog čovjeka, a s godinama mu se povećava strukturalna i funkcionalna raznolikost. Kada govorimo o spolu, mikrobiota kod žena ima veću strukturalnu raznolikost i funkcionalnost nego mikrobiota kod muškaraca te smanjen udio određenih bakterijskih sojeva. Sastav mikrobiote značajno varira s geografskim podnebljem što je razlog kulturalnih, dijetalnih i okolišnih čimbenika. Tako je mikrobiota Amerikanaca i Europljana slična, a značajno se razlikuje od mikrobiote u neurbanim sredinama, ponajviše u strukturi, odnosno vrstama bakterijskih kultura ovisno o potrebnoj enzimskoj aktivnosti. Prehrambene namirnice služe kao supstrat za bakterijske metaboličke procese te tako vrsta prehrane ima veliki utjecaj na funkcionalnost mikrobioma. Od lijekova najveći utjecaj na mikrobiom imaju antibiotici, no na sastav mikrobioma utjecaj imaju i brojni drugi lijekovi kao što su benzodiazepini, inhibitori protonske pumpe i nesteroidni protuupalni lijekovi. Od loših životnih navika koje utječu na mikrobiotu ističu se pušenje, konzumacija alkohola i stres.

Mikrobiota i domaćin u stalnoj su interakciji, odnosno postoji međusobna signalizacija mikrobiote s imunološkim sustavom, probavnim sustavom pa čak i neurološkim sustavom pa tako svaki poremećaj mikrobiote može dovesti do nastanka bolesti kod čovjeka. S obzirom na značaj mikrobiote u metabolizmu čovjeka, poremećaj u njenom sastavu ili funkciji može doprinijeti nastanku pretilosti, šećerne i kardiovaskularne bolesti te nealkoholne bolesti jetre. Poremećaj mikrobiote smatra se značajnim i kod celijakije, a pokazao se bitan i u patogenezi upalnih bolesti crijeva. Intestinalni mikrobiom također može trigerirati karcinogenezu proizvodnjom karcinogenih molekula ili stvaranjem proupalnog mikrookoliša te na taj način sudjeluje u nastanku karcinoma debelog crijeva. Značajna uloga mikrobiote pripisuje se i nastanku funkcionalnih poremećaja probavnog trakta, poglavito sindroma iritabilnog crijeva (SIC). Ne postoji definiran uzorak mikrobiote kod SIC-a, no primijećeno je da kod pacijenata sa SIC-om postoji smanjena raznolikost mikrobiote te se terapijsko djelovanje na mikrobiom široko primjenjuje u liječenju funkcionalnih poremećaja probavnog trakta.

Terapijsko djelovanje na mikrobiotu područje je velikog interesa znanstvene zajednice, a za sada se u praksi koristi nekoliko pristupa od kojih se izdvajaju fekalna transplantacija, korištenje probiotika, stimulacija određenih bakterija putem prebiotika te korištenje simbiotika i različitih dijeta.

Probiotici su se prema Svjetskoj zdravstvenoj organizaciji definiraju kao živi mikroorganizmi koji dani u odgovarajućoj količini imaju zdravstvene dobrobiti za čovjeka, dok su prebiotici neprobavljivi spojevi koji se metaboliziraju od strane probiotika, odnosno mikrobiote domaćina te pozitivno utječu na njen sastav i funkciju. Sinbiotik je naziv za zajedničku primjenu probiotika i prebiotika. Članovi roda Bifidobacterium među prvim su mikrobima koji su kolonizirali ljudski gastrointestinalni trakt, te su kao probiotik u posebnom fokusu znanstvenih istraživanja. Tako je poznato da bifidobakterije pozitivno djeluju kod proljeva uzrokovanih virusnim infekcijama ili upotrebom antibiotika, smanjuju simptome upalnih bolesti crijeva, a postoje i studije koje povezuju bifidobakterije sa smanjenjem simptoma konstipacije.

Kao prebiotički supstrat mikrobioti služe fruktani poput inulina i fruktooligosaharida (FOS) koji su među najbolje istraženim i najčešće korištenim prebioticima. Važan ishod fermentacije fruktana inulinskog tipa u debelom crijevu je povećanje broja bifidobakterija (takozvani bifidogeni učinak) te povećanje proizvodnje butirata u debelom crijevu. , tzv. butirogenski učinak. Ovi bifidogeni i butirogeni učinci smatraju se korisnima za zdravlje ljudi. Za bifidobakterije se smatra da pridonose mikrobiološkoj ravnoteži crijeva, dok je butirat važan izvor energije za epitelne stanice debelog crijeva i može igrati ulogu u razvoju i ekspresiji gena u crijevnim stanicama te na taj način spriječiti nastanak kolitisa i kolorektalnog karcinoma.

Mikrobiota privlači značajan interes znanstvene zajednice. Dosadašnji rezultati su pokazali djelotvornost u terapijskim intervencijama i mogućnost široke primjene. Daljnja istraživanja su potrebna kako bi se bolje razumjela kompleksna interakcija domaćina i mikrobiote, kao i značaj drugih mikroorganizama, poput bakteriofaga, gljiva i virusa u mikrobiomu. Nove spoznaje dodatno će rasvijetliti odgovore na ova pitanja i donijeti nove terapijske mogućnosti.

Reference:

  1. Zhernakova, A. Kurilshikov, M.J. Bonder, et al.: Population-based metagenomics analysis reveals markers for gut microbiome composition and diversity. Science. 352 (6285):565-569 2016 27126040
  2. Rajilic-Stojanovic, W.M. de Vos: The first 1000 cultured species of the human gastrointestinal microbiota. FEMS Microbiol Rev. 38 (5):996-1047 2014 24861948
  3. P. Donaldson, S.M. Lee, S.K. Mazmanian: Gut biogeography of the bacterial microbiota. Nat Rev Microbiol. 14 (1):20-32 2016 26499895
  4. J. McCracken, J.M. Simpson, R.I. Mackie, H.R. Gaskins: Molecular ecological analysis of dietary and antibiotic-induced alterations of the mouse intestinal microbiota. J Nutr. 131 (6):1862-1870 2001 11385080
  5. L.V. Hooper, D.R. Littman, A.J. Macpherson: Interactions between the microbiota and the immune system. Science. 336 (6086):1268-1273 2012 22674334
  6. C.A. Lozupone, J.I. Stombaugh, J.I. Gordon, J.K. Jansson, R. Knight: Diversity, stability and resilience of the human gut microbiota. Nature. 489 (7415):220-230 2012 22972295
  7. L. Dethlefsen, D.A. Relman: Incomplete recovery and individualized responses of the human distal gut microbiota to repeated antibiotic perturbation. Proc Natl Acad Sci U S A. 108 (Suppl. 1):4554-4561 2011 20847294
  8. A.F. Schulfer, T. Battaglia, Y. Alvarez, et al.: Intergenerational transfer of antibiotic-perturbed microbiota enhances colitis in susceptible mice. Nat Microbiol. 3 (2):234-242 2018 29180726
  9. J. Miyoshi, A.M. Bobe, S. Miyoshi, et al.: Peripartum antibiotics promote gut dysbiosis, loss of immune tolerance, and inflammatory bowel disease in genetically prone offspring. Cell Rep. 20 (2):491-504 2017 28700948
  10. F. Backhed, J. Roswall, Y. Peng, et al.: Dynamics and stabilization of the human gut microbiome during the first Year of life. Cell Host Microbe. 17 (6):852 2015 26308884
  11. P. Ferretti, E. Pasolli, A. Tett, et al.: Mother-to-Infant microbial transmission from different body sites shapes the developing infant gut microbiome. Cell Host Microbe. 24 (1)2018 133-45.e135
  12. H. Chung, S.J. Pamp, J.A. Hill, et al.: Gut immune maturation depends on colonization with a host-specific microbiota. Cell. 149 (7):1578-1593 2012 22726443
  13. Olszak, D. An, S. Zeissig, et al.: Microbial exposure during early life has persistent effects on natural killer T cell function. Science. 336 (6080):489-493 2012 22442383
  14. S.K. Lathrop, S.M. Bloom, S.M. Rao, et al.: Peripheral education of the immune system by colonic commensal microbiota. Nature. 478 (7368):250-254 2011 21937990
  15. E.S. Lim, Y. Zhou, G. Zhao, et al.: Early life dynamics of the human gut virome and bacterial microbiome in infants. Nat Med. 21 (10):1228-1234 2015 26366711
  16. T. Yatsunenko, F.E. Rey, M.J. Manary, et al.: Human gut microbiome viewed across age and geography. Nature. 486 (7402):222-227 2012 22699611
  17. E.B. Hollister, K. Riehle, R.A. Luna, et al.: Structure and function of the healthy pre-adolescent pediatric gut microbiome. Microbiome. 3:36 2015 26306392
  18. M.J. Claesson, I.B. Jeffery, S. Conde, et al.: Gut microbiota composition correlates with diet and health in the elderly. Nature. 488 (7410):178-184 2012 22797518
  19. J.G. Markle, D.N. Frank, S. Mortin-Toth, et al.: Sex differences in the gut microbiome drive hormone-dependent regulation of autoimmunity. Science. 339 (6123):1084-1088 2013 23328391
  20. L. Wen, R.E. Ley, P.Y. Volchkov, et al.: Innate immunity and intestinal microbiota in the development of Type 1 diabetes. Nature. 455 (7216):1109-1113 2008 18806780
  21. J.K. Goodrich, E.R. Davenport, A.G. Clark, R.E. Ley: The relationship between the human genome and microbiome comes into view. Annu Rev Genet. 51:413-433 2017 28934590
  22. C. De Filippo, D. Cavalieri, M. Di Paola, et al.: 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. 107 (33):14691-14696 2010 20679230
  23. S.F. Clarke, E.F. Murphy, O. O’Sullivan, et al.: Exercise and associated dietary extremes impact on gut microbial diversity. Gut. 63 (12):1913-1920 2014 25021423
  24. I. Cho, M.J. Blaser: The human microbiome: at the interface of health and disease. Nat Rev Genet. 13 (4):260-270 2012 22411464
  25. M. Yassour, T. Vatanen, H. Siljander, et al.: Natural history of the infant gut microbiome and impact of antibiotic treatment on bacterial strain diversity and stability. Sci Transl Med. 8 (343):343ra381 2016
  26. N.A. Bokulich, J. Chung, T. Battaglia, et al.: Antibiotics, birth mode, and diet shape microbiome maturation during early life. Sci Transl Med. 8 (343):343ra382 2016
  27. S.Y. Shaw, J.F. Blanchard, C.N. Bernstein: Association between the use of antibiotics in the first year of life and pediatric inflammatory bowel disease. Am J Gastroenterol. 105 (12):2687-2692 2010 20940708
  28. M.A.M. Rogers, D.M. Aronoff: The influence of non-steroidal anti-inflammatory drugs on the gut microbiome. Clin Microbiol Infect. 22 (2):178 e171-178 e179 2016
  29. H. Wu, E. Esteve, V. Tremaroli, et al.: Metformin alters the gut microbiome of individuals with treatment-naive type 2 diabetes, contributing to the therapeutic effects of the drug. Nat Med. 23 (7):850-858 2017 28530702
  30. F. Imhann, M.J. Bonder, A. Vich Vila, et al.: Proton pump inhibitors affect the gut microbiome. Gut. 65 (5):740-748 2016 26657899
  31. J.P. Karl, L.M. Margolis, E.H. Madslien, et al.: Changes in intestinal microbiota composition and metabolism coincide with increased intestinal permeability in young adults under prolonged physiological stress. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 312 (6):G559-G571 2017 28336545
  32. L. Biedermann, J. Zeitz, J. Mwinyi, et al.: Smoking cessation induces profound changes in the composition of the intestinal microbiota in humans. PLoS One. 8 (3):e59260 2013 23516617
  33. L. Crouzet, E. Gaultier, C. Del’Homme, et al.: The hypersensitivity to colonic distension of IBS patients can be transferred to rats through their fecal microbiota. Neuro Gastroenterol Motil. 25 (4):e272-e282 2013
  34. J.A. Foster, K.A. McVey Neufeld: Gut-brain axis: how the microbiome influences anxiety and depression. Trends Neurosci. 36 (5):305-312 2013 23384445
  35. T.C. Fung, C.A. Olson, E.Y. Hsiao: Interactions between the microbiota, immune and nervous systems in health and disease. Nat Neurosci. 20 (2):145-155 2017 28092661
  36. T.H. Hansen, R.J. Gobel, T. Hansen, O. Pedersen: The gut microbiome in cardio-metabolic health. Genome Med. 7 (1):33 2015 25825594
  37. A.V. Hartstra, K.E. Bouter, F. Backhed, M. Nieuwdorp: Insights into the role of the microbiome in obesity and type 2 diabetes. Diabetes Care. 38 (1):159-165 2015 25538312
  38. J. Boursier, O. Mueller, M. Barret, et al.: The severity of nonalcoholic fatty liver disease is associated with gut dysbiosis and shift in the metabolic function of the gut microbiota. Hepatology. 63 (3):764-775 2016 26600078
  39. J. Miyoshi, E.B. Chang: The gut microbiota and inflammatory bowel diseases. Transl Res. 179:38-48 2017 27371886
  40. E.F. Verdu, H.J. Galipeau, B. Jabri: Novel players in coeliac disease pathogenesis: role of the gut microbiota. Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 12 (9):497-506 2015 26055247R.F. Schwabe, C. Jobin: The microbiome and cancer. Nat Rev Cancer. 13 (11):800-812 2013 24132111
  41. R. Pittayanon, JT. Lau, Y. Yuan, et al.: Gut microbiota in patients with Irritable bowel syndrome—a systematic review. Gastroenterology. 157:97-15108 2019 30940523
  42. D. Xu, VL. Chen, CA. Steiner, et al.: Efficacy of fecal microbiota transplant in irritable bowel syndrome: a systematic review and meta-analysis. Am J Gastroenterol. 114 2019 1043-50
  43. Y.T. Li, H.F. Cai, Z.H. Wang, J. Xu, J.Y. Fang: Systematic review with meta-analysis: long-term outcomes of faecal microbiota transplantation for Clostridium difficile infection. Aliment Pharmacol Ther. 43 (4):445-457 2016 26662643
  44. A.C. Ford, E.M. Quigley, B.E. Lacy, et al.: Efficacy of prebiotics, probiotics, and synbiotics in irritable bowel syndrome and chronic idiopathic constipation: systematic review and meta-analysis. Am J Gastroenterol. 109 (10):1547-1561 2014 quiz 1546, 1562 25070051
  45. T. Didari, S. Solki, S. Mozaffari, S. Nikfar, M. Abdollahi: A systematic review of the safety of probiotics. Expert Opin Drug Saf. 13 (2):227-239 2014 24405164
  46. Tan J, McKenzie C, Potamitis M, Thorburn AN, Mackay CR, Macia L. The role of short-chain fatty acids in health and disease. Adv Immunol. 2014;121:91-119. doi: 10.1016/B978-0-12-800100-4.00003-9. PMID: 24388214.