Lidský mikrobiom/ Lidská mikrobiota Martin Krsek Ústav ochrany a podpory zdraví Lékařské fakulta MU Brno Jaká je hlavní úloha mikrobů na Zemi? - degradace - fotosyntéza - koloběh živin - interakce s rostlinami a živočichy - udržovat život na Zemi Mikrobi a naše tělo -počet mikrobů/g homogenizované tkáně -počet mikrobů/cm2 povrchu kůže Kůže – 1012, ústa – 1010, zažívací trakt - 1014 Kolik buněk má naše tělo? Kolik buněk má naše tělo? 5 miliard (109) – 200 miliónů triliónů (1018) ? Průměrná váha - 70 triliónů buněk (1012) Průměrný objem – 15 triliónů buněk (1012) Snad tedy 37.2 triliónů buněk (1012) ? Co tedy vlastně jsme?! Celkový poměr lidských a bakteriálních buněk je 1 : 1-10 Převládající bakteriální druhy na různých částech těla dospělého člověka Kůže a sliznice každého člověka jsou brzy po narození kolonizovány rozmanitou mikroflórou. Lidské tělo, které obsahuje kolem 1013 buněk, běžně hostí kolem 1014 buněk bakterií. Tyto bakterie tvoří normální mikroflóru těla. Normal Flora - Medical Microbiology - NCBI Bookshelf https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK7617/ Význam normální mikrobioty Normální flóra ovlivňuje anatomii, fyziologii, citlivost k patogenům a morbiditu hostitele. Normální mikrobiota je relativně stabilní, určité rody osídlují různé oblasti těla během určitých období života člověka. Tři vývojové změny u lidí: odstavení, prořezávání zubů, počátek a konec funkce vaječníků Ačkoliv většina představitelů mikrobioty osidlující kůži, nehty, oči, orofarynx, genitálie a gastrointestinální trakt je u zdravých jedinců neškodná, u imunokompromitovaných hostitelů mohou často způsobit nemoci. Germ-free (axenická) zvířata (intestinal atonia) -alimentární lamina propria nevyvinutá, málo nebo žádný immunoglobulin v séru nebo sekretech, redukovaná intestinální motilita, intenzita obnovy intestinálních epitelových buněk zhruba poloviční ve srovnání s normálními zvířaty - žijí déle, ale Zvířata ošetřená streptomycínem po infekci streptomycin-rezistentní bakterií Salmonella: -106 buněk x méně než 10 k ustanovení gastrointestinální infekce -fermentační produkty (acetic and butyric acids) produkované normální mikroflorou inhibují růst bakterií Salmonella Význam normální mikrobioty Thus a single E. coli cell, which divides approximately every 30 minutes, can grow into a colony containing 10^7 – 10^8 cells in 12 hours (2^24 = 1.7 × 10^7). - dospělý člověk – 2 m2 kůže - neustálý kontakt s vnějším prostředím -různé oblasti kůže = geografické oblasti Země -pouště předloktí, studené lesy vlasů, tropické lesy podpaží - - mastné, upocené (hlava, krk, trup) – produkce kožního mazu Propionbacterium - vlhké oblasti – Corynebacterium - suché oblasti (největší diverzita) – Staphylococcus -velké rozdíly v mikroflóře – význam pro obranu - různé mikrobiální komunity i v různých vrstvách kůže Mikrobiota kůže Mikrobiota kůže - většina bakterií se soustřeďuje do potních žláz - G+ koky - Staphylococcus epidermidis sekrece antimikrobiálních látek - obrana ale i život ohrožující infekce v nemocnicích - katetry a chirurgické zákroky - Micrococcus sp. - corynebacteria – např. Propionibacterium acnes – nepatogenní (?) z lipidů na kůži dělá SCFA – opět obrana – ale dostane-li se do vlasového folikulu, pórů nebo kožních žláz, může způsobit zánět nebo akné - i mikromycety – Malassezia nejvíc hub na nohách Mikrobiota kůže a imunita P. acnes – kmeny na zdravé kůži produkují mají geny pro thiopeptidy inhibující G+ druhy (v kultuře inhibují Staphylococcus epidermis) P. acnes způsobující akné je neprodukují S. epidermis – sekrece lipoteichoové kyseliny – prevence uvolnění zánětlivých cytokinů z buněk kůže Přidání S.epidermis na kůži sterilních myší podpořilo imunitu (T-buňky) Různí mikrobi ovlivňují rozdílné části imunitního systému Někteří mikrobi produkují antimikrobiální látky, jiní naopak indukují uvolňování cytokinů spojených s nemocemi Kožní probiotika? Návrat k „přirozenému“ stavu? Thiopeptides (thiazolyl peptides) are a class of peptide antibiotics produced by bacteria. They have antibiotic activity against Gram-positive bacteria, but little or no activity against Gram-negative bacteria.^[1] Many of the members of this class show activity against methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) and are therefore subjects of research interest. Cytokin (podobný termín interleukin) je označení pro skupinu menších signálních proteinů, účastnících se významně v imunitní odpovědi. Cytokiny jsou produkovány buňkami imunitního systému (makrofágy, T-lymfocyty, atp.) a jsou schopné navodit například rychlé dělení a diferenciaci určitých typů buněk, které se účastní boje proti patogenům, případně další rysy imunitní obrany.^[1] V určitém slova smyslu cytokiny nemusí být produkovány pouze bílými krvinkami a význam slova se rozšiřuje na všechny malé signální proteiny; termín interleukin se v tom případě používá pro signální molekuly vylučované bílými krvinkami.^[2] Historicky: -malé počty Staphylococcus epidermidis a určité koryneformní bakterie (Propionibacterium acnes) -mrkání stírá spojivky -lakrimální sekrece (slzy) - bactericidní látky včetně lysozymu -Neisseria gonorrhoeae a Chlamydia trachomatis zřejmě schopné specifické vazby na epitel spojivek (Ophthalmo-Septonex, AgNO3) Dnes: - bohatá mikrobiota včetně virů Spojivka i rohovka –cca 12 mírně odlišných bakteriálních rodů Třetinu z nich nelze klasifikovat/přiřadit Normální mikrobiota oka horní cesty dýchací (nasopharynx), především nares (nosní dírky) silně kolonizované - Staphylococcus epidermidis a corynebacteria - 20% populace - Staphylococcus aureus (MRSA) - zdravé dutiny sterilní - pharynx - streptococci a různé Gram-negativní cocci; někdy i pathogeni (Streptococcus pneumoniae, Streptococcus pyogenes, Haemophilus influenzae and Neisseria meningitidis) dolní cesty dýchací (trachea, bronchi a plicní tkáň) téměř bez mikrobů - o 3 řády méně než v ústech a 6-9 řádů než v zažív. traktu (surfaktanty) -čistící efekt řasinkového epitelu, činnost makrofágů, kašlání, kýchání -ostrůvky mikrobů – Streptococcus, Prevotella, Veillonella -poškozený epitel - H. influenzae nebo S. pneumoniae sestupující z nasopharynxu Normální mikrobiota respiračního traktu Moč - sterilní, mikroorganismy mají problém se sem dostat a udržet se zde anterior urethra - Staphylococcus epidermidis, Enterococcus faecalis, alpha-hemolytic streptococci, některé enterické bacteria (e.g. E. coli, Proteus) a corynebacteria (kontaminanty) Normální mikrobiota urogenitálního traktu Normální mikrobiota urogenitálního traktu vagina - různý mikrobiom v závislosti na rase, věku -velice individuální -kolonizována po porodu - corynebacteria, staphylococci, streptococci, E. coli, a bakterie mléčného kvašení – „Doderlein's bacillus" (Lactobacillus acidophilus). Během reprodukčního života vaginální epitel obsahuje glycogen. Převládá zde „Doderlein's Bacillus“, který je schopen ho metabolizovat na kyselinu mléčnou – ta spolu s dalšími produkty metabolismu inhibuje kolonizaci jinými bakteriemi a reguluje množství bakterií mléčného kvašení; výsledné nízké pH vaginálního epitelu zabraňuje ustanovení se jiných bakterií stejně jako potenciálně patogenních kvasinek Candida albicans. Normální mikrobiota urogenitálního traktu vagina -u většina žen dominuje jeden ze 4 kmenů Lactobacillus -někdy ale dominují jiné anaerobní bakterie – ale i ty produkují kyselinu mléčnou -dominance Lactobacillus -80% asijských žen a 90% bílých (pH 4,4 a 4,2) -60% hispánských a černých (pH 5,0 a 4,7) - -možné spojení i s předčasným porodem -v průměru 10% předčasných porodů -v oblasti dominované černým a hispánským obyvatelstvem jde o 20% - rychlé změny mikrobiomu (i 24 hodin) Mateřský mikrobiom -vagina – Lactobacillus -novorozenec – Actinobacteria, Proteobacteria, Bacteroides -placenta po porodu - E.coli, Bacteroides, Prevotella tannerae, Neisseria lactamica – druhové složení nejpodobnější dutině ústní - metabolické dráhy – metabolismus kofaktorů a vitamínů -mateřské mléko – mikrobiální polévka -Streptococcus spp., Staphylococcus spp., Serratia spp., Corynebacterium spp. -ale silně individuální -matka předává mikroby z prostředí dítěti – tréning imunitního systému -během těhotenství a kojení se mění mateřský mikrobiom – význam i pro zdraví matky Mateřský mikrobiom Mastitidy – vymizení Lactobacillus, dominance jednoho kmene patogenní bakterie Přidání laktobacilu do potravy – táž bakterie se ukázala v mléku Po třitýdenní kůře vymizení problémů – lepší než antibiotika? Prsa i u nekojící ženy mají vlastní mikroflóru – význam pro rakovinu? Normální mikrobiota ústní dutiny -1676 – Anthonie van Leewenhoek – „animacules“ - 1890 – W.D.Miller – The microorganisms of the Human Mouth -2016 – Jakubovics – struktura dentálního plaku - - Expanded Human Oral Microbiome Database (eHOMD) -November 22, 2017 -772 prokaryotic species (70% kultivovatelných) -16S rDNA – 6 kmenů: Firmicutes, Actinobacteria, Proteobacteria, Fusobacteria, Bacteroidetes a Spirochaetes = 96% - - Mikrobiota ústní dutiny -společný vývoj s námi po milióny let -využití ohně, zemědělství, zpracované potraviny (cukr), antimikrobiální terapie -závislé na věku: -po narození - Streptococcus salivarius (98%) -prořezávání zubů S. mutans (lactic acid) a S. sanguis -Bacteroides a Spirochetes kolem puberty Normální mikrobiota ústní dutiny Tři habitaty -sliznice tváří, dásně, tvrdé patro – Firmicutes, Streptococcus sp. -hrdlo, mandle, hřbet jazyka, sliny – Veillonella spp., Neisseria spp., Leptotrichia spp. -dentální plak – Capnocytophaga spp., Actinomyces spp., Rothia spp. a Corynebacterium spp. Ústa – teplo, vlhko, živiny – sliny, crevikulární tekutina dásní - proteiny, glykoproteiny - immunoglobulin A, lactoferin, lactoperoxidase, lysozyme, statherin, histatin - výsledkem je vyvážená mikrobiota - tyto látky spolu s ostatními (i mikrobiální) vytváří film umožňující mikrobům jejich uchycení a zároveň chrání zuby proti ataku kyselin biofilm Tvorba biofilmu - obecně Normální mikrobiota ústní dutiny tvorba zubního plaku -nejprve fyzikální proces – pokrytí povrchů filmem z rozpuštěných látek -poté (minuty) – reverzibilní přichycení bakterií – ireverzibilní -orální bakterie – různé adheziny – interakce s molekulami a receptory na ostatních bakteriích -Streptococcus spp., Actinomycetes spp., Veillonella spp., Porphyromonas spp., Fusobacterium spp., Spirochetes spp., Candida spp. Normální mikrobiota ústní dutiny Biofilm -koadheze pozdějších kolonizátorů na již přichycené předešlé -zvýšená diverzita a biomasa biofilmu -význam bakteriálních polymerů (glukany, fruktany, heteropolymery) -matrix – živiny, voda, enzymy -gradient – pH, O2, živiny -regulace exprese genů – odlišná od stejných planktonických mikrobů -usnadněný horizontální transfer genů -quorum sensing peptidy zvýšily frekvenci transformace u S. mutans 10-600x - zvýšená rezistence k antimikrobiálním látkám Normální mikrobiota ústní dutiny Viry -patogenní – příušnice, vzteklina, hepatitida, HIV, respirační infekce -většina ale bakteriofágy – lytické, lyzogenní - ……. - Houby -detekováno 85 rodů -Candida spp., Cladosporium spp., Aureobasidium spp., Fusarium spp., Saccharomycetales spp., Aspergillus spp. a Cryptococcus spp. -C. albicans – její přítomnost umožní růst anaerobů v aerobních podm. - Archea -minoritní součást -metanogeni – zvláště u osob s periodontitídou Normální mikrobiota ústní dutiny Bakterie -objev ultramalých bakterií (nejen ústní dutina) -redukovaný genom, absence mnoha biosyntetických a metabolických drah včetně elektronového transportního řetězce - obligátní symbionti? Normální mikrobiota ústní dutiny Dentální plak -bakterie žijící vedle sebe využívají různé živiny, produkují různé látky: synergismus, indukce odezvy v cílových buňkách a kompetice -stejná látka – různá funkce – dle situace, koncentrace -H2O2 – inhibice, ale v subletálních koncentracích signální funkce -podobně organické kyseliny, bakteriociny – antagonismus, synergismus - bakteriociny – kompetence buněk, uvolnění DNA Úloha normální mikrobioty ústní dutiny -pouhá přítomnost inhibuje kolonizaci potenciálními patogeny GIT -metabolismus nitrátů a kardiovaskulární nemoci -¼ přijatých nitrátů se vrátí do dutiny ústní (sliny…) -mikrobiota přemění nitráty na nitrity – ty do krve a přeměna na NO -NO – zásadní pro zdraví cév – pružnost, ohebnost – snížení tlaku -ale i erekce, uvolnění svalstva v trávicí soustavě – posun potravy -použití antibakteriální ústní vody výrazně snížilo příjem nitritů, zrušilo účinek nitritů na snižování krevního tlaku -ale i souvislost se systemickými chorobami: -metastatic infections of heart, brain, spleen, pancreas, liver, and bone, artherosclerosis, cardiovascular diseases, stroke, respiratory diseases, meningitis, pneumonia, diabetes Úloha normální mikrobioty ústní dutiny Negativní účinky mikrobioty v dutině ústní -zubní kaz, gingivitida, periodontitis -UK – 46% 15tiletých dětí – kazy v trvalých zubech -45% dospělých - perionditida Zubní kaz – rozpuštění struktury zubů kyselinami z cukrů, snížení pufrovací kapacity slin a tím pH v ústech – změna ústní mikrobioty ve prospěch acidofilních druhů – Streptococcus mutans a laktobacily – další produkce kyselin – Bifidobacterium spp., Propionibacterium spp., Scardovia spp. Jiné bakterie naopak zvyšují pH (močovina, arginin – amoniak) Stejní obligátní anaerobi jsou obohaceni i v zánětlivých a nádorových tkáních Úloha normální mikrobioty ústní dutiny Gingivitida -90% dospělých -dentální plak – primární kolonizátoři – G+ aerobové a fak. anaerobové (streptokoci a Actinomyces spp.) -zralý (mature) plak – G- anaerobové – Fusobacterium spp., Treponema spp., Synergistetes spp. -pravidelné čištění zubů – plak „nedozraje“ -zanedbaná hygiena – endotoxiny a jiné enzymy do dásní – dráždění a záněty – ztráta spojení dásně a zubu – periodontální kapsa – kolonizace anaeroby – reakce hostitele (tvorba proteáz) ještě zhorší situaci – uvolnění zubů - Porphyromonas gingivalis, Treponema denticola, Tannerella forsythia, Anaeroglobus geminatus, Eubacterium saphenum, Filifactor alocis, Porphyromonas endodontalis, Prevotella denticola a další Úloha normální mikrobioty ústní dutiny Zdravá ústa – většina bakterií v symbióze s hostitelem Nemoc – zvýšený výskyt kariogenních a periodontopatických bakterií - narušení rovnováhy – dysbiotický stav Zubní plak a dentální nemoci Zubní plak a dentální nemoci Nespecifická plaková hypotéza (19. st.) – dentální infekce způsobeny nespecifickým nárustem všech bakterií – odstranit maximum Specifická plaková hypotéza – nemoci způsobené pár druhy, jejich odstranění vyřeší problém Ekologická plaková hypotéza (1980) – výrazné změny v prostředí plaku změní vztahy mezi bakteriemi – obohacení některých druhů. Prevence nemoci nejen inhibicí patogenů, ale i změnou podmínek prostředí. Zubní náhrady – více aerobů, kvasinek a laktobacilů Na náhradě – Candida albicans Pod náhradou – kyselejší prostředí, méně slin – opět C. albicans - Zubní kazy - vakcinace, geneticky modifikovaný S. mutans -ALE – S. mutants může být nahrazen jinými bakteriemi- S. pneumoniae - -benefity mikrobů - vitamíny, indukce nízké hladiny protilátek, antagonismus proti nepůvodním druhům (mastné kys., peroxidy, bacteriociny) -zároveň ale i nemoci: abscesy, zubní kazy, gingivitis, periodontální nemoci, ale i abscesy alveolarních kostí, plic, mozku, končetin (Bacteroides melaninogenicus) Normální mikrobiota ústní dutiny Mikrobiota ústní dutiny a čištění zubů -čištění zubů už několik tisíc let před Kristem -ale pravidelné používání kartáčku a pasty až po 2. světové válce -reklamy – sterilní dutina ústní?! - - -různé techniky čištění zubů -manuální x elektrický kartáček -výběr pasty Normální mikrobiota gastrointestinálního traktu -porod - bakterie vstupují s první potravou – záleží tedy na ní: -kojené děti - bifidobacteria (90%), Enterobacteriaceae a enterococci -umělá výživa - bifidobacteria nepřevládají -přechod na kravské mléko nebo pevnou stravu - bifidobakterie plus enterické bakterie, bacteroides, enterococci, lactobacilli a clostridia -lidské mléko - růstový faktor podporující růst bifidobakterií -bifidobakterie brání kolonizaci nepůvodními nebo patogenními druhy -důkazy „tissue tropism“ a specifické adherence - -gram-pozitivní bakterie - polysacharidy kapsulí nebo teichoové kyseliny buněčné stěny se váží na specifické receptory buněk epitelu - gram-negativní bakterie - specifické fimbrie se váží na glycoproteiny povrchu buněk epitelu Normální mikrobiota gastrointestinálního traktu normalflorapylori.gif -tenké střevo – vysoká průtoková rychlost - lactobacilli a Enterococcus faecalis - 105 - 107 -vzdálenější části (108/ml) – další druhy - E. coli a příbuzné bakterie plus Bacteroides -trávení - převážně lidské enzymy, mikrobi – možná kompetice o esenciální živiny - -tlusté střevo (colon) – mikrobi jako v exkrementech - 1011/ml – 1013 -bakterie – kolem 35-50% obsahu tlustého střeva – více jak 1 kg -koliformní, enterokoci, klostridia a laktobacilli -predominantní anaerobní Bacteroides a anaerobní bakterie mléčného kvašení Bifidobacterium spp. (Bifidobacterium bifidum) - významné množství anaerobních methanogenů Normální mikrobiota gastrointestinálního traktu – pokr. Normální mikrobiota gastrointestinálního traktu – pokr. Úloha bakterií v GI traktu -produkce vitamínů -přispívají k výživě a trávení (polysacharidy – acetate, butyrate a propionate – zdroj uhlíku a energie pro buňky sliznice tl. střeva) -ochrana proti infekci cizorodými mikroby -stimulace vývoje a aktivity imunologických tkání - -produkce karcinogenních metabolitů (colon cancer) -změny ve složení GI flory (špatná výživa, antibiotika) -posun populací a kolonizace cizorodými bakteriemi -gastrointestinalní nemoci normalfloracolon.jpg Viry a náš mikrobiom -většina známých virů jsou patogeni – jen tak jsme se o nich dozvěděli -ale mnoho virů nás infikuje bez příznaků nemoci -molekulární metody – mnoho dalších virů objeveno -původně 2 humánní polyomaviry – dnes 13 – infikují nás během dětství a pak čekají -Kochovy postuláty – problém u virů -většina virů není ani zcela patogenní ani neškodná – dle situace - Benefity virů -infekce v dětství stimuluje vývoj imunitního systému – ochrana proti pozdější infekci a přehnané reakci – alergie -komensální vir může poskytnout ochranu proti patogennímu viru -pegivirus C (příbuzný hepatitídě C, Zika viru, horečka dengue) zmírňuje důsledky HIV – ¾ miliardy lidí je infikováno -viry preferují rychle se dělící buňky – rakovinné – spontánní regrese - -kolem 8% našeho genomu jsou retrovirální DNA sekvence -některé jejich funkce jsou esenciální pro přežití hostitele a jeho vývoj Viry a náš mikrobiom Mykobiom -2015 – jen 269 z 6000 výsledků pro mikrobiom zmiňovalo houby -mykobiom – jen 55 výsledků - -orální mykobiom u HIV pacientů -výraznější příznaky hepatitídy B korelují s množstvím druhů Candida spp. a Saccharomyces spp. -nadměrná přítomnost Candida tropicalis zhoršuje příznaky inflamatory bowel disease -nenarušená mikrobiální komunita – houby neškodné, nebo i prospěšné -po narušení – možné problémy Mykobiom -dutina ústní – nejen Candida spp. a Saccharomyces spp. -20 dobrovolníků – 101 druhů hub, každý měl 9-23 druhů -Cladosporium spp. (astma), Aureobasidium spp. (transplantace), Aspergillus spp. (devastující infekce), Fusarium spp. (obtížné infekce), Cryptococcus spp. (meningitida u HIV) -jinde na těle Malassezia spp. – kožní nemoci -plíce – Aspergillus spp. u zdravých lidí, Candida spp. u nemocných (cystická fibróza, kardiovaskulární nemoci,…) -inflamatory bowel disease – jiný mykobiom než u zdravých lidí -obezita – více zástupců Ascomycota, celkově ale snížená diverzita -Mucor spp. – u štíhlých lidí (korelace s obezitou) Máme všichni stejné mikroby ? -rozdíly: zažívací trakt, vagina (druhová i metabolická rozmanitost) - -podobnost: mikroflóra úst a kůže – změny v čase, ale méně variabilní u různých jedinců -plod v děloze není sterilní -mikroflóra vaginy se mění během těhotenství (80% Lactobacillus sp.) -novorozenec – Actinobacteria, Proteobacteria, Bacteroides -mikrobiom placenty- nepatogenní komensální microbiota kmene Firmicutes, Tenericutes, Proteobacteria, Bacteroidetes a Fusobacteria (E.coli, Prevotella tannerae, Neisseria lactamica) – podobné ústní mikroflóře -další kolonizace během porodu, poté při kojení (mléko není sterilní), z kůže matky -mléko: Streptococcus spp., Staphylococcus spp., Serratia spp., Corynebacterium spp. - záleží na prostředí matky (příprava…) -také zkoumání prostředí – vše ústy -kolem druhého roku života je dosaženo určité rovnováhy Ustanovení lidského mikrobiomu - zahájen 2008 – pětiletý projekt - rozpočet $115 million -(Human Genome Project – zahájen 1990, dokončen 2003) -vzorky flóry ústní dutiny, kůže, vagíny, zažívacího traktu a dýchací soustavy 300 zdravých jedinců - -význam změn lidského mikrobiomu pro zdraví a nemoc -ALE – co bylo první?!?!?!?! -zahájeno mnoho dalších (specializovaných) studií mikrobiomu: -American Gut Project, MetaHIT, MyMicrobes, Human Longevity, Earth Microbiome project, Human Food Project -dramatické rozdíly mezi jedinci co se týká druhového složení -ALE posuzováno podle funkce - velmi podobné -mikrobiom každého jedince je v čase celkem stabilní -hlavní problém v interpretaci výsledků – veřejné databáze Human Microbiome Project https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0a/Skin_Microbiome20169-300.jpg Význam lidského mikrobiomu -do r. 2015 – publikováno kolem 19 000 článků (5,000 v r. 2015) -většina ale popisných – identifikace -zůstává otázkou jejich role ? -jak spolupracují mezi sebou a s lidským hostitelem? -lidský mikrobiom: také viry, archaea, houby, jednobuněčná eukaryota... -lidský genom -20 000-25 000 protein kódujících genů -lidský mikrobiogenom - 2-20 miliónů protein kódujících genů -všichni mikrobi kontinuálně vylučují (excrete/secrete) malé a velké molekuly a částice obsahující RNA, DNA, proteiny - komunikace se sousedy a hostitelem – mnoho z těchto molekul a částic může proniknout stěnou zažívacího traktu do krevního oběhu -metagenom mikrobiomu – rychlejší změny než lidský genome -rychlá odezva -mikrobiom = sofistikovaný orgán (nebo soubor orgánů) Význam lidského mikrobiomu -narušení mikrobiomu spojováno s mnoha nemocemi: -inflamatory bowel disease (ulcerative colitis and Crohn's disease), diabetes, obezita -mikrobi ovlivňují signální cesty které se účastní komunikace mezi zažívacím traktem a mozkem (nervové, endokrinní a imunitní signály) -ale napřed MUSÍME POZNAT mikrobiom, teprve pak můžeme pomýšlet na cílenou manipulaci Manipulace lidského mikrobiomu -Clostridium difficile - faecal transplant (stool bank - OpenBiome) - -4. století – čínská lékařská literatura – fekální transplant při otravách z potravy a silných průjmech -beduíni – velbloudí trus při bakteriální dysentérii Prebiotika -komplexní uhlovodíky – zkoumána celulóza, hemicelulóza, lignin, pektin, oligosacharidy – odolávají kyselinám v žaludku, hydrolýze lidskými enzymy – dostanou se až do tlustého střeva – substrát pro fermentaci mikroby -podobně oligosacharidy z mléka (kojení), proteiny, AK, určité lipidy -trávení v tlustém střevě komplexní proces nutričních interakcí mezi různými bakteriálními druhy -např. komplexní polysacharidy fermentovány rody Bacteroides, Bifidobacterium, Clostridium,… -glykolytické bakterie (Lactobacillus, Escherichia, Enterococcus) rostou na jednodušších cukrech -jednoduché mastné kyseliny (SCFAs) – hlavní produkt fermentace -butyrát – primární zdroj energie pro buňky epitelu střeva -propionát – syntéza cholesterolu v játrech -acetát – hepatická lipogenese a ATP ve svalech Prebiotika – pokr. - někdy jen inulin, frukto- a galaktooligosacharidy a laktulóza považovány za prebiotika -na druhé straně někdy i ne-karbohydrátové sloučeniny -polyfenoly, minerály, vitamíny – modulují mikrobiota -např. resveratrol (červené víno) – více Bacteroides, Bifidobacterium -95% polyfenolů dorazí do tlustého střeva -Ca doplňky - modulují mikrobiota u obézních myší -riboflavin, cystein – nové prebiotikum? -striktně anaerobní bakterie (Faecalibacterium prausnitzii, Roseburia) může ochránit proti kyslíku – zvl. v mukózní vrstvě sliznice (kyslík z krve) - Steinert 2016 Pokusy s riboflaminem -zvýšil výskyt F. prausnitzii -produkce protizánětlivých peptidů -IBD charakterizovány nízkými počty F. prausnitzii -tlusté střevo tedy nejen absorpce vody, minerálů a zpracování nestrávené potravy -mikrobiom ovlivňuje fyziologii hostitele, … Prebiotika – pokr. Mikrobiom a obezita - 2014 – 1,9 mld lidí s nadváhou, z toho 600 mil obézních -od r. 1980 se počet obézních zdvojnásobil (WHO) -od počátku tohoto století je mikrobiom zažívacího traktu (gut microbiota – GM) považován za významný faktor patogeneze metabolických nemocí a obezity (metabolické dráhy, jejich vliv na imunitní systém a odezvy na impulzy z prostředí – strava,….) -GM se významně podílí na trávení a absorpci živin i na celkové energetické bilanci -složení GM ovlivňováno dietou, životním stylem a prostředím -20% nárůst Firmicutes a tomu odpovídající pokles Bacteroides se odrazí ve zvýšeném příjmu energie a indukuje obezitu Mikrobiom a obezita -GM obézních jedinců vykazuje zvláštní metabolismus uhlovodíků a tuků -GM je schopen trávit lidskými enzymy nestravitelné polysacharidy -výsledkem je energie, SCFAs – ty zase ovlivňují metabolismus glukózy, cholesterolu a tuků v různých tkáních -západní dieta (moc tuků) redukuje Bacteroides a zvyšuje Firmicutes -Prevotellaceae (produkce H) a archea hojné u obézních jedinců -transfer H mezi bakteriemi a archeemi může zvýšit příjem energie v GIT (Methanobrevibacter smithii) -GM aktivuji žlučové kyseliny a zúčastní se jejich regulace a metabol. -žlučové kyseliny pomáhají absorpci lipidů Mikrobiom a obezita -cca 40% genů GM je společných pro všechny jedince -udržování energetické homeostáze vyžaduje přísnou regulaci množství zkonzumované a přijaté energie -obezita spojena se změnou stylu života, potravou bohatou na kalorie, ale i změnou GM -germ-free myši nevykazují obezitu spojenou s dietou bohatou na tuky - intestinální SCFAs redukovány, kalorie ztráceny močí a výkaly -jde tedy i o účinnost využití energie ze zkonzumované potravy -konjugovaná linolenová kyselina zrychluje metabolismus myší -L. rhamnosus ji produkuje a pomáhá udržet váhu myší na dietě s vysokým podílem tuků - podobně působí E. coli, naopak (zvýšení váhy) Lbc. reuteri Mikrobiom a obezita -obezita je spojována i se zvýšeným rizikem rakoviny – děloha, prsu, děložní čípek, vaječníků, tlustého střeva, konečníku, jícen, ledvin, slinivky, prostaty, hematologické problémy -zvýšená mortalita pacientů trpících rakovinou -význam prevence obezity/rakoviny -bakterie u gravidních myší v mezenterické lymfě – do plodu? -význam způsobu porodu -vaginální porod – mikroflóra zažívacího traktu – Lactobacillus, Prevotella, Sneathia -císařský řez – Staphylococcus, Corynebacterium, Propionbacterium – kožní mikroflóra -význam výživy -kojené děti – dominance Bacteroidetes -umělá výživa – dominance Firmicutes, Verrucomicrobia Mikrobiom a obezita -výskyt obezity koresponduje „výskytu“ polotovarů -negativní dopad konzervačních prostředků a emulgátorů - prebiotika - podpora růstu prospěšných bakterií -zpomalení ukládání tuků indukcí produkce SCFAs -modifikují produkci hormonů ovlivňujících apetit -modifikují produkci enzymů ovlivňujících lipogenezi -mohou snížit ukládání tuků dekonjugací žlučových kyselin, které jsou méně účinné v absorpci tuků z potravy -antibiotická eradikace Helicobacter pylori – zvýšení obezity Mikrobiom a obezita Obezita je pravděpodobně spojena s: -zvýšeným výskytem bakterií kmene Firmicutes, Actinobacteria -sníženou četností kmene Bacteroidetes, Verrucomicrobia a bakterie Faecalibacterium prausnitzii -prokázán přenos obezity fekální transplantací při léčbě C. difficile -obézní jedinci měli bohatou mikroflóru (snížená metabol. aktivita) Mikrobiom a mikrobi v potravinách -mikrobi v potravinách – možnosti: -potrava a mikrobi v ní nezpůsobí žádné výrazné změny -potrava je probiotická - ... -potrava obsahuje patogeny – dysbióza -vývoj mikrobiomu ovlivněn způsobem porodu, výživou, genetikou -transfer mikrobů z matky na dítě kojením (Bacteroides, Bifidobacterium) -komenzálové (Bifidobacterium) – prevence kolonizace patogeny – - Listeria, Campylobacter,… -po čase se tento ekologický systém stane sekundárním imunitním systémem -se snížením diverzity mikrobiální komunita se sníží i stabilita systému – systém je citlivější k invazivním druhům (patogeni) - snížení diverzity spojeno se „západní dietou“ Mikrobiom a mikrobi v potravinách -probiotické organismy stejně četné jako patogenní -vyvinuly se spolu s člověkem v mnoha potravinách -jejich pozitivní vliv -sekundární metabolity stimulující rozvoj jiných užitečných organismů – kompetice s patogeny - Mikrobiom a mikrobi v potravinách Bifidobacterium spp. -významná komensální LAB -3-6% mikroflóry dospělého člověka – později snižování -přítomnost této bakterie a dalších LAB zabraňuje infekci Clostridium spp. -stimuluje imunitní buňky hostitele -zabraňuje negativním karcinogenním škodám na DNA -zabraňuje a léčí akutní průjmy u dětí -léčí intoleranci laktózy Mikrobiom a mikrobi v potravinách Campylobacter spp. - C. jejuni – G- - průjmy, gastroenteritidy -kontaminant drůbeže a migrujících ptáků -nepasterizované mléko, hovězí dobytek, vepřové (párky), voda - Clostridium spp. - G+ sporogenní, toxigenní bakterie -drůbež, hovězí i vepřové maso, konzervované potraviny -C. perfringens – kontaminuje dobytek i maso -ze vzorku 50 zdravých zvířat bylo 76% hovězího dobytku, 44% prasat a 80% kuřat kontaminováno – značná část dokonce enterotoxin produkujícími kmeny - vzorky masa dopadly ještě hůř (kolem 90%) -enterotoxiny jsou vážný problém clostridiové kontaminace Mikrobiom a mikrobi v potravinách Escherichia spp. -žádoucí mikrob, ale někdy také patogen -změna z přítele na patogena – horizontální transfer genů -diarrheagenické kmeny – enteropatogenní, enterotoxigenní, enteroinvazivní, enterohemorhagický, enteroagresivní a difůzně adherentní -extraintestinální kmeny – uropatogenní kmeny a kmeny způsobující neonatální meningitídu -v rozvinutých zemích závažné jen enteroinvazivní a enterohemorhagické kmeny -O157:H7 – přežije v mnoha hostitelích i prostředích – pH2, desikace -LAB a Enterococcus faecalis – snížili cfu ve výkalech zvířat o 2-4 řády Mikrobiom a mikrobi v potravinách Listeria spp. -L. monocytogenes – G+ tyčka fakultativně anaerobní -gastroenteritidy u zdravých jedinců, meningitidy u imonokompr., potraty -mortalita – 20-30% -nachází se a přežívá v mnoha prostředích – rezistentní biofilm -dá se omezit pomocí LAB, kvasinek a dalších bakterií (změna pH, antimikrobiální enzymy, kompetice, bakteriociny) Staphylococcus -G-, f. anaerobní, MRSA – 1961 -enterotoxiny – otravy potravou – nemoc během 2-8 hodin Mikrobiom a mikrobi v potravinách LAB – bakterie mléčného kvašení - Firmicutes -ústa, vagina, zažívací trakt, mukózní povrchy -také běžně v prostředí - rozšíření pomohl i člověk – domestikace zvířat -kromě kys. mléčné i řada sekundárních (antimikrob.) metabolitů -bakteriociny, antimikrobiální org. kyseliny -zabraňují kolonizaci patogeny -přirozené konzervanty -inhibice S. enteritidis (i kompeticí o laktulózu a Ca) - v mléč. výr. -přítomné i v mateřském mléce – i imunokompetentní buňky - Mikrobiom a individuální dieta -s potravou patogeni, toxiny (grilování, rezidua herbicidů,…) -modifikace mikrobiomem - degradace, nebo také ne… - -potrava s vysokým podílem saturovaných tuků, mléčných produktů -mikrobi produkující H2S – záněty, poškození DNA buněk epitelu - vegetariánská strava – produkce SCFAs - -maso – esenciální mikroživiny, AK, proteiny -ale možná kontaminace nežádoucími mikroby (stažení z prodeje) -rychlá kontaminace – Campylobacter jejuni, Salmonella spp., E.coli, Listeria spp. - prevence - LAB - Mikrobiom a individuální dieta Vegetariáni -větší zastoupení rodů Bacteroides, Prevotella -kromě vlákniny a karbohydrátů i žádoucí fenoly (i v kávě a víně) -obě látky redukují invazi mikrobů a projevy zánětů -někdy ale i opačný trend – méně Bacteroides a Bifidobacterium - -cereálie mají kladný vliv i v dietě omnivorů – prebiotika - Omnivoři -dieta složená se zeleniny a masa nejlepší pro lidské zdraví -ale tzv. západní dieta tento přínos snižuje -středozemní dieta (méně masa a více ovoce, zeleniny, ryb a mléčných výrobků) Pár slov závěrem Mikrobiom a zdraví -prenatální vývoj -způsob porodu -výživa během prvních měsíců (kojení…) -následná výživa -šetrné používání antibiotik -hygiena -životní styl