Биоразнообразието в околната среда подобрява детския имунитет

детски имунитет

Интервенция за биоразнообразие подобрява имунната регулация и свързаната със здравето коменсална микробиота сред децата в детски градини

Автори: Marja I Roslund, Riikka Puhakka, Mira Grönroos, Noora Nurminen, Sami Oikarinen, Ahmad M Gazali, Ondřej Cinek, Lenka Kramná, Nathan Siter, Heli K Vari, Laura Soininen, Anirudra Parajuli, Juho Rajaniemi, Tuure Kinnunen, Olli H Laitinen, Heikki Hyöty, Aki Sinkkonen, ADELE research group

Резюме

Тъй като честотата на имуно-медиираните заболявания бързо се увеличава в развитите общества, има неудовлетворена необходимост от нови профилактични практики за борба с тези болести. Това е първото интервенционно проучване при хора, в което биоразнообразието на градска околна среда е манипулирано, за да се изследват ефектите му върху коменсалния микробиом и имунорегулацията при малки деца. Анализирахме промените в кожната и чревната микробиота и имунните маркери на деца по време на 28-дневна интервенция, целяща по-голямо биоразнообразие. За сравнение бяха анализирани деца в стандартни градски детски заведения и ориентирани към природата детски градини. Намесата разнообразява както околната среда, така и кожните гамапротеобактериални колонии, които от своя страна са свързани с повишение на плазмените TGF-β1 нива и пропорцията на регулаторните Т-клетки. Съотношението на плазмените IL-10:IL-17A се е увеличило сред децата в променената среда по време на проучването. Нашите открития предполагат, че намесата в полза на биоразнообразието подобрява имунорегулаторните пътища и осигурява стимул за бъдещи профилактични подходи за намаляване на риска от имуно-медиирани заболявания в градските общества.

Въведение

Наблюдателни проучвания показват, че имуно-медиираните заболявания са по-чести в популациите, възприели съвременен градски начин на живот, отколкото в тези с прединдустриален начин на живот (1–3). Една от водещите хипотези твърди, че основната причина за този модел е очевидната загуба на биологично разнообразие в съвременната среда на живот (3–6). Въпреки това все още липсват убедителни доказателства, базирани на изследвания при човешка намеса.

Загубата на биологично разнообразие в градските райони ограничава излагането на разнообразна микробиота, но увеличава експозицията на патогенни бактерии в плътно застроени области (5). Високото хигиенно ниво и западният градски начин на живот (напр. консумация на преработена храна и употреба на антибиотици) също влияят върху човешката коменсална микробиота (7,8). Освен това градските замърсители променят микробните общности, свързани с човешкото здраве и имуно-медиираните заболявания (9–11). Всички тези фактори могат да доведат до микробен дисбаланс, наречен дисбиоза, който е свързан с имуно-медиирани заболявания (4,12,13).

Определящите условия в ранния живот на чревната микробиота включват начин на раждане, генетика, използване на антибиотици, хранене и други фактори на околната среда (14). Докато чревната микробиота на 1-годишни деца се доминира от Faecalibacterium, Bacteroides и Anaerostipes (15), здравата чревна микробиота при възрастни се характеризира с типа Bacteroidetes и Firmicutes, особено родовете Bacteroides и Prevotella (16,17). Lactobacillales е доминиращият разред върху кожата на 1-годишни деца и разнообразието на кожната микробиота се увеличава с възрастта (18). Основните причини, поради които кожната микробиота се променя с възрастта, са свързани с човешката физиология и засиленото влияние на външни фактори, като домашни любимци и жизнена среда (18). Доминиращите бактериални таксони върху кожата на здрави възрастни се характеризират с типа Actinobacteria, Firmicutes и Proteobacteria, особено родовете Propionibacterium, Staphylococcus и Corynebacterium (16,19). Актинобактериите и протеобактериите са също така доминиращ тип в почвата (5,6,10,11). Докато кожните и почвените бактериални общности съдържат няколко общи таксона (4,19,20), бактериалните таксономии се различават значително между почвените и чревните общности (5,17,21). Въпреки тази таксономична дивергенция, последните открития показват, че типът на почвеното покритие и градинската растителност около постоянните жилища оказват влияние върху микрофлората на червата (17).

Обичайно се приема, че микробната експозиция от околната среда, човешката коменсална микробиота и имунологичните пътища са взаимосвързани (4,8,14,17). Плазмените цитокинови нива и кръвните честоти на FOXP3+ регулаторни T-клетки (Treg) могат да се използват като сурогатни маркери за промени в имунорегулаторните пътища. Интерлевкин 10 (IL-10) е противовъзпалителен цитокин и неговите нива в кръвта отразяват активирането на имунорегулаторните пътища (22). Трансформиращият растежен фактор β1 (TGF-β1) е многофункционален цитокин, който понижава регулирането на възпалителните процеси, особено в свързаната с червата имунна система (22). IL-17 е провъзпалителен цитокин, който е свързан с няколко имуно-медиирани заболявания, включително диабет тип 1 (23), възпалителни заболявания на червата, ревматоиден артрит и множествена склероза (24). Treg клетките са основни регулатори на имунната система, с важна роля за поддържане на имунния толеранс, както и толеранс към коменсалната микробиота, като по този начин предотвратяват автоимунни и хронични възпалителни заболявания (25).

Тъй като имуно-медиираните заболявания са нововъзникващ здравен проблем в урбанизираните общества, има неудовлетворена нужда от нови профилактични практики за борба с тези болести. За да отговорим на тази необходимост, извършихме интервенционно проучване за тестване на хипотезата за биологичното разнообразие (3). В това проучване екологичното биоразнообразие на градските детски центрове беше обогатено чрез преобразяване на дворовете им с горско покритие и чим. Ефектът от интервенцията е проучен сред 75 градски деца на възраст от 3 до 5 години, пребиваващи в три различни детски среди: (i) стандартни дворове, (ii) променени дворове с елементи на биоразнообразие и (iii) ориентирани към природата детски центрове, където децата са посещавали ежедневно близките гори. Измерихме кожната и чревната микробиота, плазмените цитокинови нива и кръвните честоти на Treg при тези деца преди и след 28-дневния период на намеса. Освен това сравнихме микробиота в околната среда между стандартните и променените дворове. Въз основа на по-ранни сравнителни проучвания сред деца (1,4) хипотезираме, че намесата за по-голямо биоразнообразие ще повлияе на детската коменсална микробиота и че позитивната промяна в кожното микробно разнообразие ще бъде свързана с повишена секреция на имунорегулиращи цитокини и/или увеличение на регулаторните T-клетки след тестовия период. В допълнение, очаквахме промените в коменсалната микробиота да отразяват състава на микробиота на околната среда в групата с намеса и връзките между коменсалната микробиота и имунния отговор да бъдат различни в тази група в сравнение със стандартната детска група.

Дискусия

Докато ранното излагане на биоразнообразието на околната среда е свързано с развитието на добре функционираща имунна система (1,4), окончателното доказателство за причинно-следствена връзка все още липсва. Това е първото интервенционно проучване при хора, в което биоразнообразието в градска среда е манипулирано, за да се изследват ефектите му върху коменсалния микробиом и имунната система при малки деца. 28-дневната интервенция, включваща обогатяване на дворовете на детските заведения за микробно биоразнообразие, е свързана с промени в кожната и чревната микробиота на децата, което от своя страна е свързано с промени в цитокиновите плазмени нива и фреквенциите на Treg клетките. Тези открития предполагат, че излагането на микробно разнообразие в околната среда може да промени микробиома и да модулира функцията на имунната система при децата. По-конкретно, интервенцията е свързана с промяна към по-добро съотношение между плазмените цитокинови нива на IL-10 и IL-17A и положителна връзка между разнообразието на гамапротеобактериите и кръвните нива на Treg клетките, което предполага, че интервенцията може да е стимулирала имунорегулаторните пътища. Тези регулаторни промени настъпват въпреки малко непоследователните данни от кожната микробиота (вж. фигури 1 и 2). Като цяло изследването показва, че може да е възможно да се модулира имунната система чрез относително лесни действия, които променят жизнената среда на малките деца в градските общности.

Намесата поддържа голямо разнообразие от коменсална кожна микробиота, особено сред гамапротеобактериите, спрямо децата в стандартни детски градини, при които разнообразието на тези микробиоти намалява през периода на изследването. Резултатите ни са в съответствие с предишни наблюдателни проучвания, показващи връзки между маркери на имунната система, жизнена среда и коменсална микробиота, включително кожни гамапротеобактерии (1,4,12). По този начин резултатите от настоящото интервенционно проучване подкрепят хипотезата за биологичното разнообразие (3,4). Тъй като интервенцията с цел повишено биоразнообразие предлага осъществени природни преживявания и осигурява мултисензорно изучаване и разнообразни учебни ситуации (26), децата може да имат по-директни контакти с почвата и растителността при такава намеса, отколкото в стандартните детски заведения. Изразходеното в дворовете време също може да е едно от обясненията, поради които кожните протеобактериални различия намаляват сред децата в стандартните детски градини, но не и сред децата в детски градини с промени, въпреки че прекараното на открито време е сходно във всички групи в детски заведения. Нашето заключение е, че оставянето на градските деца да играят в микробиологично разнообразна почва и растителност променя кожната и чревна микробиота, което е придружено от паралелни промени в имунната система в сравнително кратък период от 1 месец.

Важен аспект на тези констатации е, че коменсалната микробиота на децата в детските градини с променена среда става по-сходна на наблюдаваната при деца, които посещават ориентирани към природата детски градини (фиг.1), където се правят ежедневни посещения в близките гори.

В заключение нашето проучване демонстрира, че модифицирането на детската жизнена среда с микробиологично разнообразни природни материали може да осигури осъществим подход за намаляване на риска от имуно-медиирани заболявания в градското население.


Източник:
Roslund MI, Puhakka R, Grönroos M, et al. Biodiversity intervention enhances immune regulation and health-associated commensal microbiota among daycare children. Sci Adv. 2020 Oct 14;6(42):eaba2578. doi: 10.1126/sciadv.aba2578
https://advances.sciencemag.org/content/6/42/eaba2578

Свързани публикации