Podczas warsztatów poświęconych roli mikrobioty w chorobach zakaźnych, które odbyły się w National Institutes of Health (NIH) we wrześniu ubiegłego roku, poczułem się zawiedziony nie usłyszawszy ani jednego wystąpienia na temat mykobiomu — społeczności grzybów. Zawiedziony lecz nie zaskoczony. Pomijanie królestwa grzybów nie jest niczym nowym. Ponad 5 lat temu wraz z kolegą w liście opublikowanym w czasopiśmie Microbe, staraliśmy się zwrócić uwagę na ten problem, postulując, że Projekt Ludzkiego Mikrobiomu powinien badać nie tylko bakterie, ale również populacje komensalnych grzybów i wirusów. Podczas gdy w ostatnich latach wzrosła liczba badań nad ludzkim wiromem, zainteresowanie świata nauki grzybową komponentą mikrobiomu jest wciąż znikome. W listopadzie 2015 r. z pośród ponad 6 000 wyników wyszukiwania dla słowa „mikrobiom” w Web of Science, jedynie w 269 pojawia się termin „grzyb”, a tylko 55 prac odnosi się do „mykobiomu”.
Mahmoud Ghannoum
Pomimo ogólnego braku zainteresowania, garść najnowszych badań wskazuje, że grzyby komensalne odgrywają istotną rolę w zdrowiu i chorobie. Przykładowo, mykobiom jamy ustnej u osób zakażonych HIV różni się od mykobiomu zdrowych osób. Liczebność grzybów z gatunków Candida oraz Saccharomyces powiązana jest z nasileniem objawów chorobowych zakażenia WZW typu B. Z kolei nadmiar jelitowych patogenów Candida tropicalis zaostrza przebieg nieswoistego zapalenia jelit. Kiedy badania nad mykobiomem staną się bardziej powszechne, będzie można odkrywać więcej podobnych powiązań. Być może pewnego dnia, naukowcy włączą pewne gatunki grzybów do zabiegu transplantacji kału a przemysł probiotyków wykorzysta w swoich produktach „kultury przyjaznych grzybów”.
Charakterystyka mykobiomu człowieka
W 1974 promotor mojej pracy wręczył mi artykuł z którego wynikało, że u królików leczonych antybiotykami lub steroidami (substancje hamujące stan zapalny) częściej rozwijały się infekcje grzybicze, np. pleśniawki.1 To uświadomiło mi, że nie tylko grzyby obecne w środowisku zewnętrznym mogą negatywnie wpływać na nasze zdrowie, ale również gatunki zamieszkujące nasz organizm wspólnie z bakteriami komensalnymi. A kiedy jedna społeczność mikroorganizmów zostanie wyniszczona, inna może przyczynić się do rozwoju choroby. Jednak kiedy mikrobiom jest zdrowy, zamieszkujące nas grzyby są nieszkodliwe lub nawet pomocne.
Mykologia medyczna aż do 2010 r. w ogóle nie zajmowała się określeniem grzybowej komponenty mikrobiomu człowieka. Wraz ze współpracownikami odkryliśmy w ludzkiej jamie ustnej złożoną społeczność grzybową, daleko wykraczającą poza gatunki Candida i Saccharomyces, które bez żadnych problemów można hodować w laboratorium. Z próbek pobranych od 20 osób, udało nam się wyizolować 101 gatunków grzybów, przy czym jama ustna każdego z badanych była siedliskiem od 9 do 23 z pośród nich. Aby wykluczyć przejściowych rezydentów jamy ustnej, skupiliśmy się na gatunkach, które występowały przynajmniej u 4 osób (co stanowiło minimum 20% badanych). Wytypowaliśmy w ten sposób 15 rodzajów (grup gatunkowych), pośród których najliczniej reprezentowany był Candida, a następnie Cladosporium (znany alergen i jedna z przyczyn ataków astmy), Aureobasidium (może być przyczyną infekcji grzybiczej po transplantacji narządów) oraz rodzaje należące do gromady Saccharomycetales (pośród których występują gatunki korzystne dla naszego zdrowia, takie jak Saccharomyces boulardii o którym mówi się, jako potencjalnym probiotyku).2
Odkryliśmy również wiele patogennych gatunków, w tym Aspergillus (odpowiedzialny za inwazyjne i wyniszczające infekcje), Fusarium (powodujące miejscowe i ogólnoustrojowe zakażenia ciężkie do leczenia) i Cryptococcus (główna przyczyna zapalenia opon mózgowo-rdzeniowych u pacjentów chorych na AIDS), które mogą zwiększać ryzyko infekcji, szczególnie jeśli układ immunologiczny gospodarza jest osłabiony, jednak wymaga to potwierdzenia eksperymentalnego. Spośród zidentyfikowanych przez nas gatunków ponad 1/3 nie nadaje się do hodowli laboratoryjnej, co poważnie utrudnia prowadzenie badań.
Badacze zaczęli już zwracać uwagę na grzybowe społeczności zamieszkujące inne części ciała niż jama ustna. W 2012 roku japoński zespół określił w jakich miejscach rezydują gatunki z rodzaju Malassezia, które mogą wywoływać powierzchowne infekcje skóry w zewnętrznym przewodzie słuchowym i na podeszwach stóp. Najliczniej występującym gatunkiem okazał się M. slooffiae wywołujący przebarwienia skóry, a za nim M. restricta – obficie obecny w łupieżu głowy. Pomimo pewnych podobieństw do mykobiomu innych części ciała, społeczności Malassezia w zewnętrznym przewodzie słuchowym i na podeszwie stopy były charakterystyczne dla tych miejsc.3
W 2013 Keisha Findley z National Human Genome Research Institute wraz z innymi badaczami z NIH opisali mykobiom skóry, który okazał się specyficzny dla różnych części ciała.4 Badania na 10 dorosłych, zdrowych osobach wykazały dominację grzybów z rodzaju Malassezia na 11 z 14 analizowanych miejsc na ciele, w tym klatka piersiowa i ramiona, podczas gdy pięta, paznokcie dużych palców u stóp oraz przestrzeń między palcami stóp charakteryzowały się dużą różnorodnością gatunkową. Co ciekawe (i ważne), naukowcy odkryli, że podczas gdy poszczególne gatunki bakterii grupują się w zależności od warunków panujących na danym obszarze skóry (obszary bardziej tłuste, mokre lub suche), o tyle społeczności grzybów bardziej niż od warunków, uzależnione były od obszaru ciała (stopy, ramiona, klatka piersiowa).
Ostatnio grupa francuskich naukowców przebadała mykobiom płuc i odkryła, że w zdrowych płucach dominują grzyby ze środowiska zewnętrznego, takie jak Aspergillus (kropidlak).5 U osób cierpiących na mukowiscydozę, zwłóknienie płuc oraz inne choroby płuc, jak również choroby układu sercowo-naczyniowego lub będące po przeszczepie płuca, przeważały gatunki z rodzaju Candida, takie jak C. albicans.
Wszystkie przytoczone badania, jak również inne doniesienia unaoczniają obecność zróżnicowanych społeczności grzybów w całym ciele człowieka i zwracają uwagę na ich znaczenie w zdrowiu i chorobie.
Mykobiom a choroby
W 2014 roku wychodząc poza charakterystykę gatunkową grzybów występujących w różnych częściach ciała, mój zespół rozpoczął laboratoryjne analizy oddziaływań zachodzących pomiędzy różnymi gatunkami grzybów oraz grzybów i bakterii w jamie ustnej pacjentów zainfekowanych HIV.6 Pośród zróżnicowanych interakcji mikrobiomowych, odkryliśmy antagonistyczne relacje między rodzajem Pichia (niepatogenne drożdże wykorzystywane jako biologiczny wskaźnik w ochronie upraw przed infekcjami grzybiczymi) oraz patogennymi gatunkami Candida – spadkowi liczebności Pichia towarzyszyła wzmożona kolonizacja Candida.
Hodując te gatunki w laboratorium, odkryliśmy, że Pichia uwalnia do otoczenia czynniki hamujące wzrost (PSM), które są w stanie ograniczyć namnażanie grzybów z rodzai Candida, Aspergillus i Fusarium. Ponadto, wprowadzenia komórek Pichia lub podłoża, na którym one rosły, do hodowli Candida, poważnie ograniczało tworzenie się biofilmu tego drugiego gatunku. A kiedy myszom o obniżonej odporności zakażonym C. albicans, podawano doustnie PSM, zaobserwowano złagodzenie objawów infekcji w jamie ustnej oraz zmniejszenie liczebności grzybów atakujących błonę śluzową języka, w porównaniu z nieleczonymi zwierzętami.6
Przyglądając się bliżej rozwojowi grzybów u myszy leczonych PSM odkryliśmy nieliczne strzępki grzybni porastające język, natomiast błona śluzowa jamy ustnej pozostała nienaruszona. Z kolei u myszy z grupy kontrolnej (nie leczone) zaobserwowaliśmy intensywny rozrost grzybni. Obecnie próbujemy określić skład substancji aktywnej grzybów z rodzaju Pichia odpowiedzialnej za hamowanie grzybów chorobotwórczych – wstępne wyniki wskazują, że jest to białko.
Ostatnie prace zwracają także uwagę na znaczenie mykobiomu w zdrowiu przewodu pokarmowego. W 2008 roku Stephan Ott pracujący na Christian-Albrechts-University w Kiel (Niemcy) wraz z zespołem zauważyli, że kultury grzybów kałowych u pacjentów z nieswoistym zapaleniem jelita (IBD) znacznie różnią się od tyh występujących u osób zdrowych.7 Natomiast zespół Davida Underhilla z Cedars-Sinai Medical Center w Los Angeles odkrył, że dectin-1, białko receptorowe występujące na powierzchni komórek nieswoistej odpowiedzi (tj. makrofagi, neutrofile, komórki dendrytyczne), odpowiedzialne za uruchamianie reakcji immunologicznej przeciwko grzybom, znacząco wpływa na objawy nieswoistego zapalenia jelita (IBD) w mysim modelu zapalenia okrężnicy.8 Konkretnie, myszy z deficytem dectin-1 doświadczały większej utraty masy ciała, zmian histologicznych oraz zwiększonej produkcji cytokin prozapalnych w porównaniu z myszami typu dzikiego. Dodatkowe testy wykazały, że Candida tropicalis, gatunek dominujący w jelitach myszy typu dzikiego, potrafi wykorzystać niedobory dectin-1, jednak leczenie myszy z deficytem dectin-1 za pomocą antygrzybicznego preparatu – flukonazolu, zmniejsza dotkliwość infekcji.
Zakłócenia w mykobiomie mogą także zaostrzyć objawy choroby przeszczep przeciw gospodarzowi, GVHD (od ang. graft-versus-host disease), złożonego i wielokierunkowego procesu związanego z oddziaływaniem między układem odpornościowym gospodarza i jego mikrobiotą a limfocytami T przejętymi od dawcy. W 2000 r. zespół Kieren Marr (pracującej wówczas na University of Washington oraz Fred Hutchinson Cancer Research Center) był jednym z pierwszych, który wykazał związek między leczeniem kandydozy a poprawą stanu w GVHD – okazało si, że wdrożenie u pacjentów po przeszczepie szpiku długotrwałej terapii flukonazolem obniżyło u nich objawy ze strony układu pokarmowego związane z GVHD, zapobiegło zakażeniom wywołanym Candida oraz zgonom spowodowanym tym grzybem, a także zwiększyło przeżywalność.9
10 lat później, Walter van der Velden z Radboud University Nijmegen Medical Center w Holandii wykorzystując analizę retrospektywną pacjentów po allogenicznym przeszczepie komórek macierzystych, sprawdził czy kolonizacja Candida i działanie dectin-1 mają wpływ na rozwój GVHD.10 Pacjentów oceniono pod kątem obecności Candida w próbkach kału i w płynie do płukania jamy ustnej. Zespół Van der Veldena odkrył, że pacjenci zakażeni Candida charakteryzowali się znacznie wyższym wskaźnikiem ostrej ciężkiej postaci GVHD niż osoby wolne od tego patogenu; okazało się również, że kolonizacja była jedynym czynnikiem jaki można by powiązać z GVH (pochodzenie komórek macierzystych oraz metody wykorzystane do usunięcia limfocytów T przed przeszczepem nie miały istotnego wpływu). Prawdopodobieństwo wystąpienia i rozwoju GVHD u pacjentów skolonizowanych Candida, którym podawano flukonazol, było znacznie mniejsze.
Skład gatunkowy ludzkiego mykobiomu można również powiązać z wieloma innymi powszechnymi schorzeniami, jak na przykład otyłość. W ubiegłym roku zespół hiszpańskich naukowców poinformował, że mykobiom osób otyłych, w porównaniu do osób z prawidłową masą ciała, charakteryzuje się większą ilością grzybów należących do gromady Ascomycota, klasy Saccharomycetes i Tremellomycetes, oraz rodziny Dipodascaceae i Saccharomycetaceae.11 Zaobserwowano również tendencję do mniejszej różnorodności gatunkowej grzybów u pacjentów z otyłością – podobne obserwacje zanotowano w odniesieniu do populacji bakterii. Zmiany w mykobiomie osób otyłych mogą wiązać się z większą ilością tkanki tłuszczowej i towarzyszącymi schorzeniami metabolicznymi, takimi jak insulinooporność, nadciśnienie czy stany zapalne.
Badacze odkryli, że najbardziej rozpowszechnionym rodzajem grzybów u nieotyłych osób był Mucor, oraz że ilość przedstawicieli tego grzyba znacznie wzrasta u osób otyłych po utracie masy ciała. Podobne rezultaty uzyskiwano w odniesieniu do bakterii z rodzaju Bacteroidetes. Te nowe odkrycia mogą być pomocne w potencjalnym wykorzystaniu Mucor, razem lub oddzielnie z Bacteroidetes, do walki z otyłością. Warto zauważyć, że podobne wyniki jak te odnoszące się do antagonistycznych relacji między Candida a Pichia w mykobiocie jamy ustnej pacjentów zainfekowanych HIV, zaobserwowała grupa francuska w odniesieniu do mykobiomu płuc – u nieotyłych osób stwierdzono negatywną korelację miedzy przedstawicielami rodziny Pichiaceae (w której skład wchodzi Pichia) oraz Dipodascaceae (zawierająca Candida) – wzrostowi jednego towarzyszył spadek liczebności drugiego.5
Biorąc pod uwagę, że pole do badań nad mykobiomem jest jeszcze bardzo młode, wspomniane wyżej przykłady są niewątpliwie nielicznymi z wielu chorób, w których nasi grzybowi komensale odkrywają istotną rolę, jak np. AZS (atopowe zapalenie skóry)12 czy reakcja alergiczna w płucach.13
Oczywistym jest, że ludzki mykobiom wpływa zarówno na nasze zdrowie jak i stany chorobowe. Aby postawić kolejne kroki społeczność naukowa musi przyjąć cały ludzki mikrobiomowy inwentarz; badania skłaniające się tylko i wyłącznie w kierunku bakterii to na dłuższą metę projekty krótkowzroczne i skazane na niepowodzenie, nie wspominając już o marnowaniu cennych funduszy badawczych.
Mahmoud Ghannoum jest dyrektorem Center for Medical Mycology w Case Western Reserve University and University Hospitals Case Medical Center oraz profesorem mianowanym w Klinice Dermatologii w Case School of Medicine w Cleveland, w stanie Ohio. W latach 2011-2012 pełnił funkcję prezesa Amerykańskiego Medycznego Towarzystwa Mykologicznego.
Przypisy
- J.A. Montana, T.W. Sery, “Effect of fungistatic agents on corneal infections with Candida albicans,”AMA Arch Ophthalmol, 60:1-6, 1958.
- M.A. Ghannoum et al., “Characterization of the oral fungal microbiome (mycobiome) in healthy individuals,” PLOS Pathog, 6:e1000713, 2010.
- E. Zhang et al., “Characterization of Malassezia microbiota in the human external auditory canal and on the sole of the foot,” Microbiol Immunol, 56:238-44, 2012.
- K. Findley et al., “Topographic diversity of fungal and bacterial communities in human skin,” Nature, 498:367-70, 2013.
- L.D.N. Nguyen et al., “The lung mycobiome: An emerging field of the human respiratory microbiome,” Front Microbiol, 6:89, 2015.
- P.K. Mukherjee et al., “Oral mycobiome analysis of HIV-infected patients: Identification of Pichia as an antagonist of opportunistic fungi,” PLOS Pathog, 10:e1003996, 2014.
- S.J. Ott et al., “Fungi and inflammatory bowel diseases: Alterations of composition and diversity,”Scand J Gastroenterol, 43:831-41, 2008.
- I.D. Iliev et al., “Interactions between commensal fungi and the c-type lectin receptor dectin-1 influence colitis,” Science, 336:1314-17, 2012.
- K.A. Marr et al., “Prolonged fluconazole prophylaxis is associated with persistent protection against candidiasis-related death in allogeneic marrow transplant recipients: Long-term follow-up of a randomized, placebo-controlled trial,” Blood, 96:2055-61, 2000.
- W.J. van der Velden et al., “Role of the mycobiome in human acute graft-versus-host disease,” Biol Blood Marrow Transplant, 19:329-32, 2013.
- M.M. Rodríguez et al., “Obesity changes the human gut mycobiome,” Sci Rep, 5:14600, 2015.
- P.K. Mukherjee et al., “Disease-specific changes in skin bacteriome and mycobiome in atopic dermatitis (AD) patients,” Presented at the Society for Investigative Dermatology Meeting; Atlanta, Georgia, May 6–9, 2015.
- M.C. Noverr et al., “Development of allergic airway disease in mice following antibiotic therapy and fungal microbiota increase: Role of host genetics, antigen, and interleukin-13,” Infect Immun, 73:30-38, 2005.
Źródło