Programowanie mikrobiotyczne - homeostaza mikrobioty jelitowej a ryzyko chorób cywilizacyjnych

Programowanie mikrobiotyczne - homeostaza mikrobioty jelitowej a ryzyko chorób cywilizacyjnych Microbial programming - homeostasis of the intestinal microbiota and the risk of lifestyle diseases Bożena Cukrowska 1, Elżbieta Klewicka 2 1 Pracownia Immunologii, Zakład Patologii, Instytut Pomnik - Centrum Zdrowia Dziecka, Warszawa 2 Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności, Instytut Technologii Fermentacji i Mikrobiologii, Politechnika Łódzka Praca powstała w ramach projektu rozwojowego 12/P01/2010/10 finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. STRESZCZENIE Mikrobiota zasiedlająca przewód pokarmowy tworzy skomplikowany zespół różnorodnych grup mikroorganizmów, które wpływają na mechanizmy regulujące funkcjonowanie większości układów i narządów człowieka. Mikrobiotyczna hipoteza rozwoju przewlekłych chorób zakłada, że mikrobiom, szczególnie w okresie noworodkowo-niemowlęcym, programuje organizm dziecka i stan zdrowia w późniejszych latach. Zmieniona mikrobiota może wpływać na nieprawidłową aktywację procesów immunologicznych oraz metabolicznych, co skutkuje rozwojem chorób cywilizacyjnych. W artykule opisano czynniki wpływające na kształtowanie mikrobiomu jelitowego we wczesnym okresie rozwoju dziecka, przedstawiono koncepcję programowania mikrobiotycznego oraz znaczenie probiotyków w prewencji chorób cywilizacyjnych. Standardy Medyczne/Pediatria 2014 T. 11 913-922 SŁOWA KLUCZOWE: MIKROBIOM MIKROBIOTA JELITOWA PROGRAMOWANIE MIKROBIOTYCZNE CHOROBY CYWILIZACYJNE ABSTRACT Microbiota colonizing the gut creates a complex set of diverse groups of microorganisms, which affects the mechanisms that regulate the functioning of the most human systems and organs. Microbial hypothesis of chronic disease development assumes that microbes, especially in newborns and infants, are able to program the health status in later years. Disturbed microbiota composition can result in abnormal activation of the immune and metabolic processes, and induce the development of civilization diseases. The article describes the factors influencing the intestinal microbiome in early child ontogeny, presents the concept of microbial programming, and the importance of probiotics in the prevention of civilization diseases. Standardy Medyczne/Pediatria 2014 T. 11 913-922 KEY WORDS: MICROBIOME INTESTINAL MICROBIOTA MICROBIAL PROGRAMMING CIVILIZATION DISEASES Wstęp Wyzwaniem dla współczesnej medycyny jest połączenie i czerpanie wiedzy z wielu dziedzin nauki, oddziaływań środowiskowych, badań podstawowych z zakresu mikrobiologii, biochemii, immunologii. Integracja wiedzy z wielu obszarów oddziałujących na zdrowie człowieka pomaga wytyczyć ścieżki prowadzące do zdrowego, zrównoważonego organizmu. Zintegrowane działanie pozwala na holistyczne podejście do zdrowia, traktując organy człowieka jako system wzajemnie oddziałujących na siebie elementów. Podążając tą drogą wytyczono nową koncepcję superorganizmu 1. Koncepcja ta opiera się na wzajemnej interakcji mikrobiomu czyli genów mikrobioty GŁÓWNE TEZY 1. Mikrobiota jelitowa programuje organizm dziecka, wpływając na jego stan zdrowia w późniejszych latach. 2. Probiotyki mogą modulować rozwój biocenozy jelitowej i zmniejszać ryzyko rozwoju chorób cywilizacyjnych. zasiedlającej organizm człowieka (ponad 1 000 000 genów) i genomu człowieka (23 000 genów). Najliczniejsza mikrobiota (10 14 komórek) zlokalizowana jest w przewodzie pokarmowym i w większości są to bakterie, które wpływają na mechanizmy regulujące prawidłowe funkcjonowanie różnych układów i narządów człowieka. Mikrobiotyczna hipoteza roz- 912 STANDARDY MEDYCZNE/PEDIATRIA 2014 T. 11 913-922

woju chorób zakłada, że mikrobiom programuje organizm dziecka, wpływając na jego stan zdrowia w późniejszych latach 2,3. Szczególnie ważnym etapem dla programowania zdrowia jest okres ciąży oraz wczesnego dzieciństwa. Zmieniona mikrobiota zasiedlająca przewód pokarmowy niemowlęcia poprzez nieprawidłową stymulację układu immunologicznego i aktywację procesów metabolicznych może wpływać na rozwój alergii, otyłości, przewlekłych chorób zapalnych, chorób autoimmunizacyjnych, a nawet nowotworów 2-4. W pracy opisano czynniki wpływające na kształtowanie mikrobioty jelitowej we wczesnym okresie rozwoju dziecka oraz przedstawiono koncepcję programowania mikrobiotycznego. Omówiono również znaczenie probiotyków - bakterii modulujących mikrobiom jelitowy w prewencji alergii. Skład mikrobioty jelitowej Przewód pokarmowy człowieka pod względem mikrobioty jest układem złożonym i dynamicznym, tzn. przez całe życie człowieka ulega modyfikacjom pod wpływem czynników endo- i egzogennych 5,6. Bioróżnorodność mikrobioty jelitowej, którą należy rozumieć jako zróżnicowanie bakterii zasiedlających przewód pokarmowy zarówno na poziomie gatunku, jak i pomiędzy gatunkami, oceniana jest obecnie za pomocą nowoczesnych metod molekularnych stosowanych w metagenomice (badania zajmujące się genami zawartymi w ludzkim i bakteryjnym genomie). Badania te oparte na hybrydyzacji, sekwencjonowaniu DNA oraz możliwości enzymatycznego powielania materiału genetycznego umożliwiają kompleksową ocenę mikrobiomu na różnych etapach życia oraz w trakcie przebiegu choroby. Sekwencjami DNA używanymi do identyfikacji mikroorganizmów są geny kodujące rybosomalny RNA (rrna) dużej i małej podjednostki rybosomów, które występują u wszystkich organizmów należących do domen Bacteria i Eucaria, natomiast są nieobecne u wirusów. W odróżnieniu od metod molekularnych tradycyjne metody hodowlane pozwalają jedynie na selektywną ocenę wybranych mikroorganizmów. Badania molekularne mikrobioty pokazują, że większości bakterii jelitowych nadal nie potrafimy wyizolować i hodować w warunkach laboratoryjnych, co wskazuje na ograniczoną możliwość oceny bioróżnorodności biocenozy jelitowej metodami hodowlanymi 5,6. Stosując nowoczesne metody molekularne wykazano, że w jelicie człowieka można zidentyfikować przynajmniej 1800 rodzajów i od 15 000 do 36 000 gatunków 5. Dominującą grupą mikroorganizmów zasiedlających przewód pokarmowy są bakterie (około 99%) należące do typów: Bacteroides, Firmicutes, Proteobacteria i Actinobacteria (Tabela 1). Ze względu na zróżnicowane warunki fizykochemiczne Tabela 1. Dominująca mikrobiota jelitowa 5-8 Bacteroides Actinobacteria - Bifidobacterium sp. Firmicutes - Clostridium sp. - Eubacterium sp. - Lactobacillus sp. - Peptostreptococcus sp. - Peptococcus sp. - Ruminococcus sp. Firmicutes - Enterococcus sp. - Staphylococcus sp. TYP MIKROBIOTY BEZTLENOWCE WZGLĘDNE BEZTLENOWCE Proteobacteria - Escherichia coli - Inne bakterie należące do rodziny Enterobacteriaceae panujące w różnych odcinkach przewodu pokarmowego zarówno liczebność, jak i zróżnicowanie gatunkowe jest odmienne. W jamie ustnej i przełyku w większości identyfikowane są mikroorganizmy pochodzące z żywności. W żołądku ze względu na niekorzystne ph (1,0-2,0) oraz obecność enzymów proteolitycznych identyfikuje się niewielką liczbę bakterii względnie beztlenowych w ilości do 10 4 komórek w 1 ml soku żołądkowego. Do rodzajów bakterii występujących w żołądku zalicza się: Lactobacillus i Streptococcus, ponadto mogą być obecne nieliczne bakterie z rodziny Enterobacteriaceae oraz bakterie tolerujące niskie ph - Helicobacter pylori i drożdże Candida albicans. W kolejnym odcinku przewodu pokarmowego - dwunastnicy - również panują niekorzystne dla rozwoju mikroorganizmów warunki środowiskowe. Sole kwasów żółciowych działają toksycznie na mikroorganizmy, ograniczając ich wzrost. Liczebność mikroorganizmów utrzymuje się na tym samym poziomie co w żołądku, niemniej zmieniony jest skład gatunkowy biocenozy. W dwunastnicy stwierdzono obecność bakterii Lactobacillus sp. i Streptococcus sp., pojawiają się beztlenowe bakterie z rodzaju Bacteroides, natomiast nieobecne są już bakterie Helicobacter pylori i drożdże Candida albicans 7. W jelicie czczym wzrasta wartość ph środowiska, stwarzając lepsze warunki dla wzrostu mikroorganizmów. Liczebność mikroorganizmów w tym odcinku przewodu pokarmowego wzrasta nawet do 10 7 komórek na gram treści jelitowej, natomiast skład gatunkowy biocenozy nie zmienia się. Jelito kręte charakteryzuje się mikrobiotą liczniej- STANDARDY MEDYCZNE/PEDIATRIA 2014 T. 11 913-922 913

RYC. 1 Dynamika zasiedlania przewodu pokarmowego dziecka urodzonego siłami natury 9,10 szą osiągającą nawet 10 9 komórek/g treści jelita o wyraźnie zróżnicowanym składzie gatunkowym bakterii. Dominują bakterie beztlenowe i względnie beztlenowe: Bifidobacterium sp., Bacteroides sp., Clostridium sp., Enterococcus sp., Lactobacillus sp., Veillonella sp., Streptococcus sp. oraz bakterie należące do licznej rodziny Enterobacteriaceae 7,8. Ostatnim odcinkiem przewodu pokarmowego człowieka jest jelito grube i odbytnica. Treść jelita tego odcinka przewodu pokarmowego osiąga wysoką wartość ph równą 8,0. Panujące warunki sprzyjają rozwojowi mikrobioty jelitowej do wartości 10 10-10 12 komórek na gram treści. Do najczęściej występujących w jelicie grubym i okrężnicy mikroorganizmów zaliczamy beztlenowe i względnie beztlenowe bakterie: Bacteroides sp., Bifidobacterium sp., Eubacterium sp. Fusobacterium sp., Ruminococcus sp., Lactobacillus sp., Escherichia coli, Enterococcus faecalis, Bacillus sp., Clostridium sp., Streptococcus sp. oraz drożdże z rodzaju Candida 5-8. Kształtowanie i dojrzewanie biocenozy jelitowej Środowisko wewnątrzmaciczne i dziecko w łonie matki są jałowe. Do zasiedlania przewodu pokarmowego noworodka dochodzi podczas porodu naturalnego - tzw. mikrobiotą pionierską (pochodzącą od matki) - lub mikrobiotą środowiskową, gdy noworodek został urodzony poprzez cięcie cesarskie 9,10. Pojawiła się również teoria o prenatalnej kolonizacji dziecka przez bakterie obecne w środowisku wewnątrzmacicznym i kolonizowaniu jeszcze przed narodzinami 11. Poparciem tej teorii ma być obecność bakterii w smółce. Stwierdzono tam: Escherichia coli, Enterococcus faecium, Staphylococcus epidermidis. Bakterie te do środowiska wewnątrzmacicznego mogą zostać przeniesione przez krwioobieg. Badania przeprowadzone na modelu mysim polegające na podawaniu drogą pokarmową bakterii Enterococcus faecium samicom myszy wykazały obecność tych bakterii w płynie owodniowym 12. Pomimo nowatorskich teorii i badań na temat zasiedlania przewodu pokarmowego noworodka, bezsprzeczny jest fakt, iż decydującym czynnikiem jest rodzaj porodu. Natychmiast po narodzinach siłami natury następuje zasiedlenie noworodka przez pierwsze mikroorganizmy w liczbie 5 10 3-5 10 4 komórek bakterii na 1 ml treści jelita. Dominującą mikrobiotą w tym okresie życia są względnie beztlenowe i tlenowe bakterie bakterie Escherichia coli oraz należące do rodzajów: Enterococcus sp., Staphylococcus sp., nieliczne Lactobacillus sp. Bifidobakterie (typowa mikrobiota niemowląt) pojawiają się dopiero w 2 dobie życia. Dynamikę zasiedlania noworodka w czasie 7 dni przedstawiono na Rycinie 1. Korzystnym efektem jest zmniejszanie się już w 3 dobie życia liczebności bakterii z rodzaju Clostridium sp. na korzyść Bifidobacterium sp. Mikrobiota dziecka urodzonego przez cięcie cesarskie pozbawiona jest bakterii beztlenowych a dominują w niej aerofilne, względnie beztlenowe i bakterie przetrwalnikujące z rodzaju Clostridium 9. U 1-dniowych noworodków z cięć cesarskich wykazano dominację mikroorganizmów kolonizujących skórę matki, tj. Staphylococcus, Corynebacterium i Propionibacterium spp 13. Ostatnio opublikowane badania analizujące zmiany składu mikrobioty od urodzenia do 2. r.ż. wykazały, że dzieci urodzone z cięcia cesarskiego wykazują obniżoną bioróżnorodność mikroorganizmów oraz opóźnioną i mniejszą liczebnie kolonizację bakteriami Bacteroidetes, co skutkuje obniżoną aktywacją pomocniczych limfocytów Th1 14. Zaburzenie homeostazy Th1/Th2 na korzyść pro-alergicznego profilu cytokinowego Th2 może wpływać na wzrost zachorowań na choroby atopowe 3. Kolejnym ważnym czynnikiem determinującym właściwe kształtowanie się mikrobioty jelitowej jest sposób karmienia noworodka. W kale dzieci urodzonych drogami i siłami natury, karmionych mlekiem matki po 2 tygodniach stwierdzano dominację bifidobakterii 9,10, natomiast w kale dzieci karmionych jałowymi mieszankami mlecznymi obserwowano duże zróżnicowanie mikrobioty obejmujące rodzinę Enterobacteriaceae, bakterie Enterococcus sp. i Bacteroides sp. Poród naturalny i karmienie piersią to dwa podstawowe czynniki zewnętrzne wpływające na optymalny rozwój mikrobioty. W mleku matki obecne 914 STANDARDY MEDYCZNE/PEDIATRIA 2014 T. 11 913-922

ZACHODNI TRYB ŻYCIA: reżim higieniczny, antybiotyki, nieliczne rodziny, dieta, cięcia cesarskie Zmniejszenie bioróżnorodności mikrobioty środowiskowej Zmiana składu mikrobioty - obniżenie funkcjonalnej różnorodności (functional diversity) Przewlekłe choroby cywilizacyjne Nieprawidłowa aktywacja układu immunologicznego RYC. 2 Zachodni tryb życia, mikrobiota a choroby cywilizacyjne 2,3 są immunoglobuliny sekrecyjne klasy IgA - główny element obrony błon śluzowych przed drobnoustrojami - oraz liczne białka i peptydy o aktywności przeciwbakteryjnej (np. laktoferyna), które wpływają na kształtowanie mikrobiomu jelitowego 15,16. Mleko kobiece zawiera również unikalne oligosacharydy o właściwościach prebiotycznych (ang. human milk oligosaccharides, HMO), oporne na działanie enzymów trawiennych, których metabolizm w jelicie grubym selektywnie indukuje namnażanie się bifidobakterii oraz powoduje wzrost stężenia krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych i obniżenie ph kału 17. Ponadto HMO mają zdolność wiązania się ze specyficznymi receptorami na powierzchni nabłonka jelitowego, co zapobiega adhezji bakterii patogennych 17. Badania ostatnich lat wykazały, że w mleku kobiecym oprócz naturalnych prebiotyków (HMO) obecne są liczne bakterie o działaniu probiotycznym z gatunków Lactobacillus gasseri, Lactobacillus salivarius, Lactobacillus reuteri, Lactobacillus fermentum czy Bifidobacterium breve 18. Bakterie te najprawdopodobniej pochodzą z mikrobioty jelitowej matki, skąd są transferowane do gruczołów mlecznych za pomocą komórek dendrytycznych zlokalizowanych w przewodzie pokarmowym 19. Mleko kobiece jest więc naturalnym synbiotykiem modulującym kształtowanie mikrobioty jelitowej. Mikrobiota jelitowa zdrowego dziecka stabilizuje się około 2 r.ż. i wówczas przypomina już skład biocenozy jelitowej dorosłego człowieka. Wielu badaczy uważa, że wraz ze stabilizacją ekosystemu przewodu pokarmowego kończy się możliwy okres programowania organizmu przez mikrobiom jelitowy 20. Programowanie mikrobiotyczne - mikrobiota a choroby cywilizacyjne W ostatnich dekadach w krajach wysokorozwiniętych obserwuje się znaczny wzrost zachorowalności na tzw. choroby cywilizacyjne (alergie, choroby autoimmunizacyjne, przewlekle schorzenia zapalne) oraz znaczne obniżenie wieku, w którym pojawiają się pierwsze objawy tych chorób 21,22. Problemem stała się również otyłość i zespół metaboliczny wieku dziecięcego, główne czynniki ryzyka rozwoju chorób sercowo-naczyniowych. Przyczyny tych zjawisk wiąże się w tzw. zachodnim stylem życia, czyli wysokim reżimem higienicznym, stosowaniem antybiotyków, zmianą diety, odejściem od kontaktu z naturą 2,22. Nie bez znaczenia jest również wzrost liczby cięć cesarskich (około 30% dzieci w krajach zachodnich, w tym w Polsce, rodzi się z cięcia cesarskiego), który koreluje ze wzrostem zachorowalności na niektóre postaci alergii (alergię pokarmową, astmę), celiakię, czy cukrzycę typu 1 23-26. Jednocześnie obserwuje się zmiany warunków środowiskowych z postępującym obniżeniem różnorodności gatunkowej, również w świecie bakterii. Uważa się, że efektem opisanych zmian w społeczeństwach wysokorozwiniętych są zaburzenia homeostazy mikrobioty jelitowej obserwowane od pierwszych dni życia, co bezpośrednio wpływa na obniżenie funkcjonalnej różnorodności mikrobiomu i nieprawidłową aktywację układu immunologicznego 2,27 (Rycina 2). Powyższa hipoteza poparta jest porównawczą oceną mikrobiomu, która potwierdziła różnice w składzie mikrobioty pomiędzy niemowlętami urodzonymi w krajach Europy Zachodniej i w krajach afrykań- STANDARDY MEDYCZNE/PEDIATRIA 2014 T. 11 913-922 915

Alergia: alergia pokarmowa, atopowe zapelenie skóry, nieżyty nosa, astma Choroby przewodu pokarmowego: biegunki, kolka jelitowa, zespół jelita drażliwego, nieswoiste zapalenia jelit, celiakia Choroby autoimmunizacyjne: cukrzyca typu 1, celiakia DYSBIOZA - ZABURZENIE HOMEOSTAZY BIOCENOZY JELITOWEJ Zaburzenia i choroby metaboliczne: otyłość, miażdżyca, cukrzyca typu 2, stłuszczenie wątroby Choroby OUN: autyzm, ADHD, depresja Choroby nowotworowe RYC. 3 Choroby cywilizacyjne, w których zaburzenia homeostazy jelitowej mogą odgrywać znaczną rolę 2-4,30-36,39 skich. U 6-miesięczych dzieci z Malawi znacznie częściej niż u niemowląt fińskich występują jako dominujące bifidobakterie oraz Bacteroides-Prevotella sp. i Clostridium histolyticium 28. W krajach wysokorozwiniętych występuje również coraz rzadsze i późniejsze zasiedlanie przewodu pokarmowego przez pałeczki pochodzenia matczynego z rodziny Enterobacteriaceae, przede wszystkim z gatunku Escherichia coli. Proces ten, podobnie jak zachorowalność na choroby cywilizacyjne, postępuje w ostatnich dziesięcioleciach, co demonstrują badania przeprowadzone w populacji szwedzkiej 29. W latach 90-tych ok. 75% noworodków zasiedlanych było przez bakterie Enterobacteriaceae, obecnie pałeczki z tej rodziny izolowane są sporadycznie w pierwszych 3 dobach życia (u mniej niż 1% dzieci), ale aż 99% noworodków jest kolonizowanych przez Staphylococcus aureus 29. Noworodki szwedzkie są również później zasiedlane przez bakterie z rodzaju Lactobacillus sp. i Eubacterium sp. niż noworodki urodzone w Estonii, tj. w kraju o niższej zachorowalności na alergię 30. Mikrobiota jelitowa pełni wiele funkcji, wpływając na metabolizm organizmu, produkcję witamin, trawienie i przyswajanie składników odżywczych, rozwój narządów, ze szczególnym uwzględnieniem barier błon śluzowych oraz rozwój i działanie układu immunologicznego 4. Wiele grup badawczych podkreśla znaczenie właściwej, pionierskiej sukcesji mikroorganizmów jelitowych, która poprzez stymulację układu immunologicznego i aktywność metaboliczną przyczynia się do obniżenia ryzyka chorób w późniejszym życiu 2,10. Mikrobiotyczna hipoteza rozwoju chorób cywilizacyjnych, będąca modyfikacją higienicznej teorii Strachana zakłada, że mikrobiota zasiedlająca przewód pokarmowy programuje organizm dziecka, wpływając na jego stan zdrowia w późniejszych latach 2,3,10,27. Kluczowym etapem życia programowania mikrobiotycznego jest okres noworodkowo-niemowlęcy 22. W świetle nowych doniesień dotyczących kolonizacji w życiu płodowym nie możemy wykluczyć znaczenia okresu prenatalnego dla programowania mikrobiologicznego 11. Konsekwencją dysbiozy we wczesnym niemowlęctwie mogą być liczne schorzenia przedstawione na Rycinie 3, w tym choroby układu pokarmowego, układu immunologicznego, zaburzenia biochemiczne czy metaboliczne, a nawet choroby nowotworowe 2-4. Coraz częściej wskazuje się również na możliwość aktywacji osi jelitowo-mózgowej przez mikrobiotę jelitową oraz znaczenie mikrobiomu w rozwoju chorób o podłożu psychogennym i psychosomatycznym 31. Zaburzenia mikrobioty w chorobach przewlekłych Zaburzenia mikrobioty jelitowej obserwuje się w wielu chorobach występujących u niemowląt (kolka jelitowa, alergia pokarmowa, atopowe zapalenie skóry), jak również w wieku późniejszym. Zwraca uwagę fakt, że niektóre choroby (atopowe zapalenie skóry, kolka jelitowa, celiakia) są konsekwencją obniżonej bioróżnorodności mikroorganizmów zasiedlających jelita we wczesnym okresie postnatalnym 32-34. W tym okresie obserwuje się również specyficzne zmiany ilościowe w składzie mikrobioty jelitowej. Kalliomäki i wsp., oceniając 3-tygodniowe noworodki, u których w ciągu 1 roku życia pojawiły się objawy alergii, wykazali wzrost liczby Clostridium sp., z jednoczesnym obniżeniem liczby bakterii z rodzaju Bifidobacterium w porównaniu do dzieci zdrowych 35. Zmniejszoną liczebność bakterii z rodzaju Bifidobacterium i Bacteroides, z jednoczesnym wzrostem liczby Staphylococcus 916 STANDARDY MEDYCZNE/PEDIATRIA 2014 T. 11 913-922

aureus w porównaniu z dziećmi zdrowymi zaobserwowano u dzieci z atopowym zapaleniem skóry 30. Natomiast u 1-2 tygodniowych noworodków, u których później pojawiły się objawy kolki jelitowej stwierdzono obniżenie liczebności bakterii Lactobacillus sp. i Bifidobacterium sp. oraz bakterii należących do Bacteroidetes 33. W badaniach przeprowadzonych przez Kalliomäki i wsp. wykazano, że niska liczebność bakterii z rodzaju Bifidobacterium sp. u niemowląt w wieku od 6 do 12 miesięcy jest skorelowana z wystąpieniem otyłości u tych dzieci w wieku około 7 r.ż. 36 Dodatkowo zaobserwowano wyższą liczebność bifidobakterii u niemowląt, których matki w czasie ciąży miały prawidłowy ciężar ciała w porównaniu z dziećmi matek otyłych, co pośrednio potwierdza znaczenie mikrobioty pochodzenia matczynego w tworzeniu biocenozy jelitowej niemowląt 37. Wykazano również, że mleko matek otyłych zawiera niższą liczbę bifidobakterii i wyższą Staphylococcus sp. oraz wykazuje zmienioną zdolność immunomodulacyjną związaną z obniżeniem stężenia niektórych białek (cytokiny TGF- -beta2, cząsteczki scd14) 38. Zaburzenia składu mikrobioty dotyczą też chorób o podłożu autoimmunizacyjnym. W cukrzycy typu 1 stwierdzono mniejszą liczbę bakterii typu Firmicutes i Actinobacterium, z jednoczesnym wzrostem liczebności Bacteroidetes oraz bakterii z rodziny Enterobacteriaceae (ale innych niż Escherichia coli) 39. Liczba bakterii Bifidobacterium sp. i Lactobacillus sp. negatywnie korelowała ze stężeniem glukozy w krwi obwodowej, podczas gdy pozytywna korelacja była charakterystyczna dla Clostridium sp. Obniżenie liczby bakterii Firmicutes, ale z częstszą obecnością Proteobacteria stwierdzono również w celiakii 40. Dodatkowo, u chorych z aktywną postacią choroby wyizolowano bakterie nieobecne w mikrobiocie osób zdrowych - szczepy Klebsiella oxytoca, Staphylococcus epidermidis i Staphylococcus pasteuri. Ostatnio opublikowana praca pokazuje, że zaburzenia kolonizacji przewodu pokarmowego występują u zdrowych noworodków z grupy ryzyka rozwoju celiakii (krewni pierwszego stopnia chorych na tę chorobę) 41. U nosicieli genów kodujących cząsteczki HLA-DQ2 (genów związanych z celiakią) w porównaniu do noworodków nieposiadających genotypu HLA-DQ2 obserwowano obniżenie liczby bakterii z rodzaju Bifidobacterium sp., z jednoczesnym wzrostem liczby Corynebacterium sp., Gemella sp., Clostridium sp., niesklasyfikowanych bakterii należących do Clostridiaceae i Enterobacteriaceae. Autorzy sugerują, że na mikrobiom dzieci z grupy wysokiego ryzyka może mieć bezpośredni wpływ genotyp, co wskazywałoby na znaczenie nie tylko czynników środowiskowych, ale również genetycznych w kształtowaniu specyficznej biocenozy jelitowej chorych na celiakię 41. Probiotyki - bakterie modulujące programowanie mikrobiotyczne W ostatnich latach wzrasta zainteresowanie działaniami wpływającymi na mikrobiom oraz programowanie mikrobiotyczne, które ma na celu wczesną profilaktykę chorób cywilizacyjnych. Probiotyki zgodnie z definicją Światowej Organizacji Zdrowia to żywe mikroorganizmy, które podane w odpowiedniej dawce mają korzystne efekty zdrowotne 42. Probiotyki produkują substancje przeciwdrobnoustrojowe (kwasy organiczne, amoniak, nadtlenek wodoru, bakteriocyny), współzawodniczą z innymi bakteriami o receptory adhezyjne nabłonka jelitowego i substancje odżywcze, aktywują produkcję defenzyn i sekrecyjnych przeciwciał IgA 43. Opisane mechanizmy działania probiotyków chronią przed bakteriami patogennymi i zaburzeniami homeostazy jelitowej, dlatego też założono, że wczesna interwencja - suplementacja bakteriami probiotycznymi w okresie prenatalnym korzystnie wpłynie na kształtowanie mikrobioty dziecka i programowanie mikrobiotyczne 10. Badania in vivo potwierdzają, że podawanie probiotyków kobietom w ciąży moduluje skład mikrobioty jelitowej dzieci. Wykazano, że niemowlęta, których matki otrzymywały doustnie szczep Lactobacillus rhamnosus GG (LGG) w czasie ciąży były zasiedlone tym szczepem po porodzie, co wskazuje na transfer bakterii matka-dziecko 44. Kolonizacja utrzymywała się do 6-go miesiąca, a u niektórych dzieci nawet przez pierwsze 2 lata życia. Suplementacja matek szczepem LGG indukowała u noworodków zwiększenie liczby bakterii z rodzaju Bifidobacterium sp. w porównaniu do grupy kontrolnej oraz wzrost częstości występowania gatunku Bifidobacterium breve w stosunku do Bifidobacterium adolescentis 45. Wzrost liczebności bifidobakterii w kale niemowląt obserwowano także po suplementacji matek probiotycznym szczepem Bifidobacterium bifidum 46. Probiotyki podawane w okresie kształtowania biocenozy jelitowej (do 2. r.ż.) mogą również korzystnie wpływać na skład mikrobioty, co potwierdzają badania własne. Suplementacja niemowląt z atopowym zapaleniem skóry szczepem Lactobacillus casei DN114001 stabilizowała liczbę bakterii z rodzaju Bifidobacterium i Lactobacillus oraz obniżała liczebność Clostridium difficile 47. Wśród dzieci, którym podano mieszaninę 3 szczepów Lactobacillus rhamnosus LOCK 0900 i LOCK 0908 oraz Lactobacillus casei LOCK 0919, obserwowano wzrost procentowy liczby dzieci z wysoką liczbą bakterii z rodzaju Lactobacillus sp. i Bacteroides sp. 48. Prewencyjne działanie probiotyków Pomimo ogromnego zainteresowania znaczeniem probiotyków w prewencji chorób cywilizacyjnych liczba badań klinicznych jest ciągle niewystarcza- STANDARDY MEDYCZNE/PEDIATRIA 2014 T. 11 913-922 917

DO ZAPAMIĘTANIA 1. Mikrobiota jelitowa stanowi integralną część organizmu człowieka, która wpływa na funkcjonowanie wielu narządów i organów oraz na szereg procesów metabolicznych i immunologicznych. 2. Mikrobiotyczna hipoteza zakłada, że mikrobiota zasiedlająca przewód pokarmowy niemowląt programuje funkcjonowanie organizmu na dalsze lata, a wzrost zachorowalności na przewlekłe choroby cywilizacyjne jest skutkiem zaburzenia homeostazy mikrobioty jelitowej. 3. Obecnie nie umiemy zdefiniować pojęcia fizjologicznej mikrobioty jelitowej, ale zakłada się, że optymalny skład mikrobiomu mają noworodki zdrowych matek, rodzących w domu, nieużywających leków i szkodliwych używek, urodzone o czasie, drogami natury, karmione piersią. 4. Badania kliniczne wskazują, że probiotyki - bakterie modulujące programowanie mikrobiotyczne - mogą być skuteczne w prewencji alergii. 5. Efekt działania probiotyków jest szczepozależny i zależy od składu mikrobioty grupy docelowej, co może w przyszłości powodować konieczność doboru specyficznych szczepów probiotycznych do określonej populacji. jąca, a skutki długookresowe są nieznane. Na obecnym etapie badań klinicznych możliwa jest jedynie ocena wpływu wczesnej suplementacji probiotykami na rozwój chorób alergicznych. Już w 2001 r. pojawiły się pierwsze badania kliniczne przeprowadzone z randomizacją i grupą kontrolną, w których oceniano znaczenie probiotyków w zapobieganiu występowania alergii 49. Szczepy LGG podawano w okresie prenatalnym, tj. kobietom ciężarnym przez 2-4 tygodnie przed terminem porodu, a po porodzie kontynuowano podawanie probiotyku matce (gdy karmiła piersią) lub niemowlętom (gdy były karmione mieszankami) przez następnych 6 miesięcy. Takie działanie obniżało zachorowalność na atopowe zapalenie skóry po 2-ch latach obserwacji. Od momentu opublikowania pierwszej publikacji liczba badań z randomizacją, w których oceniano znaczenie probiotyków w prewencji alergii znacznie wzrosła, a okres obserwacji wydłużył się do 5-10 lat 50. W celu zahamowania rozwoju alergii najczęściej probiotyki aplikowano dzieciom z grup wysokiego ryzyka pre- i postnatalnie, rzadziej tylko postnatalnie, w jednym badaniu zastosowano tylko prenatalną suplementację, jednak takie działanie nie miało znaczenia prewencyjnego 51. Opublikowana w 2013 r. metaanaliza obejmująca 25 badań klinicznych randomizowanych z grupą kontrolną, do których włączono 4031 dzieci pokazała, że najwyższą skuteczność wykazują probiotyki podawane zarówno pre-, jak i postnatalnie 52. Wykazano, że suplementacja probiotykami skutkuje obniżeniem całkowitego stężenia IgE w długookresowej obserwacji (minimum 2 lata) oraz obniżeniem ryzyka wystąpienia uczulenia. Probiotyki nie miały jednak wpływu na obniżenie zachorowalności na astmę. Metaanaliza, oceniająca prace opublikowane do października 2011 r., pokazała umiarkowaną skuteczność (skumulowany współczynnik ryzyka RR=0,79 (95% CI=0,71-0,88)) probiotyków w prewencji atopowego zapalenia skóry; dla atopowego zapalenia skóry-ige zależnego RR wyniósł 0,80 (95% CI=0,66-0,96) 53. Antyalergiczny efekt probiotyków jest szczepozależny, co potwierdzili Wickens i wsp., podając prei postnatalnie dwa różne probiotyki (Lactobacillus rhamnosus HN001 lub Bifidobacterium animalis subsp lactis HN019) 54. Wykazali oni, że prewencyjne znaczenie ma jedynie szczep Lactobacillus rhamnosus HN001. Należy podkreślić, że działanie probiotyków jest również zależne od składu mikrobioty jelitowej 55. Niestety, w odróżnieniu od badań obserwacyjnych oceniających wpływ zróżnicowania mikrobioty na ryzyko rozwoju chorób, badania interwencyjne z podażą probiotyku nie biorą pod uwagę bioróżnorodności mikrobioty w grupach badawczych, co może skutkować kontrowersyjnymi wynikami badań. Ocena działania szczepu LGG, który jako jedyny przebadano w dwóch populacjach (skandynawskiej i niemieckiej) pokazują, że suplementacja szczepem LGG odmiennie moduluje mikrobiotę w badanych populacjach i ma różne działanie kliniczne 56,57. Obniżenie ryzyka rozwoju atopowego zapalenia skóry uzyskano tylko w grupie dzieci z krajów skandynawskich 49. W populacji niemieckiej suplementacja LGG skutkowała zwiększeniem odsetka dzieci chorujących na powtarzające się spastyczne zapalenie oskrzeli 57. W ostatnim okresie pojawiły się również dwie pionierskie prace sugerujące możliwość prewencji nadwagi i otyłości u dzieci 58,59. Prenatalne podawanie probiotyków skutkowało obniżeniem częstości występowania cukrzycy ciężarnych oraz obniżeniem masy urodzeniowej noworodków 58. Dziesięcioletnia obserwacja dzieci suplementowanych prei postnatalnie wykazała tendencję do niższej masy ciała w grupie otrzymującej probiotyki 59. Podsumowanie Mikrobiota jelitowa stanowi integralną część organizmu człowieka, która wpływa na funkcjonowanie wielu narządów i organów oraz na szereg procesów metabolicznych i immunologicznych. Obecnie nie umiemy zdefiniować pojęcia fizjologicznej mikrobioty jelitowej, ale zakłada się, że optymalny skład mikrobiomu mają noworodki zdrowych matek, rodzących w domu, nieużywających leków i szkodliwych używek, urodzone o czasie, drogami natury, karmione piersią. Mikrobiotyczna hipoteza zakła- 918 STANDARDY MEDYCZNE/PEDIATRIA 2014 T. 11 913-922

da, że mikrobiom programuje organizm dziecka, wpływając na jego stan zdrowia w późniejszych latach, a wzrost zachorowalności na przewlekłe choroby cywilizacyjne jest skutkiem zachodniego stylu życia negatywnie wpływającego na homeostazę mikrobioty jelitowej. Badania kliniczne wskazują, że probiotyki - bakterie modulujące programowanie mikrobiotyczne - mogą być skuteczne w prewencji alergii. Efekt działania probiotyków jest nie tylko szczepozależny, ale również zależy od składu mikrobioty grupy docelowej, co może w przyszłości powodować konieczność doboru specyficznych szczepów probiotycznych do określonej populacji. prof. dr hab. n. med. Bożena Cukrowska Pracowni Immunologii, Zakład Patologii Instytut Pomnik - Centrum Zdrowia Dziecka 04-730 Warszawa, Al. Dzieci Polskich 20 b.cukrowska@czd.pl Autorstwo manuskrzptu: Bożena Cukrowska - opracowanie koncepcji badania/pracy naukowej, zestawienie danych, analiza i interpretacja danych, napisanie artykułu, merytoryczna recenzja artykułu, nadzór nad ostateczną wersją artykułu, Elżbieta Klewicka - zestawienie danych, analiza i interpretacja danych, napisanie artykułu, merytoryczna recenzja artykułu. Piśmiennictwo 1 Del Chierico F, Vernocchi P, Bonizzi L i wsp. Early life gut microbiota under physiological and pathological conditions: The central role combined metaomics- -based approches. J Proteomics 2012;75:4580-4587. 2 Collado MC, Cernada M, Baüerl C i wsp. Microbial ecology and host-microbiota interactions during early life stages. Gut Microbes 2012;3:352-365. 3 Cukrowska B. Mikrobiotyczna teoria rozwoju alergii - rola probiotyków w aktywacji procesów przeciwalergicznych. Zakażenia 2008;5:245-253. 4 Tlaskalová-Hogenová H, Stepánková R, Hudcovic T i wsp. Commensal bacteria (normal microflora), mucosal immunity and chronic inflammatory and autoimmune diseases. Immunol Lett 2004;93:97-108. 5 Macfarlane S, Macfarlane GT. Bacterial diversity in the human gut. Adv Appl Microbiol 2004;54:261-289. 6 Eckburg PB, Bik EM, Bernstein CN i wsp. Diversity of the human intestinal microbial flora. Science 2005;308:11635-11638. 7 Śliżewska K, Klewicka E, Motyl I. Mikroflora człowieka. W: Mikrobiologia techniczna. Mikroorganizmy i środowiska ich występowania. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2007;240-248. 8 Nowak A, Libudzisz Z. Mikroorganizmy jelitowe człowieka. Standardy Medyczne/ Pediatria 2008;5:372-379. 9 Penders J, Thijs C, Vink C i wsp. Factors influencing the composition of the intestinal microbiota in early infancy. Pediatrics 2006;118:511-521. 10 Isolauri E, Salminen S, Ouwehand AC. Probiotics. Best Pract Res Clin Gastroent 2004;18:299-313. 11 Matamoros S, Gras-Leguen C, Le Vacon F i wsp. Development of intestinal microbiota in infants and its impast on health. Trends Microbiol 2013;21:167-173. 12 Jaminez E, Fernández L, Marín ML i wsp. Isolation of commensal bacteria from umbilical cord blood of healthy neonates born cesarean section. Curr Microbiol 2005;51:270-274. 13 Dominguez-Bello MG, Costello EK, Contreras M i wsp. Delivery mode shapes the acquisition and structure of the initial microbiota across multiple body habitats in newborns. Proc Natl Acad Sci U S A 2010;107:11971-11975. 14 Jakobsson HE, Abrahamsson TR, Jenmalm MC i wsp. Decreased gut microbiota diversity, delayed Bacteroidetes colonisation and reduced Th1 responses in infants delivered by caesarean section. Gut 2014;63:559-566. 15 Rogier EW, Frantz AL, Bruno ME i wsp. Secretory antibodies in breast milk promote long-term intestinal homeostasis by regulating the gut microbiota and host gene expression. Proc Natl Acad Sci U S A 2014;111:3074-3079. 16 Rai D, Adelman AS, Zhuang W i wsp. Longitudinal changes in lactoferrin concentrations in human milk: a global systematic review. Crit Rev Food Sci Nutr 2014;54:1539-1547. 17 Musilova S, Rada V, Vlkova E, Bunesova V. Beneficial effects of human milk oligosaccharides on gut microbiota. Benef Microbes 2014;5:273-283. 18 Pérez-Cano FJ, Dong H, Yaqoob P. In vitro immunomodulatory activity of Lactobacillus fermentum CECT5716 and Lactobacillus salivarius CECT5713: two probiotic strains isolated from human breast milk. Immunobiology 2010;12: 996-1004. 19 Fernández L, Langa S, Martín V i wsp. The microbiota of human milk in healthy women. Cell Mol Biol (Noisy-le-grand) 2013;59:31-42. 20 El Aidy S, Hooiveld G, Tremaroli V i wsp. The gut microbiota and mucosal homeostasis: colonized at birth or at adulthood, does it matter? Gut Microbes 2013;4:118-124. 21 Mutius E.The rising trends in asthma and allergic diseases. Clin Exp Allergy 1998;28(suppl.5):45-49. 22 Lisciandro JG, van den Biggelaar AH. Neonatal immune function and inflammatory illnesses in later life: lessons to be learnt from the developing world? Clin Exp Allergy 2010;40:1719-1731. 23 Guibas GV, Moschonis G, Xepapadaki P i wsp. Conception via in vitro fertilization and delivery by Caesarean section are associated with paediatric asthma incidence. Clin Exp Allergy 2013;43:1058-1066. 24 Marrs T, Bruce KD, Logan K i wsp. Is there an association between microbial exposure and food allergy? A systematic review. Pediatr Allergy Immunol 2013;24:311-320. 25 Vehik K, Dabelea D. Why are C-section deliveries linked to childhood type 1 diabetes? Diabetes 2012;61:36-37. 26 Decker E, Engelmann G, Findeisen A i wsp. Cesarean delivery is associated with celiac disease but not inflammatory bowel disease in children. Pediatrics 2010;125:1433-1440. 27 Weng M, Walker WA. The role of gut microbiota in programming the immune phenotype. J Dev Orig Health Dis 2013;4:doi:10.1017/S2040174412000712 28 Grześkowiak Ł, Collado MC, Mangani C i wsp. Distinct gut microbiota in southeastern African and northern European infants. J Pediatr Gastroenterol Nutr 2012;54:812-816. 29 Adlerberth I, Lindenberg E, Aberg N i wsp. Reduced enterobacterial and increased staphylococcal colonization of the infantile bowel: an effect of hygienic lifestyle? Pediatr Res 2006;59:96-101. 30 Bjorksten B, Naaber P, Sepp E, Mikelasaar M. The intestinal microflora in allergic Estonian and Swedish 2-year-old children. Clin Exp Allergy 1999;29:342-346. 31 Al-Asmakh M, Anuar F, Zadjali F i wsp. Gut microbial communities modulating brain development and function. Gut Microbes 2012;3:366-373. 32 Abrahamsson TR, Jakobsson HE, Andersson AF i wsp. Low gut microbiota diversity in early infancy precedes asthma at school age. Clin Exp Allergy 2014;44:842-850. STANDARDY MEDYCZNE/PEDIATRIA 2014 T. 11 913-922 919

33 de Weerth C, Fuentes S, Puylaert P, de Vos WM. Intestinal microbiota of infants with colic: development and specific signatures. Pediatrics 2013;131:550-558. 34 Sánchez E, Nadal I, Donat E i wsp. Reduced diversity and increased virulencegene carriage in intestinal enterobacteria of coeliac children. BMC Gastroenterol 2008;4:50 doi:10.1186/1471-230x-8-50. 35 Kalliomäki M, Collado MC, Salminen S, Isolauri E. Distinct patterns of neonatal gut microflora in infants in whom atopy was not developing. J Clin Nutr 2008;87:534-538. 36 Kalliomäki M, Collado MC, Salminen S, Isolauri E. Early differences in fecal microbiota composition in children may predict overweight. Am J Clin Nutr 2008;87:534-538. 37 Collado MC, Isolauri E, Laitinen K, Salminen S. Effect of mother s weight on infant s microbiota acquisition, composition, and activity during early infancy: a prospective follow-up study initiated in early pregnancy. Am J Clin Nutr 2010;92:1023-1030. 38 Collado MC, Laitinen K, Salminen S, Isolauri E. Maternal weight and excessive weight gain during pregnancy modify the immunomodulatory potential of breast milk. Pediatr Res 2012;72:77-85. 39 Soyucen E, Gulcan A, Aktuglu-Zeybek AC i wsp. Differences in the gut microbiota of healthy children and those with type 1 diabetes. Pediatr Int 2014;56:336-343. 40 Sánchez E, Donat E, Ribes-Koninckx C i wsp. Duodenal-mucosal bacteria associated with celiac disease in children. Appl Environ Microbiol 2013;79:5472-5479. 41 Olivares M, Neef A, Castillejo G i wsp. The HLA-DQ2 genotype selects for early intestinal microbiota composition in infants at high risk of developing coeliac disease. Gut 2014;gutjnl-2014-306931. doi: 10.1136/gutjnl-2014-306931 [Epub ahead of print]. 42 Joint FAO/WHO Working group report on drafting guidelines for the evaluation of probiotics in food. London, Ontario, Canada, April 30-May 1, 2002;1-11. 43 Mishra C, Lambert J. Production of anti-microbial substances by probiotics. Asia Pac J Clin Nutr 1996;5:20-4. 44 Schultz M, Göttl C, Young RJ, Iwen P, Vanderhoof JA. Administration of oral probiotic bacteria to pregnant women causes temporary infantile colonization. J Pediatr Gastroenterol Nutr 2004;38:293-297. 45 Gueimonde M, Sakata S, Kalliomäki M i wsp. Effect of maternal consumption of Lactobacillus GG on transfer and establishment of fecal bifidobacterial microbiota in neonates. J Pediatr Gastroenterol Nutr 2006;42:166-170. 46 Lahtinen SJ, Boyle RJ, Kivivuori S i wsp. Prenatal probiotic administration can influence Bifidobacterium microbiota development in infants at high risk of allergy. J Allergy Clin Immunol 2009;123:499-501. 47 Klewicka E, Cukrowska B, Libudzisz Z i wsp. Changes in gut microbiota in children with atopic dermatitis administered the bacteria Lactobacillus casei DN- 114001. Pol J Microbiol 2011;60:329-333. 48 Motyl I, Klewicka E, Śliżewska K i wsp. Modulation in the intestinal microbiota by probiotic Lactobacillus strains in children with atopic dermatitis. Sc Bull Biotechnol 2008;F:319-326. 49 Kalliomäki M, Salminen S, Arvilommi H i wsp. Probiotics in primary prevention of atopic disease: a randomized placebo-controlled trial. Lancet 2001;357:1076-1079. 50 Cukrowska B. Probiotyki w profilaktyce i leczeniu chorób alergicznych - przegląd piśmiennictwa. Standardy Med/ Pediatria 2013;11:201-211. 51 Boyle RJ, Ismail IH, Kivivuori S i wsp. Lactobacillus GG treatment during pregnancy for the prevention of eczema: a randomized controlled pregnancy for the prevention of eczema: a randomized controlled trial. Allergy 2011;66:509-516. 52 Elazab N, Mendy A, Gasana J i wsp. Probiotic administration in early life, atopy, and asthma: a meta-analysis of clinical trials. Pediatrics 2013;132:666-676. 53 Pelucchi C, Chatenoud L, Turati F i wsp. Probiotics supplementation during pregnancy or infancy for the prevention of atopic dermatitis: a meta-analysis. Epidemiology 2012; 23:402-414. 54 Wickens K, Black PN, Stanley TV i wsp.; Probiotic Study Group. A differential effect of 2 probiotics in the prevention of eczema and atopy: a double-blind, randomized, placebo-controlled trial. J Allergy Clin Immunol 2008;122:788-794. 55 Cukrowska B. Różnice populacyjne w składzie mikroflory przewodu pokarmowego a działanie probiotyków w chorobach alergicznych. Standardy Med/ Pediatria 2011; 8:737-744. 56 Grześkowiak Ł, Grönlund MM, Beckmann C i wsp. The impact of perinatal probiotic intervention on gut microbiota: double-blind placebo-controlled trials in Finland and Germany. Anaerobe 2012;18:7-13. 57 Kopp MV, Hennemuth I, Heinzmann A, Urbanek R. Randomized, double-blind, placebo-controlled trial of probiotics for primary prevention: no clinical effects of Lactobacillus GG supplementation. Pediatrics 2008;121:850-856. 58 Luoto R, Laitinen K, Nermes M, Isolauri E. Impact of maternal probiotic-supplemented dietary counselling on pregnancy outcome and prenatal and postnatal growth: a double-blind, placebo-controlled study. Br J Nutr 2010;103:1792-1799. 59 Luoto R, Kalliomäki M, Laitinen K, Isolauri E.The impact of perinatal probiotic intervention on the development of overweight and obesity: follow-up study from birth to 10 years. Int J Obes (Lond) 2010;34:1531-7.doi:10.1038/ijo.2010.50. 920 STANDARDY MEDYCZNE/PEDIATRIA 2014 T. 11 913-922