Микробиом кишечника человека – это сложное сообщество триллионов микробов, которые постоянно взаимодействуют друг с другом и с нашим телом. Он поддерживает наше благополучие, иммунную систему и психическое здоровье, но как он поддерживается??
Исследователи из Великобритании и Германии, наряду с другими международными сотрудниками, исследовали эволюцию бактерий в микробиоме кишечника человека, задавая вопрос, как эти микробы сохраняются на протяжении всей их жизни, принимая во внимание внутренние и внешние влияющие факторы.
Результаты исследования помогут получить информацию о специально разработанных пробиотиках, живых бактериях, обнаруженных в определенных продуктах или добавках, а также о диетических или медицинских вмешательствах для лечения заболеваний кишечника и поддержания здорового микробиома кишечника.
Поддержание стабильной и здоровой микробной популяции кишечника взаимовыгодно для нас и бактерий. В обмен на питание и комфортную среду обитания сообщество микробов возвращает нам пользу, предоставляя нам пользу для здоровья, что мы теперь начинаем понимать.
Ведущий автор и руководитель группы д-р. Фальк Хильдебранд из Quadram Institute и Earlham Institute объясняет: "Мы знаем, что определенные микробы колонизируют нас при рождении; а некоторые могут жить с нами десятилетиями. Тем не менее, хотя исследования изучали отдельные виды микробов, механизмы и масштабы устойчивости микробиома в целом не изучались."
Чтобы изучить это, группа ученых из Института Эрлхэма и Института Квадрам в Исследовательском парке Нориджа вместе с Европейской лабораторией молекулярной биологии (EMBL) в Германии использовала метагеномику для анализа эволюционных стратегий и устойчивости различных бактерий в кишечнике человека. микробиом.
Метагеномика – это изучение всех генов множества разных организмов в популяции. Что касается микробиома кишечника человека, этот процесс не только предоставляет подробную информацию о присутствующих штаммах бактерий, но также указывает на повышающие способности этих различных штаммов, основанные на их генетике, поддерживать кишечник в хорошем рабочем состоянии.
На основе анализа образцов стула команда повторно изучила метагеномы из более чем 2000 образцов взрослых и младенцев, в том числе нескольких из тех же семей, и обнаружила три основных стратегии распространения, лежащие в основе устойчивости кишечных бактерий человека. Данные были получены из ранее опубликованных исследований, посвященных изменениям микробиома с течением времени, при этом каждый человек предоставлял в среднем 2-3 образца с разницей в несколько месяцев.
Последний автор и директор EMBL Heidelberg (научная деятельность) профессор Пер Борк сказал: "Изучая временные ряды отдельных лиц и членов семьи и накладывая их на географическую информацию, от домохозяйства до города и страны, мы определили группы бактериальных штаммов, которые демонстрируют различные стратегии распространения. Это показало очень разные модели персистенции в хозяине, региональном распространении и географическом распределении сотен видов бактерий."
Данные были встроены в разнообразный набор данных из 5278 метагеномов, которые были исследованы для анализа закономерностей устойчивости различных типов бактерий и того, как на них влияют общие факторы: возраст, члены семьи, географический регион и использование антибиотиков.
"Наш анализ показывает, что большинство штаммов бактерий, присутствующих в микробиоме, очень устойчивы – вероятность того, что штамм сохранится в течение как минимум года, составляет более 90 процентов," сказал доктор. Хильдебранд.
"Некоторые виды микробов действительно демонстрировали стойкие различия, будучи либо очень устойчивыми таксономическими группами, либо низкоустойчивыми, больше полагаясь на обмены между членами семьи. Однако у младенцев средняя устойчивость штаммов бактерий снизилась до 80 процентов. Это не неожиданно; мы знаем, что, особенно у новорожденных, происходит постоянный обмен кишечными микробами."
Профессор Борк добавил: "Исследование показывает, что внутренние уровни устойчивости бактерий, наблюдаемые у взрослых, также отражаются на детях, и постепенно мы начинаем приобретать эти устойчивые бактерии примерно до десятилетнего возраста, после чего микробиом достигает устойчивого состояния. "
"Антибиотики по-разному действуют на разные типы бактерий, причем общий эффект зависит от того, насколько устойчивы различные бактерии, их внутренняя устойчивость и степень их заменяемости в микробиоме."
Чтобы глубже понять, что движет настойчивостью, исследователи сравнили микробиомные сообщества не только на индивидуальном уровне, но и между семьями, странами и регионами. Это позволило им сгруппировать бактерии на основе их характеристик устойчивости и с помощью геномного анализа искать ключи к эволюции стратегий этих групп при расселении среди новых человеческих хозяев.
Упорное упорство
Первая группа, получившая название «живучие» бактерии, была наиболее стойкой и хорошо приспособленной для выживания в кишечнике человека. Например, эти бактерии смогли выжить, переключаясь на разные источники питания, когда хозяин переходил из младенчества во взрослую жизнь.
Однако стойкие бактерии – это те, которые с наибольшей вероятностью будут потеряны из микробиома после применения антибиотиков. Если эти бактерии носят в себе с детства, их потеря может быть постоянной. Это вызывает особую озабоченность в связи с чрезмерным и неправильным использованием антибиотиков.
Другая группа была названа «наследственными» бактериями, которые представляют собой штаммы, которые «наследуются» и группируются внутри семей. Они имеют более низкую стойкость в детстве и более высокую текучесть, что позволяет предположить, что циклы повторного заражения являются ключом к их стойкости у человека.
Геномный анализ показал, что у этих бактерий, как правило, есть гены, позволяющие им распространяться через споры, что может способствовать передаче, скажем, от родителя к ребенку, но также и через семейную ячейку.
Третья группа, названная "пространственно стойкий," похоже, группируются в свои географические области, но не связаны с семьями.
В настоящее время проявляя большой интерес к поддержанию или манипулированию микробиомом для здоровья, исследовательская группа надеется, что их целостное исследование эволюции различной устойчивости кишечных микробов приведет к созданию более эффективных и информированных клинических стратегий.
Например, одноразовые вмешательства, такие как трансплантация фекальной микробиоты (FMT), могут быть подходящими для внедрения или даже замены устойчивых бактерий, но не бактерий, которые зависят от повторного заражения. Им может быть больше пользы от терапии на основе пробиотиков или диетических изменений, которые со временем изменяют среду кишечника, способствуя их колонизации и устойчивости.
Новое понимание широкого и потенциально необратимого вреда, который антибиотики могут нанести микробиому, также может указать на новые стратегии для смягчения этих различных эффектов.
"Наше исследование дало нам гораздо лучшее представление о том, какие кишечные бактерии тесно связаны со своим хозяином, а какие более склонны переключаться между хозяевами. Это важная информация для информирования про пребиотиков и большинства медицинских приложений, нацеленных на микробиом кишечника человека," добавил Dr. Хильдебранд.