Hur 'bra' virus kan påverka hälsan

Även om rollen som ”bra” virus i människors hälsa fortfarande är relativt mystisk, avslöjar vi långsamt vikten av våra virala besökare. I den här specialfunktionen introducerar vi en försummad del av mikrobiomet - viromet.

Illustration av bakteriofager som infekterar en bakterie.

För mer forskningsbaserad information om mikrobiomet och hur det påverkar din hälsa, besök vårt dedikerade nav.

Bakteriens och vårt mikrobios roll i hälsa och sjukdom ligger i framkant inom medicinsk forskning.

Vi är långt ifrån att svara på de många frågor som nyligen gjorda resultat, men det är nu klart att utan vår personliga flotta av "vänliga" mikroorganismer - vår mikrobiom - skulle vi inte trivas.

Medicinsk vetenskap sitter emellertid inte på sina händer; dess ögon är alltid riktade mot horisonten och anstränger sig för att beskriva formen på saker som är dolda på avstånd.

När vi kämpar för att plocka upp de nästan outhärdligt komplexa interaktionerna mellan bakterier och hälsa väntar nästa utmaning redan i vingarna: viromets roll.

Vad är viromen?

När vi hör ordet ”mikrobiom” tänker vi omedelbart på bakterier, men tekniskt sett är mikrobiomen summan av alla mikroorganismer i en viss miljö. Vissa forskare använder termen för att referera till summan av det genetiska materialet i dessa mikroorganismer.

Så förutom bakterier inkluderar mikrobiomen även virus (viromet) och svampar (mykobiomet), bland andra besökare. Hittills har forskare lagt relativt lite vikt vid viromet eller mykobiomet.

Virus har gjort sig hemma i en rad ekologiska nischer i människokroppen, särskilt på slemhinneytor, såsom insidan av näsan och munnen och slemhinnan i tarmen.

I den här funktionen kommer vi att koncentrera oss på tarmviromet eftersom det är det största antalet virala passagerare och har undersökts mest.

Naturligtvis är virus mest kända för att orsaka sjukdomar, såsom smittkoppor, hepatit, HIV och rabies. På grund av det brådskande sambandet med virussjukdom, har denna aspekt tagit den största delen av forskarnas tid. Men många virus har inte det minsta intresset för mänskliga celler.

Introduktion av bakteriofagen

Forskare anser att viromet är ”den största, mest mångsidiga och mest dynamiska delen av [mikrobiomet”, och majoriteten av virusen i tarmarna är bakteriofager. Varhelst det finns bakterier finns det bakteriofager i överflöd.

Som andra forskare förklarar: ”Fager är de vanligaste livsformerna på jorden och är praktiskt taget allestädes närvarande. […] Vissa sötvattenkällor kan innehålla upp till 10 miljarder per [milliliter]. ”

Bakteriofager infekterar bakterier, kommanderar sina cellmaskiner och använder den för att replikera deras genetiska material.

Det är nu klart att tarmbakterier påverkar hälsa och sjukdomar, så det är ingen överraskning att virus som infekterar tarmbakterier också kan ha ett betydande inflytande.

Fagterapi

Från 1920- till 1950-talet undersökte forskare om bakteriofager kunde användas för att behandla bakterieinfektioner. När allt kommer omkring är dessa virus skickliga på att förstöra mänskliga patogener.

Forskare fann att fagterapi var både effektiv och, viktigare, fri från biverkningar.

När antibiotika upptäcktes bleknade fagterapi ut i bakgrunden. Antibiotika kunde tillverkas med relativt lätthet och de dödade ett brett spektrum av bakteriearter.

Men med dagens högteknologiska funktioner och den fruktansvärda bakgrunden av antibiotikaresistens kan intresset för fagterapi njuta av en återuppkomst.

En faktor som gör fagterapi attraktiv är dess specificitet. Ofta torkar antibiotika ut ett brett spektrum av bakteriearter. Nu när vi vet att "bra" bakterier lever i tarmen är det dock uppenbart att detta inte är perfekt.

Bakteriofager riktar sig under tiden bara mot ett smalt område av stammar inom samma bakteriearter.

Dessutom replikerar de bara om deras målbakterier finns i det lokala området. Sammantaget betyder detta att de bara attackerar den önskade bakterien, och de fortsätter att replikera tills de har utplånat infektionen.

Vänner för livet

Bakteriofager går med i den mänskliga resan i ett tidigt skede. En studie undersökte mekonium - en nyfödds första poop - och fann inga tecken på virus.

Men bara 1 vecka efter födseln innehöll varje gram av en babys bajs cirka 100 miljoner viruspartiklar, varav de flesta var bakteriofager. Vår virome är verkligen en livslång följeslagare.

Varje människa har ett distinkt urval av bakteriofager, som kollektivt kallas fagomen. Människor som har ungefär samma diet delar fler likheter, men totalt sett varierar varje individs fagom vilt.

Från symbios till dysbios

Bakteriofager förstör, som nämnts, bakterier. Men i vissa situationer kan bakteriofager gynna populationer av bakterier.

I tarmen finns bakteriofager övervägande som profager. I detta skede införlivas deras genetiska kod i en bakteries genom, redo att producera bakteriofager om de aktiveras.

Vid denna punkt i livet är en bakteriofag inte skadlig för en bakterie - de finns i symbios.

Eftersom bakterier kan utbyta genetiskt material med varandra kan den genetiska koden för profager också överföras mellan enskilda bakterier.

De kan utbyta "gener associerade med antibiotikaresistens, virulens eller metaboliska vägar mellan olika bakteriearter." Detta kan gynna vissa bakteriearter, vilket möjliggör att de kan bredda sin nisch. Tillväxten kan dock ske på bekostnad av andra bakteriekolonier i tarmen.

”Profager är symbiotiska för sina värdbakterier, och dessa bakterier är symbiotiska för vår kropp. Därför kan fager indirekt ge nytta för en multicellulär organism som [en] människa utöver vad som upplevs omedelbart av deras värdbakterieceller. ”

När profager utlöses till att bli aktiva - till exempel i tider av stress eller om värdbakterien är i fara - kan de orsaka en omfattande förändring i tarmens mikrobiella samhälle.

Övergången från ofarlig profag till så kallad lytisk fag kan utplåna bakteriesamhällen, vilket möjligen ger "dåliga" bakterier lite andningsutrymme och låter dem fylla tomrummet.

Detta kallas gemenskapsblandning och kan leda till dysbios - en mikrobiell obalans.

Från dysbios till diagnos

Dysbios är associerad med en rad tillstånd, inklusive inflammatorisk tarmsjukdom, kroniskt trötthetssyndrom, fetma, Clostridium difficile (C. diff) infektion och kolit. Men forskare är fortfarande osäkra på vilken roll bakteriofager spelar under dessa förhållanden.

I dessa fall kan dysbios uppstå via andra mekanismer. Alternativt kan det vara ett symptom på förhållandena snarare än orsaken.

Forskare har observerat förändringar i tarmbakterier i ett överraskande varierat utbud av sjukdomar, inklusive typ 2-diabetes, schizofreni, depression, ångest, Parkinsons sjukdom och många fler.

Eftersom bakteriofager är fler än bakterierna i tarmarna och förlitar sig på att de ska replikeras, måste de antingen påverkas av eller vara inblandade i eventuella fluktuationer.

Bakteriofager kanske inte driver förändringar i tarmen - förändringar som måste läggas till kanske inte driver sjukdomen. Istället kan bakteriofagpopulationer bara ändras, passivt, genom förändringarna i tarmbakterierna.

Huruvida utflödet av bakteriofagsamhällen är viktigt för hälsa och sjukdomar kommer att vara utmanande att undersöka. Men även om det inte är avgörande för en sjukdoms patologi, kan det ha andra fördelar att upptäcka dessa fluktuationer.

Som ett exempel finns det potential att använda viromet som en diagnostisk markör. Till exempel har forskare identifierat sjukdomsspecifika förändringar i tarmviromet hos personer med inflammatorisk tarmsjukdom, vilket är ett notoriskt svårt tillstånd att diagnostisera.

Problemet med virus

Att studera bakterier är långt ifrån lätt; de är trots allt otroligt små. Bakterier är vanligtvis 0,4–10 mikrometer breda. För att ge ett visst sammanhang: 10 mikrometer är bara en hundradels millimeter eller fyra tiotusindels tum.

Virus är dock ännu mindre, bara 0,02–0,4 mikrometer över.

Bortsett från svårigheterna med att arbeta i en så liten skala utgör virus andra utmaningar.

Om forskare vill förstå vilka bakteriearter som finns i en viss population extraherar de genetisk information.

Från detta isolerar de specifika kodsträckor och matchar dem med befintliga databaser; oftast använder de 16S rRNA-genen. Denna specifika gen kan hittas i nästan alla bakteriearter, och under evolutionstiden har den varit relativt oförändrad.

Vissa regioner av 16S RNA anses dock vara hypervariabla. Skillnader mellan dessa regioner gör det möjligt för forskare att identifiera arter.

Virus, å andra sidan, delar inte några ekvivalenta gener bland arter. Detta gjorde, tills relativt nyligen, att studera viromet nästan omöjligt, men framstegen i nästa generations sekvensering slår långsamt ner barriärer.

I detta skede är virusens roll i människors hälsa inte lika tydlig som deras roll i sjukdomar.

Med detta sagt verkar det också mycket troligt att virus spelar en viktig roll för att upprätthålla en frisk kropp. Endast med framsteg inom forskningsteknik kommer deras fulla inverkan att förstås.

Med tanke på de omedelbara farhågorna för antibiotikaresistens, kanske förnyat intresse för bakteriofagen kommer att se mer tid till detta mystiska inslag av medicinsk vetenskap.

Ändå är det svårt att förstå samspelet mellan komponenterna i vårt mikrobiom; som ett papper förklarar:

"Sammansättningen av tarmmikrobiomet är inte densamma under flera stadier av livet, eller ens under timmar samma dag."

Detta kommer säkert att bli en lång kamp.