Wpływ mikrobiomu jelitowego ojca na zdrowie i długość życia potomstwa

Na łamach czasopisma „Nature”, ukazał się artykuł opisujący wpływ dysbiozy jelitowej u samców myszy na rozwój ich potomstwa. Badania przeprowadzone przez zespół naukowców z European Molecular Biology Laboratory (EMBL) wykazały, że zaburzenia mikrobioty jelitowej u ojców mogą prowadzić do szeregu komplikacji u potomstwa, takich jak niska masa urodzeniowa, zahamowanie wzrostu i zwiększona śmiertelność. Co istotne, negatywne efekty były odwracalne i ustępowały w kolejnych pokoleniach wraz z przywróceniem prawidłowej mikrobioty u ojców. Odkrycia te sugerują istnienie mechanizmu, za pośrednictwem którego mikrobiota jelitowa ojca może wpływać na zdrowie przyszłych pokoleń.

Zdrowie człowieka jest wypadkową złożonych interakcji czynników genetycznych i środowiskowych. W ostatnich latach coraz więcej uwagi poświęca się roli mikrobioty jelitowej w kontekście zdrowia i chorób. Mikrobiota jelitowa matki ma udowodniony wpływ na układ odpornościowy, metabolizm i rozwój dziecka. Jednak wpływ mikrobiomu ojca na reprodukcję i zdrowie następnych pokoleń pozostawał słabo zbadany. Zespół naukowców z European Molecular Biology Laboratory (EMBL) opublikował na łamach czasopisma „Nature” artykuł opisujący wpływ dysbiozy jelitowej u samców myszy na rozwój ich potomstwa.

Oś jelitowo-zarodkowa

Grupa naukowców prowadzona przez z James’a Hackett’a z EMBL skupiła się na odkryciu nowego, potencjalnego szlaku regulacyjnego – „osi jelitowo-zarodkowej”, która łączy stan mikrobiomu jelitowego ojca ze zdrowiem jego potomstwa. Oś jelitowo – zarodkowa (ang. gut-germline axis) to interakcja między mikrobiomem jelitowym a komórkami układu rozrodczego. Mikrobiota jelitowa za pośrednictwem szlaków metabolicznych może modulować procesy epigenetyczne zachodzące w komórkach rozrodczych (gametach), które wpływają na dalszy rozwój zarodka i zdrowie potomstwa.

Wpływ dysbiozy jelitowej u ojców na zdrowie potomstwa

Aby ocenić wpływ ojcowskiej mikrobioty jelitowej na zdrowie przyszłych pokoleń, naukowcy przeprowadzili serię eksperymentów na myszach. U samców myszy wywołano dysbiozę układu pokarmowego poprzez podawanie im przez 6 tygodni antybiotyków niewchłanialnych (nABX).

Antybiotyki niewchłanialne (nABX) – koktajl składający się z: neomycyny, bacytracyny i pimarycyny. Antybiotyki nABX nie przedostają się do krwioobiegu i działają miejscowo w jelitach.

Dodatkowo, aby potwierdzić, że obserwowane efekty są wynikiem zaburzenia mikrobioty, a nie bezpośredniego działania substancji leczniczych, zastosowano również inne metody wywołujące dysbiozę: samcom myszy przez 6 tygodni dodawano do wody pitnej antybiotyki wchłaniające się z przewodu pokarmowego (avaABX) oraz środek przeczyszczający o działaniu osmotycznym (glikol polietylenowy – PEG).

Antybiotyki wchłaniające się (avaABX) – koktajl składający się z ampicyliny, wankomycyny i amfoterycyny B.

W celu wykluczenia bezpośredniego wpływu antybiotyków na płodność samców, zbadano różne parametry nasienia (np. liczbę, morfologię i ruchliwość plemników) i nie stwierdzono istotnych różnic między samcami z grupy kontrolnej a tymi z grupy przyjmującej antybiotyki lub środek przeczyszczający. Następnie, samce myszy kojarzono z samicami o prawidłowym mikrobiomie, a ich potomstwo (generacja F1) dokładnie analizowano pod kątem stanu zdrowia – w szczególności wzięto pod uwagę masę ciała w momencie urodzenia, przeżywalność, tempo wzrostu, a także potencjalne wady rozwojowe.

Parametry płodności

stosunek masy jąder do masy ciała
potencjał płodności: oceniany na podstawie masy ciała samca, masy jąder, liczby plemników i zdolności do zapłodnienia.
liczba plemników
morfologia plemników: oceniano budowę plemników, identyfikując ewentualne nieprawidłowości w budowie główki, wstawki i witki.
ruchliwość plemników
prawdopodobieństwo zapłodnienia: porównano odsetek udanych ciąż po kojarzeniu samców z grup kontrolnych i grup z dysbiozą z samicami.

Badanie skupia się na wpływie mikrobioty jelitowej samców myszy na zdrowie potomstwa. Wykazano, że modyfikacja flory bakteryjnej jelit u samców za pomocą antybiotyków negatywnie wpłynęła na produkcję plemników, co z kolei odbiło się na rozwoju łożyska, wadze urodzeniowej i długości życia potomstwa. Naukowcy zaobserwowali, że po zaprzestaniu antybiotykoterapii negatywne skutki ustąpiły. Mechanizmy molekularne leżące u podstaw tego zjawiska nie zostały jeszcze w pełni poznane.

Dodatkowo, aby upewnić się, czy obserwowane efekty u potomstwa są dziedziczone, samice z pierwszego pokolenia (generacja F1) kojarzono z samcami z grupy kontrolnej (z prawidłową mikrobiotą), a następnie przeanalizowano kondycję zdrowotną ich potomstwa (generacja F2). Potomstwa tych myszy porównano z miotem z grupy kontrolnej (ojcowie z prawidłową florą bakteryjną). Do badania włączono również grupę myszy poczętych w wyniku zapłodnienia in vitro (IVF).

Mikrobiom ojca w momencie poczęcia ma znaczący wpływ na rozwój i stan zdrowia potomstwa

Wyniki badań wykazały, że dysbioza jelitowa u ojców miała negatywny wpływ na zdrowie ich dzieci. Zmiany w składzie bakterii jelitowych u samców myszy, wywołane antybiotykami, prowadziły do szeregu nieprawidłowości w okresie ciąży i po narodzinach. Mysie potomstwo ojców z dysbiozą charakteryzowało się m. in.:

Niską masą urodzeniową
Zahamowaniem wzrostu,
3,5 krotnie zwiększonym ryzykiem wystąpienia ciężkiego ograniczenia wzrostu (SGR),
Wyższą śmiertelnością w okresie poporodowym (WYKRESY f, i, j).

Co istotne, negatywne skutki dla potomstwa zaobserwowano również przy zapłodnieniu in vitro z użyciem plemników od myszy z zaburzoną florą bakteryjną.

Wykresy przedstawiają znaczny spadek przeżywalności mysich noworodków, których ojcowie mieli zaburzoną mikrobiotę jelitową w porównaniu z grupą kontrolną. Linia pozioma przedstawia czas (w dniach) od narodzin do 60-tego dnia życia. Linia pionowa dotyczy wskaźnika śmiertelności (w %). Na wykresie f zestawiono śmiertelność mysiego potomstwa pochodzącego z grupy kontrolnej (niebieska linia) i grupy samców spożywających antybiotyki niewchłanialne (nABX) (czerwona linia). Wykres i porównuje śmiertelność wśrod potomków spożywających antybiotyki wchłaniające się (avaABX) (czerwona linia), a wykres j dotyczy myszy, których ojcowie dostali środek przeczyszczający (PEG) (czerwona linia).

Jakie mechanizmy mogą odpowiadać za występowanie tych korelacji?

Okazuje się, że zaburzona mikrobiota jelit u samców wpływa także na stan i funkcjonowanie gonad oraz plemników. U myszy dysbiotycznych zaobserwowano m. in. zmniejszoną ekspresję genu leptyny, hormonu wytwarzanego przez komórki tłuszczowe oraz komórki rozrodcze. Niższe stężenie leptyny we krwi i jądrach wiązało się mniejszą masą jąder, zaburzeniami w spermatogenezie oraz zmianami w strukturze kanalików nasiennych.

W kanalikach nasiennych samców z zaburzoną mikrobiotą zaobserwowano cieńszy nabłonek oraz puste przestrzenie powstałe w wyniku częściowej utraty komórek płciowych (wakuolizacja). Ten objaw nie występował u myszy z grupy kontrolnej. Ilościowa ocena budowy jąder wykazała, że myszy dysbiotyczne miały istotnie większy odsetek nieprawidłowych kanalików nasiennych. Co ciekawsze, u samców myszy ze stwierdzoną mutacją genu leptyny (imitującą wpływ dysbiozy na aktywność genu leptyny), naukowcy zauważyli cechy podobne do tych występujących u samców z dysbiozą. Chociaż źródła nie dostarczają jednoznacznych dowodów na bezpośredni związek między niedoborem leptyny a płodnością samców, to sugerują, że niższe stężenie tego hormonu, podobnie jak zaburzona mikrobiota jelitowa, mogą prowadzić do nieprawidłowości w budowie jąder. Mechanizm, za pośrednictwem którego dysbioza jelitowa wpływa na poziom leptyny u samców, nie został jeszcze w pełni poznany.

Analiza układu rozrodczego ojców cierpiących na dysbiozę oraz zdrowych myszy ujawniła także zmiany metaboliczne – zaobserwowano wyraźne różnice w składzie i ilości 68 metabolitów pomiędzy tymi dwiema grupami zwierząt. Wśród badanych związków większość należało głównie do grup sfingolipidów, glicerofosfolipidów i endokannabinoidów. Te trzy grupy metabolitów odgrywają ważną rolę w funkcjonowaniu komórek rozrodczych:

Sfingolipidy i glicerofosfolipidy to lipidy, które budują błony komórkowe i uczestniczą w przekazywaniu sygnałów wewnątrz komórek. W kontekście komórek rozrodczych, sfingolipidy biorą udział w spermatogenezie, ruchliwości plemników i interakcjach plemnik-komórka jajowa.
Endokannabinoidy wpływają na układ endokannabinoidowy, który reguluje wiele procesów fizjologicznych, w tym funkcje rozrodcze. W jądrach endokannabinoidy wpływają na spermatogenezę, dojrzewanie plemników i ich zdolność do zapłodnienia.

Analiza transkryptomu jąder myszy z zaburzeniami mikrobioty wykazała, że geny związane z glicerofosfolipidami i steroidogenezą ulegały preferencyjnej deregulacji tzn. były bardziej podatne na zmiany w ekspresji w porównaniu do innych genów

Analiza nasienia myszy z dysbiozą wykazała zmiany w jego składzie molekularnym, w tym różnice w małych cząsteczkach RNA, tzw. mikroRNA. Są to niewielkie, niekodujące białek cząsteczki pełniące rolę regulatorową ekspresji genów. Chociaż autorzy artykułu nie wyjaśniają dokładnie, w jaki sposób mikroRNA wpływa na potomstwo w tym konkretnym badaniu, to sugerują, że może odgrywać rolę w przekazywaniu informacji o stanie zdrowia ojca przyszłym pokoleniom.

Zmiany w składzie cząsteczek mikroRNA (ang. small RNA) w plemnikach:

wzrost ilości miR-141 oraz miR-200a – mikroRNA, które wspólnie regulują przejście nabłonkowo-mezenchymalne oraz rozwój łożyska,
wzrost ilości fragmentów 5′ tRNA (tRF), w szczególności tRF-Gly-GCC.

Wywołane zaburzoną mikrobiotą zmiany w fizjologii jąder rzutują na stan nasienia, a dojrzewające plemniki, mimo ich normalnej zdolności do zapłodnienia, niosły ze sobą informacje, które wpływały na rozwój łożyska u potomstwa, prowadząc do jego niewydolności, a w konsekwencji do problemów rozwojowych i zdrowotnych (niska masa urodzeniowa, zahamowanie wzrostu, wyższa śmiertelność poporodowa). W łożyskach płodów pochodzących od dysbiotycznych samców częściej stwierdzano:

zmniejszony rozmiar obszaru labiryntu – obszar odpowiedzialny za wymianę gazową i transport substancji odżywczych między matką a płodem,
upośledzone unaczynienie,
zwiększoną częstość występowania zawału łożyska,
zmiany w ekspresji genów m. in. odpowiedzialnych za tworzenie naczyń krwionośnych oraz genów Hand1 i Syna,
obecność markerów stanu przedrzucawkowego.

Markery stanu przedrzucawkowego:

niski poziom łożyskowego czynnika wzrostu PLGF,
podwyższony stosunek rozpuszczalnego receptora dla naczyniowo-śródbłonkowego czynnika wzrostu typu 1 sFLT1 do czynnika wzrostu PLGF,
podwyższony poziom Clu (klasetryny),
podwyższony poziom Afp (alfa-fetoproteina).

Odwracalność negatywnych skutków dysbiozy

Opisane negatywne skutki dysbiozy u myszy udało się odwrócić poprzez przywrócenie prawidłowej flory bakteryjnej jelit u samców przed poczęciem. Po zaprzestaniu podawania antybiotyków, mikrobiota jelitowa samców wracała do normy w ciągu ośmiu tygodni. Po tym czasie, potomstwo samców z przywróconą mikrobiotą rodziło się ze prawidłową masą ciała i rozwijało się normalnie, nie wykazując oznak zwiększonej śmiertelności.

Warto podkreślić, że pozytywne efekty przywrócenia prawidłowej mikrobioty obserwowano tylko w pierwszym pokoleniu potomstwa. Oznacza to, że negatywne skutki dysbiozy nie były dziedziczone genetycznie, ale prawdopodobnie wynikały z epigenetycznych modyfikacji w męskim układzie rozrodczym, takich jak zmiany w stężeniach metabolitów w jądrach, poziomach leptyny i cząsteczek mikroRNA w plemnikach.

Doniesienia te dostarczają przekonujących dowodów na to, że mikrobiota jelitowa ojca może mieć istotny wpływ na zdrowie jego potomstwa. Chociaż eksperymenty przeprowadzono na myszach, uzyskane wyniki mają potencjalne implikacje dla zdrowia reprodukcyjnego ludzi.

Ograniczenia badania

Badanie nie definiuje konkretnego szlaku molekularnego, poprzez który zaburzony mikrobiom jelitowy wpływa na męskie komórki płciowe. Określenie tego szlaku jest kluczowe dla pełnego zrozumienia mechanizmu stojącego za obserwowanymi efektami.
Niekorzystny wpływ na rozwój potomstwa, w tym znaczne ograniczenie wzrostu, nie występował u wszystkich potomków. Sugeruje to, że istnieją inne czynniki, wciąż niepoznane, które odgrywają rolę w tym procesie.
Doświadczenie przeprowadzono na zwierzętach, a nie na ludziach. Chociaż wyniki te stanowią ważny krok w kierunku zrozumienia wpływu mikrobiomu ojca na potomstwo, to niezbędne są dalsze badania, aby potwierdzić te obserwacje u ludzi.
Badanie nie określa, jak długo trwa regeneracja mikrobiomu jelitowego u ludzi po zastosowaniu antybiotyków. Informacje te mogłyby być przydatne w doradztwie dotyczącym optymalnego czasu zapłodnienia, aby uniknąć negatywnych skutków dla potomstwa.
Badanie, choć wskazuje na szereg zmian w ekspresji genów zarodka i łożyska, nie wyjaśnia w pełni, które z tych zmian mają charakter przyczynowy w kontekście obserwowanych efektów prenatalnych i postnatalnych u potomstwa.

Argaw-Denboba, A., Schmidt, T.S.B., Di Giacomo, M. et al. Paternal microbiome perturbations impact offspring fitness. Nature 629, 652–659 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07336-w
Veerus L, Blaser MJ, Sadovsky Y, Jašarević E. Dad’s gut microbes matter for pregnancy health and baby’s growth. Nature 629, 536-537 (2024) doi: https://doi.org/10.1038/d41586-024-01191-5
Rossana De Lorenzi, European Molecular Biology Laboratory. „Father’s gut microbes affect the next generation.”