Mikrobiota przewodu pokarmowego - ebook

Przedmowa

Zdrowie człowieka jest uwarunkowane wieloma czynnikami zewnętrznymi i wewnętrznymi. Jednym z nich jest bogaty świat drobnoustrojów funkcjonujący w organizmie ludzkim. Liczba komórek mikroorganizmów zasiedlających przewód pokarmowy, skórę, układ moczowo-płciowy czy oddechowy kilkukrotnie przewyższa liczbę komórek budujących ciało człowieka. Produkty metabolizmu tych drobnoustrojów ciągle oddziałują na organizm. Większość mikrobioty człowieka stanowią bakterie, jednak obecne są również wirusy, grzyby, pasożyty, archeony. Wiele drobnoustrojów nie jest zidentyfikowanych ani nazwanych. Poznanie zasad decydujących o wzajemnych interakcjach organizmu człowieka z drobnoustrojami przewodu pokarmowego dałoby niewątpliwie wielkie możliwości w profilaktyce oraz leczeniu wielu chorób.

Książka, którą Państwu przedstawiamy, zawiera wiele istotnych informacji o współzależnościach istniejących między człowiekiem a drobnoustrojami jelitowymi. Wiele pytań pozostaje bez odpowiedzi, ponieważ wiedza jest jeszcze dalece niepełna. Mamy nadzieję, że przyczynimy się do zrozumienia tych skomplikowanych interakcji. A może zainspirujemy do dalszych badań?

Białystok–Warszawa, październik 2019

Joanna Kowalińska i Anatol PanasiukSłowo wstępne Profesora Andrzeja Horbana

Książkę „Mikrobiota przewodu pokarmowego” czyta się z prawdziwą przyjemnością. Autorzy dokonali prawdziwie benedyktyńskiego dzieła, zapoznając czytelników z literaturą dotyczącą tego tematu. Jest to o tyle warte podkreślenia, że temat jest nowy, nie do końca poznany, a liczba publikacji w ostatnich latach rośnie lawinowo. Krytyczna analiza danych została przeprowadzona przez znakomitych znawców tematu. Pozycja ta jest unikalna nie tylko na polskim rynku wydawnictw medycznych – warto rozważyć jej przetłumaczenie również na język angielski, gdyż mogłaby liczyć na zainteresowanie lekarzy w wielu krajach. Nie udało mi się dotąd spotkać tak wyczerpującej i rzetelnej publikacji na ten temat.

Książka zawiera informacje podstawowe, będące już kanonem wiedzy. Przedstawia definicje pojęć i dostępne klasyfikacje. Uporządkowanie i usystematyzowanie znanych już, choć niedawno poznanych zjawisk fizjologicznych wpływających na różnorodność mikrobioty zarówno w poszczególnych odcinkach przewodu pokarmowego, jak i innych narządach jest jednocześnie znakomitą podstawą do przedstawienia i omówienia schorzeń będących wynikiem zaburzeń tychże zjawisk fizjologicznych. Stało się też okazją do omówienia bieżących wyników prac badawczych w tej dziedzinie. Interesująco przedstawione są rozważania dotyczące powiązań mikrobioty bakteryjnej ze stylem życia, sposobem odżywiania czy miejscem zamieszkiwania. Analiza związków występowania poszczególnych chorób i próba powiązania ich z mikrobiotą pokazuje nam, jak wiele pytań pozostaje na razie bez odpowiedzi. Takie ujęcie nowo poznanego tematu pozwala podjąć próbę znalezienia powiązań. Monografia ta jest zatem przydatna dla lekarzy, którzy sprawują opiekę bezpośrednio nad pacjentami, pozwalając im na modyfikację zaleceń w codziennej praktyce. Autorzy omówili wyczerpująco, w sposób jasny i klarowny – wpływ poszczególnych metod modyfikacji mikrobioty jelitowej na liczne schorzenia, które są powiązane z zaburzeniami flory bakteryjnej.

Książka ta wydaje się być również przydatna dla osób zajmujących się tematyką mikrobioty w sposób zaawansowany, gdyż będzie pomocna przy planowaniu badań, w tym badań klinicznych, które mogą przyczynić się do postępu wiedzy. Wielką jej zaletą jest zwrócenie uwagi czytelnika na wiele spraw, które są nadal niewyjaśnione i wymagają dalszych, intensywnych poszukiwań.

W podsumowaniu należy podkreślić wartość monografii ze względu na jej aktualność, zawartość intelektualną i – co nie zawsze zdarza się w takich przypadkach – jasność i klarowność przedstawianej wiedzy. Książka jest warta polecenia wszystkim, którzy interesują się nie tylko medycyną naprawczą, ale i wieloma aspektami zdrowia.
W pełni wpisuje się w obecnie panującą tendencję do propagowania stylu życia
mającego na celu jak najdłuższe pozostawanie aktywnym i zdrowym.

Prof. dr hab. n. med. Andrzej Horban

Konsultant Krajowy ds. chorób zakaźnych

Kierownik Kliniki Chorób Zakaźnych dla Dorosłych

Warszawski Uniwersytet MedycznySłowo wstępne Profesor Walerii Hryniewicz

Jest to pierwsza pozycja na rynku księgarskim w Polsce poruszająca zagadnienia mikrobioty przewodu pokarmowego. Przeczytałam ją z ogromnym zainteresowaniem. Problem mikrobioty i mikrobiomu od kilku lat fascynuje zarówno uczonych, jak i praktyków. Poznanie składu mikrobioty i interakcji między drobnoustrojami przewodu pokarmowego, zarówno w sytuacji zdrowia, jak i choroby, może pomóc odpowiedzieć na wiele kluczowych pytań z dziedziny fizjologii, patofizjologii i innych dziedzin medycyny. Jestem przekonana, że tematyka ta spotka się z zainteresowaniem szerokiego grona specjalistów nie tylko w dziedzinie gastroenterologii, chorób zakaźnych czy mikrobiologii.

Książka przedstawia definicje, skład mikrobioty w zależności od piętra przewodu pokarmowego, jej ogromną rolę w funkcjonowaniu organizmu człowieka poprzez wpływ m.in na rozwój i czynność układu immunologicznego i jego obronę przed patogenami (tzw „colonization resistance”). Omawia także zachodzące w niej zmiany w zależności od różnego rodzaju „interwencji”, począwszy od diety, poprzez leki, a na antybiotykach skończywszy. Ciekawą jej część stanowi omówienie zmian w mikrobiocie w przebiegu różnorodnych stanów chorobowych. Szczególnie ważne w obecnej sytuacji jest podawanie inhibitorów pompy protonowej i antybiotyków, a więc leków ogromnie nadużywanych, które sprzyjają rozwojowi Clostridioides difficile i wynikających z tego często dramatycznych konsekwencji zdrowotnych. Ważną część książki stanowi szczegółowa analiza „interwencji”, które mogą doprowadzić do przywrócenia równowagi w mikrobiomie z korzyścią zdrowotną dla pacjenta, ze szczególnie dokładnym omówieniem probiotyków Sacharomyces boulardii i Bifidobacterium infantis.

Chciałam zakończyć słowami Autorów książki, że „chcąc ingerować w mikrobiotę, należy zachować ostrożność, a modyfikacja mikrobioty niesie ze sobą nie tylko korzyści, lecz także zagrożenia”.

Prof. dr hab. n. med. Waleria Hryniewicz

Narodowy Instytut Leków w Warszawie1

Wstęp

Organizm człowieka składa się z 10¹³ komórek, które komunikują się ze sobą i stanowią nierozerwalny układ. Zakłócenie komunikacji między komórkami może być przyczyną dysfunkcji narządów i prowadzić do rozwoju chorób. Liczba mikroorganizmów zasied­lających organizm człowieka wynosi nawet do 10¹⁴. Oznacza to, że na 1 komórkę organizmu ludzkiego przypada do 10 komórek bakterii. Liczba genów w materiale genetycznym mikroorganizmów jest również ogromna. Szacuje się, że jest 150 razy więsza niż liczba genów w ludzkim genomie. Zbiór genów mikroorganizmów jest często określany mianem trzeciego, głównego genomu człowieka, po jądrowym i mitochondrialnym. Natomiast suma genów człowieka i mikroorganizmów tworzy mieszankę cech metabolicznych, które niemożliwe są do uzyskania bez informacji zawartej w drobnoustrojach. Taki układ człowiek–mikroorganizmy nazwano superorganizmem. Jego funkcjonowanie wymaga przekazywania bardzo rozbudowanych i wydajnych sygnałów między komórkami organizmu gospodarza a poszczególnymi drobnoustrojami. W związku z tym między mikroorganizmami a gospodarzem toczy się nieustanna interakcja na poziomach: genetycznym, metabolicznym, immunologicznym. Ta współzależność jest wynikiem ewolucji. Mikroorganizmy wpływajace na zdrowie gospodarza odgrywały, odgrywają i będą odgrywać istotną rolę w ewolucji człowieka (Panasiuk 2018).

Od kilkunastu lat rośnie zainteresowanie mikrobiotą człowieka, co ma odzwierciedlenie w liczbie publikacji naukowych, które ukazały się w ostatnich dziesięcioleciach. Widać to m.in. przy przeszukiwaniu bazy PubMed za pomocą hasła „microbiota”. W ostatnim dziesięcioleciu XX w. termin „microbiota” pojawił się zaledwie w 394 publikacjach, a w latach 2001–2010 aż w 3620. W ciągu ostatnich 8 lat opublikowano już 36 408 prac, czyli 10 razy więcej niż w latach 2001–2010. Identyczny trend dotyczy prac na temat mikrobioty jelitowej (tab. 1.1). Nic nie wskazuje na to, aby tempo ukazywania się publikacji miało się zmienić.

Wraz z rosnącym zainteresowaniem środowiska naukowego tematyką mikrobioty, coraz większą uwagę na te zagadnienia zaczynają też zwracać osoby niezwiązane
ze światem nauki. Widać to w liczbie wyszukiwań słów kluczowych „microbiota”
czy „gut microbiota” w jednej z popularnych wyszukiwarek internetowych.

Nowe informacje pozwalają na znalezienie odpowiedzi na dotychczasowe pytania, weryfikację obecnego stanu wiedzy oraz na postawienie innych pytań, które motywują do prowadzania kolejnych badań. Z drugiej jednak strony nagły przyrost nowych danych rozproszonych w wielu publikacjach naukowych może stwarzać ryzyko
błędnej interpretacji poszczególnych obserwacji. Ryzyko to może wynikać z nieuwzględnienia wszystkich informacji z danego obszaru, które mogą mieć wpływ na wniosek końcowy. W odniesieniu do tematu mikrobioty takie ryzyko jest całkiem realne. Tym bardziej, jeżeli weźmiemy pod uwagę, że w dotychczas opublikowanych pracach nieścisłości pojawiają się już na etapie podstawowych definicji, nawet definicji samej mikrobioty. Termin ten oznacza wszystkie mikroorganizmy, które zasiedlają dane środowisko (D’Argenio 2015, Szajewska 2018). Jeżeli tym środowiskiem jest organizm ludzki, mówimy o mikrobiocie człowieka (human microbiota, D’Argenio 2015), czyli o zbiorze mikroorganizmów, które zasiedlają zarówno wnętrze ciała ludzkiego, jak i jego powierzchnię.

Tabela 1.1.
Liczba publikacji na temat mikrobioty (ogólnie) oraz mikrobioty jelitowej, które ukazały się w poszczególnych latach 1950–2018 w bazie PubMed

LATA

LICZBA PUBLIKACJI W BAZIE PubMed

MICROBIOTA

GUT MICROBIOTA

1956–1960

2

0

1961–1970

20

0

1971–1980

60

3

1981–1990

158

10

1991–2000

394

39

2001–2010

3 620

1 249

2011–2018

36 408

18 830

Z terminem mikrobiota wiąże się pojęcie mikrobiomu, czyli zbioru genów mikroorganizmów tworzących mikrobiotę (Turnbaugh 2007, D’Argenio 2015). Autorem pojęcia mikrobiomu jest laureat Nagrody Nobla Joshua Lederberg. W jednej ze swoich prac użył tego terminu do oznaczenia wspólnoty komensalnych, symbiotycznych oraz patogennych mikroorganizmów żyjących na powierzchni ciała. Dodatkowo zaznaczył, że tak definiowany mikrobiom jest czymś, co może wskazywać na to, czy gospodarz jest zdrowy, czy też chory (Lederberg 2001).

Zaobserwowano, że czynniki osobnicze, środowiskowe oraz choroby mogą zmieniać mikrobiotę jelitową, a tym samym funkcjonowanie organizmu. Dlatego należy dokładnie określić, na czym polega zaburzenie mikrobioty – jakie konkretnie szczepy występują w mniejszych lub większych ilościach, ewentualnie, jaka rola mikrobioty jest zaburzona, z jakim objawem w obrębie danej choroby jest związana zidentyfikowana zmiana w mikrobiocie, a następnie zastosować taką interwencję, która tę konkretną zmianę w składzie lub funkcji mikrobioty będzie odwracała lub modulowała.
Jeśli weźmie się pod uwagę, że organizm człowieka:

- tworzy wiele układów, organów, komórek,
- jest wystawiany na działanie wielu czynników,
- ciągle się zmienia,

to czy skupianie się wyłącznie na składzie mikrobioty nie jest podejściem zbyt wąskim? Czy może zamiast na składzie mikrobioty należy skupić się na jej funkcjach? Celem działania na mikrobiotę powinno być przede wszystkim uzdrowienie narządu (np. jelit) lub organizmu jako całości, a rodzaj użytego szczepu ma tu drugorzędne znaczenie. Trzeba zmierzać do uzyskania równowagi między mikrobiotą a organizmem gospodarza. Zaburzenia relacji między organizmem gospodarza a jego mikrobiotą oraz między poszczególnymi składnikami mikrobioty (nie tylko bakteriami) określa się jako dysbioza.

Celem niniejszej pracy jest próba opisania aktualnego stanu wiedzy na temat mikrobioty przewodu pokarmowego. Zebrano dane dotyczące mikrobioty obecnej w poszczególnych fragmentach przewodu pokarmowego zarówno ludzi zdrowych, jak i chorych. Poza tym wymieniono i krótko scharakteryzowano metody modyfikacji mikrobioty, które uważa się za istotne dla dalszych badań. Przedmiotem opracowania nie jest określenie znaczenia poszczególnych mikroorganizmów. Natomiast dokładnie przeanalizowano, czy istnieje związek między zmianą w obrębie mikrobioty a organizmem gospodarza po podaniu żywego mikroorganizmu egzogennego i endogennego.2

Mikrobiota – charakterystyka ogólna

Skład ilościowy i jakościowy mikroorganizmów zasiedlających poszczególne części ciała człowieka jest różny. Wyróżnia się mikrobiotę: jelitową, skóry, oka, dróg oddechowych, układu moczowo-płciowego (D’Argenio 2015). Oznacza to, że danych dotyczących mikrobioty zamieszkującej jeden rejon ciała nie powinno się wykorzystywać w celu scharakteryzowania mikrobioty obecnej w innej części organizmu gospodarza. W tab. 2.1 przedstawiono skład mikrobioty zasiedlającej poszczególne części ciała człowieka. Dodatkowo w tab. 2.2 zamieszczono klasyfikację taksonomiczną bakterii, ułatwiającą systematykę bakterii pojawiających się w tej publikacji.

Tabela 2.1.
Skład mikrobioty człowieka w wybranych częściach ciała ludzkiego (D’Argenio 2015)

CZĘŚĆ CIAŁA CZŁOWIEKA

SKŁAD MIKROBIOTY

TYP

% WSZYSTKICH
MIKROORGANIZMÓW

LICZBA GATUNKÓW

Jama ustna

Firmicutes

Bacteroidetes

Proteobacteria

Actinobacteria

Fusobacteria

36,7

11,9

17,1

11,9

5,2

> 500

Skóra

Actinobacteria

Firmicutes

Proteobacteria

Bacteroidetes

52,0

24,4

16,5

6,3

ok. 300

Drogi oddechowe

Actinobacteria

Firmicutes

Proteobacteria

Bacteroidetes

55,0

15,0

8,0

3,0

> 500

Jelita

Firmicutes

Bacteroidetes

Actinobacteria

Proteobacteria

38,8

27,8

8,2

2,1

> 1000

Układ moczowo-płciowy

Firmicutes

Bacteroidetes

Actinobacteria

83,0

3,0

3,0

ok. 150

Tabela 2.2.
Taksonomia szczepów występujących w mikrobiocie jelitowej – przykłady (Rinninella 2019)

TYP

KLASA/ GROMADA

RZĄD

RODZINA

RODZAJ

GATUNEK

Actinobacteria

Actinobacteria

Actinomycetales

Corynebacteriaceae

Corynebacterium

Actinomycetaceae

Actinomyces

Micrococcaceae

Rothia

Bifidobacteriales

Bifidobacteriaceae

Bifidobacterium

Bifidobacterium longum

Bifidobacterium bifidum

Coriobacteriia

Coriobacteriales

Coriobacteriaceae

Atopobium

Slackia

Collinsella

Firmicutes

Clostridia

Clostridiales

Clostridiaceae

Faecalibacterium

Faecalibacterium prausnitzii

Anaerotruncus

Clostridium

Clostridium spp.

Anaerobacter

Lachnospiraceae

Roseburia

Roseburia intestinalis

Blautia

Blautia obeum

Pseudobutyrivibrio

Butyrivibrio

Dorea

Oscillospiraceae

Oscillibacter

Peptococcaceae

Desulfitispor

Firmicutes cd.

Clostridia

Clostridiales

Christensenellaceae

Christensenella

Peptostreptococcaceae

Peptostreptococcus

Eubacteriaceae

Eubacterium

Mogibacterium

Ruminococcaceae

Ruminococcus

Ruminococcus faecis

Oscillospira

Negativicutes

Veillonellales

Veillonellaceae

Dialister

Dialister invisus

Veillonella

Megamonas

Acidaminococcales

Acidaminococcaceae

Phascolarctobacterium

Bacilli

Lactobacillales

Lactobacillaceae

Lactobacillus

Lactobacillus reuteri

Enterococcaceae

Enterococcus

Enterococcus faecium

Bacillales

Staphylococcaceae

Staphylococcus

Staphylococcus leei

Bacteroidetes

Sphingobacteriia

Sphingobacteriales

Sphingobacteriaceae

Sphingobacterium

Bacteroidia

Bacteroidales

Bacteroidaceae

Bacteroides

Bacteroides fragilis

Bacteroides vulgatus

Bacteroides uniformis

Tannerellaceae

Tannerella

Parabacteroides

Parabacteroides distasonis

Rikenellaceae

Alistipes

Alistipes finegoldii

Porpyromonadaceae

Porphyromonas

Prevotellaceae

Prevotella

Prevotella spp.

Proteobacteria

Alfa-proteobacteria

Rhodospirillales

Rhodospirillaceae

Thalassospira

Beta-proteobacteria

Burkholderiales

Sutterellaceae

Sutterella

Oxalobacteraceae

Oxalobacter

Oxalobacter formigenes

Gamma-proteobacteria

Enterobacterales

Enterobacteriaceae

Escherichia

Escherichia coli

Raoultella

Shigella

Shigella flexneri

Pseudomonadales

Pseudomonadaceae

Pseudomonas

Delta-proteobacteria

Desulfovibrionales

Desulfovibrionaceae

Desulfovibrio

Desulfovibrio intestinalis

Bilophila

Bilophila wadsworthia

Epsilon-proteobacteria

Campylobacterales

Helicobacteraceae

Helicobacter

Helicobacter pylori

Fusobacteria

Fusobacteriia

Fusobacteriales

Fusobacteriaceae

Fusobacterium

Fusobacterium nucleatum

Cetobacterium

Verrucomicrobia

Verrucomicrobiae

Verrucomicrobiales

Akkermansiaceae

Akkermansia

Akkermansia muciniphila

Bakterie Firmicutes, Bacteroidetes i Actinobacteria są dominującymi typami bakterii w mikrobiotach występujących w różnych częściach organizmu, np. w jelitach, jamie ustnej, na skórze, w drogach oddechowych czy drogach rodnych (D’Argenio 2015). Poszczególne odcinki przewodu pokarmowego różnią się między sobą motoryką, warunkami (w tym pH), rodzajem wydzielanych enzymów trawiennych oraz immunoglobulin, wydzielaniem i wchłanianiem różnych substancji, w tym żółci. W świetle górnego odcinka przewodu pokarmowego (jama ustna, gardło, przełyk) brak jest mikrobioty. Wynika to z tego, że spożywany pokarm krótko pozostaje w tych częściach przewodu pokarmowego, dlatego drobnoustroje mikrobioty kolonizują głównie błony śluzowe jamy ustnej i przełyku. Bardzo bogata i różnorodna mikrobiota występuje na zębach, dziąsłach, języku oraz migdałkach. Niskie pH w żołądku determinuje skład jego mikrobioty, a populacja drobnoustrojów jest nieliczna i mniej różnorodna w porównaniu z drobnoustrojami jelit. Warunki panujące w dwunastnicy oraz początkowym odcinku jelita cienkiego (niskie pH, szybki pasaż oraz obecność dużej ilości kwasów żółciowych) również nie sprzyjają wzrostowi mikrobioty. Wolniejszy pasaż treści pokarmowej w dalszych odcinkach przewodu pokarmowego umożliwia kolonizację bakteryjną zarówno błony śluzowej, jak też światła jelit. Liczba i zróżnicowanie bakterii zwiększają się od przełyku przez żołądek do jelit i osiągają niewyobrażalne zagęszczenie do 100 miliardów bakterii w 1 gramie treści w końcowym odcinku jelit (Panansiuk 2018). Czyni to jelita jednym z najgęściej skolonizowanych przez mikroorganizmy ekosystemów na świecie (Marteau 2017).