Mikrobiom człowieka, czyli co w nas siedzi

Z poprzednich artykułów dowiedzieliśmy się co to jest mikroflora jelitowa, jak rodzaj spożywanego jedzenia na nią wpływa oraz jak działają probiotyki. Dzisiaj zajmiemy się mikrobiomem człowieka. Dowiecie się jakiego rodzaju bakterie znajdują się w poszczególnych częściach ciała człowieka. 

Aby odpowiedzieć na wszelkie pytania dotyczące ludzkiego mikrobiomu, należy pobrać próbki mikrobioty, a przed rozpoczęciem tego procesu należy rozważyć czas oraz przestrzeń. 

Na przykład:

zbiorowiska mikroorganizmów na powierzchniach ludzkich (tj. powierzchniach skóry i błony śluzowej, takich jak jelita) mają złożoną biogeografię, którą można zdefiniować w zakresie odległości: 

• w skali mikrometrów (rozmieszczenie drobnoustrojów na niestrawionych cząstkach żywności w przewodzie pokarmowym lub przez barierę śluzową); 
• w skali centymetrów (rozmieszczenie zbiorowisk wokół różnych gatunków zwierząt w różnych krajach, w tym także na obszarach wiejskich). ); 
• w skali metrów (rozmieszczenie społeczności na obszarze długiej osi jelita). 

Koncepcja rdzenia mikrobiomu człowieka 

Rdzeń mikrobiomu człowieka jest zbiorem genów występujących w danym siedlisku w całości albo w zdecydowanej większości ludzi. Siedlisko może być definiowane w różnych skalach: od całego ciała człowieka do określonej powierzchni, takiej jak jelito lub jego region. Zmienny mikrobiom ludzki to zbiór genów obecnych w danym siedlisku w mniejszym podzbiorze ludzi.

Ta zmienność może wynikać z połączenia takich czynników jak genotyp gospodarza, stan fizjologiczny żywiciela i adaptacyjne układy odpornościowe, patobiologia gospodarza (stan chorobowy), styl życia gospodarza (w tym dieta), środowisko gospodarza (w domu i/lub w pracy) oraz obecność przejściowych populacji mikroorganizmów.

W trakcie ludzkiej mikroewolucji, nowe geny mogą być włączone do głównego mikrobiomu, podczas gdy inne geny mogą być wykluczone. 

(Opracowanie własne na podstawie [1])

Każdą część ciała zasiedla specyficzna populacja drobnoustrojów, która jest ściśle dopasowana do poszczególnych miejsc ciała u osobników określonego gatunku w określonym przedziale wiekowym (np. noworodki, młodzież, czy osoby dorosłe). Zwykle spełnia ona funkcję ochronną, dzięki współzawodnictwu o miejsce oraz o pokarm z drobnoustrojami chorobotwórczymi oraz patogenami . Pomimo znaczących różnic pomiędzy ludźmi lub gatunkami zwierząt, w mikrobiomach poszczególnych obszarów ciała (skóra, treść jelit, układ moczowo-płciowy) występują zawsze pewne gatunki bakterii.[2].

Skóra

Ludzka skóra to największy narząd człowieka, który odgrywa ważną rolę w układzie odpornościowym, stanowiąc pierwszą linię obrony przed zmianami środowiska zewnętrznego, jak i atakiem drobnoustrojów (w tym patogennych). Powierzchnia skóry, którą określa się na 1,8 m² , kolonizowana jest przez różnego rodzaju drobnoustroje, które reprezentują bakterie, archea, wirusy, w tym bakteriofagi oraz grzyby [3]. Wykazano, że na powierzchni skóry występuje ponad 20 peptydów o działaniu przeciwbakteryjnym. Takie warunki powodują, że skóra może być zasiedlana tylko przez określone gatunki drobnoustrojów [4].

Skóra człowieka zasiedlana przez cztery typy bakterii: 

1. Actinobacteria (Corynebacterium spp., Propionibacterium spp., Microbacterium spp., Micrococcus spp.), 
2. Firmicutes (niehemolityczne tlenowe i beztlenowe gronkowce (Staphylococcus spp.), Clostridium spp., α-hemolityczne paciorkowce (Streptococcus spp.) i enterokoki (Enterococcus)), 
3. Bacteroidetes (Sphingobacterium spp., Chryseobacterium spp.) 
4. Proteobacteria (Janthinobacterium spp., Serratia spp., Halomonas spp., Delftia spp., Comamonas spp.) 

Około 50% bakterii bytujących na skórze to S. epidermidis zasiedlający wyższe obszary ujść mieszków włosowych. Na powierzchni skóry bytują także S. saprophyticus, S. hominis, S. warneri, S. haemolyticus oraz S. capitis. Głównym gatunkiem bakterii z rodzaju Corynebacterium jest C. jeikeium, a Propionibacterium – P. acnes. Bakterie wyizolowane z powierzchni skóry z rodzaju Micrococcus to: M. luteus oraz M. varians, M. lylae, M. sedentarius, M. roseus, M. kristinae i M. nishinomiyaensis. Bakterie te należą do gatunków bakterii symbiotycznych, które stanowią najbardziej stabilny element mikrobiomu skóry. 

Skóra człowieka może być także zasiedlana przez bakterie, które są patogenne, takie jak gronkowiec złocisty (S. aureus), paciorkowce grupy A (S. pyogenes), tlenowe maczugowce (Corynebacterium spp.) i pałeczki Gram-ujemne (P. aeruginosa). Bakterie te budują nipożądaną florę, która może przyczyniać się zakażeniom skóry [4]. 

Grzyby zasiedlające skórę to przede wszystkim grzyby lipofilne z rodzaju Malassezia, które stanowią od 1% do 22% mikrobiomu człowieka. Rodzaj Malassezia obejmuje 14 gatunków, z czego 9 może kolonizować ludzką skórę: M. furfur, M. sympodialis, M. globosa, M. restricta, M. slooffiae, M. yamatoensis, M. obtusa, M. dermatis i M. japonica. Gatunki, które dominują to M. globosa oraz M. restricta. W sprzyjających warunkach Malassezia mogą przyczyniać się do występowania chorób dermatologicznych. Skóra człowieka jest także kolonizowana przez grzyby z rodzaju Penicillum, Aspergillus oraz w mniejszym stopniu przez Alternaria, Candida, Chaetomium, Chrysosporium, Cladosporium, Mucor, Debaryomyces, Cryptococcus, Trichophyton i Rhodotorula [4].

Skład jakościowy mikrobiomu jest specyficzny oraz zróżnicowany ze względu na obszar zasiedlanej skóry. Nisze mikrobiologiczne determinowane są anatomią (doły, zagłębienia i fałdy skóry), grubością skóry w różnych okolicach, a także odmiennym rozkładem przydatków skóry, które charakteryzują się własnym unikatowym mikrobiomem. Są to czynniki podstawowe i kluczowe dlatego skład gatunkowy flory skóry u ludzi wykazuje wyższe podobieństwo w poszczególnych obszarach niż między poszczególnymi populacjami. Ze względu na wymienione czynniki skórę człowieka można podzielić na obszary o dużej wilgotności, obszary bogate w sebum oraz obszary suche. Woda jest ważnym czynnikiem warunkującym wzrost bakterii, co powoduje, że w okolicach o dużej wilgotności notuje się liczniejszą mikroflorę komensalną niż na obszarach suchych. Sucha skóra jest natomiast łatwiej kolonizowana przez potencjalnie inwazyjne gronkowce, które wymagają do wzrostu mniej uwodnionego środowiska, stąd częste zakażenia skóry u osób chorujących na atopowe zapalenie skóry (AZS). Wpływ na wzrost bakterii mają również temperatura (od 29,5°C palców rąk do 36,6°C dołów pachowych) oraz pH (od 4,2 na policzkach do 7,9 w dołach pachowych) [4].

(Opracowanie własne na podstawie [4]) 

Jama ustna 

Mikrobiom jamy ustnej to złożona oraz bogata sceneria biologiczna z charakterystycznymi niszami, które zapewniają unikalne środowisko dla kolonizacji drobnoustrojów. Nisze te obejmują bruzdę dziąsłową, język, policzek, twarde i miękkie podniebienia, usta, gardło, ślinę oraz zęby. Różne powierzchnie w jamie ustnej są kolonizowane przez bakterie w jamie ustnej [5].

Na duże zróżnicowanie mikrobiomu jamy ustnej ma wpływ temperatura, pH, potencjał oksydacyjno-redukcyjny, zasolenie oraz ślina, która dostarcza składników odżywczych, usuwa produkty przemiany, a dodatkowo zawiera liczne enzymy np. w amylazę, peptydy przeciwbakteryjne, a nawet przeciwciała. Jest on także warunkowany stanem higieny gospodarza np. szczotkowaniem zębów czy płukaniem jamy ustnej, a także wiąże się z mikrobiomem śliny [3]. 

Główne rodzaje bakterii występujące w jamie ustnej człowieka to przede wszystkim bakterie gram dodatnie (Abiotrophia, Peptostreptococcus, Streptococcus, Stomatococcu, Actinomyces, Bifidobacterium, Corynebacterium, Eubacterium, Lactobacillus, Propionibacterium, Pseudoramibacter, Rothia) oraz gram ujemne (Moraxella, Neisseria, Veillonella, Campylobacter, Capnocytophaga, Desulfobacter, Desulfovibrio, Eikenella, Fusobacterium, Hemophilus, Leptotrichia, Prevotella, Selemonas, Simonsiella, Treponema, Wolinella) [5].

Mikrobiota poszczególnych elementów znajdujących się w jamie ustnej

Język: 

U ludzi zdrowych stwierdzono bakterie z rodzajów Prevotella, Neisseria, Streptococcus, Heamophilus i Fusobacterium. 

Biofilm nad- oraz poddziąsłowy:

Drobnoustroje obecne w biofilmie tworzą niezwykle zorganizowaną i aktywną strukturę, w której współpracują ze sobą, uczestnicząc w rozkładzie substancji organicznych i pozyskiwaniu energii. Badania wykazały, że w naddziąsłowej płytce bakteryjnej występują głównie bakterie Gram-dodatnie takie jak: S. mutants, S.salivarus, S. motis oraz Lactobacillus spp. Natomiast na poddziąsłowej płytce obecne są Gram-ujemne bakterie np.: Actinobacillus spp., Campylobacter spp., Fusobacterium nucleatum oraz Porphyromonas gingivalis.

Płytka nazębna:

Na płytce nazębnej stwierdzono obecność archea, które pochodzą z typu Euryarchaeota, a w szczególności Methanobrevibacter oralis i M.smithii. 

Ślina:

Obecność w ludzkiej ślinie faga Enterococcus faecalis, to dowód, że odgrywa on ważną rolę w ograniczaniu występowania bakterii w  systemie korzeni zębowych, jako że penetrując kanały zęba, eliminują zakażenie wywołane przez E.faecalis.

Badania mikrobiomu jamy ustnej dowiodły występowanie takich grzybów jak Candida spp., Saccharomyces spp., Penicillium spp., Scopularis spp., Geotrichum spp. oraz Aspergillus spp., Cryptococcus spp., Fusarium spp. oraz Alternaria spp. [3]. W swoich badaniach potwierdzili to Dupuy i wsp., którzy w jamie ustnej wykazali także obecność Fusarium, Alternaria i Cladosporium [6].

Drogi oddechowe

Każdej doby obszar układu oddechowego wystawiony jest na ekspozycję ponad 8000 litrów wdychanego powietrza, w którym mikroorganizmy mogą występować w liczbie 104 –106 komórek bakteryjnych na 1 m³. W prawidłowych warunkach fizjologicznych większość czynników jest na ogół niesprzyjających dla rozwoju bakterii, wpływając na stosunkowo ich niewielkie namnażanie. Głównym elementem, który kształtuje mikrobiom płuc u osoby zdrowej jest bilans migracji mikroorganizmów [7]. 

Mikrobiom dróg oddechowych jest bardziej dynamiczny, przejściowy, jako że zmienia się w czasie, ponieważ wynika to z ruchu powietrza w tym narządzie. Wśród mikroflory dróg oddechowych najbardziej rozpowszechnione są bakterie z gromad: Bacteroidetes oraz Firmicutes. W mniejszym stopniu występują Proteobacteria i Actinobacteria. Zarejestrowano obecność takich bakterii jak: Prevotella spp., Porphyromonas spp.(Bacteroidetes), Streptococcus spp., Veillonella spp. (Firmicutes), Pseudomonas spp., Haemophilus spp., Neisseria spp. (Proteobacteria) [7]. 

Przegroda nosowa wyścielona jest nabłonkiem wielorzędowym migawkowym i wraz z licznymi komórkami śluzowymi stanowi kluczowe miejsce dla zakażeń bakteryjnych oraz wirusowych. Badania przeprowadzone przez Rasmussen i wsp. wykazały, że typowymi bakteriami dla tego obszaru są: Corynebacterium spp., Aureobacterium spp., Rhodococcus spp., a także: Staphylococcus epidermidis, S.capitis, S. hominis, S. haemolyticus. S. lugdunensis oraz S.warneri [8].

Liczne badania wykazały, że mikrobiom układu oddechowego oprócz bakterii, reprezentowany jest także przez grzyby. Dowiedziono, że grzyby zasiedlające drogi oddechowe człowieka to głównie rodzaje Aspergillus, Candida, Cladosporium, Malassesia, Saccharomyces, a ich skład i liczba gatunkowa uzależniona jest w głównej mierze od miejsca w drogach oddechowych, które są kolonizowane [7]. Badania przeprowadzone przez Charlsona i wsp. wykazały, że u osób zdrowych najczęściej obecne były grzyby z rodzajów: Davidiellaceae, Cladosporium, Eurotium i  Penicillium [9]. 

Jelito

Na temat mikrobioty jelit było już sporo w poprzednich wpisach do których was odsyłam. W ramach krótkiego przypomnienia wstawiam Wam małą grafikę.

(Opracowanie własne na podstawie [10])

Układ płciowy 

Mikrośrodowisko pochwy zdrowych kobiet uzależnione jest przede wszystkim od wieku, zmian hormonalnych zachodzących w  organizmie, a także od nawyków higienicznych i aktywności seksualnej. Drobnoustroje kolonizujące ten obszar w warunkach fizjologicznych chronią go przed patogenami chorobotwórczymi oraz aktywują odpowiedź immunologiczną poprzez wytwarzanie różnych związków o działaniu przeciwdrobnoustrojowym. Przyjmuje się, że Lactobacillus spp. może stanowić środowisko ochronne przed rożnymi patogenami. Bakterie te w nabłonku pochwy metabolizują glikogen do kwasu mlekowego, co sprzyja wytworzeniu środowiska o niskim pH, który powstrzymuje rozwój patogenów odpowiedzialnych za zakażenie układu rozrodczego kobiet wywołane np. Gardenerella vaginalis, E.coli, Mobiluncus spp., Candida albicans [3]. Badania  prowadzone przez Antonio i wsp. dotyczące mikrobioty pochwy wykazały, że dominującymi gatunkami wśród pałeczek kwasu mlekowego są L.crispatus oraz L. jensenii [12]. Z kolei Hyman i  wsp. badając mikroflorę tego obszaru dowiedli, że dominującym rodzajem był Lactobacillus spp., choć także wykazali występowanie bakterii z  rodzajów Bifidobacterium, Gardnerella, Atopobium, Corynebacterium, Janthinobacterium [11]. 

Podsumowując

Wczesne definicje "zdrowego" mikrobiomu, generalnie koncentrują się na zestawach taksonów, których można się spodziewać najczęściej u osób zdrowych. Typowe rodzaje w zdrowych populacjach w różnych miejscach pokazałam na grafice poniżej (A). 

Pomiary metagenomiczne pozwoliły na ocenę potencjału funkcjonalnego mikrobiomu w różnych miejscach organizmu człowieka (B).

(Opracowanie własne na podstawie [13])

Bibliografia:

1. Turnbaugh P. J., Ley R. E., Hamady M., Fraser-Liggett C. M., Knight R., Gordon J. I. (2007): The Human Microbiome Project. NATURE, Vol 449, 18.
2. Gliński Z., Kostro K. (2015): Mikrobiom –charakterystyka i znaczenie. Życie Weterynaryjne 90(7).
3. Malinowska M., Tokarz-Deptuła B., Deptuła W. (2017): Mikrobiom człowieka. POST. MIKROBIOL. 56, 1, 33–42.
4. Adamczyk K., Garncarczyk A. A., Antończak P. P. (2018): The microbiome of the skin. Przegl Dermatol 105, 285–297
5. Deo P. N., Deshmukh R. (2019): Oral microbiome: Unveiling the fundamentals. Journal of Oral and Maxillofacial Pathology, Volume 23, Issue 1.
6. Dupuy A. K., David M. S., Heider T. N., Peterson J. D., Montano E. A., Dongari-Bagtzoglo A., Diaz P. I., Strausbaugh L. D.(2014): Redefining of the human oral mycobiome with improved practices in amplicon-based taxonomy: Discovery of Malassezia as a prominent commensal. PLoS One.
7. Malinowska M., Tokarz-Deptuła B., Deptuła W. (2016): Mikrobiom układu oddechowego w warunkach fizjologicznych i patologicznych. POST. MIKROBIOL. 55, 3, 279–283.
8. Rasmussen T. T., Kirkeby L. P., Poulsen K., Reinholdt J., Kilian M.(2000): Resident aerobic microbiota of the adult human nasal cavity. Acta Pathol. Microbiol. Immunol. Scand. 108, 663–675.
9. Charlson E. S., Chen J., Custers-Allen R., Bittinger K., Sinha R., Hwang J, Bushman F. D., Collman R. G. (2010): Disordered microbial communities in the upper respiratory tract of cigarette smokers. PLoS One, 5.
10. Gail A. M. (2019): Gut microbiome. Adult Short Bowel Syndrome. Nutritional, Medical, and Surgical Management, Pages 45-54.
11. Hyman R.W., Fukushima M., Diamond L., Kumm J., Giudice L., Davis R. W. (2005): Microbes on the human vaginal epithelium. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 102, 7952–7957.
12. Antonio M. A., Hawes S. E., Hillier S. I. (1999): The identification of vaginal lactobacillus species and the demographic and microbiologic characteristics of women colonized by these species. J. Infect. Dis. 180, 1950–1956.
13. Lloyd-Price J., Abu-Ali G., Huttenhower C. (2016): The healthy human microbiome. Genome Medicine 8:51.