Mikrobi un to loma cilvēka veselībā un slimībā

Mūsu ķermeņos dzīvo miljoniem dažādu mikroorganismu, mikrobu un baktēriju. Tā ir varena, bet neredzama valstība, kas diktē daudzus ar mūsu veselību un slimībām saistītus faktorus. Mikrobu dažādība mērāma tūkstošos, tie dzīvo daudzās mūsu ķermeņa daļās un veido mūsu mikrobiomu. Tie atbalsta mūsu organismu, palīdz uzturēt veselību, kā arī spēj izraisīt vai ietekmēt dažādu slimību rašanos, it sevišķi, ja ierastais mikrobioms ir mainīts.

Mikrobu populācijas mūsu ķermenī dzīves laikā mainās, un tās it īpaši ietekmē mūsu dzīvesveids, uzturs un stress, kā arī citi faktori, arī ārēji. Daudzos pētījumos mikrobi, baktērijas un to aktivitāte tiek saistīta ar veselību, tās problēmām un iznākumiem. Cilvēka mikrobioms ir izšķirošs faktors cilvēka kopējai veselībai, tāpēc pētījumiem šajā nozarē ir īpaša vērtība. Tā kā mūsu organismā mīt tūkstošiem dažādu mikroorganismu sugu, tad to pētniecība ir ļoti plaša, un konkrētus secinājumus vēl joprojām nebūtu pareizi izdarīt, ja vien to pamatā nav stingri pierādīti fakti.

Nacionālā veselības dienesta (National Institue of Health) fonds 2007. gadā izveidojis desmit gadu garu cilvēka mikrobioma pētniecības projektu (Human Microbiome Project) specifisku slimību un populāciju pētījumiem. Tajā tika ievākti dati no 300 veseliem indivīdiem. Dati tika vākti par mirobiomu tipiem dažādās ķermeņa daļās – degunā, mutē, ādā, kuņģa-zarnu traktā un uriģenitālajā traktā. Otrajā fāzē tika izveidots integrētais cilvēka mikrobioma projekts (Integrative Human Microbiome Project (iHMP)), kura galvenais mērķis ir visaptveroši raksturot cilvēka mikrobiomu un tā ietekmi uz cilvēka veselību un slimībām. aizsākts

Ar mikrobiomu saistītās slimības pa raksti nav infekciozas. Pētījumos tika noteiktas mikrobu atšķirības, kas varētu būt saistītas ar šādām slimībām vai veselības stāvokļiem, proti, kādas izmaiņas un kādi mikrobiomi konkrētās vietās var tikt saistīti ar dažādām slimībām. Taču pētnieki vēl skaidri nezina, vai izmaiņas mikrobiomā noved pie slimības, vai mikrobioms mainās, reaģējot uz slimību. Tāpēc tālāki pētījumi ir svarīgi, lai spētu noteikt cēloņu un seku saistības ar slimībām.

Kā cilvēka organisms mijiedarbojas ar mikrobiem? Pirmais projekts – grūtniecība un priekšlaicīgas dzemdības

Iepriekšminētā projekta otrā fāze tika izstrādāta, lai analizētu un mērītu mikrobu RNS, olbaltumvielas un citas sastāvdaļas. Projekta direktore norāda, ka mikrobi mijiedarbojas gan viens ar otru, gan ar tā saimnieku. Tie var ietekmēt saimnieku un arī otrādi, saimnieks - mikrobus.

Šajā projektā tika pētīts sievietes-grūtnieces ģenitālais mikrobioms un tā iespējamā saistību ar priekšlaicīgu dzemdību risku un citām ar jaundzimušo un dzemdībām saistītām problēmām. Priekšlaicīgas dzemdības ir stāvoklis, kurā sievietes dzemdē pirms 37 pilnām grūtniecības nedēļām - tas ir otrs biežākais jaundzimušo nāves iemesls visā pasaulē. Pie tam, tumšādainām sievietēm šis procents ir divreiz lielāks.

Zinātnieki projektā centās raksturot grūtnieču maksts mirkobiomus, lai novērtētu priekšlaicīgu dzemdību risku, īpašu uzmanību pievēršot afroamerikāņu sievietēm. Salīdzinot sievietes ar normālas norises grūtniecībām un tās, kas dzemdējušas priekšlaicīgi, tika atklāts, ka priekšlaicīgu dzemdību gadījumā bija ievērojami zemāks dabiski sastopamo Lakto (lactobacillus crispatus) baktēriju skaits grūtniecības pirmajās nedēļās. Kā zināms, šīs baktērijas ir svarīgas sievietes veselīgai reproduktīvajai sistēmai. Pētījuma gaitā mikrobioms grūtniecības laikā mainījās, un vēlāk bija normas robežās. Lai precīzi spētu noteikt cēloņus un faktus, šādiem pētījumiem būtu jānotiek ilgstoši un regulāri.

Gregorijs Buks (Gregory Buck), pētījuma vecākais pētnieks teica, ka "šādi rezultāti ir negaidīti un arī satraucoši, jo tie mums varētu palīdzēt jau grūtniecības sākumā noteikt biomarķieri iespējamām priekšlaicīgām dzemdībām." Ja šādi rezultāti tiks iegūti arī turpmākos pētījumos, zinātniekiem, iespējams, būs vairāk iespējas intervencēm, lai agrīnās dzemdības novērstu.

Iekaisīgo zarnu slimības (IZS) un specifiski mikrobi – otrais projekts

Tā sauktā "Rietumu diēta", ko parasti raksturo kā diētu ar augstu tauku saturu, zemu šķiedrvielu daudzumu un biežu antibiotiku lietošanu, ir saistīta ar zarnu mikrobioma sastāva izmaiņām. Savukārt šādas mikrobioma pārmaiņas ir cieši saistītas ar palielinātu iekaisīgo zarnu slimību incidenci, Krona slimības un Čūlainā kolīta sastopamību. Abas šīs slimības ir sāpīgi iekaisuma stāvokļi, ko pavada drudzis, apetītes zudums un nogurums.

Līdz šim brīdim nav noteikta skaidra mikrobioma loma un tas, kā tas ietekmē iekaisīgo zarnu slimību progesu. Šīs jomas pētījumiem tika izveidots īpašs projekts (inflammatory bowel disease multi-omics (IBDMBD)), kurā veikts līdz šim vispilnīgākais mikrobioma apraksts saistībā ar IZS. Pētījumā aicināja piedalīties Krona slimības un Čūlainā kolīta pacientus, kuriem bija vai nu neliels liekaisuma līmenis, vai arī pilnībā attīstījusies slimība (smags iekaisums). Gada laikā tika pētīti simts trīsdesmit divi pacienti, un katram pacientam reizi nedēļā zinātnieki veica zarnu biopsijas no fekālijām, un reizi četros mēnešos ņēma asins paraugus. Paraugos analizēja mikrobioma sastāvu, olbaltumvielas, metabolītus un citus parametrus. Ar iegūtajiem datiem pētnieki bija spējīgi pētīt mikrobioma un slimības stāvokļa mijiedarbību laika gaitā.

Daudzos gadījumos IZS pacientiem mikrobioms dažu nedēļu laikā izmainījās pilnībā. Savukārt pētījuma dalībniekiem, kam nav IZS, šāda veida dramatiskas pārmaiņas bija ļoti reti. Pētnieki arī atklāja, ka IZS pacientiem bija samazināti tādi mikrobi kā F. prausnitzii un R. hominis, kas veselīgu zarnu mikrobiomos parasti sastopami daudz lielākos apjomos.
E. coli baktērijas, kas arī ir veselīga zarnu trakta mikrobioma sastāvdaļa,  IZS slimniekiem bija paaugstinātā daudzumā.

Baktērijām mūsu zarnās ir būtiska loma uztura sadalīšanā un sagemošanā. Sadalīšanās laikā, baktērijas rada savienojumus, no kuriem daudzi kalpo kā komunikācijas signāli starp mikrobiomu un tā saimnieku – cilvēku. Zaudējot šīs baktērijas, svarīgās signāl - molekulas var samazināties. Piemēram, tika atklāts ievērojams zarnu butirāta (gut butyrate) līmeņa samazinājums. Tā ir signāl-molekula, ko veido zarnu baktērijas, kas samazina iekaisumu un stiprina zarnu sieniņas. Pētnieki izvirza hipotēzi, ka butirāta samazināšanos var izraisīt ievērojams tādu mikrobu kā F. prausnitzii un R. hominis trūkums.  "Katra indivīda mikrobioms un imūnsistēma reaģēja atšķirīgā, koordinētā veidā. Lai gan tas sarēžģī mikrobioma-slimības savstarpējo saistību, tas norāda uz jaunām iespējām potenciāli izjaukt šīs nevēlamās atgriezeniskās saites, radot jaunus veidus, lai ārstētu un kontrolētu iekaisīgās zarnu slimības".

Prediabēts un 2. tipa diabēts – trešais projekts

2. tipa cukura diabēts ir cieši saistīts ar pieaugošo masveida aptaukošanos un sasniedzis kritiskus incidences apmērus. Prediabēta stadija ir veselības stāvoklis, kad cilvēka cukura līmenis asinīs ir virs normas, bet nav pietiekami augsts, lai noteiktu diabēta diagnozi. Šāds cukura līmeņa stāvoklis notiek tāpēc, ka indivīdiem ir izstrādājusies tolerance pret insulīnu, organisms vairs nereaģē uz hormonu signāliem, lai glikozi izvadītu no asinsrites un “ielaistu” šūnās. Gandrīz 70% no prediabēta pacientiem dzīves laikā kļūs par diabēta slimniekiem.

Mikrobioma trešā fāze ir projekts (Integrated Personal -Omics Project (IPOP)), kas saistīts ar diabēta un prediabēta pētniecību, Tā galvenie jautājumi bija: kas izraisa prediabēta pāreju uz 2. tipa cukura diabētu? Kādi aspekti esot prediabēta stadijā pāatrina šo pāreju? Kādas ir mikrobioma atšķirības?

Projektā tika iesaistīti 106 veseli indivīdi un tik pat prediabēta pacienti, kuri tika pētīti četru gadu garumā. Pētīja viņu zarnu un deguna mikrofloru, kā arī tika ņemti vērā citi bioloģiskie faktori. Iesākumā pētnieki atklāja, ka veselajiem pacientiem atšķīrās zarnu mikrobioma sastāvs no tiem, kuriem bija prediabēta simptomi.

Tā kā 2. tipa cukura diabēts ir saistīts ar imūnsistēmas radīto stresu, pētnieki ierosināja stiprināt prediabēta pacientu imūnsistēmu, tādā veidā aizkavējot vai pilnībā apturot slimības progresiju uz 2. tipa diabētu. "Ir iespējams, ka imunizācija prediabēta pacientus varētu pasargāt no stāvokļa pāriešanas diabētā", norāda pētnieki. Ir pierādījumi, kas liecina, ka pacientiem ar prediabētu ir izmainīts mikrobioms, kas, šķiet, ir saistīts ar novājinātu imūnsistēmu. Prediabēta pacienti varētu gūt labumu no imunizācijas, kas spētu uzlabot viņu imūnsistēmu, tādā veidā aizsargājot viņus no otrā tipa cukura diabēta attīstības. Taču tikai tālāki un plašāki pētījumi šo hipotēzi spētu pierādīt vai apgāzt.

Nākotnes atziņas

Mikrobioma projekts ir sagatavojis lielāko bioloģiskās informācijas kolekciju par mikrobu kopienas (microbial community) sastāvu un gēnu ekspresiju, olbaltumvielām, metabolītiem un imūnsistēmas īpašībām, gan no cilvēka ķermeņa un tā mikrobioma, gan laika gaitā sekojot mikrobioma izmaiņām dažādiem ar slimību saistītiem stāvokļiem.

Sekojot cilvēka bioloģiskajām un mikrobioma pazīmēm, tika atklāts, ka mikrobioma izmaiņas ir cieši saistītas ar priekšlaicīgām dzemdībām, iekaisīgām zarnu slimībām un prediabēta stāvokļiem un potenciālo diabēta attīstības risku. Vairākos gadījumos šīs mirkobioma izmaiņas bija kā agrīni slimību indikatori, tādā veidā dodot iespēju turpmākiem pētījumiem. Dati no šiem pētījumiem atrodas mirkobioma projekta datu koordinācijas centrā (HMP Data Coordination Center), un tie ir pieejami izmantošanai turpmākiem pētījumiem plašākai sabiedrībai.

Piebildīsim, ka īpaša nozīme veselīgam mikrobiomam ir dzīvesveids un uzturs, jo ar to mēs spējam ietekmēt dažādu mikroorganismu dzīvi mūsu ķermenī – vai nu samazinot to skaitu, vai palielinot, piemēram, nevēlamās baktērijas. Tādēļ iepriekšminētajiem stāvokļiem, īpaši diabēta un IZS attīstībai indivīda uzturs ir kritisks aspekts.