Jak „dobre” wirusy mogą wpływać na zdrowie
Chociaż rola „dobrych” wirusów w zdrowiu człowieka jest nadal stosunkowo tajemnicza, powoli odkrywamy znaczenie naszych wirusowych gości. W tej szczególnej funkcji przedstawiamy zaniedbaną część mikrobiomu - wirom.
Ilustracja bakteriofagów infekujących bakterię.
Aby uzyskać więcej popartych badaniami informacji na temat mikrobiomu i jego wpływu na zdrowie, odwiedź nasze dedykowane centrum.
Rola bakterii i naszego mikrobiomu w zdrowiu i chorobach jest w czołówce badań medycznych.
Jesteśmy daleko od odpowiedzi na wiele pytań postawionych przez ostatnie odkrycia, ale obecnie jest już mocno ustalone, że bez naszej osobistej floty „przyjaznych” mikroorganizmów - naszego mikrobiomu - nie moglibyśmy się rozwijać.
Jednak nauki medyczne nie siedzą na tylnych łapach; jego oczy są zawsze utkwione w horyzoncie, usiłując opisać kształt rzeczy ukrytych w oddali.
Kiedy zmagamy się z rozwikłaniem niemal nieznośnie złożonych interakcji między bakteriami a zdrowiem, następne wyzwanie już czeka na nas: rola wiromu.
Co to jest virome?
Kiedy słyszymy słowo „mikrobiom”, od razu myślimy o bakteriach, ale technicznie rzecz biorąc, mikrobiom jest sumą wszystkich mikroorganizmów w danym środowisku. Niektórzy naukowcy używają tego terminu w odniesieniu do sumy materiału genetycznego tych mikroorganizmów.
Tak więc, oprócz bakterii, w skład mikrobiomu wchodzą między innymi wirusy (wirom) i grzyby (mykobiom). Do tej pory naukowcy poświęcali stosunkowo mało uwagi wiromowi lub mykobiomowi.
Wirusy zadomowiły się w szeregu ekologicznych nisz w ludzkim ciele, zwłaszcza na powierzchniach śluzówki, takich jak wnętrze nosa i jamy ustnej oraz wyściółka jelit.
W tej funkcji skoncentrujemy się na wiromie jelitowym, ponieważ jest on siedliskiem największej liczby wirusów i był on najczęściej badany.
Oczywiście wirusy są najbardziej znane z wywoływania chorób, takich jak ospa, zapalenie wątroby, HIV i wścieklizna. Ze względu na pilną potrzebę związaną z chorobą wirusową ten aspekt zajął lwią część czasu naukowców. Jednak wiele wirusów nie wykazuje najmniejszego zainteresowania komórkami ludzkimi.
Wprowadzenie bakteriofaga
Naukowcy uważają wirusom za „największą, najbardziej zróżnicowaną i najbardziej dynamiczną część mikrobiomu”, a większość wirusów w naszych jelitach to bakteriofagi. Wszędzie tam, gdzie są bakterie, jest mnóstwo bakteriofagów.
Jak wyjaśniają inni badacze: „Fagi to najobficiej występujące na Ziemi formy życia, które są praktycznie wszechobecne. […] Niektóre źródła słodkiej wody mogą zawierać do 10 miliardów na [mililitr]. ”
Bakteriofagi infekują bakterie, przejmują ich maszynerię komórkową i wykorzystują ją do replikacji ich materiału genetycznego.
Jest teraz całkowicie jasne, że bakterie jelitowe wpływają na zdrowie i choroby, więc nie jest zaskoczeniem, że wirusy infekujące bakterie jelitowe również mogą mieć znaczący wpływ.
Terapia fagowa
Od lat dwudziestych do pięćdziesiątych XX wieku naukowcy badali, czy bakteriofagi można stosować do leczenia infekcji bakteryjnych. W końcu te wirusy są biegli w niszczeniu ludzkich patogenów.
Naukowcy odkryli, że terapia fagowa była zarówno skuteczna, jak i, co ważne, wolna od skutków ubocznych.
Kiedy odkryto antybiotyki, terapia fagowa zeszła na dalszy plan. Antybiotyki można było wytwarzać stosunkowo łatwo i zabijały one szerokie spektrum gatunków bakterii.
Jednak biorąc pod uwagę dzisiejsze możliwości zaawansowanej technologii i przerażające tło oporności na antybiotyki, zainteresowanie terapią fagową może odrodzić się.
Jednym z czynników atrakcyjności terapii fagowej jest jej specyfika. Często antybiotyki niszczą szerokie spektrum gatunków bakterii. Teraz, gdy wiemy, że w jelitach żyją „dobre” bakterie, jasne jest, że nie jest to idealne rozwiązanie.
Tymczasem bakteriofagi atakują tylko wąski zakres szczepów tego samego gatunku bakterii.
Ponadto replikują się tylko wtedy, gdy ich bakterie docelowe znajdują się w okolicy. Podsumowując, oznacza to, że atakują one tylko pożądaną bakterię i kontynuują replikację, dopóki nie wyeliminują infekcji.
Przyjaciele na całe życie
Bakteriofagi dołączają do ludzkiej podróży na wczesnym etapie. W jednym z badań zbadano smółkę - pierwszą kupę noworodka - i nie znaleziono dowodów na obecność wirusów.
Jednak zaledwie tydzień po urodzeniu każdy gram kupki dziecka zawierał około 100 milionów cząsteczek wirusa, z których większość stanowiły bakteriofagi. Nasz virome naprawdę jest towarzyszem na całe życie.
Każdy człowiek ma odrębną selekcję bakteriofagów, które łącznie określa się jako fageom. Ludzie, którzy mają mniej więcej tę samą dietę, mają więcej podobieństw, ale ogólnie fageom każdego osobnika jest bardzo zróżnicowany.
Od symbiozy do dysbiozy
Jak wspomniano, bakteriofagi niszczą bakterie. Jednak w niektórych sytuacjach bakteriofagi mogą przynosić korzyści populacjom bakterii.
W jelitach bakteriofagi występują głównie jako profagi. Na tym etapie ich kod genetyczny jest włączany do genomu bakterii, gotowy do produkcji bakteriofagów, jeśli zostanie aktywowany.
Na tym etapie życia bakteriofagi nie są szkodliwe dla bakterii - istnieją w symbiozie.
Ponieważ bakterie mogą wymieniać się materiałem genetycznym, kod genetyczny profagów może być również przenoszony między poszczególnymi bakteriami.
Mogą wymieniać „geny związane z opornością na antybiotyki, zjadliwością lub szlakami metabolicznymi między różnymi gatunkami bakterii”. Może to przynieść korzyści niektórym gatunkom bakterii, potencjalnie umożliwiając im poszerzenie swojej niszy. Jednak wzrost może odbywać się kosztem innych kolonii bakterii w jelitach.
„Prorocy są symbiotyczni z bakteriami będącymi gospodarzami, a te bakterie są symbiotyczne dla naszego organizmu. Dlatego fagi mogą pośrednio przynosić korzyści organizmowi wielokomórkowemu, takim jak [człowiek], wykraczające poza to, czego bezpośrednio doświadczają ich komórki bakteryjne gospodarza ”.
Kiedy profagi zostaną uruchomione, aby uaktywnić się - na przykład w czasie stresu lub gdy bakteria żywiciela jest zagrożona - mogą spowodować rozległą zmianę w środowisku drobnoustrojów jelitowych.
Przejście od nieszkodliwego profaga do tak zwanego faga litycznego może zniszczyć zbiorowiska bakterii, potencjalnie zapewniając „złym” bakteriom pewną przestrzeń do oddychania i umożliwiając im wypełnienie pustki.
Nazywa się to tasowaniem społeczności i może prowadzić do dysbiozy - zaburzenia równowagi mikrobiologicznej.
Od dysbiozy do diagnozy
Dysbioza jest związana z szeregiem schorzeń, w tym nieswoistym zapaleniem jelit, zespołem chronicznego zmęczenia, otyłością, Clostridium difficile (C. diff) zakażenie i zapalenie okrężnicy. Jednak naukowcy nadal nie są pewni roli bakteriofagów w tych stanach.
W takich przypadkach dysbioza może wystąpić poprzez inne mechanizmy. Alternatywnie, może to być objaw stanu, a nie przyczyna.
Naukowcy zaobserwowali zmiany w bakteriach jelitowych w zaskakująco zróżnicowanym zakresie chorób, w tym cukrzycy typu 2, schizofrenii, depresji, lęku, chorobie Parkinsona i wielu innych.
Ponieważ bakteriofagi przewyższają liczebnie bakterie w naszych jelitach i polegają na ich rozmnażaniu, muszą być dotknięte lub zaangażowane w jakiekolwiek wahania.
Bakteriofagi mogą nie wywoływać zmian w jelitach - zmiany, które trzeba dodać, mogą nie wywoływać choroby. Zamiast tego populacje bakteriofagów mogą być po prostu biernie zmienione przez zmiany w bakteriach jelitowych.
Badanie, czy przypływ i odpływ społeczności bakteriofagów jest ważny dla zdrowia i choroby, będzie trudne do zbadania. Ale nawet jeśli nie jest to kluczowe w patologii choroby, wykrycie tych fluktuacji może przynieść inne korzyści.
Przykładowo, istnieje możliwość wykorzystania wiromu jako markera diagnostycznego. Na przykład naukowcy zidentyfikowali specyficzne dla choroby zmiany w wiromie jelitowym u osób z nieswoistym zapaleniem jelit, co jest chorobą niezwykle trudną do zdiagnozowania.
Problem z wirusami
Badanie bakterii nie jest łatwe; w końcu są niesamowicie małe. Bakterie mają zwykle średnicę 0,4–10 mikrometrów. Dla wyjaśnienia: 10 mikrometrów to tylko jedna setna milimetra lub cztery dziesięciotysięczne cala.
Wirusy są jednak jeszcze mniejsze, mają średnicę zaledwie 0,02–0,4 mikrometra.
Oprócz trudności nieodłącznie związanych z pracą na tak małą skalę, wirusy stwarzają inne wyzwania.
Jeśli naukowcy chcą dowiedzieć się, jakie gatunki bakterii są obecne w danej populacji, wydobywają informacje genetyczne.
Na tej podstawie izolują określone fragmenty kodu i dopasowują je do istniejących baz danych; najczęściej używają genu 16S rRNA. Ten konkretny gen można znaleźć u prawie wszystkich gatunków bakterii i na przestrzeni czasu ewolucji pozostał on stosunkowo niezmieniony.
Jednak niektóre regiony 16S RNA są uważane za hiperzmienne. Różnice między tymi regionami pozwalają badaczom na identyfikację gatunków.
Z drugiej strony wirusy nie mają podobnych genów wśród gatunków. To sprawiało, że do niedawna badanie wiromu było prawie niemożliwe, ale postępy w sekwencjonowaniu nowej generacji powoli znoszą bariery.
Na tym etapie rola wirusów dla zdrowia ludzi nie jest tak jasna, jak ich rola w chorobach.
Mając to na uwadze, wydaje się również wysoce prawdopodobne, że wirusy odgrywają istotną rolę w utrzymaniu zdrowego organizmu. Dopiero postęp w technikach badawczych pozwoli zrozumieć ich pełny wpływ.
Biorąc pod uwagę bezpośrednie obawy związane z opornością na antybiotyki, być może ponowne zainteresowanie bakteriofagiem spowoduje, że więcej czasu zostanie poświęcone temu tajemniczemu elementowi nauk medycznych.
Jednak zrozumienie wzajemnych zależności między składnikami naszego mikrobiomu będzie trudną do zdobycia informacją; jak wyjaśnia jeden z artykułów:
„Skład mikrobiomu jelitowego nie jest taki sam na różnych etapach życia, a nawet w godzinach tego samego dnia”.
To z pewnością będzie długa bitwa.
