Zdrowy mikrobiom kontra COVID-19

21
fot. Obraz licencjonowany przez Depositphotos.com/Drukarnia Chroma

Możesz tego nie wiedzieć, ale masz w sobie armię mikrobów, które są niezbędne do zwalczania zagrożeń, w tym wirusa wywołującego COVID-19.

W ciągu ostatnich dwudziestu lat naukowcy dowiedzieli się, że w naszych ciałach znajduje się więcej komórek bakteryjnych niż ludzkich. Ta społeczność bakterii, która żyje w nas i na nas – zwana mikrobiomem – przypomina firmę, w której każdy gatunek drobnoustrojów wykonuje specjalistyczne prace, ale wszystkie pracują, abyśmy byli zdrowi. W jelitach bakterie równoważą odpowiedź immunologiczną przeciwko patogenom. Bakterie te zapewniają, że odpowiedź immunologiczna jest skuteczna, ale nie tak gwałtowna, aby powodować dodatkowe uszkodzenia gospodarza.

Bakterie w naszych jelitach mogą wywołać skuteczną odpowiedź immunologiczną przeciwko wirusom, które nie tylko infekują jelita, takie jak norowirus i rotawirus, ale także infekującym płuca, takim jak wirus grypy. Korzystne drobnoustroje jelitowe robią to, nakazując wyspecjalizowanym komórkom odpornościowym produkcję silnych białek przeciwwirusowych, które ostatecznie eliminują infekcje wirusowe. Ciało osoby pozbawionej tych pożytecznych bakterii jelitowych nie będzie miało tak silnej odpowiedzi immunologicznej na atakujące wirusy. W rezultacie infekcje mogą pozostać niekontrolowane, odbijając się na zdrowiu.

Jestem mikrobiologiem zafascynowanym tym, jak bakterie kształtują zdrowie człowieka. Ważnym celem moich badań jest ustalenie, w jaki sposób pożyteczne bakterie zamieszkujące nasze jelita zwalczają choroby i infekcje. Moja ostatnia praca koncentruje się na związku między konkretnym drobnoustrojem a ciężkością COVID-19 u pacjentów. Moim ostatecznym celem jest ustalenie, jak wzmocnić mikrobiom jelitowy dietą, aby wywołać silną odpowiedź immunologiczną – nie tylko w przypadku SARS-CoV-2, ale wszystkich patogenów.

W jaki sposób obecne bakterie zapewniają zdrowie?

Nasza obrona immunologiczna jest częścią złożonej odpowiedzi biologicznej przeciwko szkodliwym patogenom, takim jak wirusy czy bakterie. Ponieważ nasze ciała są zamieszkane przez biliony pożytecznych bakterii, wirusów i grzybów, aktywacja naszej odpowiedzi immunologicznej jest ściśle regulowana, aby odróżnić szkodliwe i pomocne drobnoustroje.

Nasze bakterie są spektakularnymi towarzyszami, którzy pilnie pomagają naszemu układowi odpornościowemu w walce z infekcjami. Przełomowe badanie wykazało, że myszy leczone antybiotykami, które eliminują bakterie w jelitach, wykazywały upośledzoną odpowiedź immunologiczną. Zwierzęta te miały niską liczbę białych krwinek zwalczających wirusy, słabe odpowiedzi przeciwciał i słabą produkcję białka, które jest niezbędne do zwalczania infekcji wirusowych i modulowania odpowiedzi immunologicznej.

W innym badaniu myszy karmiono bakteriami Lactobacillus, powszechnie stosowanymi jako probiotyk w sfermentowanej żywności. Te drobnoustroje zmniejszyły ciężki przebieg zakażenia grypą. Myszy leczone Lactobacillus nie straciły na wadze i miały tylko łagodne uszkodzenie płuc w porównaniu z myszami nieleczonymi. Podobnie, inni odkryli, że leczenie myszy Lactobacillus chroni przed różnymi podtypami wirusa grypy i ludzkim wirusem syncytialnym układu oddechowego – główną przyczyną wirusowego zapalenia oskrzelików i zapalenia płuc u dzieci.

Sfermentowana żywność, taka jak kimchi, czerwone buraki, ocet jabłkowy, jogurt z mlekiem kokosowym, ogórki kiszone i kapusta kiszona mogą pomóc w dostarczaniu pożytecznych bakterii.

Przewlekłe choroby i drobnoustroje

Pacjenci z przewlekłymi chorobami, w tym cukrzycą typu 2, otyłością i chorobami układu krążenia, wykazują nadpobudliwy układ odpornościowy, który nie rozpoznaje nieszkodliwego bodźca i jest powiązany ze zmienionym mikrobiomem jelitowym.

W tych przewlekłych chorobach w mikrobiomie jelitowym brakuje bakterii, które aktywują komórki odpornościowe, które blokują odpowiedź na nieszkodliwe bakterie w naszych jelitach. Takie zmiany mikrobiomu jelitowego obserwuje się również u dzieci urodzonych przez cesarskie cięcie, osób stosujących złą dietę i osób starszych.

W Stanach Zjednoczonych 117 milionów osób – około połowa dorosłej populacji – cierpi na cukrzycę typu 2, otyłość, choroby układu krążenia lub na ich połączenie. To sugeruje, że połowa dorosłych Amerykanów nosi wadliwą armię mikrobiomów.

Badania w moim laboratorium koncentrują się na identyfikacji bakterii jelitowych, które są kluczowe dla stworzenia zrównoważonego układu odpornościowego, który zwalcza zagrażające życiu infekcje bakteryjne i wirusowe, jednocześnie tolerując pożyteczne bakterie w nas i na nas.

Biorąc pod uwagę, że dieta wpływa na różnorodność bakterii w jelitach, moje badania laboratoryjne pokazują, jak dietę można stosować jako terapię chorób przewlekłych. Stosując różne pokarmy, ludzie mogą zmienić mikrobiom jelitowy na taki, który wzmacnia zdrową odpowiedź immunologiczną.

U części pacjentów zakażonych SARS-CoV-2, wirusem wywołującym chorobę COVID-19, występują poważne powikłania wymagające hospitalizacji na oddziałach intensywnej terapii. Co łączy wielu z tych pacjentów? Starość i przewlekłe choroby związane z dietą, takie jak otyłość, cukrzyca typu 2 i choroby układu krążenia.

Osoby rasy czarnej i latynoskiej w nieproporcjonalnym stopniu są dotknięte otyłością, cukrzycą typu 2 i chorobami układu krążenia, z których wszystkie są związane ze złym odżywianiem. Dlatego nie jest przypadkiem, że te grupy poniosły więcej zgonów z powodu COVID-19 w porównaniu z białymi. Dzieje się tak nie tylko w Stanach Zjednoczonych, ale także w Wielkiej Brytanii.

Odkrywanie drobnoustrojów, które znamionują ciężki przebieg COVID-19

Pandemia COVID-19 zainspirowała mnie do zmiany moich badań i zbadania roli mikrobiomu jelitowego w nadmiernie agresywnej odpowiedzi immunologicznej przeciwko zakażeniu SARS-CoV-2.

Moi koledzy i ja postawiliśmy hipotezę, że krytycznie chorzy pacjenci z SARS-CoV-2 z chorobami takimi jak otyłość, cukrzyca typu 2 i choroby układu krążenia wykazują zmieniony mikrobiom jelitowy, który pogarsza zespół ostrej niewydolności oddechowej.

Uważa się, że zespół ostrej niewydolności oddechowej, zagrażającego życiu uszkodzenia płuc, u pacjentów z SARS-CoV-2 rozwija się w wyniku śmiertelnej nadmiernej reakcji odpowiedzi immunologicznej zwanej burzą cytokin, która powoduje niekontrolowany napływ komórek odpornościowych do płuc. U tych pacjentów ich własna niekontrolowana zapalna odpowiedź immunologiczna, a nie sam wirus, powoduje ciężkie uszkodzenie płuc i niewydolność wielonarządową prowadzącą do śmierci.

W kilku badaniach opisanych w jednym niedawnym przeglądzie zidentyfikowano zmieniony mikrobiom jelitowy u pacjentów z COVID-19. Niektóre firmy, w tym Seres Therapeutics, 4d Pharma PLC, Evelo Biosciences, VEDANTA bioscience i Finch Therapeutics, zwróciły ostatnio uwagę inwestorów na swoje prace nad terapiami chorób, w tym raka, depresji i chorób zapalnych jelit.

Brakuje identyfikacji konkretnych bakterii w mikrobiomie, których obecność mogłaby wskazywać na przebieg COVID-19.

Aby odpowiedzieć na to pytanie, wraz z kolegami zrekrutowaliśmy hospitalizowanych pacjentów z COVID-19 z ciężkimi i umiarkowanymi objawami. Zebraliśmy próbki kału i śliny, aby ustalić, czy bakterie w jelitach i mikrobiomie jamy ustnej mogą mieć związek z przebiegiem COVID-19. Identyfikacja markerów mikrobiomu, ma kluczowe znaczenie dla ustalenia priorytetów pacjentów wymagających pilnego leczenia.

W artykule, który nie był jeszcze recenzowany, wykazaliśmy, że skład mikrobiomu jelitowego jest najsilniejszym predyktorem ciężkiego przebiegu COVID-19 w porównaniu z powszechnie stosowanymi cechami klinicznymi pacjenta. W szczególności stwierdziliśmy, że obecność bakterii w kale – zwanej Enterococcus faecalis – była solidnym predyktorem ciężkości COVID-19. Nic dziwnego, że Enterococcus faecalis jest powiązany z przewlekłym stanem zapalnym.

Enterococcus faecalis pobrany z kału można wyhodować poza organizmem w laboratoriach klinicznych. Zatem test E. faecalis może być opłacalnym, szybkim i stosunkowo łatwym sposobem identyfikacji pacjentów, którzy mogą wymagać bardziej wspomagającej opieki i interwencji terapeutycznych w celu zwiększenia ich szans na przeżycie.

Jednak z naszych badań nie wynika jeszcze, jaki jest udział zmienionego mikrobiomu w odpowiedzi immunologicznej na zakażenie SARS-CoV-2. Niedawne badanie wykazało, że zakażenie SARS-CoV-2 wywołuje brak równowagi w komórkach odpornościowych zwanych komórkami regulatorowymi T, które są krytyczne dla równowagi immunologicznej.

Bakterie z mikrobiomu jelitowego są odpowiedzialne za prawidłową aktywację tych limfocytów T regulatorowych. Dlatego naukowcy tacy jak ja muszą pobierać wielokrotne próbki stolca pacjenta, śliny i krwi przez dłuższy czas, aby dowiedzieć się, w jaki sposób zmieniony mikrobiom obserwowany u pacjentów z COVID-19 może modulować nasilenie choroby COVID-19, być może poprzez zmianę rozwoju limfocytów T regulatorowych.

Jako latynoski naukowiec badający interakcje między dietą, mikrobiomem i odpornością, muszę podkreślić znaczenie lepszych praktyk poprawiających dostęp do zdrowej żywności, co prowadzi do zdrowszego mikrobiomu. Ważne jest również zaprojektowanie interwencji żywieniowych uwzględniających uwarunkowania kulturowe dla społeczności rasy czarnej i latynoskiej. Chociaż dobrej jakości dieta może nie zapobiec infekcji SARS-CoV-2, może leczyć podstawowe schorzenia związane z jej przebiegiem.

Ana Maldonado-Contreras
Adiunkt w dziedzinie mikrobiologii i systemów fizjologicznych, University of Massachusetts Medical School. Otrzymuje fundusze od The Helmsley Charitable Trust, a jej pracę wspiera Amerykańskie Stowarzyszenie Gastroenterologiczne. Otrzymała stypendium naukowo-badawcze Charlesa A. King Trust. Jest również członkiem Komitetu Różnorodności Amerykańskiego Towarzystwa Gastroenterologicznego.