Mikrober, hemliga hyresgäster
Utan dem slutar vår kropp att fungera. Idag börjar vetenskapen upptäcka kraften de har över oss.
Utarbetande team
23 januari 2019, 15:02
1/9
© M. OEGGERLI 2008, med stöd av Institutet för patologi vid universitetssjukhuset i Basel och Hochschule Für Life Science, FHNW
2/9
Foto: M. Oeggerli 2014, med stöd av Institutet för patologi vid universitetssjukhuset i BAsilea och KN Goldie, C-CIna, Biozentrum, University of Basel
3/9
Foto: M. Oeggerli 2014, med stöd av Institutet för patologi vid universitetssjukhuset i Basel och KN Goldie, C-CINA, Biozentrum, universitetet i Basel.
4/9
Illustration: Cyprian Lothringer. Rådgivare: Peer Bork, Heildergerb European Laboratory for Molecular Biology, Till Strowig, Brunswick Helmholtz Center for Infection Research (HZI).
5/9
Foto: © M. Oeggerli 2012, med stöd av Institutet för patologi vid universitetssjukhuset i Basel och Hochshule Für Life Sciences, FHNW
6/9
Bakterier i processen att dela upp släktet streptokocker. Vissa arter av detta släkte kan orsaka tonsillit, dermatit och lunginflammation. De gömmer sig skickligt mot immunförsvar och antibiotika.
Foto: © M. Oeggerli 2015, med stöd av Hochschule Für Life Sciences, FHNW, och Institutet för patologi och avdelningen för klinisk mikrobiologi vid universitetssjukhuset i Basel
7/9
bakteriofager
Utarbetande team
23 januari 2019, 15:02
1/9
Escherichia coli-bakterier
Miljarder av mikroorganismer lever i oss och på vår hud. De är så små att ett elektronmikroskop som det som gör dessa gulfärgade Escherichia coli-bakterier som koloniserar tarmen synliga behövs för att uppskatta dem.© M. OEGGERLI 2008, med stöd av Institutet för patologi vid universitetssjukhuset i Basel och Hochschule Für Life Science, FHNW
2/9
Vem rengör regelbundet naveln?
2011 tog forskare från University of North Carolina prover från denna hygieniskt sett "begränsade zon" på 60 personer och upptäckte mer än 2 600 typer av bakterier. Två tredjedelar av dem beskrivs inte ens i den vetenskapliga litteraturen.Foto: M. Oeggerli 2014, med stöd av Institutet för patologi vid universitetssjukhuset i BAsilea och KN Goldie, C-CIna, Biozentrum, University of Basel
3/9
Staphylococcus koloni
Staphylococci koloniserar huden och slemhinnan och kan orsaka extremt allvarliga infektioner. Kopiorna av denna superförstorade bild fästes på fibern på ett blottingpapper som fotografen använde som bas.Foto: M. Oeggerli 2014, med stöd av Institutet för patologi vid universitetssjukhuset i Basel och KN Goldie, C-CINA, Biozentrum, universitetet i Basel.
4/9
Människans livsmiljö
Den mänskliga mikrobiota är uppsättningen av alla mikroorganismer som lever i och på vår kropp. De flesta av dessa mikrober är bakterier, men det finns också archaea (urbakterier), svampar och små alger. Virus anses också ofta som mikrober, även om de saknar metabolism av sin egen och självreproducerande förmåga. De flesta av våra hyresgäster är godartade, men vissa kan vara farliga under vissa omständigheter.Illustration: Cyprian Lothringer. Rådgivare: Peer Bork, Heildergerb European Laboratory for Molecular Biology, Till Strowig, Brunswick Helmholtz Center for Infection Research (HZI).
5/9
Oral Bacteria Mix
Den här pulsen av orala bakterier har fotograferats på ett konstgjort stöd. De flesta bakterier på tänder, tungor och gom skyddar den orala floran, men vissa orsakar också tandsten och tandröta.Foto: © M. Oeggerli 2012, med stöd av Institutet för patologi vid universitetssjukhuset i Basel och Hochshule Für Life Sciences, FHNW
6/9
Bakterier i delningsprocess
Bakterier i processen att dela upp släktet streptokocker. Vissa arter av detta släkte kan orsaka tonsillit, dermatit och lunginflammation. De gömmer sig skickligt mot immunförsvar och antibiotika.
Foto: © M. Oeggerli 2015, med stöd av Hochschule Für Life Sciences, FHNW, och Institutet för patologi och avdelningen för klinisk mikrobiologi vid universitetssjukhuset i Basel
7/9
bakteriofager
Bakteriofager eller fager är virus som infekterar och förstör bakterier. Kanske kan de användas som vapen för att bekämpa multiresistenta bakterier. Dess potential för humanmedicin undersöks.
Foto: © M. Oeggerli 2016, med stöd av Rohde, HZI, samt C. Rohde, Tysk samling av mikroorganismer och keramiska kulturer (DSMZ) och Eliava Institute of Tbilisi
8/9
En charmig tarm
Det är så vackert ett konstgjordt färgat och förstorat avföringsprov. Morfologin och måtten på de zucchini-formade bakterierna är ovanliga när det gäller mänsklighet.
© M. OEGGERLI 2008, med stöd av schweiziska institutet för folkhälsa och tropisk hälsa, samt Institutet för patologi vid universitetssjukhuset i Basel och Hochschule Für Life Science, FHNW
9/9
Pestpatogen
Liten men mobbing: Detta lilla stickformade varelse, färgat orange för bilden, är pestogen för pesten. Yersinia pestis dödade 25 miljoner européer under medeltiden. Idag är sjukdomen ännu inte utrotad. Patogenen kan emellertid endast överföras till människor under mycket specifika omständigheter; huvudtransmissionsvektorn är råttloppa. Dessa bakterier odlades och inaktiverades i laboratoriet under de mest noggranna säkerhetsåtgärderna innan de var lämpliga för hantering.
© M. Oeggerli 2013, med stöd av Institutet för veterinärbakteriologi vid Universitetet i Bern, samt Institutet för patologi vid universitetssjukhuset i Basel och Hochschule Für Life
Denna typ av terapi är känd som en fekal transplantation. Och i fallet med Mayer verkar det vara den sista patronen efter ett år med diarré, kollaps kollaps och konstant sjukhusinläggningar. Din kropp koloniseras av Clostridium difficile, en farlig tarmbakterie . Men vad får en att tro att den bruna vätskan från endoskopet som Storr hanterar kommer att lyckas där de kraftfullaste antibiotika har misslyckats?
Svaret är att undersöka närmare - nämligen under ett elektronmikroskop - den fekala suspensionen av den anonyma givaren. Miljoner av vad som verkar vara nästan alltid sfäriska pärlor bubblar upp i lösningen, några sammanfogade som ett halsband, bredvid böjda, raka och vågiga baciller eller timglasformade organismer. Allt detta i mikrometrisk skala, omöjligt för det blotta ögat. De är de nya hyresgästerna i Kerstin Mayers tarmmikrobiella samhälle.
Det är idén om människan som ett gemensamt hem, som ett resande ekosystem: efteråt börjar vetenskapen upptäcka det dolda universum av mikroorganismer, och många forskare är övertygade om att de nya resultaten om dem och deras funktion kommer att revolutionera vår förståelse av processer. fysiologisk. En sak har redan bevisats: mikrober är viktiga för vår hälsa. De följer med oss hela vårt liv, som om de var ett superorgan som ansvarar för att ta hand om vårt välbefinnande.
Om det inte fungerar ordentligt kan vi bli sjuka. Våra små invånare hjälper oss att assimilera mat, göra viktiga vitaminer och mineraler, samarbeta med immunsystemet och kan till och med diktera vårt beteende. Och vi påverkar dem också, inte alltid för gott. Antibiotika, ohälsosamma dieter, överdriven hygien, till och med kejsarsnitt är en potentiell fara för våra hjälpsamma mikrohyresgäster.
Det uppskattas att var och en av oss bär i vår kropp cirka 40 miljarder mikroorganismer; Med andra ord 40 miljoner miljoner, till och med mer än antalet celler som utgör vår kropp (cirka 30 miljarder). Mikrober med namn som Streptococcus salivarius, Staphylococcus epidermidis eller Lactobacillus casei bebor huden, munnen, näsan, lungorna, könsområdet eller tarmen, deras favoritmiljö: det innehåller inte mindre än 90% av vår flora. Förutom bakterier, uppenbarligen majoriteten, virus, svampar och de så kallade archaea, primordiala bakterier, bebor också människokroppen. «Inget spår av vår biologi är främmande för dem. Om vi ignorerar dem, skulle vi titta på våra liv genom ett nyckelhål, "skriver den amerikanska vetenskapsjournalisten Ed Yong i sin bok I Contain Multitudes.
Uppsättningen av permanenta invånare i den mänskliga organismen kallas en mikrobiota. Det består av mer än 10 000 olika mikrobiella former, enligt uppskattningar från Human Microbiome Project, ett initiativ från American National Institutes of Health (NHI) som mellan 2008 och 2012 studerade 5 000 prover av mikrobiota av 242 individer för att förstå deras mikrobiom, det vill säga , uppsättningen som bildas av mikroorganismer, deras gener och deras metaboliter. Forskarna från projektet upptäckte att mikroorganismerna hos en frisk person har cirka åtta miljoner gener som innehåller tillverkningskoden för proteiner, det vill säga 360 gånger mer än vår egen genpool. I studier som samlar in mer data - till exempel det europeiska MetaHIT-projektet - har ännu mer mikrobiella gener identifierats. Forskarna är övertygade om att den kompletta genetiska skatten faktiskt multiplicerar det åtta miljoner flera gånger.
Våra hyresgäster är verkliga biokemiska superhjältar. De utför metaboliska funktioner och bekämpar fienden. "Om all din fulla mikrobiota plötsligt skulle dö och inte ersättas av nya organismer, skulle du säkert ha dina dagar numrerade," säger Peer Bork från European Laboratory for Molecular Biology i Heidelberg, Tyskland. Denna bioinformatiker, en av de första forskarna som i detalj beskriver den mänskliga mag-tarmmikrobiota, läser genetisk information från en persons tarmmikrober och jämför den med andra individer. New Generation Sequencing är namnet på den revolutionära metoden som gör det möjligt att dechiffrera livskoden praktiskt taget upp till alfabetisk skala. Tack vare högteknologiska instrument har läshastigheten under de senaste tio åren multiplicerat med 100 000. Teknologiska framsteg är verkligen den verkliga motorn som har lanserat detta forskningsområde.
"Som en allmän regel skiljer sig två personer i sammansättningen och frekvensen av bakterietyperna i deras kroppar, men framför allt delar de mycket få bakteriestammar," säger Bork. Stammar är varianter av en art, den verkliga enheten som mikrobiologer arbetar med. Mellan en stam och en annan kan det vara mycket viktiga skillnader. Till exempel syntetiserar Escherichia coli-bakterier vitamin K, nödvändigt för att stoppa blödning och helt ofarligt i de allra flesta fall. Istället skulle ingen vilja hysa den giftiga EHEC-stammen, eller enterohemorrhagic Escherichia coli, i deras tarm.
För att förstå varför varje person befolkas av sin egen gemenskap av bakterier och relaterade, måste vi fråga var vår mikrobiota faktiskt kommer från. Svaret är att en bra del av mikroberna når kroppen vid förlossningen, kanske ännu tidigare. Mikrobiolog Indira Mysorekar, från Washington University i Saint Louis, undersökte cirka 200 morkakor och fann närvaron av bakterier i en tredjedel av dem.
Andra forskare läser dessa studier med kritisk skepsis och tillskriver sina kollegor metodfel. Sammantaget verkar den avgörande rollen för födelse obestridlig. Jämfört med barn födda av vaginal lever har de som är födda med kejsarsnitt olika och mindre varierade mikroorganismer. Omkring världen föds ungefär en av fem spädbarn för närvarande med kejsarsnitt, och valfria kejsarsnitt utförs mer och mer ofta, utförs även om det inte finns någon fara för modern eller barnet. "När min dotter föddes i en oplanerad kejsarsektion, slösade jag ingen tid att slösa bort henne på hennes mors vaginala sekret," säger Rob Knight, chef för Center for Microbiome Innovation vid University of California. Tidigare studier har redan visat att barn födda med kejsarsnitt har större risk för allergier, astma eller atopisk dermatit, sjukdomar av autoimmun natur. Hypotesen är att mikroorganismerna skulle kunna delta i konstruktionen av barnets immunsystem.
I en senare studie visade Knight att hans metod effektivt påverkar mikrobiota. I denna studie fick hon fyra mödrar att sätta in en steril gasväv i slidan en timme innan hon genomgick ett kejsarsnitt och sedan gnugga det nyfödda huvudet och kroppen med det. Knight jämförde sedan mikrobiota hos dessa barn med sju andra, som också föddes med kejsarsnitt, men som inte hade haft kontakt med vaginal utsöndring från mamman och med sju barn födda i vaginala förlossningar. Resultatet: Fortfarande en månad efter födseln var det mikrobiella kapitalet hos spädbarn som gnuggades med den impregnerade gasbindet mycket mer likt det hos spädbarn som levererats vid vaginal lever än de som föddes av kejsarsnitt som inte hade impregnerats.
Precis som Geppetto slängde sig på Pinocchios rep, tar tarmmikrober emot oss, säger John Cryan från University College Cork
Sammansättningen av en persons mikrobiella samhälle beror på deras föräldrar och miljön. De tre första levnadsåren är avgörande. I det första trienniet genomför vårt immunsystem ett slags hyresval: det utvisar det mest oönskade och letar efter ersättare. "Därifrån är mikrobiota relativt stabil," säger Bork, "även om miljöbakterier fortsätter att tränga in i kroppen." I en passionerad kyss utbyter vi till exempel 80 miljoner mikroorganismer, även om de mestadels avvisas av de mikrober som redan är etablerade i vår kropp.
Fortfarande finns det tillfällen när en vuxen kropp rekoloniseras av mikrober; till exempel efter en runda antibiotika. I teorin dödar dessa läkemedel patogena bakterier - som Kerstin Mayers Clostridium difficile - men när det gäller det är deras verkan inte så specifik och andra mikroorganismer är före dem. Om mikrobiota påverkas allvarligt börjar en tävling: att se vem som växer snabbare. Eller så kan det vara så att helt nya hyresgäster från miljön kommer in i kroppen.
Kerstin Mayer lyckades med avföring av avföringen, även om det inte kan förutsägas hur länge de utländska mikroberna kommer att motstå i hennes tarmar. Inte för ett ögonblick kände han den minsta skrubben vid tanken på att få avkänning från andra, det var rädslan för att återfalla för sjätte gången från hans tillstånd. "Varje gång jag gick på badrummet och såg stinkig grönaktig diarré, visste jag vad jag skulle förvänta mig," minns han. Han tolererade ingenting muntligt, varken mat eller dryck ». När han fick veta att det fanns en annan möjlighet till behandling, var han överlycklig. Till en början ville hon att givaren skulle vara hennes man, men de tidigare testerna skulle ta för lång tid och hon ville starta terapi utan dröjsmål, så hon litade på en anonym donator.
När en vuxens tarmmikrobiota försvagas, har främmande mikrober lättare att kolonisera den eftersom immunförsvarets funktion försämras. För att upptäcka hur mikrober kommunicerar och samarbetar med våra försvar, arbetar Till Strowig med möss på Helmholtz Center for Infection Research (HZI) i Brunswick, Tyskland.
Deras laboratoriedjur ser ut som vanliga gnagare när du ser dem leta efter korn i deras matskål eller klättra genom rören i sina burar, men i själva verket delar de identiskt genetiskt material och anländer till världen helt kimfria i kejsarsnitt. För att manipulera dem måste Strowig introducera underarmarna i plasthandskar som är fästa vid själva buren. Forskaren ympade mössen med perfekt definierade tarmmikrober och utvecklade därifrån olika känsligheter för infektionssjukdomar. Om du till exempel orsakar salmonellos uppvisar vissa möss tydligt allvarligare symtom än andra baserat på deras specifika mikrobiota.
Den delade koden som möjliggör kommunikation mellan bakterier och immunsystemet verkar komma från de kortkedjiga fettsyrorna som produceras när tarmmikrober bryter ner fiberrik mat - som frukt, grönsaker och spannmål - för energi. När vissa immunceller upptäcker denna bakterieproduktion kommer de in på ett sätt som bromsar försvarsreaktionerna, överdrivna immunsvar som annars skulle leda till allergier eller autoimmuna sjukdomar. "Kortkedjiga fettsyror löser sig väl i blodet. Så de kan lätt nå till och med hjärnan och agera på dess immunceller, ”förklarar Strowig.
Frånvaron av dessa mikrobiella hyresgäster har en inverkan på "immunpolisen" på hjärnan. På samma sätt bekräftades det av forskargruppen för professor Marco Prinz vid Institute of Neuropathology vid University Clinic of Freiburg. "Vi misstänker att det finns ett permanent informationsutbyte mellan tarmbakterier och hjärnfagocyter, makrofager," säger Prinz. Fagocyter är avgörande eftersom de dödar invaderande bakterier och döda nervceller. Utan denna rengöring uppstår inflammationer. Och inflammationer, misstänker forskare, är förknippade med neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers, multipel skleros eller Parkinson. Därför kan frukt, grönsaker och liknande inte bara stärka immunförsvaret, utan också förhindra demens.
Påverkan av tarmmikrobiota på hjärnan kan till och med överstiga dess effekter på immunsystemet. "Precis som Geppetto drog i Pinocchios rep, tar tarmmikrober oss," säger John Cryan från University College Cork, Irland. Hur kan det vara? Är det möjligt att sådana små organismer har makten att modulera våra känslor och till och med diktera vårt beteende?
Ett team av forskare har åtminstone lyckats ändra beteende hos möss genom att modifiera deras tarmmikrobiota. Gnagare administrerades doser av bakterierna Lactobacillus rhamnosus och placerades i en labyrint. De som hade behandlats visade mer mod och utforskade de öppna passagerna med överraskande frekvens, medan kontrollmössen föredrog mörka, väggskyddade stigar, som kunde förväntas av ett nattdjur. Cryan observerade också hjärnförändringar. Receptorer som upptäcker neurotransmitteren GABA (gamma-aminobutyric acid) ökade i antal i vissa områden och minskade i andra jämfört med kontrollmöss. Dessa tillsynsmyndigheter har förmodligen att göra med uppkomsten av depression eller ångestbesvär.
Förutom transporten av kemiska budbärare genom blodomloppet verkar vagusnerven också spela en avgörande roll i kommunikationen med hjärnan. Denna nervförbindelse går genom kroppen från hjärnan till buken. "Om de är snittade, slutar mössen att reagera på de bakterier vi matar dem," säger Cryan. Neurovetenskapsmannen och hans kollegor lyckades till och med överföra mänskligt specifikt beteende till gnagare helt enkelt genom tarmmikrober. De introducerade icke-koloniserade djur i avföringen hos patienter med depression, och mössen började visa pseudodepressiva symtom, till skillnad från djur behandlade med avföring från personer med god mental hälsa.
Till och med vår sociala natur kan ha sitt ursprung i mag-tarmkanalen, eller så föreslogs av djurförsök av Cryan. Möss utan mikrobiota var likgiltiga med att vara omgiven av kongen eller bara livlösa föremål, trots att möss är sociala djur. Cryan har antagit: ”Vår hjärna utvecklades i en miljö där bakterier fanns. Kanske fanns det en slags samutveckling. Kanske hade mikrober ett väsentligt inflytande på att göra oss till sociala varelser ”, för från det ögonblick vi lever i samhället kan de multiplicera snabbare.
Våra hyresgäster är inte negativa eller positiva i sig själva, men de manipulerar oss för att skapa optimala förutsättningar för dem. Många patogena mikroorganismer orsakar tarminflammation eftersom detta sänker syrekoncentrationen och gör det lättare för dem att multiplicera. Till skillnad från många patogener som kan leva i andra miljöer (till exempel salmonella) kunde våra hyresgäster inte existera utanför vår kropp. Och det är en god anledning att främja mänskligt välbefinnande, säger Strowig.
"Kanske vid någon tidpunkt kan vi tillämpa upptäckterna av mikrobiotisk forskning för att generera personlig medicin", Peer Bork, bioinformatiker vid European Laboratory for Molecular Biology
Ibland är bakterier helt enkelt där de behövs minst och vid högsta möjliga tid. Magbakterien Helicobacter pylori orsakar magsår och är kopplad till utvecklingen av magcancer, men det är också möjligt att skydda mot matstrupscancer.
Eftersom blandningen av mikroorganismer som koloniserar tarmarna hos sjuka människor tydligt skiljer sig från flora hos friska människor, diskuterar forskarna förhållandet mellan mikrobiota och sjukdomar som typ 2-diabetes, tjocktarmscancer, tarmsyndrom irritabel, astma, reumatism, hjärt-kärlsjukdom, fetma, multipel skleros och autism. "Men det betyder inte att förändringen av mikrobiota är orsaken till dessa sjukdomar," säger Dirk Haller, från ordföranden för näringslära och immunologi vid Tekniska universitetet i München.
Vid tjocktarmscancer eller inflammatorisk tarmsjukdom, till exempel, blöder tarmväggen i matsmältningskanalen - och i fallet med en tumör blockerar den fysiskt kanalen - och därmed varierar miljöförhållandena. påverkan av mikroberna, som sjukdomen skulle förändra mikrobiota och inte tvärtom. En annan faktor som kunde förfalska jämförande studier upptäcktes av Borks forskargrupp, som fann att metformin, ett läkemedel som förskrivits för typ 2-diabetes, modifierar mikrobiota. "Vi har funnit att 25% av oralt administrerade läkemedel påverkar tarmens mikrobiella flora," säger Bork.
För att demonstrera att en förändrad tarmflora kan orsaka sjukdom eliminerades den hos försöksdjur. ”För kronisk tarminflammation har vi 100 modellmöss. Vi avkoloniserade 20 av dem, och under 19 försvann sjukdomen, säger Haller. När forskarna rekoloniserade gnagaren med samma mikroorganismer, dök sjukdomen upp igen. Om en frisk mus mikrobiota implanterades i gnagaren slutade den att visa symptom. Problemet är att det som händer i modellmöss inte alltid kan extrapoleras till mänskliga sjukdomar. "Djurförsök avslöjar bara en liten del av sanningen," klagar Haller. Men om du kan hjälpa en patient med mikrobiota hos en frisk person, varför inte göra det?
Sannolikheten för att härda en Clostridium difficile-infektion med en fekal transplantation varierar från 85 till 95%, men den används endast som en sista utväg när antibiotika misslyckas. Före förfarandet genomgår givaren flera test för att utesluta alla möjliga sjukdomar, från salmonellos till AIDS eller syfilis. Fortfarande finns det alltid en viss risk. Läkarna kan inte uttömma uttömmande att den donerade avföringen också överför groddar av en framtida cancer eller Alzheimers. "Våra patienter är i alla fall minst 75 år gamla, så dessa potentiella sjukdomar kanske aldrig kommer att manifestera sig igen," säger Storr. Å andra sidan är den exakta mekanismen för läkning som transplantationen på mirakulöst sätt är okänd. Det kan inte ens bero på själva bakterierna utan på ämnen i avföringen som produceras av mikroorganismerna.
I princip finns det intrycket att att ha en varierad tarmflora har gynnsamma effekter på hälsan. Till att börja med är det känt att i ett antal sjukdomar reduceras mångfalden i tarmmikrobiota, som vid Clostridium difficile-infektioner. Å andra sidan är det också känt att ursprungsbefolkningar har mer varierad tarmmikrobiota. Detta upptäcktes av forskare från Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology genom att jämföra tarmbakterierna i Tanzanian Hadza med dem från europeiska personer. Hadza jagar apor, fåglar, harar och gaseller med pil och båge och samlar honung, rötter, bär och löv. Denna livsstil verkar ha positiva effekter på hälsan. Hadza har en klart lägre förekomst av sjukdomar som är typiska för den västra världen, till exempel diabetes eller Crohns sjukdom.
Läkarna kan inte uttömma uttömmande att den donerade avföringen också överför groddar av en framtida cancer eller Alzheimers.
Allt tyder på att samhället av tarmhyresgäster i Centraleuropa undergrävs av vår kost, vår hygien och de medicinska behandlingarna vi följer, till exempel antibiotika. Men det är också möjligt att det utgör den optimala anpassningen till våra levnadsvillkor. ”När allt kommer omkring behöver vi inte bekämpa malaria och andra infektioner permanent. Kanske behöver vi inte en tarmvariant så bred som Hadza alls, säger Bork. En sak är tydlig: i viss mån anpassar våra hyresgäster till oss. Vi européer bär in våra tarmar bifidobakterier som hjälper oss att bryta ner mejeri och spannmål. i Hadza existerar de inte, eftersom mjölk och spannmål inte ingår i deras kost. Receptet för en perfekt tarmmikrobiota kan variera från person till person, precis som inte alla är sympatiska för samma rumskamrater.
Även om mikrobiotisk forskning har pågått snabbt i flera år har den bara börjat. För närvarande kan forskare inte beskriva exakt vad en hälsosam mikrobiota är. Om de lyckas kommer de att ha möjlighet att bättre förstå vår organisme och utforska nya diagnostiska och terapeutiska vägar. "Kanske vid någon tidpunkt kan vi tillämpa upptäckterna av mikrobiotisk forskning för att generera personlig medicin," säger Bork. En specifik diet för dig kan hjälpa dig gå ner i vikt, eller en cocktail av mikrober kan bota en sjukdom.
Fyra veckor har gått sedan Kerstin Mayer genomgick en fekal transplantation. Han har inte haft några obehag igen. "Återfall återkommer vanligtvis under de första femton dagarna, så i ditt fall kan det redan uteslutas," säger Storr. Med dubbel fekal transplantation - mage och rektal - har gastroenterologen hittills botat alla sina Clostridium difficile patienter. Fortfarande hoppar Mayers hjärta en takt varje gång hans tarmar brusar. Korsa fingrarna så att dina mikroskopiska hyresgäster från och med nu inte misslyckas dig igen.
Foto: © M. Oeggerli 2016, med stöd av Rohde, HZI, samt C. Rohde, Tysk samling av mikroorganismer och keramiska kulturer (DSMZ) och Eliava Institute of Tbilisi
8/9
En charmig tarm
Det är så vackert ett konstgjordt färgat och förstorat avföringsprov. Morfologin och måtten på de zucchini-formade bakterierna är ovanliga när det gäller mänsklighet.
© M. OEGGERLI 2008, med stöd av schweiziska institutet för folkhälsa och tropisk hälsa, samt Institutet för patologi vid universitetssjukhuset i Basel och Hochschule Für Life Science, FHNW
9/9
Pestpatogen
Liten men mobbing: Detta lilla stickformade varelse, färgat orange för bilden, är pestogen för pesten. Yersinia pestis dödade 25 miljoner européer under medeltiden. Idag är sjukdomen ännu inte utrotad. Patogenen kan emellertid endast överföras till människor under mycket specifika omständigheter; huvudtransmissionsvektorn är råttloppa. Dessa bakterier odlades och inaktiverades i laboratoriet under de mest noggranna säkerhetsåtgärderna innan de var lämpliga för hantering.
© M. Oeggerli 2013, med stöd av Institutet för veterinärbakteriologi vid Universitetet i Bern, samt Institutet för patologi vid universitetssjukhuset i Basel och Hochschule Für Life
Mikrober, hyresgästhemligheter
Patient Kerstin Mayer * sover under narkos. Och du är säkert tacksam för att inte veta någonting, för det förfarande som de lämnar in är inte exakt en maträtt med god smak. Martin Storr, från Endoscopic Center i den bayerska staden Starnberg, riktar sonden som, efter att ha kommit genom munnen, passerar genom magen och når tunntarmen hos den 73-åriga patienten. En assistent trycker långsamt ner kolven på en spruta och en brunaktig vätska kommer in i ett fint rör. En främlings avföring har kommit in i Kerstin Mayers kropp. Om allt går bra, kommer de att rädda ditt liv. Till att börja med distribuerar Storr den fekala donationen, blandad med saltlösning och filtreras, genom patientens tunntarmen. Senare kommer det också att sättas in i din tjocktarmen genom ett koloskop.Denna typ av terapi är känd som en fekal transplantation. Och i fallet med Mayer verkar det vara den sista patronen efter ett år med diarré, kollaps kollaps och konstant sjukhusinläggningar. Din kropp koloniseras av Clostridium difficile, en farlig tarmbakterie . Men vad får en att tro att den bruna vätskan från endoskopet som Storr hanterar kommer att lyckas där de kraftfullaste antibiotika har misslyckats?
Svaret är att undersöka närmare - nämligen under ett elektronmikroskop - den fekala suspensionen av den anonyma givaren. Miljoner av vad som verkar vara nästan alltid sfäriska pärlor bubblar upp i lösningen, några sammanfogade som ett halsband, bredvid böjda, raka och vågiga baciller eller timglasformade organismer. Allt detta i mikrometrisk skala, omöjligt för det blotta ögat. De är de nya hyresgästerna i Kerstin Mayers tarmmikrobiella samhälle.
Det är idén om människan som ett gemensamt hem, som ett resande ekosystem: efteråt börjar vetenskapen upptäcka det dolda universum av mikroorganismer, och många forskare är övertygade om att de nya resultaten om dem och deras funktion kommer att revolutionera vår förståelse av processer. fysiologisk. En sak har redan bevisats: mikrober är viktiga för vår hälsa. De följer med oss hela vårt liv, som om de var ett superorgan som ansvarar för att ta hand om vårt välbefinnande.
Om det inte fungerar ordentligt kan vi bli sjuka. Våra små invånare hjälper oss att assimilera mat, göra viktiga vitaminer och mineraler, samarbeta med immunsystemet och kan till och med diktera vårt beteende. Och vi påverkar dem också, inte alltid för gott. Antibiotika, ohälsosamma dieter, överdriven hygien, till och med kejsarsnitt är en potentiell fara för våra hjälpsamma mikrohyresgäster.
Det uppskattas att var och en av oss bär i vår kropp cirka 40 miljarder mikroorganismer; Med andra ord 40 miljoner miljoner, till och med mer än antalet celler som utgör vår kropp (cirka 30 miljarder). Mikrober med namn som Streptococcus salivarius, Staphylococcus epidermidis eller Lactobacillus casei bebor huden, munnen, näsan, lungorna, könsområdet eller tarmen, deras favoritmiljö: det innehåller inte mindre än 90% av vår flora. Förutom bakterier, uppenbarligen majoriteten, virus, svampar och de så kallade archaea, primordiala bakterier, bebor också människokroppen. «Inget spår av vår biologi är främmande för dem. Om vi ignorerar dem, skulle vi titta på våra liv genom ett nyckelhål, "skriver den amerikanska vetenskapsjournalisten Ed Yong i sin bok I Contain Multitudes.
Uppsättningen av permanenta invånare i den mänskliga organismen kallas en mikrobiota. Det består av mer än 10 000 olika mikrobiella former, enligt uppskattningar från Human Microbiome Project, ett initiativ från American National Institutes of Health (NHI) som mellan 2008 och 2012 studerade 5 000 prover av mikrobiota av 242 individer för att förstå deras mikrobiom, det vill säga , uppsättningen som bildas av mikroorganismer, deras gener och deras metaboliter. Forskarna från projektet upptäckte att mikroorganismerna hos en frisk person har cirka åtta miljoner gener som innehåller tillverkningskoden för proteiner, det vill säga 360 gånger mer än vår egen genpool. I studier som samlar in mer data - till exempel det europeiska MetaHIT-projektet - har ännu mer mikrobiella gener identifierats. Forskarna är övertygade om att den kompletta genetiska skatten faktiskt multiplicerar det åtta miljoner flera gånger.
Våra hyresgäster är verkliga biokemiska superhjältar. De utför metaboliska funktioner och bekämpar fienden. "Om all din fulla mikrobiota plötsligt skulle dö och inte ersättas av nya organismer, skulle du säkert ha dina dagar numrerade," säger Peer Bork från European Laboratory for Molecular Biology i Heidelberg, Tyskland. Denna bioinformatiker, en av de första forskarna som i detalj beskriver den mänskliga mag-tarmmikrobiota, läser genetisk information från en persons tarmmikrober och jämför den med andra individer. New Generation Sequencing är namnet på den revolutionära metoden som gör det möjligt att dechiffrera livskoden praktiskt taget upp till alfabetisk skala. Tack vare högteknologiska instrument har läshastigheten under de senaste tio åren multiplicerat med 100 000. Teknologiska framsteg är verkligen den verkliga motorn som har lanserat detta forskningsområde.
"Som en allmän regel skiljer sig två personer i sammansättningen och frekvensen av bakterietyperna i deras kroppar, men framför allt delar de mycket få bakteriestammar," säger Bork. Stammar är varianter av en art, den verkliga enheten som mikrobiologer arbetar med. Mellan en stam och en annan kan det vara mycket viktiga skillnader. Till exempel syntetiserar Escherichia coli-bakterier vitamin K, nödvändigt för att stoppa blödning och helt ofarligt i de allra flesta fall. Istället skulle ingen vilja hysa den giftiga EHEC-stammen, eller enterohemorrhagic Escherichia coli, i deras tarm.
För att förstå varför varje person befolkas av sin egen gemenskap av bakterier och relaterade, måste vi fråga var vår mikrobiota faktiskt kommer från. Svaret är att en bra del av mikroberna når kroppen vid förlossningen, kanske ännu tidigare. Mikrobiolog Indira Mysorekar, från Washington University i Saint Louis, undersökte cirka 200 morkakor och fann närvaron av bakterier i en tredjedel av dem.
Andra forskare läser dessa studier med kritisk skepsis och tillskriver sina kollegor metodfel. Sammantaget verkar den avgörande rollen för födelse obestridlig. Jämfört med barn födda av vaginal lever har de som är födda med kejsarsnitt olika och mindre varierade mikroorganismer. Omkring världen föds ungefär en av fem spädbarn för närvarande med kejsarsnitt, och valfria kejsarsnitt utförs mer och mer ofta, utförs även om det inte finns någon fara för modern eller barnet. "När min dotter föddes i en oplanerad kejsarsektion, slösade jag ingen tid att slösa bort henne på hennes mors vaginala sekret," säger Rob Knight, chef för Center for Microbiome Innovation vid University of California. Tidigare studier har redan visat att barn födda med kejsarsnitt har större risk för allergier, astma eller atopisk dermatit, sjukdomar av autoimmun natur. Hypotesen är att mikroorganismerna skulle kunna delta i konstruktionen av barnets immunsystem.
I en senare studie visade Knight att hans metod effektivt påverkar mikrobiota. I denna studie fick hon fyra mödrar att sätta in en steril gasväv i slidan en timme innan hon genomgick ett kejsarsnitt och sedan gnugga det nyfödda huvudet och kroppen med det. Knight jämförde sedan mikrobiota hos dessa barn med sju andra, som också föddes med kejsarsnitt, men som inte hade haft kontakt med vaginal utsöndring från mamman och med sju barn födda i vaginala förlossningar. Resultatet: Fortfarande en månad efter födseln var det mikrobiella kapitalet hos spädbarn som gnuggades med den impregnerade gasbindet mycket mer likt det hos spädbarn som levererats vid vaginal lever än de som föddes av kejsarsnitt som inte hade impregnerats.
Precis som Geppetto slängde sig på Pinocchios rep, tar tarmmikrober emot oss, säger John Cryan från University College Cork
Sammansättningen av en persons mikrobiella samhälle beror på deras föräldrar och miljön. De tre första levnadsåren är avgörande. I det första trienniet genomför vårt immunsystem ett slags hyresval: det utvisar det mest oönskade och letar efter ersättare. "Därifrån är mikrobiota relativt stabil," säger Bork, "även om miljöbakterier fortsätter att tränga in i kroppen." I en passionerad kyss utbyter vi till exempel 80 miljoner mikroorganismer, även om de mestadels avvisas av de mikrober som redan är etablerade i vår kropp.
Fortfarande finns det tillfällen när en vuxen kropp rekoloniseras av mikrober; till exempel efter en runda antibiotika. I teorin dödar dessa läkemedel patogena bakterier - som Kerstin Mayers Clostridium difficile - men när det gäller det är deras verkan inte så specifik och andra mikroorganismer är före dem. Om mikrobiota påverkas allvarligt börjar en tävling: att se vem som växer snabbare. Eller så kan det vara så att helt nya hyresgäster från miljön kommer in i kroppen.
Kerstin Mayer lyckades med avföring av avföringen, även om det inte kan förutsägas hur länge de utländska mikroberna kommer att motstå i hennes tarmar. Inte för ett ögonblick kände han den minsta skrubben vid tanken på att få avkänning från andra, det var rädslan för att återfalla för sjätte gången från hans tillstånd. "Varje gång jag gick på badrummet och såg stinkig grönaktig diarré, visste jag vad jag skulle förvänta mig," minns han. Han tolererade ingenting muntligt, varken mat eller dryck ». När han fick veta att det fanns en annan möjlighet till behandling, var han överlycklig. Till en början ville hon att givaren skulle vara hennes man, men de tidigare testerna skulle ta för lång tid och hon ville starta terapi utan dröjsmål, så hon litade på en anonym donator.
När en vuxens tarmmikrobiota försvagas, har främmande mikrober lättare att kolonisera den eftersom immunförsvarets funktion försämras. För att upptäcka hur mikrober kommunicerar och samarbetar med våra försvar, arbetar Till Strowig med möss på Helmholtz Center for Infection Research (HZI) i Brunswick, Tyskland.
Deras laboratoriedjur ser ut som vanliga gnagare när du ser dem leta efter korn i deras matskål eller klättra genom rören i sina burar, men i själva verket delar de identiskt genetiskt material och anländer till världen helt kimfria i kejsarsnitt. För att manipulera dem måste Strowig introducera underarmarna i plasthandskar som är fästa vid själva buren. Forskaren ympade mössen med perfekt definierade tarmmikrober och utvecklade därifrån olika känsligheter för infektionssjukdomar. Om du till exempel orsakar salmonellos uppvisar vissa möss tydligt allvarligare symtom än andra baserat på deras specifika mikrobiota.
Den delade koden som möjliggör kommunikation mellan bakterier och immunsystemet verkar komma från de kortkedjiga fettsyrorna som produceras när tarmmikrober bryter ner fiberrik mat - som frukt, grönsaker och spannmål - för energi. När vissa immunceller upptäcker denna bakterieproduktion kommer de in på ett sätt som bromsar försvarsreaktionerna, överdrivna immunsvar som annars skulle leda till allergier eller autoimmuna sjukdomar. "Kortkedjiga fettsyror löser sig väl i blodet. Så de kan lätt nå till och med hjärnan och agera på dess immunceller, ”förklarar Strowig.
Frånvaron av dessa mikrobiella hyresgäster har en inverkan på "immunpolisen" på hjärnan. På samma sätt bekräftades det av forskargruppen för professor Marco Prinz vid Institute of Neuropathology vid University Clinic of Freiburg. "Vi misstänker att det finns ett permanent informationsutbyte mellan tarmbakterier och hjärnfagocyter, makrofager," säger Prinz. Fagocyter är avgörande eftersom de dödar invaderande bakterier och döda nervceller. Utan denna rengöring uppstår inflammationer. Och inflammationer, misstänker forskare, är förknippade med neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers, multipel skleros eller Parkinson. Därför kan frukt, grönsaker och liknande inte bara stärka immunförsvaret, utan också förhindra demens.
Påverkan av tarmmikrobiota på hjärnan kan till och med överstiga dess effekter på immunsystemet. "Precis som Geppetto drog i Pinocchios rep, tar tarmmikrober oss," säger John Cryan från University College Cork, Irland. Hur kan det vara? Är det möjligt att sådana små organismer har makten att modulera våra känslor och till och med diktera vårt beteende?
Ett team av forskare har åtminstone lyckats ändra beteende hos möss genom att modifiera deras tarmmikrobiota. Gnagare administrerades doser av bakterierna Lactobacillus rhamnosus och placerades i en labyrint. De som hade behandlats visade mer mod och utforskade de öppna passagerna med överraskande frekvens, medan kontrollmössen föredrog mörka, väggskyddade stigar, som kunde förväntas av ett nattdjur. Cryan observerade också hjärnförändringar. Receptorer som upptäcker neurotransmitteren GABA (gamma-aminobutyric acid) ökade i antal i vissa områden och minskade i andra jämfört med kontrollmöss. Dessa tillsynsmyndigheter har förmodligen att göra med uppkomsten av depression eller ångestbesvär.
Förutom transporten av kemiska budbärare genom blodomloppet verkar vagusnerven också spela en avgörande roll i kommunikationen med hjärnan. Denna nervförbindelse går genom kroppen från hjärnan till buken. "Om de är snittade, slutar mössen att reagera på de bakterier vi matar dem," säger Cryan. Neurovetenskapsmannen och hans kollegor lyckades till och med överföra mänskligt specifikt beteende till gnagare helt enkelt genom tarmmikrober. De introducerade icke-koloniserade djur i avföringen hos patienter med depression, och mössen började visa pseudodepressiva symtom, till skillnad från djur behandlade med avföring från personer med god mental hälsa.
Till och med vår sociala natur kan ha sitt ursprung i mag-tarmkanalen, eller så föreslogs av djurförsök av Cryan. Möss utan mikrobiota var likgiltiga med att vara omgiven av kongen eller bara livlösa föremål, trots att möss är sociala djur. Cryan har antagit: ”Vår hjärna utvecklades i en miljö där bakterier fanns. Kanske fanns det en slags samutveckling. Kanske hade mikrober ett väsentligt inflytande på att göra oss till sociala varelser ”, för från det ögonblick vi lever i samhället kan de multiplicera snabbare.
Våra hyresgäster är inte negativa eller positiva i sig själva, men de manipulerar oss för att skapa optimala förutsättningar för dem. Många patogena mikroorganismer orsakar tarminflammation eftersom detta sänker syrekoncentrationen och gör det lättare för dem att multiplicera. Till skillnad från många patogener som kan leva i andra miljöer (till exempel salmonella) kunde våra hyresgäster inte existera utanför vår kropp. Och det är en god anledning att främja mänskligt välbefinnande, säger Strowig.
"Kanske vid någon tidpunkt kan vi tillämpa upptäckterna av mikrobiotisk forskning för att generera personlig medicin", Peer Bork, bioinformatiker vid European Laboratory for Molecular Biology
Ibland är bakterier helt enkelt där de behövs minst och vid högsta möjliga tid. Magbakterien Helicobacter pylori orsakar magsår och är kopplad till utvecklingen av magcancer, men det är också möjligt att skydda mot matstrupscancer.
Eftersom blandningen av mikroorganismer som koloniserar tarmarna hos sjuka människor tydligt skiljer sig från flora hos friska människor, diskuterar forskarna förhållandet mellan mikrobiota och sjukdomar som typ 2-diabetes, tjocktarmscancer, tarmsyndrom irritabel, astma, reumatism, hjärt-kärlsjukdom, fetma, multipel skleros och autism. "Men det betyder inte att förändringen av mikrobiota är orsaken till dessa sjukdomar," säger Dirk Haller, från ordföranden för näringslära och immunologi vid Tekniska universitetet i München.
Vid tjocktarmscancer eller inflammatorisk tarmsjukdom, till exempel, blöder tarmväggen i matsmältningskanalen - och i fallet med en tumör blockerar den fysiskt kanalen - och därmed varierar miljöförhållandena. påverkan av mikroberna, som sjukdomen skulle förändra mikrobiota och inte tvärtom. En annan faktor som kunde förfalska jämförande studier upptäcktes av Borks forskargrupp, som fann att metformin, ett läkemedel som förskrivits för typ 2-diabetes, modifierar mikrobiota. "Vi har funnit att 25% av oralt administrerade läkemedel påverkar tarmens mikrobiella flora," säger Bork.
För att demonstrera att en förändrad tarmflora kan orsaka sjukdom eliminerades den hos försöksdjur. ”För kronisk tarminflammation har vi 100 modellmöss. Vi avkoloniserade 20 av dem, och under 19 försvann sjukdomen, säger Haller. När forskarna rekoloniserade gnagaren med samma mikroorganismer, dök sjukdomen upp igen. Om en frisk mus mikrobiota implanterades i gnagaren slutade den att visa symptom. Problemet är att det som händer i modellmöss inte alltid kan extrapoleras till mänskliga sjukdomar. "Djurförsök avslöjar bara en liten del av sanningen," klagar Haller. Men om du kan hjälpa en patient med mikrobiota hos en frisk person, varför inte göra det?
Sannolikheten för att härda en Clostridium difficile-infektion med en fekal transplantation varierar från 85 till 95%, men den används endast som en sista utväg när antibiotika misslyckas. Före förfarandet genomgår givaren flera test för att utesluta alla möjliga sjukdomar, från salmonellos till AIDS eller syfilis. Fortfarande finns det alltid en viss risk. Läkarna kan inte uttömma uttömmande att den donerade avföringen också överför groddar av en framtida cancer eller Alzheimers. "Våra patienter är i alla fall minst 75 år gamla, så dessa potentiella sjukdomar kanske aldrig kommer att manifestera sig igen," säger Storr. Å andra sidan är den exakta mekanismen för läkning som transplantationen på mirakulöst sätt är okänd. Det kan inte ens bero på själva bakterierna utan på ämnen i avföringen som produceras av mikroorganismerna.
I princip finns det intrycket att att ha en varierad tarmflora har gynnsamma effekter på hälsan. Till att börja med är det känt att i ett antal sjukdomar reduceras mångfalden i tarmmikrobiota, som vid Clostridium difficile-infektioner. Å andra sidan är det också känt att ursprungsbefolkningar har mer varierad tarmmikrobiota. Detta upptäcktes av forskare från Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology genom att jämföra tarmbakterierna i Tanzanian Hadza med dem från europeiska personer. Hadza jagar apor, fåglar, harar och gaseller med pil och båge och samlar honung, rötter, bär och löv. Denna livsstil verkar ha positiva effekter på hälsan. Hadza har en klart lägre förekomst av sjukdomar som är typiska för den västra världen, till exempel diabetes eller Crohns sjukdom.
Läkarna kan inte uttömma uttömmande att den donerade avföringen också överför groddar av en framtida cancer eller Alzheimers.
Allt tyder på att samhället av tarmhyresgäster i Centraleuropa undergrävs av vår kost, vår hygien och de medicinska behandlingarna vi följer, till exempel antibiotika. Men det är också möjligt att det utgör den optimala anpassningen till våra levnadsvillkor. ”När allt kommer omkring behöver vi inte bekämpa malaria och andra infektioner permanent. Kanske behöver vi inte en tarmvariant så bred som Hadza alls, säger Bork. En sak är tydlig: i viss mån anpassar våra hyresgäster till oss. Vi européer bär in våra tarmar bifidobakterier som hjälper oss att bryta ner mejeri och spannmål. i Hadza existerar de inte, eftersom mjölk och spannmål inte ingår i deras kost. Receptet för en perfekt tarmmikrobiota kan variera från person till person, precis som inte alla är sympatiska för samma rumskamrater.
Även om mikrobiotisk forskning har pågått snabbt i flera år har den bara börjat. För närvarande kan forskare inte beskriva exakt vad en hälsosam mikrobiota är. Om de lyckas kommer de att ha möjlighet att bättre förstå vår organisme och utforska nya diagnostiska och terapeutiska vägar. "Kanske vid någon tidpunkt kan vi tillämpa upptäckterna av mikrobiotisk forskning för att generera personlig medicin," säger Bork. En specifik diet för dig kan hjälpa dig gå ner i vikt, eller en cocktail av mikrober kan bota en sjukdom.
Fyra veckor har gått sedan Kerstin Mayer genomgick en fekal transplantation. Han har inte haft några obehag igen. "Återfall återkommer vanligtvis under de första femton dagarna, så i ditt fall kan det redan uteslutas," säger Storr. Med dubbel fekal transplantation - mage och rektal - har gastroenterologen hittills botat alla sina Clostridium difficile patienter. Fortfarande hoppar Mayers hjärta en takt varje gång hans tarmar brusar. Korsa fingrarna så att dina mikroskopiska hyresgäster från och med nu inte misslyckas dig igen.