Gastrointestinaltraktus sett fra mikrobenes ståsted

Av Tore Midtvedt, Professor emeritus, MTC, Karolinska Institutet, Stockholm, Sverige

I hele dyreriket er mesteparten av gastrointestinaltrakten fylt med mikrober og alltid i et antall som langt overgår cellene hos vertsorganismen (som regel minst 2 log). Selvfølgelig er dette ingen tilfeldighet og representerer en nytteverdi for begge parter – ellers ville nok evolusjonen ha endret på det. Det følgende er enkle betrakninger over noen hovedregler som mikrobene har etablert og noen av de konsekvensene dette kan få for oss.

«We are born germ free»

Ved fødselen er tarmkanalen tom, bortsett fra mekonium. Hos alle pattedyr ligger vagina vegg i vegg med rektum, og den nyfødte møter myriader av tarmbakterier. Passivt overførte antistoffer fra mor rekker ikke langt, og tarmen fylles hurtig opp med mange ulike arter. Dette ble beskrevet så tidlig som i år 1900 i avhandlingen til franskmannen Henri Tissier. Hans funn kan beskrives i én setning: «From sterility through complexity to bifidicity». Nå vet vi mer om hvorfor det er slik. Tarmen hos nyfødte har samme surstoffmetning og samme høye redokspotensial som kroppen for øvrig. Dessuten er det medfødte immunapparatet på plass, i form av defensiner som dels finnes i mekonium, og dels raskt nydannes. Når tarmen blir kolonisert, synker surstoffmetningen og redokspotensialet. Dette er faktisk en betingelse for at bifidobakterier og liknende arter skal kunne etablere seg. Det er for eksempel meget vanskelig å monokontaminere bakteriefrie dyr med bifidobakterier, på grunn av mye surstoff og høyt redokspotensial.

Prinsipper for etablering av tarmfloraen

I alle økosystemer er det spilleregler. I gastrointestinaltrakten er det mange økosystemer, men noen enkle spilleregler følges i alle. En pakke med slike spilleregler finnes i den såkalte «Evolutionary Game Teory (EGT)».

Første hovedregel i EGT sier at en nykommer må ha mat. Jo mer komplisert systemet er blitt, dess viktigere er det å finne en nisje som nykommeren kan utnytte – stor eller liten. Hos alle pattedyr er morsmelk hovednæring. I tillegg til varierende mengde fett, er det rikelig med kullhydrater i form av ulike oligosakkarider. Særlig bifidobakteriene bryter ned oligosakkaridene til kortere substanser som verten kan absorbere – en vinn-vinn situasjon for begge parter. Type og mengde av ulike oligosakkarider varierer både på arts- og individplan og mikrobenes evne til å nyttiggjøre seg de ulike oligosakkaridene varierer også på arts- og stammeplan. Undersøker vi et spebarn nøye nok, så vil vi finne en individuell mikrobiell tilpasning. Dette gjør det vanskelig for probiotikaprodusentene. Drømmen om at «my strain fits all» passer ikke inn i dette tidspunktet av vårt liv.

Tarmfloraen kan deles inn i generalister og spesialister. Bifidobakterier, laktobaciller og Bacteroides er gode eksempler på store grupper av tarmbakterier som kan nyttiggjøre seg mye av den maten vi spiser. I denne gruppen kan flere arter utføre samme funksjon. Men det er blant spesialistene at vi finner de artene som kan hende betyr mest for oss – om de ikke er der. Jeg vil gi to eksempler på slike spesialistfunksjoner:

Hos alle pattedyr blir avføringen etter hvert brunfarget – et tegn på at de har bakterier som omdanner det konjugerte bilirubinet som utskilles daglig i gallen til brunfargede urobiliner. Disse – til stede i et lite antall – har funnet seg en sikker nisje. Oppegående gastroenterologer har sikkert observert at «ingen galle til tarm – ingen brunfarget avføring» og at den også temporært kan bli lysere når pasienten får visse antibiotika. Denne mikrobielle funksjonen – selv om den forekommer hos alle, er meget lite undersøkt. Det er få publikasjoner i PubMed om urobilin og bakterier og selv kjenner jeg til bare et eneste isolat av en bakteriestamme som kan omdanne bilirubin til urobiliner in vitro og in vivo – og den isolasjonen ble gjort for over 50 år siden (1). Problemet er nok langt viktigere enn å løse spørsmålet om hvorfor avføringen er brun. Mange xenobiotika – det vil si fremmede giftstoffer – behandles og utskilles samtidig med bilirubin, og kan bli bakterielt omdannet i tarm, ofte til mindre toksiske og mindre re-absorberbare produkter. Vi mikrobiologer burde nok studere denne lokalberedskapen litt nærmere.

Det andre eksemplet er bakteriell omdanning av kolesterol til koprostanol, som ikke kan absorberes. Funksjonen kan oppfattes som en «mikrobiell kniv» som skreller av en viss del av det kolesterolet som finnes i tarm – og som ellers kunne blitt absorbert. Hos alle dyrearter er mesteparten av kolesterolet i avføringen omdannet til koprostanol – med ett utttak: Homo sapiens. Helt fra tidligste barndom er det her noen individer av begge kjønn som omdanner lite eller intet kolesterol – såkalte «low-converters». Den patofysiologiske betydningen av å være «low-converter» vet vi ikke. Rundt 50 års alderen dukker det opp en kjønnsforskjell, antallet mannlige «low-converters» synker. Det er ingen sikre holdepunkter for at de er blitt «high-converters», men vi vet ikke hvor de er blitt av. Det håper vi at vi kan finne ut.

Neste hovedregel i EGT er at et godt ankelfeste, det vil si adhesjon, er av betydning. Problemet for bakteriene i mage-tarm-kanalen er at underlaget i de fleste delene stadig byttes ut. Det er allment akseptert at levetiden av en enterocytt – hos både dyr og menneske – bare er noen få dager. Mindre kjent er det et en villus bare eksisterer i noen få uker. Villi dannes egentlig ikke ved at slimhinnen «popper opp» men ved at proliferasjonsceller «graver seg ned». Den raske celledelingen hos verten, spesielt i tynntarmen, gjør at bakterier har vanskelig for å finne fotfeste. Rask nydannelse gjør også at bakteriene har vanskelig for å danne biofilm. Oralkaviteten er et unntak: Her er biofilmdannelse regelen og tannbørsten vårt viktigste våpen til å påvirke en slik dannelse. Et annet eksempel er utviklingen av pseudomembranøs kolitt.

Cøkum er predileksjonsted for en rekke strikt anaerobe, høyt spesialiserte bakterier som kan omdanne for eksempel kolesterol, gallesyrer, hormoner og tarmslim. Det er sannsynligvis ikke fordi de der danner biofilm, men fordi cøkum under fysiologiske forhold ikke tømmer seg helt. Det er med andre ord alltid et inoculum tilbake som sikrer tilveksten.

«Den som formerer seg raskest vinner. Dessverre vet vi sørgelig lite om in vivo-kinetikken hos våre tarmbakterier»

Den tredje hovedregelen i EGT er nykommerens egen tilveksthastighet: Den som formerer seg raskest vinner. Dessverre vet vi sørgelig lite om in vivo-kinetikken hos våre tarmbakterier. Metodene finnes (2), men ikke hode, hender og penger til å gjøre mer. Alt går langsommere in vivo: I laboratoriet kan E. coli dele seg i løpet av få minutter, mens den i tarmen bruker langt over timen. Dette er av langt mer enn akademisk interesse: Våre doseringsskjemaer for mange antibiotika er for eksempel relatert til kinetiske data i laboratoriet og ikke i tarm. Men enda viktigere er mulighetene til å bruke slike hurtigvoksende stammer til å «vaske» tarmen hos asymptomatiske bærere av enteropatogener. Den største bøygen i å få markedsført slike stammer har vist seg å være de regulatoriske myndighetene.

En annen måte å studere etablering av økosystemer er mer pragmatisk å følge med når det skjer og konsekvensene av at det skjer. Vi snakker da gjerne om begrepene «windows for establishment», «succession in establishment» og «long term effects of establishment». På alle tre feltene forskes det mye og resultatene kan være meget overraskende. Komparativ forskning på bakteriefrie og konvensjonelle dyr har vist forskjeller i atferd og evne til å tåle stress. Tilfører man et bakterifritt dyr normal avføring like etter fødselen, får det konvensjonell atferdsmønster og stresstoleranse, men venter man noen dager, forblir både atferd og stresstoleranse som om det skulle være bakteriefritt – vinduet var lukket (3). Etablering av bifidobakterier er et godt eksempel på suksesjon. Når det gjelder langtidseffekter kan jeg ta et eksempel fra egen forskning: Vi viste i 1994 at en bakteriestamme, Bacteroides theaiotamicron, kunne slå på en bestemt genetisk styrt funksjon i tarmen hos forsøksdyret når bakterien ble etablert hos et bakteriefritt dyr hvor funksjonen ikke var slått på (4). Nå er det vist at akkurat den stammen kan slå av/på flere hundre gener hos bæreren. Ikke nok med det: Alle tarmbakterier – også probiotika – gjør sannsynligvis det samme. Langtidskonsekvensene av dette vet vi faktisk intet om. Den – etter min mening – overdrevne interesse for å gi probiotika så tidlig som mulig til små barn kan få konsekvenser vi ikke har tenkt på, og som nesten ingen følger opp. Selv om resultatet var trist vil jeg gi honnør til det finske firmaet Valio som har publisert at tilførsel av deres probiotika til nyfødte muligens gir mer astma seinere i livet. Dette er tankevekkende. Det er gjort mange store studier med tilførsel av probiotika til spe-og småbarn rundt om i Europa – men gjennomgående dekker firmafinansieringen bare en relativ kort oppfølgingsperiode. Sammenlangt representerer disse forsøkene nok det største biologiske eksperimentet siden 2. verdenskrig. De framtidige konsekvensene vet vi lite om.

Tarmfloraens innflytelse

Hva tarmfloraen egentlig gjør med oss og for oss har lenge vært et sentral forskningsfelt for gnotobiologer, det vil si de som forsker på bakteriefrie og konvensjonelle dyr (og mennesker). Ved komparative studier har man kommet fram til mikrobenes betydning for en lang rekke anatomiske strukturer, biokjemiske og immunologiske funksjoner og også isolert en rekke bakteriestammer og -arter som kan normalisere et tidligere bakteriefritt dyr nettopp på dette området. En anvendt terminologi har vært «Microflora-Associated Characteristics (MACs)» (det vil si funn når mikroben er der) og «Germfree Animal Characteristics (GACs)» (det vil si funn når spesifikk flora mangler). Listen over slike parametre er nok lenger enn de fleste gastroenterologer tenker over til daglig (5).

Barneårenes tarmflora følger oss mer eller mindre gjennom hele livet. Nå begynner vi å ane at hva vi har fått etablert i oss, har betydning for vår helse i resten av livet. Det er snart ikke igjen en eneste kronisk lidelse eller såkalt livsstilsykdom hvor mikrobene ikke blir antatt å spille en rolle. Det meste er fremdeles relativt uklart, men nye vinklinger publiseres nesten daglig. Vi mikrobiologer har fått nye fantastiske molekylære redskaper, men vi pirker fremdeles bare i toppen av et isfjell. I tarmen hos hvert eneste voksent menneske finnes det minst 1000 – noen sier 2000 – bakteriearter og et enda større antall stammer. De «prater» med hverandre – og med oss. Det er summen av slike samtaler som gir oss helse – og sykdom. For å gjøre det enda mer komplisert: Manglede arter eller funksjoner kan også gi sykdom – og dette er enda vanskeligere å oppdage. Nå forskes det for eksempel på om hvorvidt Crohns sykdom ikke skyldes tilstedeværelse, men fravær, av visse bakterier. Det er ikke det letteste å finne ut av.

Nylig ble det oppdaget en stor mulighet til å studere samspillet mellom mikrober og vert, og det er de enzymene som går under fellesbetegnelsen sirtuiner. De ble først beskrevet hos en gjærsopp for mindre enn 20 år siden og ble lenge sett på som rariteter.
Nå eksploderer forskningen på dette feltet. Våre celler inneholder også slike enzymer og de settes i forbindelse med regulering av en rekke fysiologiske og patofysiologiske prosesser, som metabolsk syndrom, cancer, nevrodegenerative lidelser og så videre. Elie Metchnikoff hadde nok rett når han hevdet at tarmfloraen påvirket vår livslengde, selv om hans forklaring ikke holdt mål. Enhver oppegående gastroenterolog bør kjenne noe til emnet sirtuiner. Det finnes mange gode oversiktsartikler, og jeg gir referanse til den nest siste av de 2613 referanser som i skrivende øyeblikk finnes i PubMed (6).

Avslutning

Et lite selvransakende hjertesukk fra en aldrende mikrobiolog: Hvor har vi mikrobiologer egentlig vært? Svaret er at helt opp til nylig har stand og miljø premiert mikrobejegeren. Stor ble den som kunne finne årsaken til en sykdom, han fikk sitt navn foreviget i form av navnet på bakterien. Nesten like stor ble den klinikeren som tok i bruk det aller siste innen antibakterielle midler til å slå i hjel likt og ulikt. Han fikk stor farmasøytisk støtte og status hos mange kolleger. Det var liten plass for mikrobeelskeren som i beste fall ble sett på med medlidenhet, som en avviker som syslet med uvesentlige ting.

Nå vet vi at vi og vår normalflora spiller sammen. Tiden er for lengst kommet for et paradigmeskifte. Jeg forventer ikke at alle gastroenterologer skal gå fra å være «jegere» til å bli «elskere» (til det kjenner jeg en del av dere for godt) – men jeg håper at noen stopper opp litt i sin travle kliniske hverdag og begynner å tenke litt mer holistisk på det fantastiske organet som de hevder at de er spesialister på, nemlig gastrointestinaltraktus. Der finnes det mye nytt å hente.

En ukonvensjonell avslutning fra en ukonvensonell bakteriolog. Om jeg har forstått redaksjonen rett, kommer dette innlegget i et temanummer ved juletider. På vegne av alle mine venner tarmbakteriene takker jeg for all god julemat og drikke. Det har mine venner fortjent.

Referanser

  1. Gustafsson BE, Lanke LS. Bilirubin and urobilins in germfree, ex-germfree and conventional rats. J Exp Med 1960; 112: 975–81.
  2. Rang C, Midtvedt T, Molin S et al. Chemostat modeling of Escherichia coli persistence in conventionalized, monoassociated and streptomycin-treated mice. Can J Microbiol 2001; 47: 86–90.
  3. Sudo N, Chida Y, Aiba Y et al. Postnatal microbial colonization programs the hypothalamic pituary system for stress response in mice. J Phys 2004; 558: 263–75.
  4. Bry L, Falk PG, Midtvedt T et al. A model of host-microbial interactions in an open mammalian ecosystem. Science 1996; 273: 1380–3.
  5. Midtvedt T. Microbial function activities. In: Hanson LA, Yolken RH (eds.). Probiotics, other nutritional factors, and intestinal microflora. Nestle Nutrition Workshop Series 1999: 42: 80–96.
  6. Suvarna BS. Sirtuins: the future insight. Katmandu Univ Med J 2012; 10: 77–82.
NGF
Opphavsrett: ©Norsk gastroenterologisk forening
Ansvarlig redaktør: Stephan Brackmann
Webmaster og design: www.webpress.no
Følg oss på: Twitter og Facebook