op en in het menselijk lichaam leeft een groot aantal bacteriesoorten – het microbioom – dat bijdraagt tot onze gezondheid of ziekte. nieuwe revolutionaire analysetechnieken maken grootschalige projecten mogelijk, zoals het human microbiome project of het europese project metahit. ze willen inzicht verwerven in de complexe interacties tussen microbe en gastheer. die kennis kan immers leiden tot nauwkeuriger risicovoorspelling voor ziekten en tot nieuwe gepersonaliseerde therapieën.

Microben te gast

Mira Wouters

De geschiedenis van de interacties tussen microbe en gastheer voert ons 520 miljoen jaar terug in de tijd, toen de eerste complexe meercellige organismen ontstonden. Sindsdien ontwikkelen microbieel en complex meercellig leven zich samen. Uitgebreide fylogenetische studies over de evolutionaire geschiedenis van verwante bacteriële soorten toonden aan dat het microbioom evolueert op basis van coadaptatie. Met andere woorden, de selectie gebeurde via wederzijdse aanpassingen bij zowel de mens als gastheer, als bij de micro-organismen. Langs de gastheerzijde leidden toevallige mutaties via het principe van natuurlijke selectie tot een beter adaptatievermogen aan de microbiële achtergrond. Anderzijds is er een natuurlijke selectie van bacteriële stammen die steeds beter worden in het uitvoeren van gastheerfuncties, zoals voedselvertering en bescherming tegen pathogene of ziekteverwekkende bacteriën. De gastheer heeft er dus alle belang bij om een gemeenschap van micro-organismen te herbergen die vooral voordelen biedt.

De gastheer heeft er alle belang bij om een gemeenschap van micro-organismen te herbergen die vooral voordelen biedt

Het belang van het microbioom voor onze gezondheid werd in het verleden echter genegeerd of zwaar onderschat. Pas op het einde van de negentiende eeuw ging men bacteriële stammen in ons lichaam bestuderen door ze aan te rijken op selectieve groeimedia en ze vervolgens te isoleren. Louis Pasteur en Robert Koch leverden hier pionierswerk. De identificatie van de geïsoleerde stammen was gebaseerd op fenotypische kenmerken. In de vroege studies was er vooral interesse voor het isoleren van ziekteverwekkende stammen, tot later bleek dat er ook ‘goede’ bacteriën zijn. Het gros van de bacteriële stammen sterft echter tijdens het kweken buiten het menselijke lichaam. Daarom kunnen we met de klassieke kweektechnieken lang niet alle bacteriële stammen in ons lichaam in kaart brengen of hun bestaan in een staal aantonen. De opkomst van allerlei nieuwe technieken, gebaseerd op de genetische informatiedragers DNA en RNA, brengt daar nu voor het eerst verandering in.

Met behulp van analyses die op DNA gebaseerd zijn, worden enorme datasets gegenereerd. In de afgelopen tien jaar vond een explosie plaats aan beschrijvende analyses van initiatieven zoals het Human Microbiome Project (HMP) en het MetaHIT-project. MetaHIT (METAgenomics of the Human Intestinal Tract) is een Europees wetenschappelijk project dat de invloed van de darmbacteriën op onze gezondheid in kaart wil brengen. Het HMP-project karakteriseerde microbiële stalen van vijftien tot achttien verschillende plaatsen in het menselijk lichaam – in het spijsverteringsstelsel, de neus, de mond, de huid en het urogenitale stelsel. Vervolgens werden de stalen op twee verschillende tijdstippen afgenomen om zo verschillen in de tijd te detecteren. In totaal werden 690 stalen afgenomen bij 242 intensief doorgelichte gezonde vrijwilligers. De genetische informatie van de bacteriële stammen, de metagenoomdata genoemd, werd gegenereerd door de sequentie van het 16S ribosomaal RNA (rRNA) te bepalen. Het 16S rRNA komt alleen voor in bacteriën en is uniek per bacteriestam. Analyse van de 16S rRNA-sequenties laat toe om de bacteriële taxonomie in het staal te bestuderen. Het HMP genereerde 5 177 microbiële taxonomische profielen van 16S rRNA en meer dan 3,5 terabasen metagenomische sequentie (dit is een hoeveelheid aan genetische informatie van 100 miljard letters van het genetisch coderend materiaal). Met die resultaten menen de onderzoekers van het HMP dat 81 tot 99 procent van de microbiële species in de mens in kaart werd gebracht. Uit deze massale hoeveelheid data werd informatie geëxtraheerd over de samenstelling en functionele kenmerken van de microbiota in verschillende lichaamsdelen. Via bijkomende analyse van nieuw geïdentificeerd genetisch materiaal probeert men te voorspellen hoe de verschillende bacteriële stammen functioneel bijdragen tot onze gezondheid.

De huidige microbioomdata impliceren dat ieder individu gekenmerkt wordt door een unieke microbiële gemeenschap, te vergelijken met een vingerafdruk

Uit een eerste analyse blijkt dat mond- en stoelgangstalen de grootste verscheidenheid aan bacteriële stammen herbergen, terwijl het microbioom in de vagina de minste variatie kent. Vervolgens is de variatie groter op één specifieke lichaamsplaats tussen individuen dan binnen één locatie in een individu in de tijd. Iedere lichaamsplaats per individu wordt gekarakteriseerd door een klein aantal taxa of hogere niveaus, die het gros van het microbioom op die plaats uitmaken. Uit het HMP blijkt dat op de hogere niveaus de samenstelling van het microbioom gelijkaardig is per lichaamsplaats tussen gezonde vrijwilligers. Maar de variatie en complexiteit nemen toe naarmate de lagere taxonomische levels (genus) bestudeerd werden. Inderdaad, de variatie tussen individuen in het microbioom bleek zeer groot, zelfs binnen de groep van gezonde vrijwilligers. De huidige microbioomdata impliceren dat ieder individu gekenmerkt wordt door een unieke microbiële gemeenschap, te vergelijken met een vingerafdruk.

Bovendien bleek de interindividuele variatie specifiek per bestudeerde locatie, gepersonaliseerd en functioneel binnen het bestudeerde orgaan. In 16 procent van de stoelgangstalen werd bijvoorbeeld Bacteroides fragilis gedetecteerd. Deze bacterie stimuleert de anti-inflammatoire regulatoire T-helpercellen. De balans tussen pro- en anti-inflammatoire T-helpercellen is fundamenteel voor de strikte regulatie van een ontstekingsreactie in de darm, een orgaan dat continue blootgesteld wordt aan vreemde voedselantigenen en pathogene bacteriën. Verder bleek dat Bacteroides thetaiotaomicron aanwezig is in 46 procent van de stoelgangstalen. De aanwezigheid van deze bacteriële stam is zeer belangrijk voor de mens. Bacteroides thetaiotaomicron produceert immers enzymen waarover de mens zelf niet beschikt en die onverteerbaar plantenmateriaal afbreken. Daarnaast werden er ook relaties gevonden tussen het microbioom en het individu die suggereren dat het microbioom bijdraagt tot de zuurtegraad (pH), immunologische factoren en microbiële competitie, of het samen voorkomen of wederzijds uitsluiten van bacteriën. In de vagina bijvoorbeeld domineert Lactobacillus spp, maar het voorkomen van deze stam was omgekeerd geassocieerd met Actinobacteria en Bacteroidetes. Ook de vaginale pH correleerde sterk met Lactobacillus: op hogere pH was er een verminderde hoeveelheid Lactobacillus, met als gevolg een verhoogde metabolische diversiteit. Een andere sterke correlatie werd gevonden tussen etniciteit en huidmicrobioom. Voorts was er een zwakke correlatie voor andere biometrische gegevens zoals body mass index, geslacht, temperatuur en bloeddruk. Door de eerder zwakke correlaties tussen deze biometrische gegevens en het microbioom werd besloten dat de grootste variatie binnen het humane microbioom hierdoor niet verklaard kan worden.

Andere studies demonstreerden dat tijd een belangrijke factor is die kan bijdragen tot variaties in het microbioom binnen een individu. Het microbioom ontstaat bij de geboorte. In de vagina van de zwangere vrouw zijn al lactobacillen aanwezig die normaal alleen in de darmen gevonden worden. De pasgeboren baby wordt ermee bedekt, en sommige lactobacillen gaan deel uitmaken van het microbioom waar ze de melk verteren. Met de groei van het kind wordt het microbioom complexer onder invloed van dieet (een vezelrijk dieet bijvoorbeeld bevordert de microbiële diversiteit), ziekte en medicatie. Het microbioom is doorgaans veerkrachtig en kan korte verstoringen goed weerstaan. Zo werd het microbioom van tweelingen bestudeerd voor, tijdens en zeven weken na het drinken van melk waaraan Bifidobacterium, Lactobacillus, Lactococcus en Streptococcus werden toegevoegd. Ondanks de dagelijkse inname van die bacteriën bleek de samenstelling van het microbioom op 16S rDNA-niveau onveranderd. Uitgebreide studies naar Helicobacter pylori, de bacterie die verantwoordelijk is voor maagzweren en maagkanker, hebben echter aangetoond dat langdurige selectie van microbiële stammen die resistent zijn aan H. pylori, kan leiden tot een verstoord evenwicht in het microbioom, met nieuwe microbiële stammen tot gevolg . Een H. pylori-infectie kan dus leiden tot een mogelijk permanent veranderd microbioom. Mede door het effect van H. pylori op de zuurafscheidende eigenschappen van het maagslijmvlies leidt een infectie tot een verhoogd risico op maagzweren en maagkanker. Omgekeerd is H. pylori ook geassocieerd met een verminderd risico op slokdarmontsteking door reflux en kinderastma. Dit voorbeeld benadrukt nogmaals de complexe biologische interacties tussen de mens en het microbioom.

Een verstoorde interactie tussen microbioom en gastheer kan een sleutelrol spelen in het ontstaan van ziekte

Ondanks de medische vooruitgang en verbeterde hygiënische leefomstandigheden is er een sterkere stijging van darmontstekingsziekten, voedselallergieën, auto-immuunziekten en obesitas in de westerse landen dan in de rest van de wereld. Hoewel er nog geen sluitende verklaring is voor die discrepantie, zijn er aanwijzingen dat een verstoorde interactie tussen microbioom en gastheer hierin een sleutelrol kan spelen. Recent werd een overzicht gepubliceerd waarin de rol van het darmmicrobioom in gezondheid en colorectale kanker, leverziekte, zwaarlijvigheid en reumatoïde artritis werd beschreven.

Een gemiddelde menselijke darm herbergt ongeveer 100 000 miljard bacteriën, tien keer meer dan het aantal cellen in ons lichaam. Zoals reeds werd aangegeven levert het darmmicrobioom een aantal cruciale diensten aan zijn gastheer. Het helpt onder meer bij de verdere vertering van voedingsbestanddelen die resistent zijn tegen de spijsverteringsenzymen in de maag en de dunne darm. Voedingsvezels bijvoorbeeld kunnen worden omgezet tot korte ketenvetzuren, zoals boterzuur, met immuunonderdrukkende functionaliteiten. Een aantal bacteriën bevordert de gezondheid van de mens door het microbiële evenwicht in de darm te verbeteren. Andere bacteriën staan in voor de synthese van andere gezondheidsbevorderende componenten, bijvoorbeeld vitamine K of stoffen met een natuurlijke antibiotische werking. De mens leeft met zijn microbiële kolonisatoren in homeostase: er is een dynamisch maar delicaat evenwicht. De immuunrespons werkt regulerend onder normale omstandigheden of reageert adequaat ten aanzien van mogelijke ziekteverwekkers. Onder normale omstandigheden bevindt ook de microbiële darmgemeenschap zich in een homeostatische toestand.

Genetische defecten in de gastheer, veranderingen in het eetpatroon, overdreven hygiënemaatregelen en antibioticumgebruik in de moderne samenleving kunnen dit evenwicht echter verstoren. Een microbiële disbalans of dysbiose kan aanleiding geven tot een verhoogde inflammatoire respons (of ontstekingsreactie) bij de gastheer en zo mogelijk ook bijdragen tot de ontwikkeling van darmontstekingsziekten. Overmatig antibioticagebruik tijdens de kinderjaren werd vroeger al geassocieerd met een verhoogd risico voor de ziekte van Crohn. Bovendien zien we dat de diversiteit van de microbiota sterk afgenomen is bij patiënten met de ziekte van Crohn. Het microbioom van de patiënten met de ziekte van Crohn is enerzijds gekarakteriseerd door een toename in Enterococcus faecium en andere Proteobacteria, terwijl er anderzijds een selectief verlies is van Firmacutes en Bacteriodetesstammen. Die laatste micro-organismen dragen bij tot een tolerante omgeving en de inductie van anti-inflammatoire regulatoire T-cellen, dit zijn cellen die inflammatoire immuunreacties onderdrukken. Ook de verminderde hoeveelheid Firmacutes prausnitzii in patiënten met de ziekte van Crohn trekt veel aandacht. Firmacutes prausnitzii is een mucosale bacterie die boterzuur kan produceren. Boterzuur is een belangrijk gezondheidsbevorderend metaboliet dat energie verschaft aan enterocyten, anti-inflammatoir werkt en celdood van kankercellen kan induceren. Bovendien bleek dat infusie van F. prausnitzii in de muismaag bescherming levert tegen de ontwikkeling van colitis (ontstekingen van de dikke darm). Deze studies tonen aan dat veranderingen in het microbioom significant bijdragen tot de ernst van de ontsteking. We kunnen stellen dat een verminderde diversiteit in het microbioom leidt tot een verminderde weerbaarheid van het darmmicrobioom, met verstoorde immuuninteracties en ontsteking als gevolg.

Maar ook veranderingen in de gastheer ten opzichte van het microbioom kunnen bijdragen tot darmontstekingsziekten. Studies waarin het DNA van patiënten met darmontstekingsziekten vergeleken wordt met DNA van gezonde vrijwilligers leverden verrassende resultaten. Een belangrijke en consistente bevinding is dat genetische veranderingen in bacteriële ‘sensorgenen’ zoals NOD2 (een bacteriële patroonherkenningsreceptor) en TLR4 (een receptor voor suikers van Gram-negatieve bacteriën) aanleiding geven tot een verhoogd risico voor het ontwikkelen van darmontstekingsziekten. In dit voorbeeld zijn het genetische veranderingen in de gastheer die aanleiding geven tot een verstoorde interactie tussen gastheer en microbioom, en uiteindelijk bijdragen tot de ontwikkeling van darmontstekingsziekten.

Ondanks de grote inspanningen die reeds geleverd werden om het humane microbioom te identificeren en karakteriseren, blijven er nog veel onbeantwoorde vragen over. Wat bepaalt de samenstelling van het microbioom en in welke mate zijn veranderingen in het microbioom gecorreleerd met dieet, dagritme, geboorte en genetica? Kan vroege kolonisatie bij de geboorte levenslange veranderingen teweegbrengen en zo ja, hoe kan dat? Wat is het effect van de omgeving op het microbioom? En wat is oorzaak en gevolg? In vele gevallen is het nog niet duidelijk of ziekte aanleiding geeft of het gevolg is van een verstoord darmmicrobioom.

Inzicht in het microbioom op verschillende lichaamsplaatsen is een belangrijke stap vooruit in de classificatie van microbiële stammen in gezonde individuen. De data zijn echter bijzonder complex: sterke computertoepassingen zijn noodzakelijk om dit systeem te ontrafelen. Om te begrijpen hoe veranderingen in het microbioom bijdragen tot ziekte, moeten we begrijpen welke microbiële clusters veranderen tijdens ziekte. Uiteindelijk kan dit inzicht leiden tot de ontwikkeling van nieuwe pre- of probiotica die het microbioom herstellen en zo onze gezondheid bevorderen. Een probioticum is een levende bacteriesoort die als voedingssupplement toegediend wordt en de gezondheid van de mens bevordert door het microbiële evenwicht in de darm te verbeteren. Prebiotica zijn niet-verteerbare levensmiddeleningrediënten, die selectief de groei en/of de activiteit van één of meerdere soorten bacteriën in de dikke darm stimuleren, en daardoor de gezondheid van de gastheer bevorderen. Uiteindelijk zou inzicht in het microbioom toelaten om te voorspellen welke individuen een verhoogd risico hebben voor bepaalde ziekten en hoe deze personen via gepersonaliseerde voeding en geneesmiddelen (preventief) behandeld kunnen worden.

Ten slotte nog dit. Voor patiënten met een ernstige vorm van diarree geassocieerd met Clostridium difficile zijn er op dit ogenblik nog maar weinig therapeutische mogelijkheden om ernstige infecties te vermijden, die kunnen leiden tot zware necrose en de kans op overlijden vergroten. De uitweg die de jongste vijf jaar steeds vaker wordt aangeboden is stoelgangtransplantatie. Hierbij wordt de darm van de patiënt intensief gespoeld om zoveel mogelijk bacteriële stammen te verwijderen. Vervolgens wordt het fecale microbioom van een andere persoon (bij voorkeur geen directe familie maar bijvoorbeeld de partner van de patiënt) overgedragen naar de patiënt. De resultaten zijn tot dusver uiterst bevredigend. Deze of een lichtere vorm van herstel van interactie tussen gastheer en microbioom in de darm opent perspectieven voor nieuwe therapieën om darmziekten en zelfs metabolische ziekten te behandelen.

The Human Microbiome Project Consortium, ‘A framework for human microbiome research’, in: Nature, 2012, 486, 215–221; ‘Structure, function and diversity of the healthy human microbiome’, in: Nature, 2012, 486, 207–214.
Ilseung Cho, Martin J. Blaser, ‘The human microbiome: at the interface of health and disease’, in: Nature Reviews Genetics, 2012, 13, 260-270.

Mira Wouters is als moleculair bioloog verbonden aan de KU Leuven.