Mikrobiom - czym jest i jakie pełni funkcje?

2019-09-03 10:04 dr n. med. Karolina Karabin, biolog molekularny, diagnosta laboratoryjny, Cambridge Diagnostics Polska

Mikrobiom jest rodzajem "organu", o którym na wiele lat zapomniała współczesna medycyna. Jednak od kilkunastu lat, dzięki rozwojowi nauk biomedycznych, prowadzi się mnóstwo badań, których wyniki udowadniają, że mikrobiom jest czymś więcej niż tylko zgrupowaniem drobnoustrojów zasiedlającym nasz organizm. Czym jest mikrobiom? Dlaczego jest tak ważny dla naszego zdrowia? Jak o niego dbać?

Spis treści

  1. Mikrobiom, mikrobiota czy mikroflora?
  2. Mikrobiom – z czego się składa?
  3. Mikrobiom – jakie pełni funkcje?
  4. Mikrobiom – co na niego wpływa?
  5. Mikrobiom a choroby cywilizacyjne
  6. Mikrobiom a otyłość
  7. Mikrobiom a układ nerwowy
  8. Mikrobiom – jak o niego dbać?

Mikrobiom (mikrobiota, mikroflora) jest zgrupowaniem mikroorganizmów charakterystycznych dla danego siedliska naturalnego. Jako siedlisko powinniśmy rozumieć nie tylko morze, czy glebę, ale również organizm człowieka i innych zwierząt. Dlatego oprócz mikrobiomu mórz i gleby, wyróżniamy mikrobiom jelitowy, skóry, dróg rodnych, ucha, czy jamy ustnej.

Skład mikrobiomu różni się w zależności od zajmowanego siedliska. Obecnie najwięcej badań prowadzi się nad najliczniejszym mikrobiomem w naszym organizmie, czyli przewodzie pokarmowym.

Mikrobiom, mikrobiota czy mikroflora?

Termin „mikrobiom” został po raz pierwszy użyty w 2001 roku przez laureata nagrody Nobla Joshua Lederberga, który zastosował go do określenia zbioru genomów wszystkich drobnoustrojów zasiedlających organizm człowieka. Dlatego termin ten częściej stosuje się w tym znaczeniu.

Gdy mówimy o zbiorze wszystkich mikroorganizmów jako komórek, powinno używać się terminu "mikrobiota".

Z kolei termin "mikroflora" jest dawnym określeniem, które stosuje się rzadziej i pochodzi on z czasów kiedy większość mikroorganizmów klasyfikowano do królestwa roślin (termin "flora" określa ogół gatunków roślin występujących na określonym obszarze).

Mikrobiom - z czego się składa?

W skład mikrobiomu wchodzą bakterie, drożdże, grzyby, pierwotniaki, wirusy i archeony. Pamiętajmy, że nie muszą one zawsze być "przyjazne" dla swojego gospodarza. W skład mikrobioty mogą wchodzić również mikroorganizmy potencjalnie chorobotwórcze dla człowieka np. Escherichia Coli.

Ze względu na ogrom mikroorganizmów na szczególną uwagę zasługuje mikrobiom przewodu pokarmowego, w którego skład wchodzą głównie bakterie z 4 podgrup:

  • Firmicutes (64%)
  • Bacteroides (23%)
  • Proteobacteria (8%)
  • Actinobacteria (3%)

U zdrowych osób poszczególne odcinki przewodu pokarmowego charakteryzują się zmienną różnorodnością mikroorganizmów. Żołądek i dwunastnica są praktycznie jałowe, gdyż kwaśne pH soku żołądkowego tworzy niesprzyjające środowisko dla większości drobnoustrojów. W jelicie cienkim ich liczba jest większa i wynosi od 10 000 do 100 0000 w 1 gramie treści pokarmowej.

Przeważają tutaj bakterie kwasolubne z rodzaju Lactobacillus i Streptococcus. Najwięcej mikroorganizmów znajduje się w jelicie grubym i jest to nawet bilion komórek w 1 gramie treści pokarmowej! Znakomitą większość stanowią mikroorganizmy nietolerujące tlenu (beztlenowce),takie jak bakterie z rodzaju Bifidobacterium czy Clostridium.

Szacuje się, że w przewodzie pokarmowym znajduje się 10 razy więcej mikroorganizmów niż komórek w ciele człowieka (około 100 bilionów komórek ważących około 2 kg), a liczba genów w nich zawarta to 3,3 miliona. Dla porównania genom człowieka to zaledwie 21 000 genów.

Bakterie zasiedlające przewód pokarmowy można podzielić ze względu na funkcje jakie pełnią w organizmie:

  • bakterie proteolityczne (inaczej gnilne) są to bakterie potencjalnie chorobotwórcze, których przerost w jelicie może wpływać niekorzystnie na organizm; zaliczamy do nich m. in. bakterie z rodzaju Klebsiella, Enterobacter, Serratia, Citrobacter, Pseudomonas
  • bakterie ochronne (probiotyczne) są to bakterie, które hamują wzrost drobnoustrojów chorobotwórczych, uszczelniają nabłonek jelita i wytwarzają substancje odżywcze dla nabłonka jelita; zaliczamy do nich m. in. bakterie z rodzaju Lactobacillus i Bifidobacterium
  • bakterie immunostymulujace pobudzają komórki układu odpornościowego, redukują odpowiedź zapalną i stymulują produkcję przeciwciał IgA przez błonę śluzową; zaliczamy do nich m. in. bakterie z rodzaju Enterococcus i Escherichia coli. Ta ostatnia w niekorzystnych warunkach jest także potencjalnie chorobotwórcza

Mikrobiom - jakie pełni funkcje?

Mikroorganizmy jelitowe mogą metabolizować substancje pochodzące z pożywienia – węglowodany, białka, tłuszcze oraz te pochodzące bezpośrednio od człowieka, jak obumarłe komórki i śluz. Mikrobiom wykorzystuje je do podtrzymywania podstawowych czynności życiowych.

Dlatego funkcje mikrobioty można porównać do rodzaju bioreaktora, który każdego dnia w procesie fermentacji produkuje niezliczone ilości substancji bioaktywnych. Ilość i charakter tych substancji będzie zależał w dużej mierze od sposobu naszego odżywania.

Oprócz wspomagania procesów trawienia mikrobiom jelitowy:

  • wytwarza witaminy z grupy B i witaminę K
  • zwiększa wchłanianie minerałów, takich jak magnez i wapń
  • zapobiega kolonizacji jelita przez bakterie chorobotwórcze
  • stymuluje dojrzewanie komórek układu odpornościowego i wspomaga jego pracę
  • wycisza procesy zapalne
  • wpływa na dojrzewanie i różnicowanie komórek nabłonkowych jelita
  • inaktywuje toksyny i kancerogeny
  • uczestniczy w metabolizmie cholesterolu i bilirubiny

Mikrobiom - co na niego wpływa?

  • geny

Choć skład mikrobiomu jelitowego jest przed wszystkim zależy od czynników środowiskowych, to w mniejszym stopniu na mikrobiom ma również wpływ genotyp gospodarza. Przykładem takiej zależności są warianty genu FUT2 kodującego enzym fukozylotransferazę 2, odpowiedzialną m.in. za powstawanie antygenów związanych z grupami krwi.

Osoby z niekorzystnym wariantem genu FUT2 nie wytwarzają pewnych oligosacharydów, których brak predysponuje je do niedoboru bakterii ochronnych z rodzaju Bifidobacterium. Niekorzystny wariant tego genu występuje u około 20% Europejczyków.

  • wiek i sposób porodu

Przed porodem w życiu płodowym nasz przewód pokarmowy jest sterylny. W trakcie naturalnego porodu przewód pokarmowy jest zasiedlany przez mikrobiom pochwy matki. Następnie w trakcie karmienia piersią z mlekiem przekazywane dziecku są substancje prebiotyczne (ludzkie oligosacharydy), które stymulują wzrost korzystnych bakterii jak Bifidobacterium.

Dzieci karmione sztucznie mogą mieć mniejszą liczbę tych bakterii. Wykazano, że poród i sposób karmienia może być kluczowy w prawidłowy rozwoju mikrobiomu i rozwoju np. alergii. Zauważono znaczne różnice w składzie mikrobiomu u noworodków urodzonych naturalnie w porównaniu do tych urodzonych przez cesarskie cięcie.

Po zakończeniu karmienia piersią i wprowadzeniu stałych pokarmów, skład mikrobiomu jelitowego stopniowo upodabnia się do osoby dorosłej. W wieku około 15 lat staje się względnie stabilny (jeśli osoba jest zdrowa i prowadzi prawidłowy styl życia).

Kolejnym etapem życia człowieka, w którym obserwuje się zmianę w składzie mikrobiomu jelitowego, jest okres po około 65. roku życia. U osób starszych obserwuje się spadek liczebności ochronnych bakterii z rodzaju Bifidobacterium oraz wzrost liczby bakterii potencjalnie chorobotwórczych, jak Clostridium.

Spadek Bifidobacterium, które zmniejszają stan zapalny na błonie śluzowej jelita, może być jednym z czynników pogłębiających procesy chorobowe związane z wiekiem. Dlaczego tak się dzieje? W dużej mierze jest to konsekwencją tego, że nasz organizm z wiekiem staje się mniej sprawny, tj. pogarsza się stan uzębienia, spada ilość wydzielanej śliny i wydolność narządów, np. trzustki.

  • Dieta

Dieta jest jednym z najsilniej oddziałujących czynników na skład mikrobiomu jelitowego. Jeśli będziemy dostarczali naszemu mikrobiomowi odpowiednią ilość węglowodanów złożonych, drobnoustroje będę produkowały takie substancje, jak krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe (SCFA), np. maślan lub kwas mlekowy, które korzystnie wpływają na organizm, m.in. poprzez wyciszanie reakcji zapalnych.

Szacuje się, że 10-20 % spożytych węglowodanów jest opornych na trawienie przez ludzkie enzymy jelitowe. Są to węglowodany nieprzyswajalne, jak skrobia oporna i polisacharydy nieskrobiowe (np. pektyny i celuloza), które są idealną "pożywką" dla mikrobiomu.

Natomiast jeśli w naszej diecie będzie nadmiar przetworzonej żywności, cukrów prostych, nasyconych tłuszczów i białka zwierzęcego, mikroorganizmy zaczną wytwarzać substancje szkodliwe, takie jak aminy biogenne (np. tyraminę), skatol, indol czy amoniak. Substancje te mogą powodować uszkodzenie komórek nabłonkowych jelita, indukować stan zapalny i prowadzić do zaburzeń przepuszalności bariery jelitowej.

Przeprowadzono badania, w których porównywano skład mikrobiomu jelitowego dzieci zamieszkujących Włochy i odżywiających się według modelu diety zachodniej (bogatej w białko zwierzęce, tłuszcze i cukry proste) z dietą dzieci zamieszkującymi wiejskie tereny Burkina Faso (bogata w węglowodany złożone oraz o niskiej zawartości białka zwierzęcego). Wykazały one, że skład mikrobiomu w obydwu grupach różnił się diametralnie.

U dzieci z Włoch dominowała grupa bakterii charakterystyczna dla osób otyłych (Firmicutes), występował przerost bakterii gnilnych, a w kale stwierdzono zmniejszoną zawartość maślanu i innych SCFA. Nie stwierdzono tego u dzieci z Burkina Faso. Pokazuje to jak niewłaściwe nawyki żywieniowe wpływają na zaburzenia mikrobiomu jelitowego.

Diety ubogie w węglowodany złożone (np. błonnik rozpuszczalny) zmniejszają różnorodność mikrobiomu jelitowego, a szczególnie bakterii ochronnych z rodzaju Bifidobacterium. Przykładem takiej diety jest dieta FODMAPs oraz źle zbilansowana dieta bezglutenowa.

Najkorzystniej w badaniach wypada dieta śródziemnomorska, gdyż oprócz dużej ilości błonnika pokarmowego zawiera ona polifenole. Jak pokazują ostanie badania 90-95% polifenoli jest kumulowane w jelicie grubym, gdzie podlegają różnym przemianom biochemicznym przez mikrobiom jelitowy.

  • Stres psychologiczny

W badaniach na myszach i z udziałem ludzi wykazano, że stres psychologiczny powoduje zmniejszenie liczebności bakterii ochronnych z rodzajów Lactobacillus i Bifidobacterium. Oprócz tego stres stymuluje przerost bakterii potencjalnie chorobotwórczych jak Escherichia Coli. Jest to prawdopodobnie spowodowane wydzielaniem hormonu stresukortyzolu.

Wykazano także, że polifenole, takie jak resweratrol w winogronach czy katechiny w herbacie wpływają korzystnie na skład mikrobioty jelitowej, pełniąc rolę prebiotyków.

CZYTAJ TEŻ:

Mikrobiom a choroby cywilizacyjne

Mikrobiom często jest porównywany do "organu", o którym zapomniała współczesna medycyna. Badania wyraźnie wskazują, że mikrobiom podobnie jak każdy inny narząd jest w stanie odbierać informacje ze środowiska - takie jak zmiana pH, obecność składników pokarmowych, komórek układu odpornościowego czy hormonów - i na nie reagować. System ten jest nazywany quorum sensing i pozwala na molekularny dialog pomiędzy mikrobiomem a komórkami i narządami człowieka.

Z uwagi na wielopoziomowe oddziaływanie mikrobiomu na nasz organizm, nie powinno być zaskoczeniem, że zaburzenia jakościowe i ilościowe mikrobomu, nazywane dysbiozą jelitową, mogą wpływać na powstawanie wielu chorób cywilizacyjnych, takich jak:

Przełomem w badaniach nad związkiem mikrobiomu ze zdrowiem człowieka był zainicjowany w 2007 roku przez amerykański Narodowy Instytut Zdrowia projekt "Human Microbiome Project". Wykorzystano w nim najnowocześniejsze metody biologii molekularnej, co pozwoliło na ustalenie różnic w składzie mikrobiomu człowieka w zależności od szerokości geograficznej, genotypu, wieku i sposobu odżywiania.

Mikrobiom a otyłość

Pierwsze badania wskazujące na związek mikrobiomu jelitowego z otyłością zostały przeprowadzone na myszach. Zauważono, że myszy otyłe mają - w porównaniu z chudymi - zaburzone proporcje pomiędzy bakteriami z grupy Firmicutes (za dużo) i Bacteroides (za mało).

Obecnie uważa się, że mikrobiom jelitowy może wpływać na rozwój otyłości w przynajmniej trzech mechanizmach:

  • poprzez wytwarzanie dodatkowych kilokalorii (4−10% energii uzyskanej z pożywienia jest generowane przez mikrobiom, jest to około 80−200 kcal/dobę)
  • indukowanie stanu zapalnego o niskim nasileniu (tzw. endotoksykemia metaboliczna, która może być przyczyną insulinooporności)
  • regulację ośrodka głodu i sytości (mikrobiom wpływ m. in. na sekrecję glukagonopodobnego peptydu-1 i peptydu YY oraz czas pasażu jelitowego)

Mikrobiom a układ nerwowy

Badania eksperymentalne na myszach wykazały, ze mikrobiom jelitowy wpływa na rozwój układu nerwowego, odpowiedź na stres i zachowanie. Coraz więcej badań wskazuje także na bezpośredni związek mikrobiomu jelitowego z zaburzeniami depresyjnymi.

W tym kontekście istotną rolę odgrywa tzw. oś jelitowo-mózgowa i nerw błędny, które są odpowiedzialne za przekazywanie sygnałów z jelita do mózgu.

Innymi mechanizmami, za pośrednictwem których drobnoustroje mogą wpływać na nasze zachowanie, jest ich udział w metabolizmie tryptofanu (jest to prekursor do syntezy "hormonu szczęścia" – serotoniny) lub bezpośrednio poprzez syntezę neuroprzekaźników, np. bakterie z rodzaju Escherichia i Enterococcus mogą produkować serotoninę, a z rodzaju Lactobacillus GABA (neuroprzekaźnik odpowiedzialny za wyciszenie i odprężenie).

Ponadto badania wskazują na udział mikrobiomu jelitowego w rozwoju takich zaburzeń, jak:

Warto wiedzieć

SIBO, czyli zespół przerostu bakteryjnego jelita cienkiego, jest rodzajem dysbiozy jelit, przebiegającej z nadmiernym rozrostem bakterii w jelicie cienkim, które są charakterystyczne dla jelita grubego.

SIBO jest przyczyną zaburzeń trawienia oraz wchłaniania. Współistnieje z wieloma chorobami, takimi jak:

Przyczyną SIBO mogą być:

  • zaburzenia perystaltyki jelit
  • leki zobojętniające sok żołądkowy
  • choroby żołądka
  • niedobory enzymów trawiennych
  • podeszły wiek
  • antybiotykoterapia

Mikrobiom - jak o niego dbać?

  • spożywaj warzywa i owoce bogate w polifenole (jagody, borówka amerykańska, maliny) oraz substancje prebiotyczne, które są "pożywką" dla drobnoustrojów jelitowych (warzywa strączkowe, owoce cytrusowe, topinambur, por, cebula, szparagi, banany)
  • spożywaj węglowodany złożone np. brązowy ryż, płatki i otręby owsiane, które zawierają błonnik rozpuszczalny, który stymuluje wytwarzanie maślanu
  • spożywaj dobrej jakości tłuszcze zawarte np. w oliwie z oliwek
  • pij zieloną herbatę, gdyż zawiera ona polifenole jak katechiny
  • zwiększ spożycie kiszonych warzyw np. kapusty, ogórków, buraków oraz produktów mlecznych np. jogurtu, kefiru, gdyż są źródłem probiotycznych mikroorganizmów
  • unikaj dużych ilości alkoholu, a jeśli już go spożywasz wybieraj czerwone wino, które zawiera polifenole jak resweratrol
  • wyeliminuj ze swojej diety przetworzoną żywność typu fast-food, słodzone napoje, ciastka i batony, gdyż są źródłem cukrów prostych i tłuszczów trans
  • unikaj stresu psychologicznego, a jeśli jest to niemożliwe stosuj techniki relaksacyjne
  • zadbaj o odpowiednią ilość snu
  • ćwicz regularnie

Piśmiennictwo

  1. Gałęcka M. i Szachta P. Kyberkompakt - znaczenie nowoczesnej diagnostyki mikrobiologicznej przewodu pokarmowego. Zakażenia 5/2013.
  2. De Filippo C. i wsp. Impact of diet in shaping gut microbiota revealed by a comparative study in children from Europe and rural Africa. Proc Natl Acad Sci USA. 2010, 17, 107(33), 14691-6. dostęp on-line
  3. Tomás-Barberán F.A. i wsp. Interactions of gut microbiota with dietary polyphenols and consequences to human health. Curr Opin Clin Nutr Metab Care. 2016, 19(6), 471-476. dostęp on-line
  4. Wacklin P. i wsp. Secretor genotype (FUT2 gene) is strongly associated with the composition of Bifidobacteria in the human intestine. PLoS One 2011, 6, e20113. dostęp on-line
  5. De Filippis F. i wsp. High-level adherence to a Mediterranean diet beneficially impacts the gut microbiota and associated metabolome. Gut. 2016, 65(11), 1812-1821. dostęp on-line
  6. Reddel S. i wsp. The Impact of Low-FODMAPs, Gluten-Free, and Ketogenic Diets on Gut Microbiota Modulation in Pathological Conditions. Nutrients. 2019, 12, 11(2), E373. dostęp on-line
  7. Wołkowicz T. i wsp. Mikrobiom przewodu pokarmowego i jego dysbiozy jako istotny czynnik wpływający na kondycję zdrowotną organizmu człowieka. Med. Dośw. Mikrobiol., 2014, 66: 223-235. dostęp on-line
  8. Ostrowska L. Wpływ mikrobioty jelitowej na zaburzenia metaboliczne i otyłość - punkt widzenia internisty i dietetyka.Gastroenterologia Kliniczna 2016, 8, 2, 62-73. dostęp on-line
  9. Gulas E. i wsp. Jak mikrobiologia może wpływać na psychiatrię? Powiązania między florą bakteryjną jelit a zaburzeniami psychicznymi. Psychiatr. Pol. 2018, 9, 1-17. dostęp on-line
O autorze
Karolina Karabin, diagnosta molekularny
dr n. med. Karolina Karabin, biolog molekularny, diagnosta laboratoryjny, Cambridge Diagnostics Polska
Z wykształcenia biolog ze specjalizacją mikrobiologia i diagnosta laboratoryjny z ponad 10-letnim stażem w pracy laboratoryjnej. Absolwentka Studium Medycyny Molekularnej oraz członek Polskiego Towarzystwa Genetyki Człowieka.Kierownik grantów naukowych realizowanych w Pracowni Diagnostyki Molekularnej przy Klinice Hematologii, Onkologii i Chorób Wewnętrznych WUM. Tytuł doktora nauk medycznych w zakresie biologii medycznej obroniła na I Wydziale Lekarskim WUM. Autorka wielu prac naukowych i popularnonaukowych z zakresu diagnostyki laboratoryjnej, biologii molekularnej i żywienia. Na co dzień jako specjalista w zakresie diagnostyki laboratoryjnej prowadzi dział merytoryczny w Cambridge Diagnostics Polska oraz współpracuje z zespołem dietetyków w Poradni Dietetycznej CD. Ze specjalistami dzieli się praktyczną wiedzą dotyczącą diagnostyki i dietoterapii chorób na konferencjach, szkoleniach oraz na łamach czasopism i portali internetowych. Szczególnie zainteresowana wpływem współczesnego stylu życia na procesy molekularne w organizmie.
Czy artykuł był przydatny?
Przykro nam, że artykuł nie spełnił twoich oczekiwań.

NOWY NUMER

W numerze 11/2019 "Zdrowia": padaczka odczarowana, dla kogo przeszczep nerki, e-papieros - nowa plaga, cera wolna od przebarwień, porażka źródłem sukcesu, lunchbox wegetarianina. Miesięcznik "Zdrowie" to pakiet rzetelnej wiedzy i sprawdzonych porad!

Dowiedz się więcej
Miesięcznik Zdrowie 11/2019

Materiał partnerski

KOMENTARZE