Quintiljoen microben in een persoon bepalen onze essentie

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

Hoe meer wetenschappers de microben bestuderen die in het menselijk lichaam leven, hoe meer ze leren over de krachtige invloed van deze kruimels op ons uiterlijk, gedrag, zelfs op de manier van denken en voelen.

Zijn virussen, bacteriën, eencellige schimmels en andere organismen die in de longen en darmen, huid en oogbollen leven echt afhankelijk van onze gezondheid en ons welzijn? Is het niet te vreemd om te geloven dat de microscopisch kleine wezens die we in onszelf en in onszelf dragen, in veel opzichten onze essentie bepalen?

De invloed van het microbioom - zo heet deze mini-dierentuin - kan al in de vroege stadia van ontwikkeling fundamenteel zijn.

Een van de onderzoeken, waarvan de resultaten vorig jaar werden gepubliceerd, toont aan dat zelfs een schijnbaar aangeboren eigenschap, zoals het temperament van een baby, kan afhangen van het feit of de meeste bacteriën in zijn darmen tot hetzelfde geslacht behoren: hoe meer bifidobacteriën, hoe opgewekter het kind.

De conclusies van Anna-Katariina Aatsinki en haar collega's van de Universiteit van Turku in Finland zijn gebaseerd op de analyse van ontlastingsmonsters van 301 baby's. Die kinderen die na twee maanden meer bifidobacteriën hadden, hadden meer kans om "positieve emoties" te vertonen, zoals de onderzoekers vaststelden, na zes maanden.

De studie van het microbioom begon relatief recent - in feite slechts 15 jaar geleden. Dit betekent dat het meeste onderzoek dat tot nu toe is gedaan, voorlopig en bescheiden van opzet is, waarbij slechts tientallen muizen of mensen betrokken waren. Wetenschappers hebben een duidelijke relatie gevonden tussen de toestand van het microbioom en verschillende ziekten, maar hebben nog geen duidelijke oorzaak-en-gevolgrelaties kunnen identificeren tussen specifieke bewoners van een dichtbevolkte "binnenwereld" van een persoon en zijn gezondheid.

Zelfs het aantal van deze inwoners is verbazingwekkend: tegenwoordig wordt aangenomen dat ongeveer 38 triljoen (1012) microben in het lichaam van een gewone jonge man leven - dit is zelfs meer dan hun eigen menselijke cellen. Als we leren begrijpen hoe we over deze - onze eigen - rijkdom moeten beschikken, gaan er fascinerende perspectieven voor ons open.

Volgens optimisten zal het in de nabije toekomst gebruikelijk worden om een persoon te injecteren met gezonde complexen van microben in de vorm van prebiotica (verbindingen die fungeren als een substraat waarop nuttige bacteriën zich kunnen vermenigvuldigen), probiotica (deze bacteriën zelf) of via fecale transplantatie (transplantatie van een rijk darmmicrobioom van donoren) - zodat hij zich gezond kan voelen.

Als mensen het hebben over het microbioom, bedoelen ze vooral de bewoners van het maag-darmkanaal, die 90 procent van onze micro-organismen uitmaken. Andere organen wemelen echter van het leven: microben vullen elk deel van het lichaam dat in contact staat met de buitenwereld: ogen, oren, neus, mond, anus, urogenitaal systeem. Bovendien zijn ziektekiemen aanwezig op elk stukje huid, vooral in de oksels, het perineum, tussen de tenen en in de navel.

En dit is wat echt verbazingwekkend is: ieder van ons heeft een unieke set microben die niemand anders heeft. Volgens Rob Knight van het Center for Microbiome Innovation van de University of California (San Diego) kan nu al worden beweerd dat de kans dat twee mensen met dezelfde reeks soorten in microbiomen nul nadert. Het unieke van het microbioom zou kunnen worden benut in de forensische geneeskunde, zei Knight. "Wie een object heeft aangeraakt, wordt gevolgd door de microbioom 'vingerafdruk' die op de huid van een persoon wordt achtergelaten", legt hij uit. Op een dag zullen onderzoekers, op zoek naar bewijs, beginnen met het verzamelen van monsters van microben die op de huid leven, net zoals ze vandaag doen voor vingerafdrukken.

In dit artikel zullen we enkele van de belangrijke ontdekkingen delen die zijn gedaan door wetenschappers die het microbioom hebben bestudeerd en hoe het ons beïnvloedt vanaf de kindertijd tot op hoge leeftijd.

kleutertijd

De foetus in de baarmoeder is praktisch steriel. Terwijl hij door het geboortekanaal knijpt, ontmoet hij een groot aantal bacteriën. Tijdens een normale bevalling wordt de baby "gewassen" door de microben die in de vagina leven; daarnaast komen de darmbacteriën van de moeder erop te zitten. Deze microben beginnen onmiddellijk hun eigen darmen te bewonen en gaan een soort communicatie aan met het zich ontwikkelende immuunsysteem. Dus al in de vroegste stadia van zijn bestaan bereidt het microbioom het immuunsysteem voor om in de toekomst goed te kunnen functioneren.

Als de baby via een keizersnede wordt geboren, is er geen contact met de bacteriën van de moeder en koloniseren andere micro-organismen zijn darmen - van de huid van de moeder en van moedermelk, van de handen van een verpleegster, zelfs van ziekenhuislinnen. Zo'n vreemd microbioom kan het hele toekomstige leven van een persoon bemoeilijken.

In 2018 publiceerde Paul Wilms van het Centre for Systems Medicine aan de Universiteit van Luxemburg de resultaten van een studie van 13 natuurlijk geboren baby's en 18 chirurgisch geboren baby's. Wilms en collega's analyseerden de ontlasting van pasgeborenen en hun moeders, evenals vaginale uitstrijkjes van bevallende vrouwen. De "keizersneden" hadden beduidend minder bacteriën die lipopolysacchariden produceren en daarmee de ontwikkeling van het immuunsysteem stimuleren. Er zijn nog maar weinig van dergelijke microben over gedurende ten minste vijf dagen na de geboorte - dit is volgens Wilms voldoende om op lange termijn gevolgen voor de immuniteit te hebben.

Na enige tijd, meestal tegen de eerste verjaardag, krijgen de microbiomen van kinderen in beide groepen overeenkomsten. Volgens Wilms betekent het verschil dat in de eerste levensdagen wordt waargenomen echter dat in het lichaam van baby's die met een keizersnede zijn geboren, de primaire immunisatie mogelijk niet plaatsvindt, waarbij immuuncellen leren correct te reageren op invloeden van buitenaf. Dit verklaart waarschijnlijk waarom deze kinderen een grotere kans hebben om verschillende problemen te ontwikkelen die verband houden met het functioneren van het immuunsysteem, waaronder allergieën, ontstekingen en obesitas. Volgens Wilms zullen in de toekomst "keizersneden" misschien probiotica krijgen, gemaakt op basis van stammen van de moederbacteriën, om hun spijsverteringsstelsel te vullen met nuttige microben.

Jeugd

Voedselallergieën zijn zo gewoon geworden dat sommige scholen beperkingen hebben opgelegd aan het voedsel dat kinderen van huis mogen meenemen (ze mogen bijvoorbeeld geen pindarepen of jamsandwiches meenemen) zodat sommige klasgenoten geen allergieën ontwikkelen. In de Verenigde Staten lijden 5,6 miljoen kinderen aan voedselallergieën, dat wil zeggen dat er in elke klas minstens twee tot drie van dergelijke kinderen zijn.

Er worden verschillende redenen genoemd die zouden kunnen leiden tot de verspreiding van allergieën, waaronder een toename van het aantal baby's dat met een keizersnede wordt geboren, en het overmatig gebruik van antibiotica die de bacteriën die ons beschermen kunnen vernietigen. Katherine Nagler en haar collega's van de Universiteit van Chicago besloten te testen of de verspreiding van voedselallergieën bij kinderen verband houdt met de samenstelling van hun microbioom. Vorig jaar publiceerden ze de resultaten van een onderzoek waarbij acht zes maanden oude kinderen betrokken waren, van wie de helft allergisch was voor koemelk. Het bleek dat de microbiomen van de vertegenwoordigers van de twee groepen heel verschillend zijn: in de darmen van gezonde baby's waren bacteriën die typerend zijn voor goed ontwikkelende kinderen van hun leeftijd, en bacteriën die meer kenmerkend zijn voor volwassenen werden gevonden bij mensen die leden aan koeienhuid. allergieën voor melk.

Bij allergische kinderen, zei Nagler, vond de gewoonlijk langzame overgang van het microbioom van de kindertijd naar de volwassene "abnormaal snel plaats".

Nagler en haar collega's transplanteerden (met behulp van fecale transplantaties) de darmbacteriën van "hun" baby's in muizen, geboren met een keizersnede en grootgebracht onder steriele omstandigheden, dat wil zeggen volledig vrij van microben. Het bleek dat alleen muizen getransplanteerd van gezonde baby's geen allergische reactie op koemelk vertoonden. Anderen, zoals hun donoren, zijn allergisch geworden.

Verdere studies toonden aan dat de hoofdrol bij de bescherming van de eerste groep muizen blijkbaar werd gespeeld door bacteriën van één soort, die alleen bij kinderen voorkomen: Anaerostipes caccae uit de Clostridia-groep. Clostridia voorkomt ook pinda-allergieën, ontdekten Nagler en haar collega's in één onderzoek.

Nagler, president en mede-oprichter van de in Chicago gevestigde farmaceutische startup ClostraBio, hoopt het therapeutisch potentieel van Anaerostipes caccae te testen bij laboratoriummuizen en vervolgens bij allergische mensen. De eerste taak was om een plek in de darmen te vinden waar een troep nuttige bacteriën zou kunnen landen. Zelfs in een ongezond microbioom, zegt Nagler, zijn alle niches al gevuld; zodat Clostridia wortel kan schieten op een nieuwe plaats, je de vorige bewoners moet verdrijven. Daarom heeft ClostraBio een medicijn gemaakt dat een bepaalde niche in het microbioom opruimt. Nagler en zijn collega's "schrijven het voor" aan muizen en injecteren ze vervolgens met verschillende soorten Clostridia, evenals voedingsvezels die de reproductie van microben bevorderen. Nagler hoopt binnen de komende twee jaar klinische proeven met Clostridia bij mensen te starten en uiteindelijk een medicijn te maken voor kinderen met voedselallergieën.

Darmbacteriën kunnen ook in verband worden gebracht met andere ziekten bij kinderen, waaronder diabetes type I. In Australië analyseerden wetenschappers ontlastingsmonsters van 93 kinderen van wie de familieleden aan diabetes leden, en ontdekten dat degenen van hen die de ziekte vervolgens ontwikkelden verhoogde niveaus van enterovirus A in hun ontlasting hadden. Echter, een van de onderzoekers, W. Ian Lipkin uit Meilmanovskaya School of Public Health aan de Columbia University, waarschuwt collega's tegen overhaaste conclusies dat de oorzaken van bepaalde ziekten uitsluitend te wijten zijn aan verschillen in het microbioom. "Het enige dat we zeker weten", zegt hij, "is dat bepaalde microben op de een of andere manier verband houden met bepaalde ziekten."

Toch is Lipkin enthousiast over de toekomst van de microbioomwetenschap. Volgens zijn voorspelling zullen wetenschappers de komende vijftig jaar het mechanisme van het effect van het microbioom op het lichaam onthullen en klinische proeven bij mensen starten om aan te tonen hoe de gezondheid kan worden verbeterd door het microbioom te 'bewerken'.

Jeugd

Veel adolescenten hebben aanleg voor acne - en er lijkt een fenomeen te bestaan dat het 'talgmicrobioom' wordt genoemd. De mannenhuid is bijzonder welkom bij twee stammen van de Cutibacterium acnes-bacterie die met acne in verband wordt gebracht. De meeste stammen van deze bacterie zijn veilig of zelfs heilzaam omdat ze de groei van pathogene microben remmen; in feite is deze bacterie een belangrijk onderdeel van het normale microbioom van het gezicht en de nek.

Een slechte soort kan echter veel schade aanrichten: de aanwezigheid ervan is volgens Amanda Nelson, een dermatoloog aan het University of Pennsylvania College of Medicine, een van de voorwaarden voor de ontwikkeling van ontstekingen. Naast andere redenen voor de ontwikkeling van de ziekte noemen wetenschappers talg (geproduceerd door de talgklieren om de huid te hydrateren), dat dient als voedingsbodem voor C. acnes, haarzakjes en een neiging tot ontsteking. Het werkt allemaal samen, en volgens Nelson weten we nog niet wat belangrijker is.

Onderzoekers van de University of Washington School of Medicine onderzochten het microbioom van de talgklieren en ontdekten dat de enige langdurige acnebehandeling, isotretinoïne (bekend onder verschillende handelsnamen), gedeeltelijk werkt door het microbioom van de huid te veranderen, waardoor de algehele diversiteit van microben, waaronder het moeilijker is voor schadelijke stammen om wortel te schieten.

Nu wetenschappers hebben ontdekt dat isotretinoïne werkt door de samenstelling van het microbioom te veranderen, kunnen ze proberen andere medicijnen te maken met hetzelfde effect, maar hopelijk veiliger - isotretinoïne kan immers leiden tot geboorteafwijkingen bij kinderen als moeders het medicijn tijdens tijdens de zwangerschap.

Volwassenheid

Wat als u meer met uw trainingen kunt doen door simpelweg de darmmicroben van een atleet te lenen? Deze vraag werd gesteld door wetenschappers van de Harvard University. Twee weken lang verzamelden ze dagelijks ontlastingsmonsters van 15 hardlopers die deelnamen aan de Boston Marathon 2015 - die een week voor de race begon en een week later eindigde - en deze vergeleken met ontlastingsmonsters die waren verzameld van tien mensen in de controlegroep, ook meer dan twee weken niet actief. De onderzoekers ontdekten dat enkele dagen na de marathon de monsters van de lopers significant meer Veillonella atypica-bacteriën bevatten dan die van de controlegroep.

"Deze ontdekking verklaart veel, want Veilonella heeft een uniek metabolisme: haar favoriete energiebron is lactaat, het zout van melkzuur", zegt Aleksandar Kostić van het Joslin Diabetes Research Center en de Harvard Medical School. “En we dachten: misschien breekt Veilonella spierlactaat af in het lichaam van de sporter?” En als dit echt zo is, is het dan mogelijk om hun uithoudingsvermogen te vergroten door de soorten te introduceren bij mensen die ver verwijderd zijn van professionele sporten?

Vervolgens pakten de wetenschappers laboratoriummuizen aan: Veilonella, geïsoleerd uit de uitwerpselen van een van de hardlopers, werd geïnjecteerd in 16 muizen met een normaal microbioom dat werd getest op ziekteverwekkers. De proefpersonen werden vervolgens op een loopband geplaatst en gedwongen te rennen totdat ze uitgeput waren. Hetzelfde werd gedaan met 16 controlemuizen; alleen werden ze geïnjecteerd met bacteriën die geen lactaat consumeren. Het bleek dat muizen die waren "geïnfecteerd" met Veilonella veel langer liepen dan controledieren, wat betekent dat, volgens de onderzoekers, het microbioom een cruciale rol kan spelen bij het handhaven van de prestaties.

Volgens Kostich is dit experiment "een prachtig voorbeeld van wat symbiose ons geeft". Veilonella gedijt wanneer een persoon, zijn drager, als gevolg van fysieke activiteit lactaat produceert, dat zij zich voedt, en op zijn beurt de persoon ten goede komt door lactaat om te zetten in propionaat, wat de prestaties van de gastheer beïnvloedt, onder andere omdat, verhoogt de frequentie van contracties van het hart en verbetert het zuurstofmetabolisme, en voorkomt mogelijk ook de ontwikkeling van ontstekingen in de spieren.

"Dit soort relatie lijkt ten grondslag te liggen aan de meeste interacties tussen mensen en het microbioom", legt Kostich uit. "Uiteindelijk is de relatie tussen hen zo wederzijds voordelig."

Het microbioom kan ook verantwoordelijk zijn voor de minder aangename kenmerken van de menselijke natuur, waaronder mentale aandoeningen zoals angst en depressie. In 2016 publiceerden wetenschappers van de National University of Ireland in Cork de resultaten van een onderzoek naar de invloed van het microbioom op de ontwikkeling van depressie. De onderzoekers verdeelden 28 laboratoriumratten in twee groepen. De experimentele groep ontving transplantaties van darmmicroflora van drie mannen die leden aan een ernstige depressie, en de controlegroep - van drie gezonde mannen.

Het bleek dat het darmmicrobioom van depressieve mensen in depressies en ratten stortte. Vergeleken met controledieren vertoonden ze een verlies van interesse in activiteiten die plezier brengen (bij ratten wordt dit bepaald door hoe vaak ze zoet water willen drinken), en verhoogde angst, uitgedrukt in hun verlangen om open of onbekende delen van het laboratorium te vermijden labyrint.

Gezien het grote verschil tussen ratten en mensen, merken de onderzoekers op dat hun onderzoek nieuw bewijs levert dat het darmmicrobioom een rol kan spelen bij depressie. Vroeg of laat, zeggen ze, kan de dag komen dat depressie en andere soortgelijke aandoeningen worden bestreden, onder meer door bepaalde bacteriën in het menselijk lichaam aan te pakken.

Oude leeftijd

Het microbioom is tegelijkertijd veerkrachtig en vloeibaar. De unieke structuur wordt grotendeels gevormd door de leeftijd van vier jaar en alleen zeer belangrijke factoren kunnen het echt beïnvloeden - bijvoorbeeld een verandering in dieet, de intensiteit van fysieke activiteit of tijd buitenshuis, verhuizen naar een nieuwe woonplaats, het gebruik antibiotica en sommige andere medicijnen. In zekere zin is het microbioom echter constant in beweging en verandert het subtiel bij elke maaltijd. Bij volwassenen zijn deze veranderingen zo voorspelbaar dat uw leeftijd ruwweg kan worden bepaald door uzelf vertrouwd te maken met de reeks bacteriën die in de darmen leven.

Deze techniek, die bekend staat als "het bepalen van de leeftijd door de microbioomklok van veroudering", vereist de hulp van kunstmatige intelligentie, zoals in een experiment dat onlangs is uitgevoerd door de in Hong Kong gevestigde startup Insilico Medicine. Wetenschappers hebben informatie verzameld over het microbioom van 1165 mensen uit Europa, Azië en Noord-Amerika. Een derde van hen was 20-30 jaar oud, nog een derde - 40-50 en de laatste - 60-90 jaar oud.

Wetenschappers hebben, door de leeftijd van hun dragers te markeren, de gegevens over 90 procent van de microbiomen onderworpen aan "computerinterpretatie", en vervolgens de patronen die door kunstmatige intelligentie zijn geïdentificeerd, toegepast op de microbiomen van de resterende tien procent van de mensen van wie de leeftijd niet was gemarkeerd. Het was mogelijk om hun leeftijd vast te stellen met een fout van slechts vier jaar.

Wat betekent het om je microbioom te "bewerken" en in vrede te leven? Helaas zeggen zelfs de grootste liefhebbers van microbioomwetenschap dat het tot nu toe moeilijk is om nauwkeurige conclusies te trekken over de relatie tussen het microbioom en de menselijke gezondheid, en ze dringen erop aan dat er grote zorg moet worden besteed aan de overgang naar behandeling met bacteriële transplantaten.

Velen zijn nu enthousiast over het potentieel voor microbiota om als medicijn te worden gebruikt, zegt Paul Wilms van de Universiteit van Luxemburg, en merkt op dat farmaceutische bedrijven nieuwe probiotica ontwikkelen om het microbioom in evenwicht te brengen.

"Voordat we het echt goed en intelligent kunnen doen", zegt Wilms, "moeten we tot in detail begrijpen wat een gezond microbioom is en hoe het het menselijk lichaam precies beïnvloedt. Ik denk dat we daar nog heel ver van verwijderd zijn."

Microben in ons

• dubbele punt - 38 triljoen
• plaque - 1 triljoen
• huid - 180 miljard
• speeksel - 100 miljard
• dunne darm - 40 miljard
• maag - 9 miljoen

Zie het microbioom

Alle afbeeldingen in dit artikel zijn gemaakt door Martin Eggerly met behulp van een scanning elektronenmicroscoop: de monsters werden gedroogd, er werden goudatomen op gesproeid en in een vacuümkamer geplaatst. De golflengte van de elektronenbundel van de microscoop is korter dan het zichtbare licht, dus de bundel "belicht" de kleinste objecten, maar buiten het kleurenspectrum. Eggerly geverfde microben, waarvan de kleur bekend is, in deze kleuren, in andere gevallen koos hij een ander gamma zodat microben en hun karakteristieke kenmerken konden worden onderscheiden.