Rob Knight Ako nás vďaka našim mikróbom robíme tým, kým sme TED Talk Titulky a prepis TED
Zdravie nášho tela bolo pre nás vždy dôležité, ale nie vždy sme vedeli, čo je dôležité. Vezmime si napríklad starých Egypťanov, ktorí si niektoré časti tela uchovali na ďalší život a odstránili ďalšie časti, napríklad túto. Pri starostlivej konzervácii žalúdka, pľúc, pečene atď. Rozštvrtili mozog, vybrali ho nosom a vyhodili ho. Dáva to tiež zmysel, kto potrebuje mozog? Čo keby sme mali nejaký zanedbávaný orgán, rovnakej hmotnosti ako mozog a v niektorých ohľadoch rovnako individuálne charakteristický, ktorému však sotva rozumieme a ktorý sa následne podceňuje? Mohli by nové dôkazy naznačovať, že tento orgán je pre nás kritický, nechceli by ste o ňom vedieť viac? V skutočnosti máme niečo také: naše črevá - presnejšie povedané, ich mikróby. Dôležité sú nielen črevné mikróby,
skôr mikróby v tele ovplyvňujú mnoho našich charakteristických vlastností. Napríklad niektorých z nás komáre štípu oveľa častejšie ako iných. Táto legenda o kempingu je skutočne pravdivá. Hryzú ma komáre B. zriedka, ale moja partnerka Amanda láka celé roje. Dôvodom sú rôzne kožné mikróby
a ich vylučované látky, ktoré komáre vnímajú. Okrem toho sú mikróby z lekárskeho hľadiska veľmi dôležité. Takto naše črevné mikróby rozhodujú, či sú niektoré lieky proti bolesti toxické pre pečeň alebo či liek lieči srdcové choroby.
U ovocných mušiek rozhodujú mikróby, s kým majú sexovať. Toto sme zatiaľ u ľudí nepreukázali, ale môže to byť len otázka času. (Smiech) Mikróby vykonávajú nespočetné množstvo funkcií. Podporujú naše trávenie, stimulujú náš imunitný systém a pomáhajú nám v boji proti chorobám,
a možno dokonca ovplyvňujú naše správanie. Ako vyzerá mapa všetkých týchto asociácií mikróbov? Nie presne ako tento, ktorý v skutočnosti ilustruje jeho biodiverzitu. Rôzne oblasti nášho sveta sa vyznačujú charakteristickými krajinami a organizmami, ako je uvedené v týchto 3 príkladoch. Mikrobiológia je podobná, aj keď musím uznať, že všetky mikróby vyzerajú pod mikroskopom rovnako. Namiesto vizuálneho určenia sa pozrieme na jeho DNA sekvenciu. V rámci projektu „Human Microbiome Project“ financovaného NIH sumou 155 miliónov eur sa stovky vedcov spojili, aby zmapovali As, Ts, Gs a Cs všetkých ľudských mikróbov. Celkovo to vyzerá takto. Ťažko povedať, kto kde býva, správne?
Moje laboratórium vyvíja technológie podporované počítačom, aby terabajty sekvencií DNA dostali do čistej podoby. Údaje o ľudskom mikrobióme od 250 zdravých dobrovoľníkov vyzerajú takto. Každý bod predstavuje všetky zložité mikróby v celej mikrobiálnej asociácii. Povedal som, že áno, všetky vyzerajú rovnako. Každý jeden bod predstavuje mikrobiálne spojenie oblasti tela zdravého účastníka. Vidíte rôzne oblasti displeja rôznymi farbami, takmer ako samostatné kontinenty. Rôzne časti tela majú rôzne mikróby. Tu máme orálnu flóru zelenú; kožná flóra naproti v modrej farbe; vaginálna flóra fialová a na dne črevná flóra hnedá. Iba v posledných niekoľkých rokoch sme zistili, že mikróby v rôznych častiach tela sú veľmi odlišné. Ak porovnáte mikróby v ústach a črevách človeka, nájdeme medzi týmito mikrobiálnymi asociáciami obrovské rozdiely. Rozdiel je väčší ako medzi mikróbmi na tomto útese a v tejto prérii. To je dosť pozoruhodné. Vzdialenosť pol metra v ľudskom tele vykazuje väčšie mikrobiologické rozdiely ako stovky kilometrov na Zemi.
Okrem toho sú baktérie v rovnakých oblastiach tela u každého človeka odlišné. Určite viete, že všetci ľudia majú veľmi podobnú DNA. Vaša DNA je z 99,99% identická s DNA osoby, ktorá sedí vedľa vás. Toto sa nevzťahuje na vašu črevnú flóru; čo zodpovedá iba 10% s črevnou flórou vášho suseda. To zodpovedá rozdielu medzi baktériami v tejto prérii a v tomto lese.
Ako už bolo spomenuté, rôzne mikróby majú rôzne funkcie: trávenie potravy, ovplyvňovanie rôznych chorôb, odbúravanie drog atď. Ako však toto všetko robia? Naše črevné mikróby vážia iba 1,5 kg, ale prevyšujú nás. Koľko ich je vo väčšine? Závisí to od toho, ako si definujeme svoje telo. Zoberme bunky. Každý z nás je tvorený asi 10 biliónmi buniek, zatiaľ čo v sebe skrývame až 100 biliónov mikrobiálnych buniek. Takže si nad nami nadradený 10: 1. Alebo hovoríme, že nás formuje ľudská DNA. Každý z nás má okolo 20 000 génov, podľa toho, ako rátate, a 2 až 20 miliónov mikrobiálnych génov. Bez ohľadu na to, ako sa na to pozeráte, sú naše mikrobiálne symbionty ohromne početné. Nielenže zanechávame ľudskú DNA, ale aj mikrobiálnu DNA, na všetkom, čoho sa dotkneme.
Pred niekoľkými rokmi sme v štúdii ukázali, že dlaň dlane človeka možno priradiť k jeho pravidelne používanej počítačovej myši s presnosťou 95%. Toto bolo vedecky publikované pred niekoľkými rokmi a objavilo sa to aj v sérii „CSI: Miami“, potom to musí byť pravda. (smiech)
Odkiaľ pochádzajú naše mikróby? Ak rovnako ako ja máte psy a deti, určite budete mať zlé predpoklady, ktoré sú mimochodom všetky pravdivé. Nielen mikróby vo vašom počítačovom vybavení sa zhodujú s vami, ale aj s vašimi psami. Mikrobiálne asociácie u dospelých sú však relatívne stabilné, aj keď s niekým žijete, svoju mikrobiálnu identitu si môžete uchovať týždne, mesiace, dokonca roky.
Naše prvé mikrobiálne asociácie sú určené spôsobom, akým sa narodíme. Deti narodené normálne majú mikróby vaginálnej flóry, zatiaľ čo deti narodené cisárskym rezom majú kožné mikróby. Môže existovať súvislosť medzi zdravotnými problémami a pôrodom cisárskym rezom. Napríklad s mikróbmi súvisia zvýšené prípady astmy, alergií alebo dokonca obezity. Cicavce sa donedávna rodili iba pôrodnými cestami. Nedostatok týchto ochranných mikróbov, s ktorými sme sa vyvinuli, by mohol byť dôvodom rôznych symptómov súvisiacich s mikrobiómom.
Keď sa mi pred pár rokmi narodila dcéra urgentným cisárskym rezom, rozhodli sme sa, že jej telo vystavíme pošvovej flóre, ako je to v prípade prirodzeného pôrodu. Je ťažké povedať, či to malo vplyv na ich zdravie. Aj keď ich milujeme, ich jednotlivé prípady neumožňujú všeobecné vyhlásenie. Teraz má 2 roky a ešte nemala infekciu ucha. Držme palce. Teraz skúmame viac detí v klinických štúdiách a overujeme, či to má všeobecne ochranný účinok.
Typ narodenia určuje naše prvé mikróby.
Čo bude potom? Tu sú opäť údaje z projektu Human Microbiome Project. Každý bod predstavuje oblasť tela jedného z 250 zdravých dospelých účastníkov. Viete, ako sa deti vyvíjajú fyzicky a psychicky. Tu môžete prvýkrát vidieť, ako sa mikrobiálne vyvíja dieťa môjho kolegu. Vidíme, ako sa mikróby stolice tohto dieťaťa, črevná flóra, menia v týždenných intervaloch takmer 2 a pol roka. Počnúc 1. dňom, žltým bodom, najskôr vidíme vaginálnu flóru, ako sa dalo čakať od narodenia. V priebehu 2,5 roka sa pohybuje smerom nadol a na konci pripomína črevnú flóru zdravého dospelého človeka. Ideme na to. Sledujte, čo sa stane. Každý skok zodpovedá týždňu.
Týždenná zmena mikróbov v stolici u tohto dieťaťa je väčšia ako rozdiel medzi zdravými dospelými, kohortou Human Microbiome Project, ktorá je uvedená hnedou farbou nižšie. Ako vidíte, teraz dosahuje črevnú flóru dospelého človeka. Teraz sú to už asi 2 roky. Teraz sa stane niečo pozoruhodné, pretože kvôli infekcii ucha dostal antibiotiká, a potom nasledovala obrovská zmena jeho črevnej flóry, ktorá sa rýchlo vrátila do normálu. Ešte raz ti ukážem. Počas týchto niekoľkých týždňov vidíme silný neúspech, väčší ako v mesiacoch vývoja, ktorý sa okamžite opäť normalizuje. Na konci videa 838, na konci videa, mal napriek účinkom antibiotika črevnú flóru zdravého dospelého človeka.
Je to veľmi zaujímavé, pretože to prináša zásadné otázky. Aký vplyv majú antibiotiká na deti? Akú úlohu hrá vek? Je ošetrenie malých detí kritické, pretože mikrobióm sa tak veľmi mení, alebo je to ako kameňom dohodil do búrlivého mora, kde sa pohybujúce kruhy stierajú vlnami? Ak sú deti liečené antibiotikami v prvých 6 mesiacoch, je pravdepodobnejšie, že budú obézne neskôr ako bez liečby alebo po neskoršej liečbe. Účinok včasnej liečby na črevnú flóru a neskoršie zdravie sa považuje za obrovský a stále sa mu zle rozumie. To je pôsobivé. Antibiotiká spôsobujú nielen rezistentné baktérie, čo je dôležitý problém, ale môžu tiež ničiť našu črevnú flóru. Je potrebné sa obávať, že jedného dňa pohrdneme antibiotikami a tiež kovovými nástrojmi, ktoré používali starí Egypťania na rozštiepenie mozgov mŕtvol skôr, ako boli mumifikované.
Spomenul som všetky dôležité funkcie mikróbov. Za posledných pár rokov boli spojené s celým radom chorôb, vrátane zápalových ochorení čriev, srdcových chorôb, rakoviny hrubého čreva a dokonca aj obezity. Verí sa, že to má veľký vplyv na obezitu. Vyšetrenie črevnej flóry dnes môže predpovedať 90% bez ohľadu na to, či je človek obézny alebo nie. Je to pôsobivé, ale zanedbateľné ako lekárske vyšetrenie, pretože obéznych ľudí spoznáme bez analýzy ich črevnej flóry. Ale aj sekvencia kompletného genómu, ľudská DNA, by predpovedala obezitu iba s 60% pravdepodobnosťou. Pôsobivé, že? 1,5 kg mikróbov, ktoré prenášame, je pre niektoré choroby dôležitejšie ako akýkoľvek gén v našom genóme.
U myší je toho možné oveľa viac. S mikróbmi u myší sú spojené rôzne ochorenia, vrátane nasledujúcich. Skleróza multiplex, depresia, autizmus a obezita. Ale sú mikrobiálne rozdiely príčinou alebo následkom týchto chorôb? Aby sme si to objasnili, môžeme chovať myši v sterilnom prostredí bez ich vlastných mikróbov. Potom môžeme pridať potenciálne zaujímavé mikróby a sledovať ich vývoj. Ak vezmeme mikróby z obéznej myši a presadíme ich do geneticky normálnej myši, ktorá bola vypestovaná v prostredí bez mikróbov, myš bude tučnejšia ako v prípade mikróbov z normálnej myši. Dôvod je fascinujúci. Mikróby niekedy pomáhajú efektívnejšie stráviť jedlo, aby bol väčší energetický zisk. V iných prípadoch menia mikróby správanie myší tak, že zožerú viac ako normálna myš a tuknú iba pri neobmedzenom jedle.
Veľmi pozoruhodné, že? Takže mikróby ovplyvňujú správanie cicavcov. Funguje tento experiment aj medzi druhmi? Tiež ak vezmete mikróby od obézneho človeka a transplantujete ich do myší bez mikróbov, myši budú hrubšie ako mikróby od chudého človeka. Môžeme tiež vytvoriť mikrobiálny obväz, ktorý nespôsobí prírastok hmotnosti
alebo ktorý pomáha proti podvýžive. Gatesova nadácia financuje projekt na štúdium detí v Malawi, ktoré majú kwashiorkor, ťažkú formu podvýživy. Ak sa mikróby kwashiorkor transplantujú do myší, stratia 30% svojej hmotnosti za 3 týždne. Ak budete dodržiavať rovnakú stravu arašidového masla ako deti na klinike, získate späť svoju normálnu váhu. Ak však myši dostanú mikróby od zdravého dvojčaťa komunity Kwashiorkor, nič sa nedeje. To je skvelé, pretože to môže umožniť terapeutické pokusy s črevnou flórou jednotlivcov u mnohých myší a následne vývoj individuálnych terapií.
Každý by mal mať možnosť podieľať sa na tomto vývoji. Pred niekoľkými rokmi sme zahájili projekt American Gut [Gut], kde si každý môže nájsť svoje miesto na mikrobiálnej mape. Dnes je s viac ako 8 000 registrovanými účastníkmi najväčší vedecký crowdfundingový projekt. Pošlete svoju vzorku, určíme DNA mikróbov a výsledok pošleme späť. Výsledky tiež anonymne zverejňujeme pre vedcov, pedagógov a občanov, ktorí majú záujem, aby sme im umožnili prístup k údajom. Návštevníkom nášho laboratória v BioFrontiers Institute vysvetľujeme, že výkaly vyšetrujeme pomocou laserov a robotov, čo však nemusí zaujímať každého. (Smiech) Určite vás to zaujíma, preto som priniesol niekoľko balíčkov, ktoré si môžete vziať, ak si to chcete vyskúšať sami.
Prečo to robíme? Nielen, že môžeme použiť mikróby na hodnotenie nášho zdravia, ale môžeme aj liečiť choroby. Toto sa nám nedávno podarilo nakresliť spolu s kolegami z University of Minnesota. Tu je opäť zastúpenie ľudského mikrobiómu. Tentokrát pridávam mikróby od ľudí s C. difficile, závažným hnačkovým ochorením, ktoré si vyžaduje, aby ste ich museli podstúpiť až 20-krát denne. Antibiotická liečba počas 2 rokov bola neúspešná, kým sa nestali kandidátmi na tento pokus. Čo sa stane, ak pacientovi transplantujeme časť stolice od zdravého darcu, ktorý je dole označený ako hviezda? Bojujú dobré mikróby so zlými a podporujú hojenie? Uvidíme, čo sa stane. Štyria z týchto pacientov teraz dostanú transplantát od zdravého darcu úplne dole. Môžete vidieť, ako sa črevná flóra okamžite radikálne zmení. Jeden deň po transplantácii všetky príznaky ustúpia, hnačky ustúpia, pacienti sú opäť zdraví a pripomínajú črevnú flóru darcu. A nedochádza k relapsu. (Potlesk)
Sme na úplnom začiatku tohto objavu. Začíname chápať, že mikróby ovplyvňujú tieto choroby, od chronických čriev až po obezitu, možno aj autizmus a depresie. Musíme vyvinúť akýsi druh mikrobiálneho GPS, ktorý nám ukáže nielen to, kde sa momentálne nachádzame, ale aj to, aký je náš cieľ a ako ho môžeme dosiahnuť. A musí to byť také jednoduché, aby to mohlo používať aj dieťa. (smiech)