Immunologia w pigułce – tolerancyjne jelita

Układ pokarmowy jest największym skupiskiem komórek układu immunologicznego w ciele człowieka. ^[8] To właśnie tutaj dochodzi do bezpośredniego kontaktu między ustrojem a cząstkami pochodzącymi ze świata zewnętrznego, inaczej mówiąc antygenami. Do przewodu pokarmowego wraz z pożywieniem trafiają też patogeny – bakterie, wirusy, grzyby, pasożyty. Zadaniem komórek układu odpornościowego, czyli limfocytów zgromadzonych w ścianie jelit jest obrona organizmu przed szkodliwymi czynnikami i niedopuszczenie do rozwoju infekcji. Niezmiernie ważne jest, by komórki te, odpowiedzialne za odpowiedź immunologiczną prawidłowo rozpoznawały, które antygeny trafiające do nas wraz z pokarmem są patogenne, a które nie stanowią zagrożenia. Kiedy mieszanina antygenów dociera do jelita, poszczególne cząstki są wychwytywane przez specjalne komórki, które następnie prezentują je limfocytom. To właśnie jest kluczowy moment dla indukcji tolerancji pokarmowej. W prawidłowych warunkach nasz organizm nie reaguje na cząstki pokarmowe i nie zostają uruchomione procesy zapalne. Jeśli jednak mechanizmy tolerancji zostaną zaburzone na wczesnych etapach życia, podczas dojrzewania układu immunologicznego, na przykład poprzez nieodpowiedni skład bakteryjnej flory komensalnej jelit, dochodzi do rozwinięcia nadwrażliwości. ^{[10, 17]}

Niezwykła współpraca

Bakterie komensalne to niechorobotwórcze bakterie zasiedlające nasz przewód pokarmowy. ^[8]  Liczba tych mikroorganizmów jest tak duża, że suma ich genów jest większa niż genom człowieka! Jest to największy naturalnie występujący ekosystem bakteryjny. ^[2] Zarówno organizm gospodarza, jak i symbiotyczne bakterie wykształciły w procesie ewolucji wiele mechanizmów wspierających tak ścisłe współżycie. Świadczy o tym choćby fakt, że nie są rozpoznawane jako obce i nie indukują reakcji zapalnych. ^[10]  Bakterie komensalne mogą zasiedlić jelito, tylko pod warunkiem, że mają ku temu odpowiednie warunki. Ich obecność jest istotna, ponieważ wykazują ochronne działanie na przewód pokarmowy. Funkcje naszych symbiontów to przede wszystkim zapobieganie kolonizacji jelita przez bakterie patogenne poprzez wydzielanie substancji bakteriobójczych, modyfikacje pH i konkurowanie o składniki odżywcze. ^[15] Bakterie komensalne posiadają również zdolność do fermentacji cukrów, których nasze enzymy trawienne nie są w stanie rozłożyć. W wyniku tego procesu powstają krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe, które przyłączając się do odpowiednich receptorów, modulują działanie poszczególnych narządów oraz komórek układu immunologicznego, a same w sobie są głównym źródłem energii dla kolonocytów, czyli komórek nabłonka jelita grubego, pokrywając w ten sposób nawet 10% zapotrzebowania energetycznego ustroju. ^[11]

Flora florze nierówna, czyli o bioróżnorodności bakterii jelitowych

Układ immunologiczny noworodka jest niedojrzały. Na jego prawidłowy rozwój wpływa wiele czynników od sposobu przyjścia na świat przez medyczne interwencje po rodzaj przyjmowanego po urodzeniu pokarmu. ^[1] Dlaczego? Ponieważ wyżej wymienione elementy oddziałują na mikroflorę jelitową, która ma centralną rolę w kształtowaniu reakcji odpornościowych. ^[8] Bakterie kolonizujące jelito w pewien sposób “programują” organizm dziecka, wpływając na jego stan zdrowia na kolejnych etapach życia. Dowodem na to są między innymi wyniki badania TEDDY (The Environmental Determinants of Diabetes in the Young), w którym naukowcy zbadali skład bakteryjny próbek kału kilku tysięcy dzieci z podwyższonym ryzykiem cukrzycy typu pierwszego (T1D), aby odkryć, dlaczego u niektórych, a nie u wszystkich rozwija się ta choroba. Badanie TEDDY przeprowadzono na ogromną skalę, w kilku renomowanych ośrodkach naukowych i choć nie otrzymano jednoznacznej odpowiedzi, co jest czynnikiem wywołującym cukrzycę, zaobserwowano, że niektóre szczepy bakteryjne i produkty ich metabolizmu (SCFA) mogą zmniejszać ryzyko wystąpienia choroby. To odkrycie rzuca nowe światło na T1D i stanowi kolejny dowód na to, że wpływ flory jelitowej na zdrowie i rozwój dzieci okazuje się większy niż do tej pory przypuszczano.

Do pierwszej stymulacji antygenowej dziecka dochodzi jeszcze wewnątrzmacicznie. Najnowsze badania wskazują na obecność mikroorganizmów odpowiadających gatunkowo florze jamy ustnej matki w łożysku oraz w płynie owodniowym. Przełomowym momentem w procesie kolonizacji jest jednak poród. ^[9] Jeśli dochodzi do niego ,,siłami natury”, to pierwszymi bakteriami, z którymi dziecko ma styczność, są mikroorganizmy z dróg rodnych kobiety. Pierwszą kolonizującą bakterią jest tlenowa Escherichia coli, która szybko zostaje zdominowana przez bakterie beztlenowe, w miarę jak zmienia się stosunek tlenu do innych gazów obecnych w jelicie. Bifidobakterie pojawiają się dopiero w drugiej dobie życia. ^[3] W przypadku cięcia cesarskiego florą dominującą są bakterie rezydujące na skórze, w tym patogeny szpitalne często cechujące się największą zjadliwością i opornością na leki. W pierwszym tygodniu życia noworodków urodzonych drogą cięcia cesarskiego zaobserwowano mniejszą różnorodność gatunkową i dominację bakterii z rodzaju Clostridium, Klebsiella i Veillonella  nad Bifidobacteriaceae, Bacterioides czy Enterobacteriaceae.  Różnice w składzie flory zacierają się około trzeciego miesiąca życia, jednak zmiany, które zaszły do tego czasu w układzie immunologicznym pozostają wykrywalne nawet do drugiego roku życia i wiążą się przede wszystkim ze zwiększoną podatnością na choroby, w których przebiegu istotne znaczenie mają różne składowe układu immunologicznego – astmę, celiakię czy cukrzycę typu pierwszego. ^[9]

Istotny wpływ na rozwój mikrobiomu wywierają również podawane antybiotyki. Niekiedy istnieje konieczność rozpoczęcia antybiotykoterapii ze względu na wysokie ryzyko rozwinięcia zagrażającej życiu sepsy u noworodka. Przykładem jest podawanie antybiotyków okołoporodowo w ramach profilaktyki zakażenia płodu paciorkowcem z grupy B u kobiet skolonizowanych tą bakterią. Wykazano, że takie postępowanie również modyfikuje skład flory dziecka. Obserwuje się silniejszy wzrost Enterobacteriaceae w stosunku do Bifidobacterium, jednak znaczenie tego spostrzeżenia  i odległe konsekwencje tych zmian nie zostały jeszcze poznane. Również w przypadku podejrzenia u noworodka ciężkiej, uogólnionej infekcji zagrażającej życiu stosuje się antybiotykoterapię lekami o szerokim spektrum, czyli działającymi na wiele różnych bakterii. Zarówno rodzaj antybiotyku, jak i czas trwania terapii mają znaczenie dla bioróżnorodności mikroorganizmów przewodu pokarmowego, jednak w sytuacji zagrożenia życia jest to kwestia drugorzędna. ^[9]

Kolejne różnice w składzie mikrobiomu są spowodowane żywieniem. Mleko matki uważa się za najbardziej optymalny pokarm dla dzieci do szóstego miesiąca życia.  Ta unikalna mieszanka w pełni pokrywa zapotrzebowanie na składniki odżywcze noworodków i niemowląt, wzmacniając jednocześnie ich odporność. Karmienie piersią wiąże się ze zmniejszonym ryzykiem zachorowania na astmę, choroby zakaźne oraz znacząco zmniejsza ryzyko śmierci dziecka w pierwszych miesiącach życia (ryzyko niemowląt karmionych piersią stanowi 12% ryzyka tych, które żywią się sztuczną mieszanką). ^[9] Zawiera także cenne pro- i prebiotyki.

Tajemnice probiotyków

Probiotyki to korzystnie działające na nasz ustrój bakterie, np. te z rodzaju Lactobacillus obecne w produktach mlecznych i kiszonkach. Udowodniono, że podawanie ich wcześniakom o bardzo niskiej masie urodzeniowej przyczynia się do spadku śmiertelności z powodu martwiczego zapalenia jelit. ^[7] Okazuje się również, że podawanie probiotyków (Bifidobacterium longum, B.breve) w czasie ostatniego miesiąca ciąży i przez pierwsze 6 miesięcy życia niemowlęcia może zmniejszać prawdopodobieństwo wystąpienia atopowego zapalenia skóry, a włączenie do matczynej diety orzeszków ziemnych, mleka, soi i pszenicy zmniejsza ryzyko wystąpienia nadwrażliwości w późniejszym życiu. ^[6,7,8]

Oprócz tego wykazano ich wspomagające działanie w leczeniu zakażeń. Zaobserwowano, że szczepy Lactobacillus redukują stan zapalny w infekcji Helicobacter pylori pomimo braku pełnej eradykacji. Skuteczność probiotyków, m.in. Lactobacillus rhamnosus czy Bifidobacterium bifidum jest potwierdzona w leczeniu zakażeń rotawirusowych. Skracają one czas trwania biegunki niemowląt, choć nie u wszystkich efekt ten manifestuje się jednakowo. Lactobacillus rhamnosus okazał się skuteczny także w zapobieganiu biegunkom poantybiotykowym. Działanie ochronne można było zaobserwować u 60% pacjentów przyjmujących aminopenicylinę, cefalosporynę lub klindamycynę, które szczególnie zmieniają mikroflorę, przyczyniając się do ekspansji bakterii z rodzaju Clostridium, głównie C.difficile. Istnieją również szanse na wykorzystanie probiotyków w leczeniu nowotworów. Karcynogeneza może być modyfikowana przez probiotyki nie tylko poprzez zmianę składu flory jelitowej, ale także przez wpływ na gospodarkę tłuszczową, gdyż produkty przemian komórek bakteryjnych zmniejszają lipogenezę wątrobową, a komórki nowotworowe wymagają endogennej syntezy kwasów tłuszczowych. ^[15]

Bifidobakterie są ważnym elementem wspierającym barierę jelitową. Bariera ta jest potrzebna, ponieważ uniemożliwia przejście szkodliwych cząstek do ustroju, z drugiej strony natomiast odpowiada za wchłanianie substancji odżywczych i zapobiega nadmiernej utracie wody i elektrolitów. Szczelność bariery jelitowej warunkuje szereg czynników, w tym  dieta, leki, i drobnoustroje, a jej utrzymanie pochłania do 40% wydatku energetycznego organizmu! W jaki sposób bakterie symbiotyczne wspierają tę barierę? Jak było wspomniane, flora jelit konkuruje z bakteriami patogennymi i nie dopuszcza do ich namnożenia. Dzięki temu nie dochodzi do reakcji zapalnej i poszerzenia szczelin między enterocytami. Oprócz tego bakterie przewodu pokarmowego wpływają na ochronną warstwę śluzu. Niektóre gatunki pobudzają jego produkcję, a inne, mniej liczne, go rozkładają, dzięki czemu równowaga jest zachowana. W dodatku probiotyki sprzyjają tworzeniu się nowych połączeń między komórkami ściany jelita, co dodatkowo ją wzmacnia. ^[5] Z kolei za osłabienie bariery jelitowej może odpowiadać dieta niskobłonnikowa bogata w tłuszcze, spożywanie alkoholu i palenie tytoniu. ^[4]  Kiedy mechanizmy odpowiadające za utrzymanie szczelności zawodzą, zwiększa się ryzyko wystąpienia celiakii, zapaleń jelit, zespołu jelita drażliwego, a nawet nowotworów. ^[5]

Zbędne czy niezbędne – słowo o prebiotykach

Prebiotyki natomiast to substancje, które nie są trawione przez organizm gospodarza, lecz przechodzą do jelita w niezmienionej formie, stymulując wzrost danego szczepu bakteryjnego. Najpowszechniej występujące prebiotyki to inulina, fruktooligosacharydy, mannanooligosacharydy czy laktuloza. Szczególnym przykładem są oligosacharydy mleka kobiecego (HMO – ang. Human Milk Oligosaccharides), które są trzecim najobficiej wydzielanym do mleka składnikiem. ^[11] Choć człowiek nie potrafi ich rozłożyć, dla niektórych bakterii, np. Bifidobacterium infantis czy w mniejszym stopniu  Bifidobacterium breve są preferowanym źródłem węgla w środowisku, czyli składnikiem niezbędnym do wzrostu. Oznacza to, że składniki, które wydają się zbędne do prawidłowego rozwoju dziecka selektywnie wspierają wzrost najważniejszych dla niego bakterii. ^[13] Wyniki ostatnich badań wskazują na to, że oligosacharydy mleka kobiecego mogą pełnić funkcję ochronną – poprzez wiązanie niektórych patogenów niwelują ich chorobotwórcze działanie. Dlatego w przypadku karmienia mlekiem modyfikowanym lub preparatami mlekozastępczymi, warto wybierać mieszanki wzbogacone o HMO.

Rola prebiotyków nie kończy się jednak w dzieciństwie. W dorosłym życiu również możemy faworyzować rozwój konkretnych szczepów, włączając określone pokarmy do swojej diety. Gdzie więc szukać tych cennych substancji? Najpowszechniej występującym prebiotykiem jest błonnik, którego ilość w diecie można z łatwością zwiększyć, włączając do niej żywność nieprzetworzoną, np. świeże warzywa. W rankingu produktów najbogatszych w prebiotyki w czołówce jest niepozorna cykoria, która zawiera ich prawie 65% w swoim składzie. Znaczne ilości znajdziemy także w czosnku, cebuli, szparagach, topinamburze, fasoli, a nawet bananach – jest z czego wybierać! ^[19]

SCFA – łącznik między człowiekiem a bakterią

Głównym metabolitem przemian oligosacharydów są SCFA – krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe (ang. short chain fatty acids), czyli takie kwasy organiczne, które zawierają od jednego do sześciu atomów węgla w łańcuchu, np. kwas octowy, propionowy, masłowy. Tylko 5% tych związków jest wydalanych wraz z kałem. Cała reszta zostaje zaabsorbowana przez komórki nabłonka jelita. Kwas masłowy wykorzystywany jest przede wszystkim przez kolonocyty i wydaje się mieć szczególnie korzystne działanie na ustrój, natomiast octan jest metabolizowany w wątrobie i mięśniach. ^[14]  Od czego zależy, jakie SCFA zostaną wytworzone przez bakterie komensalne? W dużej mierze od diety – różne modele odżywiania sprzyjają obecności określonych gatunków bakterii, a co za tym idzie określonych SCFA. Dla przykładu – dieta niskotłuszczowa z wysoką zawartością błonnika promuje bakterie wytwarzające maślan. Z kolei dieta wysokotłuszczowa uboga w błonnik powoduje zmniejszenie bioróżnorodności w jelicie, zmniejszenie wytwarzania SCFA, a w konsekwencji intensyfikację reakcji zapalnych. ^[16] Dlaczego?

Otóż okazuje się, że krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe mogą regulować odpowiedź immunologiczną. ^[12] Po pierwsze mają zdolność do przyłączania się do niedojrzałych limfocytów i kierowania ich rozwoju w stronę limfocytów regulatorowych o działaniu supresyjnym, czyli hamującym reakcje zapalne. Z drugim sposobem oddziaływania krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych na organizm związana jest grupa receptorów GPR. Są one obecne m.in. na komórkach układu immunologicznego, a ich aktywacja powoduje wydzielanie czynników przeciwzapalnych. Jednocześnie receptory te są obecne na niektórych komórkach jelita. ^[14] Efektem ich aktywacji jest zmniejszenie ilości spożywanych pokarmów i tym samym redukcja masy ciała. Dzieje się tak dlatego, że główną funkcją tych komórek jest wydzielanie substancji odpowiedzialnych za uczucie sytości. ^[12,14] SCFA regulują także funkcjonowanie innych narządów, w tym trzustki. Nieprawidłowa stymulacja receptorów dla krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych na powierzchni jej komórek może doprowadzić do reakcji zapalnej. Nie mniej istotne są receptory dla SCFA znajdujące się w mózgu, gdyż odkrywamy coraz więcej dowodów na to, że oś jelito-mózg pełni szczególną rolę w patogenezie zaburzeń układu nerwowego, m.in. choroby Parkinsona czy Alzheimera. ^[18] Można więc uznać krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe za zasadnicze ogniwo w łańcuchu komunikacji nie tylko między mikrobiotą a układem immunologicznym i pokarmowym, ale tak naprawdę całym organizmem.

Ewolucja i rewolucja

Odkrycie, że mikroflora jelit ma realny wpływ na fizjologię człowieka i nadaje mu cechy niezbędne do prawidłowego funkcjonowania, których w inny sposób nie byłby w stanie rozwinąć, może stanowić kolejny krok w kierunku nowoczesnej medycyny opierającej się na zrozumieniu zawiłości interakcji między człowiekiem, mikrobiotą, pokarmem i środowiskiem. Westernizacja stylu życia to z jednej strony wysoko przetworzone jedzenie, zanieczyszczenia powietrza, wysokie stężenia antybiotyków w wodzie i żywności, a z drugiej otyłość, astma, alergie, choroby zapalne i autoimmunologiczne. Wypracowane ewolucyjnie mechanizmy regulujące przemiany biochemiczne w organizmie nie są przystosowane do tak wysokiej ingerencji człowieka w środowisko. Nadmierna sterylizacja życia (tzw. reżim higieniczny) i idąca za tym izolacja dziecka od natury nie zapewniają odpowiedniej stymulacji antygenowej w krytycznym dla rozwoju układu immunologicznego momencie, co doprowadziło do gwałtownego wzrostu występowania wielu chorób, przede wszystkim tych z grupy atopowych. ^[3] Jednocześnie świadomość tego, że żyjące w jelicie mikroorganizmy to tak naprawdę nasz “trzeci genom” (obok jądrowego i mitochondrialnego) i że poprzez przyjmowanie odpowiednich pokarmów jesteśmy w stanie modyfikować jego właściwości, stwarza możliwości podjęcia prób walki z chorobami, których do tej pory nie byliśmy w stanie wyleczyć, a tym bardziej im zapobiec. ^[1,3,8] I choć w wielu z nich istotne jest obciążenie genetyczne, należy pamiętać, że geny to nie wszystko.