Mikrobiota jelitowa - funkcje i znaczenie dla człowieka

Mikrobiota jelitowa to złożony ekosystem bilionów komórek drobnoustrojów, takich jak: bakterie, archeony i eukarionty (rys. 1). Wśród organizmów zasiedlających jelita znajdują się również cząstki wirusowe. Mikrobiota jelitowa jest niezbędna do prawidłowego funkcjonowania organizmu człowieka i bierze udział w wielu procesach metabolicznych, w tym biosyntezie witamin, aminokwasów, krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych, uczestniczy w rozwoju układu immunologicznego czy stanowi barierę ochronną przed patogenami. Zaburzenia i zmiany w składzie mikrobioty jelitowej, zwane dysbiozą, są związane z różnymi stanami chorobowymi, takimi jak choroby zapalne jelit, otyłość, cukrzyca czy zaburzenia neurologiczne. Jednym z najmniej poznanych składowych mikrobiomu jelitowego są bakteriofagi (fagi), czyli wirusy ukierunkowane wyłącznie na eradykację bakterii. Bakteriofagi są najliczniejszym składnikiem mikrobioty jelitowej – fageom tworzy 10¹⁵ cząstek wirusowych (zarówno litycznych, jak i lizogennych). Uważa się, że fagi odgrywają kluczową rolę w regulowaniu składu i funkcjonowaniu ludzkiego mikrobiomu jelitowego.

Rys. 1. Mikrobiota i makrobiota człowieka. (źródło: Rowan-Nash i wsp. (2019): Cross-Domain and Viral Interactions in the Microbiome)

Fagi jako składnik mikrobioty jelitowej - fageom jelitowy

Społeczność fagów u dorosłych osób jest stosunkowo stabilna i składa się głównie z członków rzędu Caudovirales (fagi o budowie złożonej), rodziny Microviridae oraz dużej liczby innych fagów niesklasyfikowanych. Zdrowe osoby posiadają unikalny fageom, którego nie więcej niż 5% obejmuje fagi stanowiące tak zwany rdzeń wspólny dla wszystkich osób. Strukturę i funkcje społeczności fagów jelitowych kształtuje wiele czynników. Wpływa na nie zarówno środowisko, jak i pozostałe mikroorganizmy wchodzące w skład mikrobioty jelitowej czy układ immunologiczny gospodarza. Rozkład fagów w jelicie jest zróżnicowany. W górnej części błony śluzowej jelita znajdują się głównie wirusy lizogenne, ponieważ występują tam liczni żywiciele, natomiast w głębszych warstwach błony śluzowej jelita przeważają wirusy lityczne, bowiem populacja gospodarzy bakteryjnych jest tam mniej liczna (rys. 2).

Rys. 2. Rozkład fagów w jelicie. (źródło: Townsend i wsp. (2021): The Human Gut Phageome: Origins and Roles in the Human Gut Microbiome)

Interakcje fag - gospodarz bakteryjny

Bakteriofagi mogą powielać się w drodze różnych cykli,z czego najbardziej znane są lizogenia (w przypadku fagów umiarkowanych, łagodnych) oraz cykl lityczny (który charakteryzuje fagi zjadliwe) (rys. 3). Fagi mogą wybierać najbardziej dla nich optymalny cykl rozwojowy w zależności od warunków środowiska. W cyklu litycznym fagi przekierowują cały metabolizm komórki gospodarza na syntezę nowych cząstek fagowych, która kończy się enzymatycznym rozerwaniem komórki bakteryjnej i uwolnieniem wirusów potomnych. W cyklu lizogennym
z kolei genom wirusa ulega integracji z chromosomem bakteryjnym i fagi funkcjonują w postaci profagów. Genom fagów ulega replikacji razem z genomem bakteryjnym i jest przenoszony w kolejnych pokoleniach bakterii. Jest to sposób fagów na przetrwanie w środowisku, a w przypadku zmiany warunków może dochodzić do indukcji profagów w fagi wirulentne.

W toku ewolucji bakterie wykształciły szereg mechanizmów oporności na infekcje fagowe, które działają na poszczególnych jej etapach. Może dochodzić do inhibicji adsorpcji czy do blokowania iniekcji fagowego materiału genetycznego.
W cytoplazmie komórki może dochodzić do endonukleolitycznego trawienia fagowego DNA przez systemy restrykcji-modyfikacji, jak również aktywacji systemu abortywnej infekcji, która prowadzi do przedwczesnej śmierci komórki. W przypadku fagów lizogennych może dochodzić do celowanego niszczenia fagowego DNA przez system CRISPR/Cas. Inną ochroną bakterii jest mechanizm DISARM – system wyspy obronnej związany z restrykcją-modyfikacją oraz indukowane przez fagi wyspy chromosomalne u bakterii Gram-dodatnich, które mają zdolność do zakłócania reprodukcji niektórych fagów.

Rys. 3. Różnice w cyklach litycznym i lizogenicznym u bakteriofagów. (źródło: Tsu i wsp. (2021): Intestinal virome and therapeutic potential of bacteriophages in liver disease)

Interakcje fag - człowiek

Fagi obecne w jelitach to przede wszystkim profagi z rzędu Caudovirales, które infekują Gram-ujemne, bezwzględnie beztlenowe bakterie z rodzaju Bacteroidetes. Oprócz oddziaływania fagów z bakteriami, mogą one również wchodzić w interakcje z komórkami eukariotycznymi przewodu pokarmowego, a poprzez penetrację warstwy komórek nabłonkowych rozprzestrzeniać się na różne obszary ciała. Do penetracji komórek może dochodzić na rożne sposoby – poprzez wnikanie bakterii
z profagami do komórek nabłonka czy swobodne pobieranie cząstek fagowych przez komórki eukariotyczne na drodze endocytozy.

Błona śluzowa przewodu pokarmowego to naturalne siedlisko społeczności drobnoustrojów, które stanowią pierwszą linię obrony przed patogenami. Bakteriofagi mają również zdolność do przylegania do powierzchni błony śluzowej, przez co mogą modulować kolonizację i patogenność drobnoustrojów. Bakteriofagi wiążą się białkami kapsydu z resztami glikanowymi eksponowanymi na glikoproteinach mucyny, a dokładniej przez domeny Ig-podobne obecne w białkach kapsydu. Bakteriofagi przyległe do śluzu w jelicie zapobiegają w ten sposób kolonizacji przez patogeny i mają większe prawdopodobieństwo napotkania gospodarza bakteryjnego niż fagi swobodne.

Bakteriofagi jako obce cząstki białkowo-nukleinowe są rozpoznawane przez układ odpornościowy, co indukuje wytwarzanie różnych klas przeciwciał przeciwko fagom. Najczęściej w początkowym etapie dochodzi do wytwarzania przeciwciał IgM. Po wielokrotnej ekspozycji na fagi obserwuje się wzrost poziomu przeciwciał IgG. Następuje również wzrost poziomu przeciwciał IgA, które budują barierę immunologiczną na powierzchni błon śluzowych. Po wejściu do organizmu bakteriofagi są fagocytowane przez komórki dendrytyczne i makrofagi, które prezentują antygen fagowy naiwnym limfocytom T CD4+. Prowadzi to do aktywacji komórek T, które prezentują antygen komórkom B. Różnicowanie limfocytów B skutkuje powstaniem komórek plazmatycznych, które wytwarzają przeciwciała przeciwko fagom.

Fagobiotyki

Nowatorskim podejściem wydaje się wykorzystanie fagów litycznych w roli probiotyków/suplementów diety do eliminacji „problematycznych” bakterii. Kluczowa różnica między probiotykami bakteryjnymi a probiotykami opartymi na fagach litycznych (fagobiotykami) polega na tym, że te pierwsze wykorzystują niepatogenne bakterie do zakłócania zdolności bakterii chorobotwórczych do kolonizacji i wywoływania chorób, podczas gdy te ostatnie wykorzystują faga litycznego do niszczenia określonych bakterii chorobotwórczych przy jednoczesnym zachowaniu społeczności komensalnej. Oczekuje się, że fagobiotyki będą miały łagodny wpływ na ogólną mikrobiotę ze względu na ich wysoką specyficzną aktywność przeciwko określonym gatunkom bakterii oraz że będą kompatybilne – a właściwie synergiczne – z probiotykami opartymi na bakteriach.

Preparaty i terapie bakteriofagowe (fagoterapia) poza Unią Europejską są stosowane głównie
w Gruzji i Rosji. W Polsce fagoterapię stosowano szerzej przed wejściem w struktury UE. We Wrocławiu przy Instytucie Immunologii i Terapii Doświadczalnej im. Ludwika Hirszfelda Polskiej Akademii Nauk funkcjonuje Ośrodek Terapii Fagowej. Ośrodek ten jako jedyny w Unii Europejskiej prowadzi doświadczalną terapię fagową.

Jednym z preparatów opartych na bakteriofagach jest zarejestrowany w Gruzji produkt farmaceutyczny o nazwie Intesti Bacteriophage (rys. 4). Produkt ten jest preparatem złożonym z mieszanki sterylnie filtrowanych lizatów fagowych. Warto zwrócić uwagę na jego szerokie spektrum działania - wykazuje skuteczność w zwalczaniu chorób takich jak: czerwonka, salmonelloza, niestrawność, infekcyjne zapalenie jelita grubego, zapalenie jelit czy dysbakterioza. Ponadto, preparat poza stosowaniem w leczeniu może być aplikowany również profilaktycznie. Podczas stosowania preparatu nie stwierdzono objawów przedawkowania, ani żadnych skutków ubocznych, w tym wpływu na zdolność prowadzenia pojazdów. Preparat może być stosowany równolegle lub uzupełniająco z innymi lekami, również
w okresie ciąży i laktacji oraz przez osoby starsze.

Podejście fagobiotyczne może doprowadzić do powstania nowych strategii poprawy zdrowia ludzi poprzez zapobieganie chorobom niezakaźnym wywoływanym przez jeden lub więcej gatunków bakterii w przewodzie pokarmowym – otyłości czy niektórym rodzajom raka (związanym np.
z Salmonella Typhi czy Bacteroides fragilis zwanych czasem „onkobakteriami”). Wykazano ścisłą zależność między rakiem wątroby i dróg żółciowych, a przewlekłą infekcją pęcherzyka żółciowego wywołaną przez S. Typhi. Zatem fagi, które będą atakować te Gram-ujemne pałeczki, mogą zmniejszyć częstość występowania niektórych typów nowotworów złośliwych.

Rys. 4. Zatwierdzony w Gruzji preparat Intesti Bacteriophage. (źródło: https://www.myphages.com/products/intesti-bacteriophage)

Możliwości wykorzystania fagów w modulowaniu mikrobiomu jelitowego człowieka

Patogeneza różnych chorób człowieka związana jest ze zmianami mikrobioty przewodu pokarmowego. Jednym z najlepiej opisanych przykładów interakcji fagów z jelitowymi komórkami eukariotycznymi w przebiegu choroby jest nieswoiste zapalenie jelit. Przeszczep mikrobioty jelitowej czy wiriomów wywołuje zmiany w mikrobiomie, co może prowadzić do zmniejszenia stanu zapalnego i złagodzenia objawów choroby poprzez selektywne niszczenie komórek bakteryjnych. Dodatkowo, interakcje bakteriofagów z komórkami układu immunologicznego mogą wpływać na eliminację bakterii, co może wskazywać na nowe sposoby leczenia lub diagnozowania nieswoistego zapalenia jelit.

Jedną z możliwości wykorzystania fagów jest terapia fagowa, która polega na modulacji fageomu, a następnie bakteriomu pacjenta z chorobą o podłożu bakteryjnym. W dobie narastającej wielolekooporności bakterii terapia fagowa może być właściwym podejściem do leczenia trudnych zakażeń, których czynnikiem etiologicznym są oporne bakterie.

Alternatywą dla fagów mogą być oczyszczone enzymy fagowe - enzybiotyki. Enzybiotyki uznawane są za alternatywę dla antybiotyków, a w przeciwieństwie do fagów, ich zastosowanie może budzić mniej kontrowersji w społeczeństwie.

Podsumowanie

Podsumowując, w walce z bakteriami możliwe jest wykorzystywanie różnych strategii eliminacji patogenów. W praktyce medycznej wykorzystywane są leki przeciwdrobnoustrojowe, w tym antybiotyki oraz terapia fagowa, która aktualnie jest mocno ograniczona. Alternatywą dla wirusów bakteryjnych są enzybiotyki, których wykorzystanie uniemożliwia ryzyko transferu genów antybiotykooporności czy udziału w horyzontalnym transferze genów.

Badania nad interakcjami fag-gospodarz bakteryjny-człowiek stanowią szansę na wprowadzenie nowych form terapii fagowej. Jednym z wyzwań stojących na drodze implementacji tych innowacyjnych metod leczenia jest fakt, że odpowiedź immunologiczna człowieka może ograniczać skuteczność terapeutyczną niektórych fagów. Zrozumienie wzajemnych zależności będzie kluczowe dla zaprojektowania w przyszłości terapii fagowej przy jednoczesnym ograniczeniu hamowania aktywności przeciwbakteryjnej fagów ze strony układu immunologicznego człowieka, jak również wykorzystaniu inicjowanej przez wirusy odpowiedzi immunologicznej w celu wzmożenia ich przeciwdrobnoustrojowego działania.

Bibliografia dla żądnych większej dawki wiedzy:

1. Rowan-Nash, A. D., Korry, B. J., Mylonakis, E., & Belenky, P. (2019). Cross-domain and viral interactions in the microbiome. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 83(1), e00044-18.
2. Townsend, E. M., Kelly, L., Muscatt, G., Box, J. D., Hargraves, N., Lilley, D., & Jameson, E. (2021). The human gut phageome: origins and roles in the human gut microbiome. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 498.
3. Manrique, P., Dills, M., & Young, M. J. (2017). The human gut phage community and its implications for health and disease. Viruses, 9(6), 141.
4. Hsu, C. L., Duan, Y., Fouts, D. E., & Schnabl, B. (2021). Intestinal virome and therapeutic potential of bacteriophages in liver disease. Journal of Hepatology, 75(6), 1465-1475.
5. Moghadam, M. T., Amirmozafari, N., Shariati, A., Hallajzadeh, M., Mirkalantari, S., Khoshbayan, A., & Jazi, F. M. (2020). How phages overcome the challenges of drug resistant bacteria in clinical infections. Infection and Drug Resistance, 13, 45.
6. Dy, R. L., Richter, C., Salmond, G. P., & Fineran, P. C. (2014). Remarkable mechanisms in microbes to resist phage infections. Annual Review of Virology, 1, 307-331.
7. Podlacha, M., Grabowski, Ł., Kosznik-Kwaśnicka, K., Zdrojewska, K., Stasiłojć, M., Węgrzyn, G., & Węgrzyn, A. (2021). Interactions of bacteriophages with animal and human organisms—safety issues in the light of phage therapy. International Journal of Molecular Sciences, 22(16), 8937.
8. Federici, S., Nobs, S. P., & Elinav, E. (2021). Phages and their potential to modulate the microbiome and immunity. Cellular & Molecular Immunology, 18(4), 889-904.
9. Aleshkin, A. V., Ershova, O. N., Volozhantsev, N. V., Svetoch, E. A., Popova, A. V., Rubalskii, E. O., Borzilov, A. I., Aleshkin, V. A., Afanas'ev, S. S., Karaulov, A. V., Galimzyanov, K. M., Rubalsky, O. V. & Bochkareva, S. S. (2016). Phagebiotics in treatment and prophylaxis of healthcare-associated infections. Bacteriophage, 6(4), 40-6.
10. Dahlman, S., Avellaneda-Franco, L., & Barr, J. J. (2021). Phages to shape the gut microbiota?. Current Opinion in Biotechnology, 68, 89-95.
11. Gordillo Altamirano, F. L., & Barr, J. J. (2019). Phage therapy in the postantibiotic era. Clinical Microbiology Reviews, 32(2), e00066-18.
12. Danis-Wlodarczyk, K. M., Wozniak, D. J., & Abedon, S. T. (2021). Treating bacterial infections with bacteriophage-based enzybiotics: in vitro, in vivo and clinical application. Antibiotics, 10(12), 1497.
13. Federici, S., Kredo-Russo, S., Valdés-Mas, R., Kviatcovsky, D., Weinstock, E., Matiuhin, Y., ... & Elinav, E. (2022). Targeted suppression of human IBD-associated gut microbiota commensals by phage consortia for treatment of intestinal inflammation. Cell, 185(16), 2879-2898.

Autorzy

	mgr inż. Michał Wójcicki Technolog żywności ze specjalizacją biotechnologia i mikrobiologia żywności. Ukończył studia podyplomowe z biologii molekularnej oraz zarządzania antybiotykami. Doktorant w Instytucie Biotechnologii Przemysłu Rolno-Spożywczego im. prof. W. Dąbrowskiego - Państwowym Instytucie Badawczym, gdzie w Pracowni Biotechnologii i Inżynierii Molekularnej Zakładu Mikrobiologii prowadzi badania dotyczące wykorzystania bakteriofagów w przemyśle spożywczym. kontakt: michal.wojcicki@ibprs.pl
	mgr Paulina Średnicka Mikrobiolog, biolog molekularny. Doktorantka szkoły doktorskiej AgroBioTech PhD prowadząca badania dotyczące interakcji między mikrobiotą jelitową człowieka a związkami endokrynnie czynnymi. Absolwentka Uniwersytetu Łódzkiego na kierunku biotechnologia ze specjalnością mikrobiologiczną. Zainteresowania naukowe dotyczą toksykogenomiki i wpływu ksenobiotyków na mikrobiotę jelitową. kontakt: paulina.srednicka@ibprs.pl
	mgr inż. Olga Świder Technolog żywności ze specjalizacją biotechnologia i mikrobiologia żywności. Absolwentka studiów podyplomowych Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego - Dietetyka w chorobach wewnętrznych i metabolicznych. Doktorantka w Instytucie Biotechnologii Przemysłu Rolno-Spożywczego im. prof. W. Dąbrowskiego - Państwowym Instytucie Badawczym, gdzie w Zakładzie Bezpieczeństwa i Analizy Chemicznej Żywności prowadzi badania nad aminami biogennymi w żywności. kontakt: olga.swider@ibprs.pl
	mgr inż. Dziyana Shymialevich Biotechnolog ze specjalizacją biotechnologia żywności. Specjalista inżynieryjno-techniczny w Instytucie Biotechnologii Przemysłu Rolno-Spożywczego im. prof. W. Dąbrowskiego - Państwowym Instytucie Badawczym, gdzie w Kolekcji Kultur Drobnoustrojów Przemysłowych - Centrum Zasobów Mikrobiologicznych Zakładu Mikrobiologii prowadzi badania dotyczące wykorzystania bakteriofagów w przemyśle spożywczym. kontakt: diana.szymielewicz@ibprs.pl