Vplyv črevnej mikrobioty na vývoj nervového systému

Ľudské telo je kolonizované desiatkami biliónov mikróbov vrátane baktérií, archeónov, vírusov a eukaryotických mikróbov (kvasiniek a mikroskopických vláknitých húb. Tieto mikróby spoločne označujeme pojmom ľudská mikrobiota.

ČREVNÁ MIKROBIOTA
Fyziologická črevná mikrobiota je nevyhnutná pri prevencii kolonizácie škodlivými baktériami tým, že s nimi súťaží o receptory a životne dôležité zdroje, ako sú nutričné a rastové faktory. Ak sa zníži populácia normálnej črevnej mikrobioty, napríklad v dôsledku antibiotickej terapie, patogénne mikroorganizmy majú príležitosť kolonizovať črevný epitel. Toxíny produkované týmito mikróbmi a ohniskový zápal ako reakcia imunitného systému môžu zvýšiť priepustnosť čriev, čo má za následok, že sa do systémovej cirkulácie dostanú látky, ktoré tam za fyziologických okolností nepreniknú. Črevná mikrobiota v detstve je zvyčajne rôznorodá a veľmi variabilná, pričom smeruje k svojmu konečnému zloženiu vo veku 6 až 12 mesiacov a odráža kombináciu genetických faktorov, zdravotného stavu matky, spôsob pôrodu, následnej výživy a expozície matky antibiotikám.

VÝVOJ CENTRÁLNEHO NERVOVÉHO SYSTÉMU
Takmer všetky neuróny v CNS sa u ľudí tvoria pred narodením a rôzne mozgové štruktúry a jadrá, ako aj hlavné spojenia, sa vytvárajú takisto pred pôrodom. Napriek tomu ľudský mozog prechádza počas prvých dvoch desaťročí života dramatickými zmenami v dôsledku zmien konektivity a gliogenézy. Ľudský mozog sa v ranom veku pozoruhodne rozširuje, od narodenia do 6 rokov veku zväčšuje svoj objem troj- až štvornásobne. Aj keď sa synaptogenéza vyskytuje už prenatálne, väčšina synapsií sa u ľudí tvorí od narodenia do neskorého detstva. Niekoľko štúdií naznačuje, že črevná mikrobiota môže modulovať vývoj, dozrievanie a funkciu CNS. Predtým ako dieťa získa vlastnú mikrobiotu pri narodení, je vyvíjajúci sa plod vystavený bakteriálnym metabolitom a produktom pochádzajúcim z materskej mikrobioty. Mikróby teda môžu ovplyvniť CNS prenatálne aj postnatálne.

ČREVNÁ MIKROBIOTA DIEŤAŤA A JEJ VPLYV NA VÝVOJ MOZGU
Prvé masívne stretnutie dieťaťa s mikrobiálnym svetom nastáva pri pôrode. Počas prirodzeného pôrodu sa dieťa kolonizuje vaginálnymi a fekálnymi baktériami matky, čo má blahodárny vplyv jednak na črevné osídlenie novorodenca, ale aj na vývoj jeho imunity v neskoršom veku. Pri cisárskom reze je dieťa kolonizované vo vyššej miere kožnými a orálnymi mikróbmi, ako aj mikróbmi z okolitého prostredia. Toto počiatočné vystavenie tak odlišným mikrobiálnym populáciám má rôznorodé dôsledky na zdravie a vývoj novorodenca s dlhodobými následkami, ako je napríklad vyššia pravdepodobnosť vzniku astmy u detí rodených sekciou a pod. Rozdiely v mikrobiálnom zložení medzi dojčatami privedenými na svet sekciou a vaginálnym pôrodom sa postupom času zmenšujú, aj keď niektoré rozdiely sú stále zistiteľné až do veku 1 roka. Črevná mikrobiota dieťaťa dozrieva počas prvých rokov života, čo je proces, ktorý si vyžaduje ukončenie dojčenia a zavedenie tuhej stravy. Ako sa jeho mikrobiota pripodobňuje dospelému typu, zvyšuje sa aj jej diverzita. Štúdie naznačujú, že črevná mikrobiota môže ovplyvniť vývoj dieťaťa a jej poruchy v ranom postnatálnom období môžu mať dlhodobé následky aj na telesnú konštitúciu jedinca, napr. v zmysle obezity. Mikrobiálna kompozícia v ranom veku je silne ovplyvnená nielen spôsobom pôrodu, ale aj metódou kŕmenia (umelá výživa alebo dojčenie), gestačným vekom pri narodení, užívaním antibiotík a zložením matkinej mikrobioty. Zmeny črevných mikróbov v reakcii na kritickú imunitnú signalizáciu navyše prispievajú k ochoreniam čriev a distálnych orgánov, ako sú zápalové črevné ochorenia (Crohnova choroba a ulcerózna kolitída), autoimunitné poruchy a rôzne druhy rakoviny.

MIKROBIOTA MATKY A JEJ VPLYV NA DIEŤA
Materská mikrobiota je počas tehotenstva odlišná a dynamicky sa mení v porovnaní s inými obdobiami života ženy. Štúdia z roku 2016 naznačuje, že materská strava môže meniť mikrobiálnu populáciu a dokonca aj správanie jej potomkov. Mikrobiota matky prenášaná na potomstvo, ako aj jej metabolity a ďalšie mikrobiálne produkty sú dôležité pre riadenie zdravého vývoja dieťaťa a ak dôjde k jej narušeniu, môžu u dieťaťa v neskoršom veku vzniknúť rôznorodé poruchy správania. Materský imunitný systém prichádza do tesnej interakcie s črevnými mikroorganizmami aj s plodom. Imunitná aktivácia počas tehotenstva má potenciálne vážne dôsledky na fyziológiu, neuropatológiu a správanie potomstva, ako aj na jeho mikrobiotu. Rozsiahle epidemiologické štúdie ukázali, že prenatálne infekcie významne zvyšujú riziko schizofrénie u potomkov a takisto, hoci v menšej miere, aj vznik porúch autistického spektra.

ČREVNÁ MIKROBIOTA A NEUROGENÉZA
Viaceré štúdie konzistentne naznačujú, že vznik nových neurónov, známy ako neurogenéza, má dôležitú úlohu pri učení, pamäti a reakciách na stresové udalosti. Literatúra uvádza, že permeabilita rozhrania matka-plod umožňuje bakteriálnemu peptidoglykanu (súčasť bunkovej steny baktérií) prejsť placentou, aby aktivoval špecifické receptory (TLR 2), čo spôsobuje zmeny vo vývoji nervového systému plodu a neskôr v živote má potenciálny vplyv na jeho kognitívne funkcie. Ďalšie zaujímavé zistenie je spojené s neurotrofickými faktormi, ktoré sú skupinou biomolekúl podporujúcich diferenciáciu, rast a prežitie neurónov počas ich vývoja a dozrievania. Najmä neurotrofický faktor odvodený z mozgu (BDNF – z ang. Brain-Derived Neurotrophic Factor) hrá kľúčovú úlohu vo viacerých aspektoch plasticity a funkcie hipokampálnych neurónov tým, že zasahuje do signalizácie čreva a mozgu. Pričom vieme, že hipokampus je štruktúra v mozgu zodpovedná za učenie, pamäť a priestorovú orientáciu.

MOŽNOSTI KOMUNIKÁCIE ČREVNEJ MIKROBIOTY S CNS
V poslednom desaťročí niekoľko štúdií poukázalo na mechanizmy súvisiace s komunikáciou CNS a črevnej mikrobioty, ktoré zahŕňajú mikrobiálne metabolity, nervus vagus, moduláciu osi hypotalamus-hypofýza-nadobličky a imunitný systém. Komunikácia z črevnej mikrobioty do CNS prebieha primárne prostredníctvom medziproduktov odvodených od mikróbov, ako sú mastné kyseliny s krátkym reťazcom (SCFA – z ang. Short Chain Fatty Acids), metabolity tryptofánu (esenciálna aminokyselina, ktorá tvorí základ pri syntéze serotonínu) a sekundárne žlčové kyseliny. Niektoré z týchto medziproduktov interagujú priamo s enterochromafínnymi bunkami, enteroendokrinnými bunkami a slizničným imunitným systémom, aby šírili signalizáciu zdola nahor. Mnoho štúdií naznačuje, že aktivácia nervus vagus môže znížiť periférny zápal, zlepšiť integritu črevnej bariéry a inhibovať uvoľňovanie prozápalových cytokínov.

MIKROGLIA A MIKROBIOTA
Najpočetnejšími vrodenými imunitnými bunkami CNS sú makrofágy mozgu, známe ako bunky mikroglie, ktoré predstavujú 10 až 15 % všetkých gliových buniek. Tieto bunky sa podieľajú na prezentácii antigénov, fagocytóze a modulácii zápalu po celý život. Mikroglia reaguje na materskú mikrobiotu už počas prenatálneho vývoja plodu.Mnohé ochorenia CNS, ako sú Alzheimerova demencia, Parkinsonova choroba a poruchy autistického spektra, ktoré sú úzko spojené s mikrogliou, tiež súvisia s črevnou mikrobiotou. Navyše, nepriame dôkazy podporujú predstavu, že mikrobiota môže ovplyvniť mozog moduláciou mikroglie. Ukázalo sa, že SCFA pochádzajúce z baktérií hrajú kľúčovú rolu v mikrogliálnom dozrievaní a jeho fungovaní. SCFA môžu prechádzať hematoencefalickou bariérou (HEB) a ovplyvňovať nervovú signalizáciu, produkciu neurotransmiterov a v konečnom dôsledku aj správanie daného jedinca.

ČREVNÁ BARIÉRA A JEJ VÝZNAM
Normálna črevná bariéra pozostáva z viacerých vrstiev, ktoré zahŕňajú črevnú mikrobiotu a vonkajšiu vrstvu hlienu, epiteliálnu vrstvu a lamina propria. Hlien je vylučovaný pohárikovými bunkami a funguje ako mechanická ochranná vrstva, ktorá obsahuje aj tráviace a antibakteriálne enzýmy a protilátky, hydratuje epiteliálnu vrstvu a pomáha pri jej regenerácii. Epitelová vrstva, okrem toho, že hrá dôležitú úlohu pri absorpcii živín, slúži aj ako fyzická bariéra v dôsledku tesného spojenia medzi epiteliálnymi bunkami. Enteroendokrinné bunky sú distribuované v epiteliálnej vrstve. Táto vrstva spolu s lamina propria je tiež hostiteľom najväčšej masy imunitných buniek v tele, ktoré sú známe ako imunitné bunky súvisiace so sliznicou (MALT – z ang. Mucosa-Associated Lymphoid Tissue), ktorých podmnožinou je GALT (Gut-Associated Lymphoid Tissue), teda s črevom asociované lymfatické tkanivo.

BARIÉRA KRV-MOZOG
Hematoencefalická bariéra (HEB) ako selektívna bariéra medzi mozgom a obehovým systémom sa vyvíja počas tehotenstva a slúži ako brána pre rôzne signály z čreva do mozgu. Zlúčeniny prechádzajúce cez HEB majú zvyčajne nízku molekulovú hmotnosť s malým alebo žiadnym nábojom a sú rozpustné v tukoch. Štúdie ukázali, že metabolické produkty v črevách vykazujú tieto vlastnosti, čo umožňuje ich voľný prístup prostredníctvom HEB k modulácii fyziológie mozgu. Viaceré štúdie naznačujú, že integrita HEB je regulovaná určitými kľúčovými zložkami mikrobioty, ktoré sprostredkúvajú prenos viacerých mikrobiálnych signálov z čreva do mozgu.

NERVUS VAGUS AKO ÚSTREDNÝ NERV SPÁJAJÚCI ČREVÁ S MOZGOM
Nervus vagus je najväčší, najdlhší a najzložitejší hlavový nerv. On komunikuje medzi črevom a mozgom priamo. Je súčasťou parasympatikového autonómneho nervového systému a aktívne sa podieľa na obojsmerných interakciách medzi črevnou mikrobiotou a mozgom, aby sa udržala homeostáza v mozgu aj v čreve. Poruchy nervu môžu spôsobiť napríklad dysfunkciu CNS (poruchy nálady alebo neurodegeneratívne ochorenia či gastrointestinálne poruchy, ako sú zápalové ochorenia čriev a syndróm dráždivého čreva). Rôzne štúdie ukázali, že vagálne eferentné vlákna regulujú reakcie na environmentálne alebo patofyziologické stavy v gastrointestinálnom systéme uvoľňovaním neurotransmiterov. Okrem toho boli tiež pozorované imunitné regulačné účinky blúdivého nervu na lokálnu imunitu a intestinálnu permeabilitu.

ZMENY ČREVNEJ MIKROBIOTY A ICH NÁSLEDKY
Zmena zloženia črevnej mikrobioty môže potenciálne viesť k zvýšenej priepustnosti čreva a narušeniu funkcie črevnej bariéry. Následne môžu neuroaktívne zlúčeniny a metabolity získať prístup do oblastí v CNS, ktoré regulujú kogníciu a emocionálne reakcie. Deregulovaná zápalová reakcia podporovaná škodlivou mikrobiotou môže aktivovať vagálny systém a ovplyvniť neuropsychologické funkcie. Niektoré baktérie môžu produkovať peptidy alebo mastné kyseliny s krátkym reťazcom (SCFA), ktoré môžu ovplyvniť génovú expresiu a zápal v CNS. Jeden zo spôsobov, ako môže črevná mikrobiota zefektívniť funkciu črevnej bariéry, je ochrana a zlepšenie tesných spojení epitelu. Väčšina dôkazov, ktoré podporujú túto úlohu mikrobioty v normálnej funkcii črevnej bariéry, pochádza zo štúdií, ktoré ukázali, že probiotická liečba môže v modeloch porúch gastrointestinálneho traktu znížiť priepustnosť čriev.

ENTERICKÝ NERVOVÝ SYSTÉM – NÁŠ „DRUHÝ MOZOG“
Enterický nervový systém (ENS), označovaný ako „druhý mozog“, je rozsiahla sieť rôznych typov buniek umiestnených pozdĺž tráviaceho systému. Je zložený z viacerých sietí neurónov a poskytuje lokálnu kontrolu funkcií gastrointestinálneho traktu, ako je sekrécia rôznych látok (žalúdočná kyselina, pankreatické enzýmy), bariérová funkcia a pohyb tekutín, regulácia miestneho prietoku krvi, interakcia s imunitným a endokrinným systémom čreva a črevná motilita. Obsahuje vyše 200 miliónov nervových buniek, čo je viac ako v celej mieche. Neuróny ENS komunikujú cez veľké množstvo neurotransmiterov (acetylcholín, dopamín, serotonín a mnoho iných). Hoci predstavuje samostatný nervový systém, je modifikovaný autonómnym nervovým systémom, kam patrí sympatikus a parasympatikus  Zhoršená funkcia črevnej bariéry a následná zvýšená priepustnosť čriev môže viesť k zvýšenej translokácii črevných baktérií cez črevnú stenu do mezenterického lymfoidného tkaniva. Zvýšená expozícia ENS alebo mukóznych imunitných buniek baktériám môže vyvolať imunitnú odpoveď, ktorá vedie k uvoľneniu zápalových cytokínov a aktivácii blúdivého nervu a spinálnych aferentných neurónov. Zápalové cytokíny a vagálny systém zase môžu modulovať aktivitu CNS a ENS. Ukázalo sa, že črevná mikrobiota má hlboké účinky na vývoj a funkčnosť ENS. Okrem toho, zvýšená priepustnosť čreva môže tiež zvýšiť translokáciu metabolických produktov, ako je lipopolysacharid (LPS) alebo neuroaktívne peptidy vytvorené baktériami, ktoré môžu opäť meniť aktivitu ENS a CNS. Navyše LPS z črevných baktérií môže podporiť narušenie HEB a uľahčiť tak neurologický zápal a poškodenie CNS.

STRES A JEHO VPLYV NA ČREVO
Interakcia medzi črevom a mozgom je obojsmerná. CNS môže ovplyvniť črevnú priepustnosť a zvýšená priepustnosť čriev zase môže zmeniť funkciu CNS. U zvierat, ako aj u ľudí, ktorí boli vystavení stresu, bola zistená narušená črevná bariéra. Ukázalo sa, že akútny aj chronický stres môžu znížiť sekréciu vody a zvýšiť sekréciu iónov v čreve, a tak narušiť fyzickú ochranu epiteliálnej vrstvy a lamina propria pred adhéziou škodlivých baktérií a rôznych chemikálií. Stres môže zmeniť funkciu imunitných buniek spojených so sliznicou a spôsobiť zvýšené vychytávanie antigénov a baktérií. Bolo publikovaných viacero štúdií, ktoré ukázali, že zloženie črevnej mikrobioty sa mení v dôsledku akútneho alebo chronického stresu, a to zase môže následne zmeniť funkciu črevnej bariéry. Existujú údaje týkajúce sa zmien črevnej bariéry a základných mechanizmov tohto procesu pri neuropsychiatrických ochoreniach. Uvádza sa, že u detí s autizmom je zvýšená frekvencia tráviacich ťažkostí, ale ich mechanizmus nie je presne známy. Podobne u pacientov so schizofréniou dochádza k zvýšenej črevnej permeabilite a zmene črevných funkcií. Ukázalo sa, že pri poruchách tráviaceho systému sa zvyšuje emocionálny stres a depresia.

METABOLITY A PRODUKTY ČREVNÝCH BAKTÉRIÍ
SCFA sú dôležité pre dozrievanie mikroglie v CNS. Popri tvorbe SCFA, črevná mikrobiota tiež metabolizuje primárne žlčové kyseliny na sekundárne žlčové kyseliny. Okrem svojej funkcie pri absorpcii tukov môžu žlčové kyseliny pôsobiť aj ako signálne molekuly. Mikrobiota tiež ovplyvňuje plazmatické hladiny 5-hydroxytryptamínu (5-HT), známeho ako serotonín. 5-HT je produkovaný a vylučovaný predovšetkým enterochromafínnymi bunkami v čreve. Mikrobiálne produkované metabolity, konkrétne acetát, propionát a butyrát (SCFA), ako aj cholát a deoxycholát, zvyšujú biosyntézu 5-HT v hrubom čreve. Okrem nich môžu bakteriálne produkty pôsobiť aj na CNS a ENS. Lipopolysacharid (LPS) je jedným z najviac študovaných molekúl produkovaných baktériami. Ukázalo sa, že moduluje fyziológiu hostiteľa a môže ovplyvniť vývoj metabolických porúch, ako je napr. diabetes mellitus typu.

PRAKTICKÉ VYUŽITIE SÚČASNÉHO POZNANIA
Črevná mikrobiota sa ukázala ako environmentálny faktor, ktorý moduluje fyziológiu svojho hostiteľa. Čoraz viac štúdií ukazuje, že črevná mikrobiota môže hrať dôležitú úlohu vo vývoji a udržiavaní CNS a ENS. Veľké metagenomické štúdie zistili, že so zmenenou črevnou mikrobiotou sú spojené rôzne ochorenia. Práve sme začali chápať, ako môžu tieto zmeny prispievať k chorobám, poznávajúc ako bakteriálne metabolity a produkty ovplyvňujú telo hostiteľa. Modulácia črevnej mikrobioty prebiotikami, probiotikami alebo transplantáciou fekálnej mikrobioty sa používa na liečbu niektorých neurologických porúch vrátane autizmu a depresie, ako aj s nimi spojených gastrointestinálnych symptómov. Rastúci počet klinických štúdií naznačuje priaznivé účinky týchto terapeutických postupov. Na základe štúdií vieme, že liečba probiotikami môže zvýšiť produkciu hlienu a následne zlepšiť fyzickú bariéru chrániacu epiteliálnu vrstvu čreva. Produkty bakteriálnej fermentácie môžu tiež zohrávať dôležitú úlohu pri udržiavaní črevnej bariéry. Ukázalo sa, že SCFA môžu pôsobiť ako trofické faktory pre slizničné a epiteliálne vrstvy čreva. Interakcia s mikrobiálnymi komunitami spojenými s hostiteľom môže nervovému systému dodať informácie o životnom prostredí v reálnom čase, a to buď priamo (prostredníctvom mikrobiálnych metabolitov), alebo nepriamo (imunitným, metabolickým alebo endokrinným systémom). Tieto zistenia spejú k riadeniu základných vývojových procesov v mozgu, ako sú bariérová funkcia, imunitný dohľad a neurogenéza. Pochopenie toho, ako rôzne mikrobiálne populácie, prospešné alebo patogénne, riadia tieto a ďalšie funkcie súvisiace so zdravím a chorobami, nás môže priviesť k novej pokrokovej diagnostike, liečbe a prevencii špecifických neuropatologických porúch.

ČREVO-MOZOG
Ľudský imunitný systém sa vyvinul tak, aby udržiaval symbiotický vzťah medzi hostiteľom a mikrobiotou. Narušenie jeho dynamickej imunitno-mikrobiálnej interakcie má zásadné účinky na ľudské zdravie. Prítomnosť zdravej a rozmanitej črevnej mikrobioty sa zdá byť nevyhnutná nielen pre normálnu funkciu tráviaceho traktu, ale môže tiež ovplyvniť rôzne systémové a mentálne procesy. Nedávne zistenia ukázali, že mikrobiálne metabolity môžu viesť – priamo, alebo nepriamo – k zmenám v imunologických aktivitách v mozgu, ktoré vedú k neurologickým zmenám a vytvárajú spojenie medzi mikrobiotou, imunitnou signalizáciou a CNS, známe pod pojmom os črevo-mozog (z ang. gut-brain axis). Aplikácie terapeutických modulátorov už ukázali sľubné výsledky pri rôznych poruchách nálady, ako je depresia, ale aj pri autizme. Avšak detaily súvisiace s osou črevo-mozog sú stále nie úplne jasné a pochopené. Preto je nevyhnutné, aby budúce štúdie objasnili konkrétne mechanizmy, ktorými črevné mikróby prispievajú k progresii alebo regresii určitých patologických stavov.

PRÍČINA ALEBO DÔSLEDOK?
Črevná mikrobiota hrá významnú úlohu pri dosahovaní spokojnosti svojho hostiteľa. Aj keď väčšina doterajších výskumov na túto tému ukázala, že rôzne bakteriálne populácie sú spojené s určitými klinickými stavmi, z väčšej časti nie je jasné, či sú tieto rozdiely príčinné alebo sú naopak dôsledkom inej nesúvisiacej patofyziológie. Preto je veľmi dôležité zaoberať sa otázkami príčin a následkov. Sú zmeny v mikrobiote základom patofyziológie, alebo sú jej dôsledkom? Sú účinky na správanie priame, alebo sú dôsledkom iných zásadných fyziologických zmien? Existujú definované mikrobiálne vlastnosti, ktoré sú potrebné a dostatočné na podporu správneho neurologického vývoja a na zabránenie neurodegenerácie? Použitie zvieracích modelov je skvelým nástrojom na štúdium základných procesov v oblasti fungovania organizmu. Avšak musíme byť veľmi opatrní pri extrapolácii výsledkov na človeka a snažiť sa použiť tieto predklinické zistenia len ako jeden z mnohých prístupov k väčšej informovanosti spoločnosti ohľadom ľudského zdravia a chorôb.

ZÁVER
Hoci sa naše vedecké poznanie súvislostí medzi črevnou mikrobiotou a mozgom neustále rozširuje, stále sme iba v počiatkoch chápania týchto nesmierne zložitých interakcií, ktoré zahŕňajú imunitné, endokrinné, nervové a obehové dráhy jedinca. Črevná mikrobiota moduluje vývoj a homeostázu CNS v tomto kontexte a napriek extenzívnemu štúdiu vedeckými tímami po celom svete naďalej zostáva „terra incognita“ a neprestáva nás prekvapovať stále novými a komplikovanejšími súvislosťami. V duchu týchto myšlienok naberá na aktuálnosti Sokratov výrok: Scio me nescire (Viem, že nič neviem). To však nie je koniec, práve naopak, otázky nás vedú k odpovediam, ktoré vzbudzujú ďalšie a ďalšie otázky. A tak to má byť, pretože múdrosť, ako to povedal Sokrates, sa začína úžasom.