Sana mikrobisto edustaa mikro-organismien kokonaisuutta, joka asuu aiemmin vakiintuneessa ympäristössä. Ihmisillä on bakteeriryhmiä eri puolilla kehoa, kuten ihon pinta- tai syväkerroksissa (ihon mikrobisto), suussa (suun mikrobisto), emättimessä (emättimen mikrobisto) jne. Suolistomikrobisto on nykyisin käytetty nimitys suolistossamme elävälle mikrobipopulaatiolle (kuva 2). Suolistomikrobiston kehitys alkaa syntymästä ja kehittyy koko elämämme ajan, syntymästä vanhuuteen, ja se on erilaisten ympäristövaikutusten tulosta. Ajanjakso, jolloin mikrobisto vaikuttaa voimakkaimmin ihmisisäntään, on synnytyksen jälkeinen aika, jolloin bakteerivapaa vastasyntynyt siirtyy äitinsä kohdun steriilistä ympäristöstä mikro-organismien täyttämään maailmaan ja jolloin vastasyntyneen limakalvo- ja ihopinnat kolonisoituvat vähitellen (Bartova). Bakteeripopulaatioiden koostumus vakiintuu yleensä vasta ensimmäisten elinvuosien jälkeen; tänä aikana mikrobisto kolonisoi vähitellen vastasyntyneen limakalvo- ja ihonpinnat ja vaikuttaa immuunijärjestelmän kehitykseen. On näyttöä siitä, että ihmisen mikrobiyhteisöillä on merkitystä niinkin erilaisten sairauksien kuin astman, ekseeman, tulehduksellisten suolistosairauksien, liikalihavuuden, insuliiniresistenssin ja kasvainten patogeneesissä. Tutkijat toteavat, että varhaislapsuuden infektioiden, diabeteksen ja liikalihavuuden määrä on vähentynyt rintaruokituilla imeväisillä verrattuna formula-ruokituilla imeväisillä esiintyvään suolistomikrobiston koostumukseen (Moore). Rintaruokituilla imeväisillä Bifidobacteriumista tuli hallitseva eliöryhmä, kun taas äidinmaidonkorvikkeella ruokituilla imeväisillä kehittyy erilainen mikrobiyhteisö, joka koostuu joistakin bifidobakteereista ja suurista osuuksista muita mahdollisesti patogeenisiä organismeja, joista muutama esimerkki on stafylokokki, enterobakteerit ja klostridit. Bifidobakteeri on grampositiivinen, liikkumaton, anaerobinen bakteeri (kuva 3). Tämä bakteerimuoto asuu nisäkkäiden, myös ihmisen, ruoansulatuskanavassa, emättimessä ja suussa; sitä on todistetusti Activia-jogurtissa. Eri bakteerilajeilla tai -kannoilla voi olla useita hyödyllisiä terveysvaikutuksia, kuten suoliston mikrobien homeostaasin säätely, suolen limakalvoa kolonisoivien tai infektoivien patogeenien ja haitallisten bakteerien estäminen, prokarsinogeenisten entsymaattisten toimintojen tukahduttaminen mikrobistossa ja vitamiinien tuotanto (Moore). Bifidobakteeri parantaa suolen limakalvon barrieria ja alentaa lipopolysakkaridipitoisuuksia suolistossa sekä hillitsee gramnegatiivisten patogeenien kasvua imeväisillä. Äidinmaidolla on taipumus sisältää suuria laktoosipitoisuuksia ja pienempiä määriä fosfaattia, joka on pH-puskuri. Kun maitohappobakteerit, joihin Bifidobakteerit kuuluvat, fermentoivat äidinmaitoa imeväisen ruoansulatuskanavassa, ulosteen pH-arvo voi laskea, mikä vaikeuttaa gramnegatiivisten bakteerien kasvua rintaruokinnassa olevilla imeväisillä. Jos bifidobakteerien määrä suolistomikrobistossa vähenee, imeväisiässä lisääntyy myös muu suolistofloora, joka on yhteydessä myöhemmin elämässä ilmeneviin sairauksiin, kuten E. coli -bakteerien lisääntyneeseen määrään, joka liittyy atooppisten sairauksien, kuten astman ja ekseeman, kehittymiseen (Oh), kun taas bifidobakteerien määrän väheneminen ja S. aureus -bakteerin määrän lisääntyminen liittyy ylipainoisiin äiteihin ja suurentuneeseen riskiin, että imeväisikäisestä tulee ylipainoinen lapsuudessa (Bourboulis). Tiedot osoittivat, että mikrobiyhteisöjen ja niiden inhimillisten isäntien välisten vuorovaikutussuhteiden ymmärtäminen voi valaista monimutkaisten ihmisten sairauksien, kuten lihavuuden, atooppisten sairauksien ja autoimmuunisairauksien, patogeneesiä. Autoimmuunisairauksien tärkeimpiä piirteitä ovat kudostuho ja toimintakyvyn heikkeneminen, jotka johtuvat immunologisesti välitetyistä mekanismeista, jotka ovat periaatteessa samoja kuin patogeenisten infektioiden torjuntaan käytettävät mekanismit; sekä elävät bakteerit että niiden komponentit ovat selvästi vastuussa monista näistä immunomodulaatiomekanismeista (Bartova). Immunomodulatorisilla mekanismeilla on kyky muuttaa tai säädellä yhtä tai useampaa immuunitekijää. Lisäksi nämä häiriöt ovat tärkeä lääketieteellinen ongelma, koska niillä on tuhoisa vaikutus elämänlaatuun ja ne vaativat pitkäaikaista lääketieteellistä hoitoa. Näiden vuorovaikutusten ymmärtäminen tarjosi lähteen terapeuttisille lähestymistavoille, keinon vähentää patogeneesiä. Yksi käytetyistä menetelmistä oli PCR (polymeraasiketjureaktio), jolla tutkittiin tiettyjä geenejä, ja mikrobien aineenvaihduntatuotteiden kemiallinen profilointi. PCR on molekyylibiologian tekniikka, jota käytetään DNA:n yksittäisen kopion tai muutaman kopion monistamiseen useissa suuruusluokissa, jolloin syntyy tuhansia tai miljoonia kopioita tietystä DNA-sekvenssistä. Nämä lähestymistavat ovat osoittaneet muuttuneita metabolisia profiileja ihmisillä, joilla on tulehduksellinen suolistosairaus, suolistomikrobiston koostumuksen vaihtelua ihmisen ruokavalion mukaan ja suolistomikrobiston toiminnallisia eroja, jotka liittyvät isännän ruumiinrakenteeseen, suolistomikrobiston koostumuksen kehitysmuutoksia imeväis- ja lapsuusiän aikana ja lopuksi antibioottiresistenssin geneettistä epidemiologiaa suolistomikrobistossa (Moore). Ruoansulatuskanavan mikrobiyhteisön koostumuksen erityiset vaihtelut on yhdistetty ihmisen terveyden ja sairauksien tärkeisiin alueisiin. Tutkimuksen avulla on viime aikoina edistytty sekä bakteerien aineenvaihduntatuotteiden että isännän solukoneiston välisten vuorovaikutusten ymmärtämisessä, mikä on alkanut valottaa mikrobien osuuden fysiologista perustaa ihmisen patologiassa eli ihmisen sairauksien tutkimisessa. Toiminnalliset metagenomiikan seulonnat voivat myös valaista mikrobien ja isäntäsolujen välisen vuorovaikutuksen geneettisiä tekijöitä. Toiminnallinen metagenomiikka on yksi viljelystä riippumattomista tekniikoista, joita käytettiin vuosikymmeniä ympäristön mikro-organismien tutkimiseen. Vasta hiljattain tätä menetelmää alettiin soveltaa ihmisen lähimikrobiston tutkimiseen. Metagenomiikan toiminnallisilla seuloilla luonnehditaan mikrobiyhteisön toiminnallista kapasiteettia, joka on riippumaton identiteetistä tunnettuihin geeneihin, altistamalla metagenomi toiminnallisille testeille geneettisessä isännässä. Seulontamenetelmällä voidaan tunnistaa tiettyjä bakteerien geenituotteita, jotka vaikuttavat suoraan ihmissolujen kohtaloon. Samat seulonnat voidaan suunnitella myös ruoansulatuskanavan mikrobiston immuunijärjestelmää säätelevän kyvyn tutkimiseksi. Yhdessä nämä tutkimukset osoittavat, että funktionaalisilla metagenomiikan seuloilla voidaan selvittää geneettisiä mekanismeja, joiden avulla mikrobiyhteisöt vaikuttavat ihmisen immuunijärjestelmän kehittymiseen sekä atooppisten, autoimmuunisairauksien ja kasvainsairauksien patogeneesiin, mikä voi tarjota uusia terapeuttisia kohteita näihin sairauksiin (Moore). Sen lisäksi, että ihmisessä olevien solujen kanssa vuorovaikutuksessa olevat bakteerit, kuten suoliston mikrobisto ja muut organismit, voivat myös käyttää kvorum-sensointia välittääkseen signaaleja etäisyyksien yli ja koordinoidakseen yhteisön geeniekspressiota. Quorum sensing on järjestelmä, jossa stimulaatio ja vaste korreloivat populaatiotiheyden kanssa. Monet bakteerilajit käyttävät kvorum sensingiä koordinoidakseen geeniekspressiota paikallisen populaation tiheyden mukaan. Jokaisen esitellyn tekniikan ja ihmisen sairauden estämisen myötä se antaa todisteita siitä, että ihmisen mikrobiyhteisöillä on merkitystä sairauksien patogeneesissä.
Suolikanavan ja peräsuolen Escherichia coli
Escherichia coli (E. coli) on gramnegatiivinen, fakultatiivinen anaerobinen, sauvamainen bakteeri, jota tavataan yleisesti lämminveristen eliöiden alemmassa suolistossa. Useimmat kannat ovat harmittomia ja elävät rauhallisesti suolistossamme mässäilemässä ruoanpalasia, eivätkä aiheuta haittaa tai jopa hyödyttävät isäntää auttamalla ruoansulatuksessa, mutta jotkin tyypit voivat aiheuttaa isännälleen vakavan ruokamyrkytyksen, joka aiheuttaa oksentelua, ripulia ja punatautia, ja harvinaisissa tapauksissa bakteerit voivat johtaa munuaisten vajaatoimintaan tai jopa kuolemaan. Nämä haitalliset E. coli -bakteerit ovat toisinaan vastuussa elintarvikkeiden saastumisesta johtuvista tuotteiden markkinoilta poistamisista; ne voivat myös aiheuttaa erilaisia sairauksia, sekä suolisto- että suoliston ulkopuolisia sairauksia. E.coli on ihmisten ja muiden lämminveristen eläinten yhteiseliö. Se voi olla myös virulenssiorganismi; bakteerien virulenssitekijät riippuvat geneettisen taustan vaihteluista. Fylogeneettiset tutkimukset ovat osoittaneet, että E. coli voidaan jakaa neljään fylogeneettiseen pääryhmään, A, B1, B2 ja D (Foxman). Nämä ryhmät antavat paremman luonnehdinnan sen ymmärtämiseen, miten tavallisista bakteereista tai tavallisista E. coli -bakteereista voi tulla haitallisia patogeenejä. Ryhmät A ja B1 ovat sisäryhmiä, kun taas ryhmä B2 kuuluu esi-isähaaraan. Nämä fyloryhmät eroavat ilmeisesti toisistaan ekologisten markkinarakojensa, elämänhistoriansa ja joidenkin ominaisuuksiensa, kuten kyvyn hyödyntää erilaisia sokerilähteitä, antibioottiresistenssiprofiiliensa ja kasvunopeutensa suhteen (Amaral). Suurin osa ympäristössä elävistä ja viihtyvistä E. coli -kannoista kuuluu fylogeneettiseen ryhmään B1. Myös genomin koolla on merkitystä fyloryhmien välillä, sillä A- ja B1-ryhmillä on pienemmät genomit kuin B2- ja D-ryhmillä; nämä kaksi ryhmää sisälsivät enemmän virulenssitekijöitä kuin A- ja B1-ryhmiin kuuluvat kannat. On kuitenkin osoitettu, että useimmat B2-ryhmän E. coli -kannat aiheuttavat virtsatieinfektioita ja muita suoliston ulkopuolisia infektioita; tässä ryhmässä on myös usein virulenssitekijöitä. Suolistoflooraa tai peräsuolen E. coli -kantoja pidetään patogeenisten kantojen luonnollisena säiliönä suoliston ulkopuolisissa infektioissa, ja siksi niitä pidetään osana kommensaalista kantapopulaatiota. Terveistä ihmisistä saatujen kommensaalisten E. coli -isolaattien fylogeneettinen jakauma voisi tarjota tärkeän vertailun ja näkemyksen mahdollisen patogeenisen linjan leviämisestä (Foxman). Commensal-organismeja hallitsevat yleensä A- ja B1-ryhmän kannat, ja B2-kantoja on vähän. Havaintojen perusteella E. coli -bakteerien fylogeneettisten ryhmien jakautumisen ero patogeenisten ja kommensaalisten E. coli -populaatioiden välillä perustui kuitenkin eri isäntäpopulaatioista peräisin olevien ulosteen ja virtsan isolaattien vertailuun. Amaral ja hänen kollegansa tunnistivat opiskeluikäisistä naisista saatujen E. coli -isolaattien fylogeneettiset ryhmät ja vertasivat niiden jakaumia kokoelmien välillä, jotta patogeenisten ja kommensaalisten E. coli -populaatioiden välisiä geneettisiä suhteita voitaisiin vertailla paremmin. Tutkijat kuvasivat terveistä naisista saatujen 93 uropatogeenisen kannan ja 88 peräsuolen kommenssikannan jakautumista E. coli -bakteerin neljään fylogeneettiseen pääryhmään (Foxman). Tulokset osoittivat, että ryhmään B2 kuuluvat kannat hallitsivat virtsatietulehdusnäytteissä ja harvemmin peräsuolinäytteissä, ja ne olivat myös yleisin ryhmä kaikkien tutkituilta naisilta saatujen tulosten joukossa. He tutkivat myös geneettistä vaihtelua kunkin fylogeneettisen ryhmän sisällä ERIC-tyypityksen avulla ja osoittivat, että UTI-peräiset B2- ja D-ryhmän kannat olivat geneettisesti vähemmän erilaisia kuin peräsuolesta peräisin olevat kannat. ERIC-PCR:ää, joka tarkoittaa enterobakteerien toistuvaa intergeenistä konsensus-PCR-analyysiä, käytettiin tutkimaan tarkemmin kantojen geneettistä monimuotoisuutta kussakin fylogeneettisessä ryhmässä kustakin kokoelmasta, kuten edellä esitetyistä tuloksista käy ilmi. Kaikkien esitettyjen tietojen perusteella voidaan varmasti sanoa tai arvioida, että B2-kannat muodostavat suuren osan kaikista ekstraintesinaalisista E. coli -infektioista, mutta vain pienen osan tutkituista ihmisperäisistä kannoista. Koska B2-ryhmää esiintyy sekä patogeenisissä että kommenssiryhmissä, se osoittaa, että geneettistä monimuotoisuutta on olemassa. On mahdollista, että terveessä ihmispopulaatiossa voi olla runsaasti B2-kantoja, mutta ne voivat olla myös vähemmän virulentteja. Nämä tiedot osoittavat, että bakteerit tai E. coli -bakteerit voivat sopeutua erilaisiin markkinarakoihin ja siirtyä ja kehittyä tavallisesta elämäntavasta patogeeniseen elämäntapaan. Mahdollisesti tällaisten organismien evoluutio ihmisravinnoksi kelpaavasta esi-isästään ei edellytä ainoastaan uusien geenien, esimerkiksi virulenssia määrittävien geenien, saamista, vaan myös olemassa olevien toimintojen muuttamista. Yksi esimerkki siitä, miten patogeenit käyttävät geneettistä vaihtelevuuttaan välttääkseen immuunivalvontaa ja lääkehoitoa, on 3TC-resistentti HIV-1. Tämä tarkoittaa, että HIV on resistentti 3TC:lle, joka on lamivudiini, voimakas nukleosidi, jota käytetään kroonisen hepatiitti B:n hoidossa. HI-virus voi kehittyä nopeasti resistentiksi 3TC:tä vastaan, jos viruskuormitusta ei saada suppressoitua havaitsemisrajan alapuolelle, mikä tarkoittaa, että hoito ei toimi.
Johtopäätökset
Porfyriinejä syntetisoidaan luonnostaan ihmisen soluissa, ja niitä tuottavat myös ihmisen lähibakteerit, kuten P. acnes ihmisen ihossa. Commensal-bakteerina P. acnes on osa jokaista ihmistä; sen jatkuva ja johdonmukainen läsnäolo ihmisen iholla voi tehdä siitä erinomaisen endogeenisen säteilybiokemian. Mikrobisto edustaa mikro-organismien kokonaisuutta, joka asuu ennalta määritellyssä ympäristössä, ja suolistomikrobiston kehitys alkaa syntymästä ja kehittyy koko elämämme ajan, syntymästä vanhuuteen, ja se on erilaisten ympäristövaikutusten tulosta. Esimerkkinä tällaisesta on bifidobakteeri, joka parantaa suoliston limakalvoestettä ja alentaa lipopolysakkaridipitoisuuksia suolistossa sekä hillitsee gramnegatiivisten patogeenien kasvua imeväisillä. Äidinmaidossa on yleensä suuria laktoosipitoisuuksia ja vähemmän fosfaattia, joka on pH-puskuri. Kun maitohappobakteerit, joihin Bifidobakteerit kuuluvat, fermentoivat äidinmaitoa imeväisen ruoansulatuskanavassa, ulosteen pH-arvo voi laskea, mikä vaikeuttaa gramnegatiivisten bakteerien kasvua rintaruokinnassa olevilla imeväisillä. Useimmat E. coli -bakteerikannat ovat vaarattomia ja elävät rauhallisesti suolistossamme nakerrellen ruoanpalasia eivätkä aiheuta haittaa tai jopa hyödyttävät isäntää auttamalla ruoansulatusta, mutta jotkut tyypit voivat aiheuttaa isännälleen vakavan ruokamyrkytyksen, joka aiheuttaa oksentelua, ripulia ja punatautia, ja harvinaisissa tapauksissa bakteerit voivat johtaa munuaisten vajaatoimintaan tai jopa kuolemaan. E. coli voidaan jakaa neljään fylogeneettiseen pääryhmään, A, B1, B2 ja D. Nämä ryhmät antavat paremman luonnehdinnan siitä, miten tavallisista bakteereista tai tavallisista E. coli -bakteereista voi tulla haitallisia patogeenejä. Kukin näistä kolmesta organismista osoittaa, miten kommenssiorganismit auttavat monimuotoisuutensa kautta valaisemaan ihmisen fylogenetiikkaa. Kukin niistä auttaa elimistöä eri tavalla, ja muutamat niistä ovat lopulta ajan myötä pystyneet hankkimaan patogeenisiä ominaisuuksia, kuten E. coli. Yhdyskuntaeliöt ovat organismeja, jotka ovat hyödyllisiä elimistölle, hajottavat ruokaa, torjuvat tauteja, altistavat säteilylle, avustavat immuunijärjestelmää ja muutamia muita asioita; mutta voi myös vahingoittaa kehoa tuomalla taudinaiheuttajia, tauteja ja sairauksia kehoon. Tämä tapahtuu ajan myötä ja yleensä vasta ympäristön muuttuessa.
1. Bartova, Jirina, David P. Funda ja Ludmila Tuckova. ”The Role of Gut Microbiota (commensal Bacteria) and the Mucosal Barrier in the Pathogenesis of Inflammatory and Autoimmune Diseases and Cancer”: Contribution of Germ-free and Gnotobiotic Animal Models of Human Diseases”. Nature.com. Nature Publishing Group, 31.1.2011. Web. 28.4.2015.
2. ”Escherichia Coli Phylogenetic Group Determination and Its Application in the Identification of the Major Animal Source of Fecal Contamination”. BMC Microbiology. N.p., n.d. Web. 28 Apr. 2015.
3. Kotzampassi, Katerina, Evangelos J. Giamarellos-Bourboulis ja George Stavrou. ”Lihavuus suolistobakteerien ja ruokavalion vuorovaikutuksen seurauksena”. ISRN Obesity. Hindawi Publishing Corporation, n.d. Web. 28 Apr. 2015.
4. Moore, Aimee M., Christian Munck, Morten O. A. Sommer ja Gautam Dantas. ”Functional Metagenomic Investigations of the Human Intestinal Microbiota”. Frontiers in Microbiology. Frontiers Research Foundation, 17. lokakuuta 2011. Web. 28.4.2015.
5. Tulossuodattimet.” National Center for Biotechnology Information. U.S. National Library of Medicine, n.d. Web. 28 Apr. 2015.
6. Roh, Seong Woon, Young-Do Nam, Ho-Won Chang, Kyoung-Ho Kim, Min-Soo Kim, Ji-Hwan Ryu, Sung-Hee Kim, Won-Jae Lee ja Jin-Woo Bae. ”Phylogenetic Characterization of Two Novel Commensal Bacteria Involved with Innate Immune Homeostasis in Drosophila Melanogaster.” Applied and Environmental Microbiology. American Society for Microbiology (ASM), n.d. Web. 28 Apr. 2015.
7. Shu, M., S. Kuo, Y. Wang, Y. Jiang, Y.-T. Liu, R.L. Gallo ja C.-M. Huang. ”Porfyriinimetaboliat ihmisen ihon Commensal Propionibacterium Acnes -bakteereissa: Mahdollinen sovellus ihmisen säteilyriskin seurantaan.” Current Medicinal Chemistry. U.S. National Library of Medicine, 2.1.2014. Web. 28.4.2015.
8. ”Woodin lamppututkimus”. Healthline. N.p., n.d. Web. 28 Apr. 2015.
9. Zhang, Lixin, Betsy Foxman ja Carl Marrs. ”Sekä virtsan että peräsuolen Escherichia Coli -isolaatteja hallitsevat fylogeneettisen ryhmän B2 kannat”. Journal of Clinical Microbiology. American Society for Microbiology, marraskuu 2002. Web. 28.4.2015.
10. Zheng, Tao, Jinho Yu, Min Hee Oh ja Zhou Zhu. ”Atooppinen marssi: Eteneminen atooppisesta ihottumasta allergiseen nuhaan ja astmaan.” Allergia, astma & Immunologian tutkimus. The Korean Academy of Asthma, Allergy and Clinical Immunology; the Korean Academy of Pediatric Allergy and Respiratory Disease, n.d. Web. 28 Apr. 2015.