Mikrobiom tworzy złożony ekosystem obejmujący biliony mikroorganizmów komensalnych, symbiotycznych, a także chorobotwórczych. Składa się z bakterii, archeonów, grzybów, pierwotniaków oraz wirusów. [1] W zależności od miejsca w ludzkim organizmie (skóra, jama ustna, jelita, płuca, układ rozrodczy) skład znajdujących się tam mikroorganizmów jest odmienny, zarówno ilościowo jak i jakościowo. W kontekście różnorodności gatunkowej drobnoustrojów duże znaczenie ma także zmienność osobnicza, gdyż kompozycja mikrobiomu może się istotnie różnić u poszczególnych osób. Wpływ na to wywierają przede wszystkim środowisko zewnętrzne, dieta i styl życia. [2]
Termin “mikrobiom” często stosowany jest zamiennie z określeniem “mikrobiota”, jednakże między znaczeniami tych wyrażeń istnieją pewne różnice. Mikrobiota opisuje mikroorganizmy występujące w określonym środowisku, takim jak np. jama ustna lub jelita. Mikrobiom natomiast odnosi się do zbioru genomów wszystkich mikroorganizmów w danym środowisku, który obejmuje nie tylko ich populacja ale także elementy strukturalne tych drobnoustrojów, ich metabolity, wzajemne zależności, a także interakcje ze środowiskiem, w którym występują. Z powyższych względów mikrobiom obejmuje szersze spektrum niż mikrobiota. [2]
1. Mikrobiom skóry
Ludzką skórę zamieszkuje różnorodny mikrobiom bogaty w drobnoustroje takie jak bakterie, grzyby, wirusy, a także roztocza. Stwierdzono, że występowanie poszczególnych mikroorganizmów różni się osobniczo. Aspekty odpowiedzialne za wyjątkową zmienność mikrobiomu skóry są poznane tylko częściowo, ale wyniki sugerują, że główną rolę odgrywają czynniki genetyczne i środowiskowe. Bardzo duże znaczenie ma także obszar skóry. Przykładowo, na twarzy dominują takie rodzaje bakterii jak Propionibacterium i Staphylococcus. Z kolei w wilgotnych miejscach (takich jak pachy) przeważa Corynebacterium. Różnice te wynikają z odmiennych warunków środowiskowych na danym obszarze skóry. Znaczenie mają takie czynniki jak wilgotność, temperatura, pH, a także skład peptydów i lipidów przeciwdrobnoustrojowych wydzielanych przez gruczoły znajdujące się w skórze. Mikrobiom skóry składa się z co najmniej 19 typów bakterii. Głównymi ich przykładami są Actinobacteria (51,8%), Firmicutes (24,4%), Proteobacteria (16,5%) i Bacteroidetes (6,3%). [3]
Większość badań nad mikrobiotą koncentruje się na zrozumieniu składu bakteryjnego, ale – jak wcześniej zostało wspomniane – drobnoustroje obecne w siedliskach ludzkiej skóry nie ograniczają się jedynie do bakterii. Grzyby, wirusy i stawonogi są również ważnymi elementami mikrobioty skóry. W badaniach opartych na wykryciu markera genetycznego 18S rRNA okazało się, iż dominującym rodzajem grzyba na ludzkiej skórze jest Malassezia, a najczęściej występującymi gatunkami z tego rodzaju są: M. globosa, M. restricta, oraz M. sympodialis. Podobnie jak w przypadku bakterii, rozmieszczenie Malassezia zależy od charakterystyki danego siedliska. Na przykład M. globosa występuje głównie na plecach, potylicy i w okolicy pachwinowej, natomiast M. restricta występuje na skórze głowy, w kanale słuchowym zewnętrznym, okolicach zausznych i gładziźnie czołowej. Inne obszary skóry, takie jak np. stopy, są skolonizowane przez bardziej różnorodne grupy (np. Aspergillus, Rhodotorula, Cryptococcus i Epicoccum). [3]
Do organizmów kolonizujących ludzką skórę należą także stawonogi. Dotychczas odkryto dwa gatunki roztoczy bytujące na skórze człowieka i są to nużeniec ludzki (Demodex folliculorum) oraz nużeniec krótki (Demodex brevis). Pierwszy z nich występuje w mieszkach włosowych w skupiskach z innymi roztoczami tego samego gatunku. Drugi natomiast obecny jest w gruczołach łojowych lub gruczołach tarczkowych znajdujących się na obrzeżach powiek. [3]
Kwestia wirusów wchodzących w skład skórnej mikrobioty wydaje się dość enigmatyczna. Wynika to z kilku przyczyn: trudności w amplifikacji wirusów w hodowli komórkowej, ograniczonej antygenowej i serologicznej reaktywności krzyżowej oraz braku hybrydyzacji kwasów nukleinowych ze znanymi sekwencjami wirusowymi. Metody wykrywania w dużej mierze skupiają się na sekwencjonowaniu metagenomicznym całkowitego DNA, co sprawia, że wykrycie wirusów RNA jest mało prawdopodobne. Pomimo trudności metodologicznych, w jednym z wysokowydajnych badań sekwencjonowania metagenomicznego skóry, w którym brało udział pięciu zdrowych pacjentów oraz jeden pacjent chory na nowotwór skóry, wykryto dużą różnorodność wirusów DNA na ludzkiej skórze. Ponieważ jednak było to małe badanie, nie jest jeszcze jasne, czy wirusy te faktycznie stanowią część mikrobioty ludzkiej skóry. Co ciekawe, postawiono hipotezę, że nawet wirusy uznane jako chorobotwórcze, takie jak wirus brodawczaka ludzkiego (HPV), mogą być częścią typowej mikrobioty skóry. [3]
2. Mikrobiom jamy ustnej
Mikrobiota jamy ustnej obejmuje takie mikroorganizmy jak bakterie, archeony, grzyby, wirusy i małe protisty. Skład mikrobioty jamy ustnej zmienia się przez całe życie człowieka i uwzględnia nie tylko wiek, ale także dietę, czynniki genetyczne i środowiskowe. We wczesnych etapach życia człowieka, tj. u noworodków i niemowląt, jest dość ubogi, a jej pierwszymi kolonizatorami są mikroorganizmy pochodzące od matki i przeniesione do jamy ustnej dziecka w czasie narodzin. Źródłem tych mikroorganizmów jest głównie układ moczowo-płciowy matki, w tym przede wszystkim błona śluzowa pochwy. Po zmianie uzębienia mlecznego na uzębienie stałe następuje zwiększenie zróżnicowania mikrobioty jamy ustnej. Poszczególne obszary jamy ustnej charakteryzują się różnymi gatunkami mikroorganizmów. Nawet w obrębie zębów (w zależności od ich części czy też stanu zdrowotnego) występują różnice w składzie mikrobioty. Inne kultury bakteryjne można znaleźć na gładkich powierzchniach zębów, odmienne od tych na powierzchniach są w szczelinach i zagłębieniach, a jeszcze inne w zmianach próchnicowych. [4]
Mimo powyższych różnic w składzie mikrobioty zależnej od danego obszaru jamy ustnej można przyjąć, iż najczęściej występującymi bakteriami są te z następujących rodzajów: Streptococcus, Gemella, Granulicatella, Neisseria i Prevotella. Istnieją jednak obszary jamy ustnej, w których wykrywane są wyłącznie określone gatunki bakterii. Bakterie z rodzaju Treponema zwykle skupiają się w szczelinach dziąsłowych, gatunki z rodzaju Rothia kolonizują zwykle język lub powierzchnię zębów, Streptococcus salivarius kolonizuje głównie język, natomiast te z rodzaju Simonsiella znajdują się przede wszystkim na podniebieniu twardym. [4]
Jama ustna zawiera także zróżnicowany zestaw przedstawicieli grzybów. Badacze wykryli, że zdrowa jama ustna stanowi siedlisko dla ponad 75 rodzajów grzybów, przy czym najliczniej występowały Candida, Cladosporium, Aureobasidium i Aspergillus, stwierdzane u 25–75% badanych. [5]
Choć, jak już zostało wspomniane przy okazji mikrobiomu skóry, wykrycie konkretnych wirusów nie jest łatwe to jednak naukowcy wykazali, iż jama ustna u zdrowego człowieka zawiera zarówno wirusy eukariotyczne jak i bakterofiagi, z tym że przedstawiecieli tych drugich jest więcej. Wiriom (ogół wirusów znajdujących się w organizmie człowieka lub w jakiejś jego części) ludzkiej jamy ustnej jest bardzo zróżnicowany osobniczo. Co jednak ciekawe, wspólne środowisko życia może odgrywać istotne znaczenie w kształtowaniu wiriomu jamy ustnej, ponieważ w jednym z badań wykazano, iż członkowie tego samego gospodarstwa domowego mieli niezwykle podobne do siebie wiriomy. Herpesviriade, Papillomaviridae i Anelloviridae należą do najczęściej występujących rodzin wirusów eukariotycznych i u zdrowych osób nie powodują żadnych objawów klinicznych. Jeżeli chodzi zaś o bakteriofagi, to najczęściej identyfikowane są te z rodzin: Siphoviridae, Myoviridae i Podoviridae. [5]
3. Mikrobiom układu oddechowego
W kontekście układu oddechowego strukturami znajdującymi się najbliżej środowiska zewnętrznego są nozdrza przednie. Wyłożone są one zrogowaciałym nabłonkiem płaskim, obejmującym gruczoły surowicze i łojowe, z których te drugie wytwarzają sebum. To prowadzi do zwiększenia ilości lipofilowych kolonizatorów skóry, w tym bakterii z rodzaju Staphylococcus, Propionibacterium i Corynebacterium. W nozdrzach przednich znajdują się także bakterie, które występują w innych częściach układu oddechowego, a są to gatunki z rodzaju Moraxella, Dolosigranulum i Streptococcus. Część nosowa gardła prezentuje bardziej zróżnicowany skład mikrobioty. Co prawda również zawiera bakterie z rodzaju Moraxella, Staphylococcus i Corynebacterium, jednak jeszcze częściej występującymi w tym obszarze są te z rodzaju Dolosigranulum, Haemophilus i Streptococcus. Badania oparte na PCR (łańcuchowej reakcji polimerazy) sugerują, że oprócz bakterii występuje rozległa obecność wirusów w mikrobiocie górnych dróg oddechowych. Badania te wykazały obecność wirusów takich jak: rinowirusy, ludzkie wirusy Boca, poliomawirusy, adenowirusy i koronawirusy. Jednak ostatnie postępy w metagenomice ujawniły, że cały wiriom układu oddechowego zawiera wiele innych wirusów. Na przykład niedawno odkrytą rodzinę Anelloviridae zidentyfikowano jako najbardziej rozpowszechnioną rodzinę wirusów w górnych drogach oddechowych. W tym obszarze układu oddechowego u zdrowych osób występują także grzyby należące do następujących rodzajów: Aspergillus, Penicillium, Candida i Alternaria. [8]
Przez długi czas w nauce panował pogląd stanowiący, iż „zdrowe płuco jest wolne od bakterii”. Płuca są stale narażone na działanie różnorodnych zbiorowisk drobnoustrojów z jamy ustnej, gardła oraz z innych źródeł. W ciągu ostatniej dekady nowe techniki identyfikacji drobnoustrojów ujawniły, że zdrowe płuca są siedliskiem różnorodnych mikroorganizmów. [6] Kształtowanie mikrobiomu płuc ma miejsce już od narodzin. Sposób porodu (poród siłami natury lub przez cesarskie cięcie), mleko matki (rodzaj kultur bakterii tam zawartych), czynniki genetyczne, przyjęte szczepienia, stosowanie antybiotyków i środowisko odgrywają znaczącą rolę w formowaniu składu mikrobioty dróg oddechowych i płuc. [7]
Badanie przeprowadzone na małych dzieciach wykazało, że mikrobiota ich płuc była zdominowana przez gatunki bakterii z rodzaju Moraxella, Haemophilus, Staphylococcus i Streptococcus. W mikrobiocie płuc dorosłych dominują natomiast bakterie z typu Firmicutes (w tym Streptococcus i Veillonella) oraz z typu Bacteroidetes (w tym Prevotella). Badania wiriomu płuc wykazały wysoką częstość występowania przedstawicieli rodziny Anelloviridae, a do tego stwierdzono występowanie licznych bakteriofagów. W zdrowych płucach znajdują się także przedstawiciele grzybów należących do rodzajów takich jak Eremothecium, Systenostrema i Malassezia. [8]
4. Mikrobiom jelit
Ludzki mikrobiom jelitowy składa się głównie z bakterii, ale także z grzybów i wirusów. Dominującymi typami bakterii bytujących w jelitach są: Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria, Proteobacteria, Fusobacteria i Verrucomicrobia, przy czym dwie pierwsze grupy reprezentują około 90% mikrobioty jelitowej. Typ Firmicutes składa się z ponad 200 różnych rodzajów, takich jak np. Lactobacillus, Bacillus, Clostridium, Enterococcus i Ruminococcus. Z kolei najczęstszymi przedstawicielami Bacteroidetes są bakterie z rodzaju Bacteroides i Prevotella. Actinobacteria to typ bakterii znacznie mniej liczny w porównaniu do Firmicutes i Bacteroidetes. Prezentowany jest on głównie przez bakterie z rodzaju Bifidobacterium. [9]
W każdej części przewodu pokarmowego występuje mikrobiota o swoistym składzie i ulega zmianom u tego samego osobnika ze względu na różnorodne procesy fizjologiczne i patofizjologiczne zachodzące w organizmie, wiek oraz czynniki środowiskowe, takie jak np. stosowanie antybiotyków. Jelito cienkie stanowi bardziej wymagające środowisko dla kolonizacji przez drobnoustroje ze względu na dość szybką perystaltykę i wysokie stężenie żółci. Jelito grube, które charakteryzuje się wolniejszą perystaltyką i pH od obojętnego do lekko kwaśnego, jest siedliskiem zdecydowanie największej populacji drobnoustrojów w ludzkim organizmie (zdominowanej przez bakterie bezwzględnie beztlenowe). [9]
Sekwencjonowanie wewnętrznych regionów transkrybowanych (ITS2) wykazało, iż różnorodność grzybów w jelitach jest niska. Stwierdzono, że najliczniejszym rodzajem grzybów w zdrowym ludzkim kale są Saccharomyces, a za nimi plasują się Malassezia i Candida. Te trzy rodzaje były obecne w co najmniej jednej próbce od prawie każdego ochotnika biorącego udział w badaniu, chociaż mykobiom jelitowy (grzyby zasiedlające jelita człowieka) był bardzo zmienny pomiędzy poszczególnymi osobnikami. Sekwencjonowanie genu 18S rRNA (kolejnego, którego używa się w identyfikacji grzybów) ujawniło wyniki podobne do sekwencjonowania ITS2, ale pozwoliło wykryć także drobnoustroje z rodzaju Blastocystis jako ważnego eukariotycznego członka mikrobiomu jelitowego. [10]
Koncepcja istnienia “wiriomu jelitowego” jest względnie nowa, chociaż obecność wirusów jako drobnoustrojów chorobotwórczych w jelitach człowieka (takich jak np. rotawirusy i enterowirusy) jest znana i dokumentowana od ponad wieku. Odkryto, że bakteriofagi jelitowe są głównym składnikiem wiromu jelitowego, stanowiącym około 90% jego składu. W ciągu ostatnich dziesięcioleci badania mikrobiologiczne wykazały, że wirusy (należące do rodzin takich jak np. Mimiviridae, Mamaviridae, Marseilleviridae) infekują ludzkie pasożyty jelitowe, takie jak ameby. Wirusy te określa się jako „gigantyczne” ze względu na swoje wymiary. Niektóre mimiwirusy powiązano z zapaleniem płuc i biegunką u ludzi, chociaż dowody nie są jednoznaczne. W jelitach człowieka spotyka się także wirusy roślinne. Okazuje się, że te małe wirusy mogą wpływać na skład jakościowy oraz ilościowy bakterii jelitowych i na ich funkcjonowanie, co w konsekwencji może mieć także wpływ na organizm człowieka. [11]
5. Mikrobiom dróg rodnych kobiet
Skład mikrobioty dróg rodnych kobiet różni się w zależności od ich wieku. W dzieciństwie mikrobiota pochwy zdominowana jest przez bakterie beztlenowe Gram-dodatnie (w tym gatunki z rodzajów Actinomyces, Bifidobacterium, Peptococcus, Peptostreptococcus i Propionibacterium) i bakterie beztlenowe Gram-ujemne (gatunki z rodzajów Bacteroides, Fusobacterium i Veillonella). Znajdują się tam także bakterie tlenowe (Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Streptococcus viridans i Enterococcus faecalis). Na początku okresu dojrzewania, gdy wzrasta poziom estrogenów, a nabłonek pochwy gęstnieje, obserwuje się zwiększenie ilości bakterii fermentujących glukozę co powoduje, iż mikrobiota dorastających dziewcząt przypomina tę u dorosłych kobiet. [13]
Mikrobiota dróg rodnych kobiet w wieku rozrodczym cechuje się stosunkowo małą różnorodnością i liczebnością. W pochwie oraz w szyjce macicy zdecydowaną większość stanowią bakterie z rodzaju Lactobacillus. Natomiast w jamie macicy i jajowodach występuje większa różnorodność i oprócz tych typowych dla pochwy i szyjki macicy są także te z rodzajów: Pseudomonas, Acinetobacter, Vagococcus oraz Sphingobium. [12]
W okresie menopauzalnym równowaga hormonalna u kobiet zmienia się znacząco, co ma swoje odzwierciedlenie w składzie mikrobioty pochwy. Najbardziej dominującymi gatunkami bakterii w pochwie u zdrowych kobiet po menopauzie są te z rodzajów Lactobacillus, Gardnerella, Prevotella i Atopobium. Odsetek gatunków bakterii z rodzaju Lactobacillus ulega jednak istotnemu zmniejszeniu. W jednym z badań stwierdzono, że w okresie przed- i okołomenopauzalnym liczebność Lactobacillus spp. w pochwie kobiet wynosiła około 83% spośród wszystkich rodzajów bakterii tam obecnych, podczas gdy u kobiet po menopauzie spadła ona do zaledwie 54%.[13]