Mikrobioota olulisus ja kasutusvõimalused meditsiinis

Autor: Kertu Liis Krigul, Tartu Ülikooli genoomika instituut, prof. adj. Elin Orgi mikrobioomika töögrupp

Meiega koos elab triljoneid mikroorganisme, kes on asustanud nii meid ümbritseva elukeskkonna kui ka kogu meie keha. Nende seas on organisme, kes vaikselt oma ründeaega ootavad, ja ka neid, kes meiega varmalt koostööd teevad. Kõige suuremas jaos esineb aga hoopis selliseid organisme, kelle tegevus meid küll otseselt ei mõjuta, kuid kes ise meiega koos eksisteerimisest kasu lõikavad. Kõikide nende organismide uurimine on sellel sajandil täistuuridel käima läinud ja huvitavaid avastusi saabub iga päev.

Mikrobioota uurimise arengusammud

Mikroobide uurimise esimesed sammud astus Anton van Leeuwenhoek, kes 17. sajandil kirjeldas esimesi suu ja rooja mikroobe (ehk animalkuleid) enda loodud mikroskoopide abil (1). Mikroobide uurimine on ajaloo jooksul läbinud mitmed olulised arenguetapid, kuid märgilise tähtsusega saavutused on toimunud just viimastel aastakümnetel. Kui sajandid tagasi käis kirjeldamine pigem mikroobi kui üksikorganismi tasemel, siis nüüd oleme jõudnud aega, mil suudame kirjeldada mikroorganismide kooslusi ehk mikrobiootat. Meie arusaam on liikunud bakter=patogeen sammust edasi ja seda tänu meetoditele, mis võimaldavad tuvastada ka organisme, kes oma kasvuks hapniku olemasolu ei vaja. See on olnud oluline samm, sest just selliste organismide hulka kuulub enamik sooles elavatest mikroobidest. Tänapäeval tegeletakse peamiselt mikrobioomi ehk mikroobikoosluste geneetilise materjali ehk DNA uurimisega, mis võimaldab tuvastada kõiki organisme, kes teatud keskkonnas elavad. DNA-põhiste meetodite eelis näiteks kasvusöötmete ees seisneb selles, et organismide uurimiseks ei pea me täpselt teadma, milliseid tingimusi ja toitaineid mikroob kasvuks vajab. Olenevalt DNA-põhise uurimismeetodi valikust saab lisaks liigilise koosseisu määramisele teha kindlaks ka mikroobide funktsionaalsuse ehk milliseid ainevahetusprodukte mikroob võib uuritavas koosluses toota ning kuidas see võiks mõjutada meie organismi toimimist. Praegu on uurimisobjektideks valdavalt olnud sooles esinevad bakterid, kuid järjest enam on hoogu kogunud ka uuringud viiruste ja mikroobsete seentega, kes samuti meie mikrobioota hulka kuuluvad.

Esimesed laboratoorsed katsed, kus võrreldi nn „normaalseid“ (ingl conventional mice) ja mikroobivabasid hiiri (ingl germ-free mice), aitasid mõista, et mikroobid on asendamatud paljudes keha füsioloogilistes protsessides (sh normaalses soole arengus, immuunsüsteemi väljakujunemisel jms) ning neid protsesse on võimalik taastada, kui mikroobivabad hiired saavad rikastatud tavapärase bakterite kooslusega (1). Seni suurim populatsioonil põhinev mikrobioomi uuring viidi hiljuti läbi Hollandis rohkem kui 8000 prooviga, kus kasutati rohkem kui 200 erinevat tunnust, et hinnata inimeste mikrobioomi varieeruvust. Sarnaselt varasemate töödega leiti, et varieeruvust mõjutavad väga paljud faktorid, sealhulgas eluviis (nt vanus, sugu, antropomeetrilised tunnused, toitumisharjumused, liikumisaktiivsus, mõjud lapsepõlvest jms), meid ümbritsev elukeskkond (nt koduloomad ja elukoht), meie tarbitavad ravimid (nt antibiootikumid, statiinid, antidepressandid) ja meie tervislik seisund (haigused, soolega seotud vaevused) (2). Olulisemateks faktoriteks mikrobioomi varieeruvuse kirjeldamisel olid roojaproovi tüüp (Bristoli skaala), proovi võtmise aastaaeg, indiviidide vanus, sugu ja kehamassiindeks. Samas oli iga antud faktori panus vähem kui 1% ja kokku suutsid kõik tegurid kokku ära seletada vaid ~13% inimestevahelistest erinevustest. Perekonnaliikmete proovide analüüs näitas, et mikrobioomi kooslus ja funktsionaalsus ning samuti resistentsus antibiootikumidele on omavahel sarnasemad koos elavatel mittesugulastel võrreldes eraldi elavate sugulastega. Eraldi elavad sugulased ei erinenud oluliselt eraldi elavatest mittesugulastest, mis viitab, et kooselul on mikrobioomi kujundamisel suurem roll võrreldes geneetikaga (2).

Kuna erinevaid mõjureid on mitmeid, siis on igal inimesel endale omane unikaalne mikrobioomimuster, mis erineb keha piirkonniti vastavalt seal valitsevale keskkonnale (nt nahal on pigem hapnikku tarbivad bakterid, maos happelist keskkonda taluvad jne) (3). Kõige enam leidub mikroobe soolestikus ja eriti just jämesooles, kus on leitud rohkem kui 1000 erinevat bakteriliiki (4). Kui kehas on inimese rakke mikroobidega võrreldes umbes sama palju (suhtes 1 inimeserakk ~1,3-le bakterirakule), siis mikroobide geenide kogus trumpab meie oma üle vähemalt 100-kordselt (5). See funktsionaalne võimekus annab vihje ka nende mitmekülgsetest omaduste kohta, mida me alles tasapisi mõistma õpime. Teada on näiteks, et mikroobid on vajalikud toidu omastamises (nt kiudainete lagundamine), oluliste ainete tootmises (nt vitamiinid, lühikese ahelaga rasvhapped, hormoonid) ning immuunsüsteemi kujunemises ja toimimises (nt immuunsüsteemi treenimine ja kollektiivne kaitse patogeenide vastu, põletiku teke ja kontroll) (6). Järjest enam on leitud, et mikrobioota mõjutab erinevate haiguste teket ja kulgu ning ka ravimite omastamist.

Mikrobioota seos haigustega

Viimase kümne aasta jooksul on tehtud olulisi ja huvitavaid avastusi, mille põhjal võime öelda, et vähe on haigusi, millega mikroobe veel seostatud ei oleks. Korduvalt on leitud soolestiku mikrobioomi seoseid erinevate ainevahetushaigustega (nt rasvumine, diabeet), südame- veresoonkonna ja autoimmuunhaigustega, soolehaigustega (nt IBD) ning vähiga (7–9). Kuna tegemist on uurimisvaldkonnaga, kus analüüsimeetodid ja standardid on alles välja kujunemisel, siis tuleks leitud seoseid hinnata kriitiliselt ning arvestada uuritava valimi suuruse ja leitud seoste korratavusega. Praegu piirduvad enim avaldatud tööd pigem seoste kirjeldamisega, mis ei võimalda meil aru saada tekkepõhjustest ja mehhanismidest. Kuna mikrobioomi varieeruvust mõjutavad väga paljud faktorid, siis on uuringute läbiviimine ja andmeanalüüs keeruline. Usaldusväärsust suurendavad tööd, kus leitud seoseid on suudetud näidata mitmes erinevas populatsioonikohordis. Näiteks võib tuua jämesoolevähiga seotud uuringud, kus kasutades uuritavaid eri riikidest üle maailma on tuvastatud vähile ja vähi eri staadiumitele omane mikoobikooslus (10–11). Jämesoolevähiga seotud bakterite (nt Bacteroides fragilis, Fusobacterium nucleatum, pks⁺Escherichia coli) puhul on suudetud loommudelitega näidata ka võimalikku vähki tekitavaid mehhanisme, nagu näiteks mikroobide võimet tekitada DNA kahjustusi, eraldades virulentsusfaktoreid ja toksiine, ning mikroobide rolli põletiku ja rakkude jagunemisradade aktiveerimisel, kutsudes esile haiguse tekke (12, 13). Lisaks võivad mikroobid toota või konverteerida soolestikus mitmeid ühendeid, millel võib olla kas otsene või kaudne mõju haigustele, mis ei ole otseselt soolestikuga seotud. Näiteks toodetakse soolestikubakterite osalusel trimetüül-N-oksiidi (TMAO), mis tekib maksas bakterite toodetud trimetüülamiini oksüdeerumisel. TMAO kõrge tase on leitud inimestel, kellel on esinenud südame-veresoonkonna haigusi, nagu näiteks insulti või infarkti. Samuti on kliinilised katsed näidanud, et TMAO hulk plasmas ennustab aterotromboosi riski (14).

Mikrobioomi muster võib olla ka potentsiaalne biomarker, et aidata varajases staadiumis haigust tuvastada. Nii on näiteks uurimisgrupis TÜ genoomika instituudis käimas uuringud, et tuvastada jämesoolevähile omast mikroobimustrit juba riiklikus jämesoolevähi sõeluuringus kasutatavatest peitvere katsutitest. Varajane diagnoos, eriti just näiteks soole vähkkasvajate puhul, on seotud märkimisväärselt pikema elulemusega, mistõttu on biomarkerite leidmine haiguse varaseks tuvastamiseks kriitilise tähtsusega.

Ravist mikrobiootale, mikrobiootast ravile

Mikroobide ja ravimite vahelised suhted moodustavad omavahel keeruka üksteist mõjutava süsteemi, kus ravimid võivad mõjutada mikroobikooslusi ja vastupidiselt võivad kooslused kujundada ravimite toimet. Antibiootikumid on ühed enim uuritud mikroobikoosluste mõjutajad, kuid uuringud on täheldanud, et need pole kindlasti ainukesed. Hiljutises uurimistöös vaadati soolestikubakterite seoseid rohkem kui 1000 erineva ravimiga, mille hulgas oli nii antibiootikume, antiviraalseid ravimeid kui ka inimesele suunatud ravimeid. Uuringus leiti, et pea veerand inimesele suunatud ravimitest pärssis ka vähemalt ühe soolestikumikroobi kasvu (15). Niisuguste ravimite hulgas olid eriti esindatud prootonpumba inhibiitorid, antimetaboliidid, selektiivsed kaltsiumikanali blokaatorid ja antipsühhootikumid. Autorite hinnangul võib selliste ravimite tarvitamine kaasa aidata antibiootikumide resistentsusgeenide levikule ning seletada mikroobikoosluste mitmekesisuse vähenemist, mida on tihti nüüdisaegses ühiskonnas mikrobioomi kohta täheldatud (15).

Mikrobioota võib aga kujundada ka ravimite toimet. Näiteks on vähi immuunteraapia puhul näidatud, et mikrobiootas esinevatest bakteritest sõltub patsiendi ravi tulemus (13). Bakterid võivad mõjutada immuunteraapiat näiteks inaktiveerides või modifitseerides ravimeid ja vähkkude, nii et ravi ei toimi, või hoopis vastupidi – stimuleerides immuunsüsteemi efektiivsust kasvajakoe hävitamisel (8, 16). Samuti on näiteid, mil mikroobsed ensüümid mõjutavad ravimist tekkivaid kõrvalnähte, ravimi toimevõime vähenemist või ravimi aktiveerumist keha vales piirkonnas (17, 18). Nii lagundatakse näiteks reumatoidartriidi ja põletikuliste soolehaiguste ravim sulfasalasiin mikroobide poolt bioaktiivseks 5-aminosalitsüülhappeks ja kõrvaltoimeid põhjustavaks sulfapüridiiniks. Eggerthella lenta võib aga inaktiveerida digoksiini, südamepuudulikkuse ning arütmia puhul kasutatavat ravimit.Levodopa võib mikroobide poolt saada aktiveeritud vales kohas, mistõttu ravim ei mõju Parkinsoni tõvega patsiendile efektiivselt. Seetõttu võib mikrobioomi analüüs tulevikus aidata enne ravimi manustamist ennustada ravimi toime sobivust, efektiivsust ning võimalikke kõrvalmõjusid.

Teadmisi mikrobioota kohta võib juba kasutada ka raviks. Ühe näitena on maailmas üha enam kasutust leidev ravimeetod fekaalne transplantatsioon, kus tervelt doonorilt siiratakse väljaheite proov haige patsiendi soolde, et parandada selle mikroobide kooslust ja funktsiooni. Siirdamisprotsess võib käia kas otseselt kasutades koloskoopiat või kaudselt manustades näiteks töödeldud materjali tableti kujul. Kuigi fekaalne transplantatsioon on enim efektiivsust tõestanud Clostridium difficile põhjustatud korduva ja antibiootikumidele mittealluva kõhulahtisuse vastu, on ClicialTrails.gov andmetel üle maailma toimumas sadu kliinilisi katseid, et tuvastada sellele meetodile veel kasutusvaldkondi. Lisaks koosluse siirdamisele pakuvad teadlastele potentsiaalse ravimeetodina huvi ka konkreetsed bakteriliigid ja tüved. Üheks näiteks on Escherichia coli Nissle 1917 tüvi, mis isoleeriti I maailmasõja ajal sõdurilt, kes erinevalt oma kaaskondlastest ei langenud düsenteeria laastava mõju ohvriks (1). Hilisemad uuringud näitasid, et tegemist on ohutu, lihtsasti modifitseeritava organismiga, keda võiks kasutada potentsiaalse probiootilise organismina. Loomkatsetes on Nissle’t kasutatud fenüülketonuuria raviks, viies antud bakterisse ensüümid, mis aitavad fenüülalaniinini lagundada, kui organism pole ise selleks suuteline (19).

Kuhu edasi?

Kui vaadata mikrobioomiuuringute tulevikku, siis võib eeldada, et need on saamas väga oluliseks osaks inimese tervise uuringutes. Seetõttu on alustatud populatsioonipõhiste mikrobioomi biopankade loomist või on asutud juba olemasolevaid biobankasid täiendama mikrobioomi andmetega. Populatsioonipõhised uuringud võimaldavad leida nii haiguste ja ravimite vahelisi seoseid kui ka välja töötada ennustavaid mudeleid haiguste varajaseks diagnoosimiseks.

Mikrobioomiuuringud liiguvad seoste kirjeldamisest aina rohkem funktsionaalsete katsete suunas, et selgitada välja mikroobide põhjuslikke seoseid haiguse ja ravi ning mikrobioota muutuste vahel. Sellest tulenevalt ilmselt tekivad ja/või täpsustuvad ka mikrobioota teadmistel põhinevad raviskeemid.

Tartu Ülikooli genoomika instituudi mikrobioomika töögrupis on käimas mitmed projektid, mille fookuses on uurida mikrobioomi seoseid inimese tervisega (nt mikrobioomi muutused jämesoolevähi varajasemaks diagnoosiks, mikrobioomi ja ravimite vahelisi seoseid jne). Lisaks oleme täiustanud geenivaramu biopanka, kogudes üle 2500-l geenidoonoril soole ja suu mikrobioomi proovi, mis võimaldab tuvastada mikrobioomi mõjutavaid tegureid ning leida seoseid erinevate haiguste ning ravimitega. Nagu ikka teaduses – me elame huvitaval ajal.

Artikkel ilmus mai Lege Artises.

Kasutatud kirjandus:

1. Microbiology, N. Nature milestones: Human microbiota research. Nature (2019).

2. Gacesa, R. et al. The Dutch Microbiome Project defines factors that shape the healthy gut microbiome. bioRxiv 2020.11.27.401125 (2020). doi:10.1101/2020.11.27.401125

3. Huttenhower, C. et al. Structure, function and diversity of the healthy human microbiome. Nature 486, 207–214 (2012).

4. Qin, J. et al. A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing. Nature 464, 59 (2010).

5. Gilbert, J. A. et al. Current understanding of the human microbiome. (2018). doi:10.1038/nm.4517

6. Clemente, J. C., Ursell, L. K., Parfrey, L. W. & Knight, R. The impact of the gut microbiota on human health: An integrative view. Cell 148, 1258–1270 (2012).

7. Fan, Y. & Pedersen, O. Gut microbiota in human metabolic health and disease. doi:10.1038/s41579-020-0433-9

8. Sepich-Poore, G. D. et al. The microbiome and human cancer. Science 371, (2021).

9. Durack, J. & Lynch, S. V. The gut microbiome: Relationships with disease and opportunities for therapy. J. Exp. Med 216, 20–40 (2018).

10. Yachida, S. et al. Metagenomic and metabolomic analyses reveal distinct stage-specific phenotypes of the gut microbiota in colorectal cancer. Nat. Med. 25, 968–976 (2019).

11. Wirbel, J. et al. Meta-analysis of fecal metagenomes reveals global microbial signatures that are specific for colorectal cancer. Nat. Med. 25, 679–689 (2019).

12. Pleguezuelos-Manzano, C. et al. Mutational signature in colorectal cancer caused by genotoxic pks + E. coli. Nature 580, 269–273 (2020).

13. Wong, S. H. & Yu, J. Gut microbiota in colorectal cancer: mechanisms of action and clinical applications. Nature Reviews Gastroenterology and Hepatology 16, 690–704 (2019).

14. Roberts, A. B. et al. Development of a gut microbe–targeted nonlethal therapeutic to inhibit thrombosis potential. Nat. Med. 24, 1407–1417 (2018).

15. Maier, L. et al. Extensive impact of non-antibiotic drugs on human gut bacteria. Nature 555, 623–628 (2018).

16. LaCourse, K. D., Johnston, C. D. & Bullman, S. The relationship between gastrointestinal cancers and the microbiota. Lancet Gastroenterol. Hepatol. 0, (2021).

17. Savage, N. The complex relationship between drugs and the microbiome. Nature 577, S10–S11 (2020).

18. Sharma, A., Buschmann, M. M. & Gilbert, J. A. Pharmacomicrobiomics: The Holy Grail to Variability in Drug Response? Clin. Pharmacol. Ther. 106, 317–328 (2019).

19. Isabella, V. M. et al. Development of a synthetic live bacterial therapeutic for the human metabolic disease phenylketonuria. Nat. Biotechnol. 36, 857–867 (2018).