Suolistobakteeriston yhteys tauteihin

Transkriptio

1 Katsaus Erkki eerola Elimistöä suojaavat mikrobit ovat ihmiselle välttämättömiä. Ne varjelevat taudinaiheuttajilta ja vaikuttavat immuniteetin kehittymiseen. Suolistomikrobit vaikuttavat myös suoliston kehitykseen ja ovat keskeisiä ravintoaineiden ja mahdollisesti lääkeaineidenkin metaboliassa. Todennäköisesti niillä on roolinsa myös eräiden autoimmuunitautien ja syövän kehittymisessä. Tietämyksemme suolistomikrobeista on kuitenkin edelleen puutteellista. Huomattava osa tunnetuista suolistobakteereista on löydetty vasta molekyylibiologisten menetelmien avulla, eikä niiden toiminnasta tai mahdollisesta merkityksestä taudinaiheuttajina ole tietoa. Yksittäistä mikrobiakin haastavamman tutkimuskohteen tarjoaa suolistomikrobien ekologia, jonka tutkimus on vasta alkutaipaleellaan. Lisääntyvä tietämys siitä saattaa edistää monien arvoituksellisten tautien patogeneesin ymmärtämistä. I hmisen elimistössä on omien solujen lukumäärään verrattuna kymmenkertainen määrä bakteereita. Valtaosa niistä on suolistossa, jossa bakteerimassaa on noin puolentoista kilogramman verran. Tämän bakteerijoukon koostumus ja toiminta tunnetaan edelleen huonosti. Perinteisillä viljelymenetelmillä on pystytty tunnistamaan vain osa suoliston bakteereista. Uudet tunnistusmenetelmät perustuvat bakteerigenomin kloonaamiseen, geenien sekvensointiin, saatujen sekvenssien ja tunnettujen lajien geenisekvenssien vertailuun ja bakteerien sijoittamiseen sekvenssien perusteella laskettuihin fylogeneettisiin puihin. Näillä menetelmillä saatujen tulosten mukaan yhden ihmisen suolistossa olevien bakteerilajien määrä on viidensadan ja tuhannen välillä. Näistä todetuista lajispesifisistä sekvensseistä yli 60 % viittaa täysin tuntemattomiin lajeihin, ja yli 80 % viittaa lajeihin, joita ei nykymenetelmillä kyetä viljelemään. DNA sekvenssien perusteella nämä lajit pystytään tyypittämään ryhmätasolle, mutta niiden toiminnasta ja mahdollisesta patogeenisuudesta ei ole tietoa (Eckburg ym. 2005). Suoliston mikrobiekologian tutkimuksessa onkin jouduttu pitkälti turvautumaan epäsuoriin menetelmiin. Bakteeripopulaatioita voidaan tutkia niiden rakenneominaisuuksien kuten rasvahappoprofiilien tai DNA geelielektroforeesijakautumien pohjalta. Hahmontunnistusanalyyseillä saadaan tietoa näytteiden samankaltaisuuksista, vaikka yksittäisiä lajeja ei pystytäkään tunnistamaan. Nämä tutkimukset ovat antaneet viime vuosina tietoa suolistomikrobiston ekologiasta. Tiedämme esimerkiksi, että ihmisyksilöt eroavat suolistobakteeriensa suhteen huomattavasti toisistaan. Yksilön mikrobisto näyttää kuitenkin olevan hyvin stabiili. Lyhytkestoiset ruokavaliomuutokset tai antibioottikuurit muuttavat bakteerilajistoa, mutta muutospaineen päättyessä lajisto palaa alkuperäiseen koostumukseensa (DeLa Cochetiere ym. 2005). Tiedämme myös, että mikrobiston määrä ja koostumus vaihtelevat suoliston eri osissa. Merkille pantavaa on, että suolen limakalvoon tarttunut bakteeripopulaatio eroaa merkittävästi suolen sisällön bakteereista. Lisäksi on havaittu, että erityisesti limakalvoon sitoutuneen bakteeri Duodecim 2006;122: E. Eerola

2 populaation koostumus on todennäköisesti yhteydessä ihmisen geneettiseen taustaan. Sisäsiittoisilla koe eläinkannoilla ja ihmisten kaksostutkimuksissa on rasvahappo ja DNA analyysejä käyttäen havaittu, että samankaltaisen geneettisen perimän omaavilla yksilöillä on samantyyppisen mikrobifloora (Toivanen ym. 2001, Zoetendal ym. 2002). Jos suoliston mikrobistoa siirretään eläinlajista toiseen, täysin bakteerittomaan koe eläimeen, syntyy vastaanottajan suolistoon mikrofloora, joka sisältää osan alkuperäisistä bakteerilajeista, mutta ei kaikkia (Kibe ym. 2005). Tämä lajisto löytyy sitten seuraavaltakin sukupolvelta varsin samanlaisena. Suolistomikrobien koostumus ei siis ole sattumanvaraisen kolonisaation tulos, vaan se näyttäisi olevan ainakin osittain genotyypin määräämä. Epiteelisolukon metaboliset tekijät, genomin määräämät reseptorirakenteet ja niihin liittyvät bakteereiden spesifiset adherenssiominaisuudet voisivat selittää tämän ilmiön. Ihmistutkimuksista tiedämme, että äidin synnytyskanavan mikrobien vaikutuksesta alateitse syntyneen lapsen suoliston alkava kolonisaatio on täysin erilainen verrattuna steriilinä vuodeosastolle vietävään sektiolapseen, mutta edelleen on epäselvää, miten paljon synnytystapa vaikuttaa suoliston lopullisen mikrobiston koostumukseen. Suolistobakteerit elimistön tukijana Suolistomikrobeilla on joukko merkittäviä ja elimistölle välttämättömiä tehtäviä ihmisen evoluutiohan on tapahtunut yhdessä bakteereiden kanssa. Ehkä tästä syystä ihmisen aineenvaihdunnasta puuttuu eräitä keskeisiä toimintoja, jotka ovat jääneet bakteereiden hoidettavaksi. Tärkeimmät suolistomikrobien tunnetut vaikutukset liittyvät ravintoainemetaboliaan sekä suoliston rakenteen ja immuniteetin kehittymiseen (Boman 2000, Guarner ja Malagelada 2003). Tiettyjen ravintoaineiden erityisesti kompleksisten hiilihydraattirakenteiden hajottamisesta imeytyvään muotoon sekä tiettyjen vitamiinien ja joillakin eläimillä myös aminohappojen synteesistä huolehtivat suolistobakteerit. Mikrobit kykenevät lisäksi hajottamaan ravinnon hiilihydraattirakenteita yhdisteiksi, joilla on suoria vaikutuksia terveyteen. Esimerkiksi kasvisravinnon lignaaniyhdisteistä bakteereiden hajottama enterolaktoni imeytyy verenkiertoon, ja sen pitoisuus näyttää korreloivan käänteisesti sepelvaltimotaudin esiintymiseen (Vanharanta ym. 1999). Bakteerittomilla koe eläimillä ei enterolaktonia esiinny ollenkaan. Myös ravinnon tarve on bakteerittomilla hiirikannoilla noin kolmanneksen suurempi kuin hiirillä, joilla bakteerifloora on normaali (Hooper ym. 2002, Backhed ym. 2004). Mikrobisto vaikuttaa merkittävästi myös suoliston kehittymiseen, limakalvon villusrakenteen muodostumiseen ja suolen angiogeneesiin (Stappenbeck ym. 2002). Bakteerittomilla koe eläimillä villusrakenne ei kehity normaalisti. Mikrobisto vaikuttaa merkittävästi myös immuniteetin kehittymiseen ja siihen, miten elimistö kehittää toleranssin ravintoaineiden antigeenirakenteita kohtaan. (Guarner ja Malagelada 2003, Mazmanian ym. 2005). Bakteerittomien koe eläinten immuniteetin kehitys on puutteellista, eikä niille kehity toleranssia ravintoaineiden antigeeneja kohtaan kuten normaaleilla koe eläimillä (Cebra 1999, Umesaki ja Setoyama 2000). Samoin on näyttöä siitä, että normaali immuunivaste ei voi syntyä suolen alueella ilman siellä olevaa mikrobistoa (Souza ym. 2004). Merkittävä ja tunnettu suolistobakteerien terveysvaikutus on myös kolonisaatioresistenssi. Olemassa olevat bakteerit estävät uusien, mahdollisesti patogeenisten bakteerien tarttumisen kohteeseensa. Esimerkiksi se listeriabakteerimäärä, joka aiheuttaa tappavan infektion, on bakteerittomalla hiirellä vain miljoonasosa siitä, joka tappaa normaalin koe eläimen. Kuva: SPL /SKOY 2339

3 Suolistomikrobit ongelmien aiheuttajina Suolistobakteereiden yhteydet tauteihin tunnetaan huonommin kuin niiden positiiviset vaikutukset. Parhaiten tunnetut haittavaikutukset liittyvät bakteereiden siirtymiseen suoliston ulkopuolisiin kudoksiin, mikrobien tuottamien metaboliittien aiheuttamaan syöpäriskiin sekä mikrobien ja tulehduksellisten suolistosairauksien epäiltyihin yhteyksiin. Tavallisia suolistomikrobien aiheuttamia infektioita ovat esimerkiksi virtsatieinfektiot, peritoniitit ja huonokuntoisten sairaalapotilaiden hengitysteiden kolonisaatio ja sen seurauksena mahdollisesti ilmenevä keuhkokuume tai sepsis. Bakteerirakenteita ja eläviä bakteereja pääsee lisäksi suolen epiteelin läpi paikallisiin imusolmukkeisiin. Tätä ilmiötä esiintyy jossakin määrin myös täysin terveillä ihmisillä. Suolistoperäisten sairauksien kuten pankreatiitin, maksakirroosin ja suolitukoksen yhteydessä ilmiö lisääntyy merkittävästi ja saattaa johtaa sepsikseen ja monielinvaurioihin. Mikrobiperäisten metaboliittien yhteys paksusuolisyöpään tunnetaan alkoholinkäytön yhteydessä, ja sillä epäillään olevan merkitystä myös runsasrasvaisen ja runsaasti lihaa sisältävän ruokavalion yhteydessä (Guarner ja Malagelada 2003). Maksan lisäksi myös suoliston bakteerit kykenevät polttamaan alkoholia. Tästä syntyvä asetaldehydi vaikuttaa suoraan suoliston limakalvoon karsinogeenisesti (Väkeväinen ja Salaspuro 2003). Mitä tiedetään ekologisista muutoksista Suolistobakteeriston koostumuksen muutoksilla on havaittu olevan yhteyksiä joihinkin autoimmuunitaudeiksi luokiteltaviin sairauksiin. Biokemiallisilla menetelmillä on havaittu tilastollisia eroja terveiden ja sairastuneiden tutkimushenkilöiden suolistomikrobistossa esimerkiksi allergioiden, nivelreuman ja jopa autismin yhteydessä. Myös sisäsiittoisissa koe eläinkannoissa, joille kehittyy jokin autoimmuunitauti, kuten niveltulehdus, diabetes tai tulehduksellinen suolistosairaus, voidaan taudin puhkeamiseen vaikuttaa suolistobakteereja manipuloimalla. Vaikeaksi tilanteen tulkinnan tekee kuitenkin se, Taulukko. Suolistobakteereiden merkitys ihmiselle. Myönteiset ilmiöt Suoliston villusrakenteen kehittyminen Epiteelisolukon kehityksen ja jakautumisen säätely Suoliston angiogeneesi Immuniteetin kehittyminen Toleranssin kehittyminen ravinnon antigeeneille Ravintoaineiden hajottaminen imeytyvään muotoon Vitamiinien synteesi Aminohappojen synteesi Ravintoaineiden muuttaminen terveydelle hyödyllisiksi yhdisteiksi Kolonisaatioresistenssi patogeenisia mikrobeja vastaan Kielteiset ilmiöt Siirtyminen suoliston ulkopuolelle, infektiot Toksiinit Karsinogeenisten aineiden tuotto Epäselvät seikat Mikrobiston muutosten yhteys autoimmuunitauteihin Yhteys allergian syntyyn Mikrobien rooli suolistosyöpien synnyssä että esimerkiksi vastaavilla bakteerittomilla hiirikannoilla joidenkin tautien synty estyy (esim. tulehdukselliset suolistosairaudet) ja joidenkin ilmaantuminen lisääntyy huomattavasti (esim. diabetes). Tiedämme siis suolistobakteerien vaikuttavan useisiin taudinkuviin, mutta epäselvää on, missä tilanteissa vaikutus on suojaava ja missä altistava. Toistaiseksi emme myöskään tiedä, mikä merkitys jollakin yksittäisellä (mahdollisesti vielä tuntemattomalla) mikrobilajilla on näissä tautitiloissa. Suolistobakteerien lajistomuutosten aiheuttamat metaboliset vaikutukset saattavat niin ikään olla aiemmin oletettua merkittävämpiä. Nämä vaikutukset liittyvät mm. ravintoperäisten toksiinien hajottamiseen sekä huonosti tunnettuihin vaikutuksiin ravinto ja lääkeainemetaboliassa. Koska suolistomikrobistot eroavat toisistaan merkittävästi sekä yksilöiden välillä että vielä suuremmassa määrin eri etnisten ja maantieteellisten väestöjen välillä, nämä erot voivat vaikuttaa erilaiseen reagointiin esimerkiksi joidenkin lääkeaineiden käytön yhteydessä. Nämä havainnot asettavat uudenlaisia vaatimuksia uusilla lääkkeillä tehtäviin kliinisiin tutkimuksiin. On myös epäilty, että sellaiset väestötason muu 2340 E. Eerola

4 tokset kuin esimerkiksi insuliiniresistenssin ja allergioiden lisääntyminen voisivat liittyä ruokavalion pitkäkestoisiin muutoksiin ja sen seurauksena mikrobiston ja sen aineenvaihdunnan muutoksiin (Nicholson ym. 2005). Antibioottikuurien tiedetään muuttavan ainakin lyhytaikaisesti mikrobilajistoa suolessa. Epäselvää on, miten paljon muut pitkäkestoiset lääkitykset siihen vaikuttavat. Esimerkiksi on näyttöä siitä, että protonipumpun estäjät aiheuttavat mahalaukun kolonisoitumisen sekamikrobikasvustolla suurentamalla mahalaukun ph arvoa (Väkeväinen ym. 2000) ja voivat näin lisätä paradoksaalisesti gastriitin riskiä. Ei tiedetä, muuttavatko ne myös muuta suoliston mikrobistoa. Suoliston toimintaa muuttavat kirurgiset toimenpiteet, kuten mahalaukun resektiot tai lihavuudenhoitoleikkaukset saattavat samoin olosuhteita muuttamalla vaikuttaa mikrobilajistoon. Tutkimalla bakteerimetaboliitteja verestä, hengitysilmasta tai ulosteesta on todettu, että mahalaukun resektioon, mahalaukkua kuroviin toimenpiteisiin ja erityisesti umpipusseja muodostaviin suolistoanastomooseihin liittyy bakteerien huomattava liikakasvu. Lajiston muutoksista ei kuitenkaan ole tarkkaa tietoa tämänkään ilmiön yhteydessä (Fobi 2004). Probiootit kestoon, Clostridium difficile ripulin oireisiin ja lapsilla allergian kehittymiseen (Isolauri ym. 1991, Kalliomäki ym. 2001). WHO:n asiantuntijaryhmä on todennut, että joistakin probioottien terveysvaikutuksista on olemassa kliinisesti merkittävää tilastollista näyttöä. Osassa tapauksista tulokset ovat kuitenkin olleet vähäisiä, ja tulosten toistettavuus vaihtelee. Toistaiseksi on osoittamatta, että probiooteilla voitaisiin muuttaa pysyvästi suolistomikrobiston koostumusta. On myös kiinnitetty huomiota siihen, että suolistomikrobiston muuttaminen tahattomasti (antibiootit) tai tietoisesti (probiootit) voi aiheuttaa ennalta arvaamattomia muutoksia mikrobiperäiseen aineenvaihduntaan. Edellä mainitussa WHO:n suosituksessa todetaankin, että probiootteja markkinoitaessa ilmoitettavien vaikutusten tulisi perustua kliinisiin kokeisiin, vaikuttavat lajit ja mekanismit pitäisi tunnistaa ja tarvittavat annokset ja antotavat olisi määritettävä. Nykyinen villi markkinointi tyyliin»pelastajabakteeri» ja»suolistoa tasapainoittava» on kaukana näistä suosituksista (Cross ja Gill 2001, Reid ym. 2003). Bakteerit hoitokeinona Probioottien lisäksi bakteereja on esitetty käytettäväksi suoraan mahdollisina hoitokeinoina. Probiootit ovat ravinnon mukana annettavia eläviä bakteereita, joilla oletetaan olevan terveysvaikutuksia. Probioottihoidon yksi päätarkoitus on yritys muuttaa suolistomikrobiston koostumusta. Probiootteja on markkinoilla laajalti, niihin liittyy huomattavia taloudellisia intressejä, ja niitä markkinoidaan hyvin vaihtelevin perustein. Selkein probiootteihin liittyvä lääketieteellinen havainto on jogurtin bakteereiden vaikutus laktoosi intoleranssin oireisiin. Bakteeriperäiset entsyymit voivat korvata puuttuvan laktoosia hajottavan entsyymin suolessa ja vähentää näin maitosokerin aiheuttamia oireita. Probiooteilla on lisäksi todettu olevan vaikutusta mm. rotavirusripulin y d i n a s i a t Suolistomikrobisto on terveyden kannalta tarpeellinen, mahdollisesti jopa välttämätön. Suolistomikrobisto on rakenteeltaan ja toiminnaltaan edelleenkin huonosti tunnettu, mutta uusien geenipohjaisten tutkimusmenetelmien ansiosta tieto lisääntyy nopeasti. Suolistomikrobiston koostumusta voidaan muuttaa tahattomasti antibiooteilla tai yrittää muuttaa tarkoituksellisesti probiooteilla. Muutosten pysyvyys ja vaikutukset ovat vielä kuitenkin epäselvät. 2341

5 Hoidot perustuvat kilpailuun adherenssireseptoreista, kolonisaatioresistenssiin ja bakteereiden erittämiin toisia bakteereita estäviin tekijöihin. Alustavia positiivisia tuloksia on saatu mm. nieluun ruiskutettavan alfahemolyyttisen streptokokin käytöstä toistuvan streptokokkitonsilliitin hoidossa, Escherichia coli bakteereista haavaisen koliitin hoidossa sekä peräruiskeena annetun toisen ihmisen suolistomikrobiston (ulosteensiirron) käytöstä hoitoresistentin Clostrium difficile koliitin hoidossa (Härkönen 1996). Tulevaisuuden mikrobihoidoksi on väläytetty geneettisesti muunneltuja probiootteja ja apatogeenisia bakteereita. Kokeellisia tuloksia on mm. toksiinireseptorigeenin liittämisestä apatogeeniseen bakteeriin. Muiden muassa E. coli ja laktobasilli on saatu ilmentämään reseptoria, joka sitoo EHEC, Clostridium difficile tai koleratoksiinia (Paton ym. 2006). Eläinkokeissa geneettisesti muunnellun laktobasillin erittämä sytokiini, kuten interleukiini 10, on estänyt suolistotulehduksen kehittymisen (Steidler ym. 2000). Näihin kaikkiin hoitoihin liittyy kuitenkin tieteellisten ongelmien lisäksi vielä avoimia eettisiä kysymyksiä, joiden takia mitkään bakteerihoidot eivät toistaiseksi ole rutiinikäytössä. Lopuksi Suolistomikrobiston ekologia terveellä ihmisellä sekä ekologisten muutosten ja eri bakteerilajien merkitys yksittäisissä tautitiloissa tunnetaan siis huonosti. Käytössä olevat tutkimusmenetelmät eivät mahdollista tarkkaa lajikohtaista kvantitatiivista analyysia suoliston mikrobeista. Uusia välineitä tähän tutkimukseen on kuitenkin tulossa. Genomiseen hybridisaatioon perustuva siru, joka sisältää koettimet kaikille tunnetuille tuhansille mikrobilajeille, on periaatteessa jo olemassa. Tämä menetelmä saattaa tuoda lisävalaistusta suolistomikrobiston ekologisten muutosten merkitykseen niin terveillä kuin tuntemattomista syistä aiheutuvissa sairauksissa. Kirjallisuutta Backhed F, Ding H, Wang T, Hooper LV, Koh GY, Nagy A, Semenkovich CF, Gordon JI. The gut microbiota as an environmental factor that regulates fat storage. Proc Natl Acad Sci USA 2004;101: Boman HG. Innate immunity and the normal microflora. Immunol Rev 2000;173:5 16. Cebra JJ. Influences of microbiota on intestinal immune system development. Am J Clin Nutr 1999;69 Suppl:1046S 51S. DeLa Cochetiere MF, Durand T, Lepage P, Galmiche AJP, Dore J. Resilience of the dominant human fecal microbiota short-course antibiotic challenge. J Clin Microbiol 2005;43: Cross ML, Gill HS. Can immunoregulatory lactic acid bacteria be used as dietary supplements to limit allergies? Int Arch Allergy Immunol 2001;125: Eckburg PB, Bik EM, Bernstein CN, ym. Diversity of the human intestinal microbial flora. Science 2005;308: Fobi MAL. Surgical treatment of obesity. J Natl Med Assoc 2004;96: Guarner F, Malagelada J-R. Gut flora in health and disease. Lancet 2003;360: Hooper LV, Midtvedt T, Gordon JI. How host-microbial interactions shape the nutrient environment of the mammalian intestine. Ann Rev Nutr 2002;22: Härkönen N. Uusiutuneen pseudomembranoottisen koliitin hoito ulosteensiirrolla. Duodecim 1996;112: Isolauri E, Juntunen M, Rautanen T, Sillanaukee P, Koivula T. A human Lactobacillus strain (Lactobacillus Casei sp strain GG) promotes recovery from acute diarrhea in children. Pediatrics 1991;88:90 7. Kalliomäki M, Salminen S, Arvilommi H, Kero P, Koskinen P, Isolauri E. Probiotics in primary prevention of atopic disease: a randomised placebo-controlled trial. Lancet 2001;357: Kibe R, Sakamoto M, Yokota H, Ishikawa H. Movement and fixation of intestinal microbiota after administration of human feces to germfree mice. Appl Environ Microbiol 2005;71: Mazmanian SK, Liu CH, Tzianabos AO, Kasper DL. An immunomodulatory molecule of symbiotic bacteria directs maturation of the host immune system. Cell 2005;122: Nicholson JK, Holmes E, Wilson ID. Gut micro organisms, mammalian metabolism and personalized health care. Nat Rev Microbiol 2005;3: Paton AW, Morona R, Paton JC. Designer probiotics for prevention of enteric infections. Nat Rev Microbiol 2006;4: Reid G, Jass J, Sebulsky MT, McCormick JK. Potential uses of probiotics in clinical practice. Clin Microbiol Rev 2003;16: Souza DG, Vieira AT, Soares AC, ym. The essential role of the intestinal microbiota in facilitating acute inflammatory responses. J Immunol 2004;173: Steidler L, Hans W, Schotte L, ym. Treatment of murine colitis by Lactococcus lactis secreting interleukin-10. Science 2000;289: Stappenbeck TS, Hooper LV, Gordon JI. Developmental regulation of intestinal angiogenesis by indigenous microbes via Paneth cells. Proc Natl Acad Sci USA 2002;99: Umesaki Y, Setoyama H. Structure of the intestinal flora responsible for development of the gut immune system in a rodent model. Microbes Infect 2000;2: Toivanen P, Vaahtovuo J, Eerola E. Influence of major histocompatibility complex on bacterial composition of fecal flora. Infect Immun 2001;69: Vanharanta M, Voutilainen S, Lakka TA, van der Lee M, Adlercreutz H, Salonen JT. Risk of acute coronary events according to serum concentrations of enterolactone: a prospective population-based case-control study. Lancet 1999;354: Väkeväinen S, Salaspuro M. Asetaldehydi ruoansulatuskanavan syöpien aiheuttajana. Duodecim 2003;119: Väkeväinen S, Tillonen J, Salaspuro M, Jousimies-Somer H, Nuutinen H, Färkkilä M. Hypochlorhydria induced by a proton pump inhibitor leads to intragastric microbial production of acetaldehyde from ethanol. Aliment Pharmacol Ther 2000;14: Zoetendal EG, von Wright A, Vilpponen-Salmela T, Ben-Amor K, Akkermans ADL, de Vos WM. Mucosa-associated bacteria in the human gastrointestinal tract are uniformly distributed along the colon and differ from the community recovered from feces. Appl Environ Microbiol 2002;68: Erkki Eerola, dosentti, bakteerilaboratorion johtaja eerola@utu.fi Turun yliopisto, lääketieteellinen mikrobiologia Kiinamyllynkatu Turku 2342