Tarm har mer enn sjarm!

Opptil 70 prosent av kroppens immunforsvar sitter i tarmen, så mage- og tarmhelse er avgjørende for å holde seg frisk og bekjempe infeksjoner. Det er likevel først inntil nylig vi har begynt å forstå omfang og betydningen av de små organismene som lever der har for velvære, helse og sykdom hos både mennesker og dyr.

Blogg - Publisert 26.01.2021

Yrr Mørch

Forsker i SINTEF

Wilhelm Glomm

Forsker i SINTEF

Denne delen av immunforsvaret består av tarm-mikrobiota; en fellesbetegnelse for alle mikroorganismer som lever i tarmen, i hovedsak bakterier, virus og sopp. Vi har bare så vidt begynt å skrape i overflaten for å forstå hvilke funksjoner de har og hvordan de vekselvirker med andre deler av immunforsvaret.

Et komplekst “samfunn”

Mikrobene i tarmen utgjør et svært komplekst samfunn som ikke bare påvirker immunforsvaret, men også fysiologi, metabolisme og næringsopptak hos både dyr og mennesker. Nylig har det blitt avdekket at en ubalanse i dette dynamiske samfunnet av mikrober kan forårsake flere typer alvorlige helsetilstander og sykdommer slik som kreft, kroniske inflammasjoner i tarmen, type 2 diabetes, depresjon og Parkinsons sykdom.

Det er en stor utfordring å skille mellom årsak og konsekvens, eller høna og egget om du vil. Kan en ubalanse i tarmfloraen alene forårsake sykdom, eller vil en slik ubalanse være en direkte konsekvens av en underliggende sykdom?

Aktiv påvirkning av tarmens mikrobiota gjennom mat og medisinering vil derfor potensielt kunne benyttes for behandling av ulike sykdommer, forbedring av helsetilstand og økt velvære. Bedre forståelse av samspillet mellom mikrobene i tarmen og individet anses derfor av mange for å representere et paradigmeskift innenfor medisin. Men å forstå dette komplekse samspillet er ingen enkel oppgave.

800 bakterier – med ulike oppgaver

Det er flere faktorer som gjør dette arbeidet utfordrende. For det første er det store individuelle variasjoner i tarmflora-populasjonen hos både mennesker og dyr, og deres påvirkning på vår helse vil også være svært forskjellig fra individ til individ.

Vår tarm-mikrobiota utgjør mer enn 800 forskjellige arter, alle med ulike spesialiteter og oppgaver – totalt i tarmen vil det være opptil ti ganger flere bakterier enn det er celler i selve kroppen. Mens noen kan være skadelige for en person kan de være ufarlige for en annen.

For det andre vil hvilke typer arter som dominerer og hvor de befinner seg i tarmen også være av betydning, selv om det generelt anses som helsefremmende å ha en rik tarmflora.

I prosjektet Microbiota@SINTEF skal forskerne bruke maskinlæring og kunstig intelligens for å forstå hvordan tarm-mikrobiota påvirker/påvirkes av sykdom eller behandling. Illustrasjon: Dr_Microbe/iStock

For det tredje er det en stor utfordring å skille mellom årsak og konsekvens, eller høna og egget om du vil. Kan en ubalanse i tarmfloraen alene forårsake sykdom, eller vil en slik ubalanse være en direkte konsekvens av en underliggende sykdom?

For å bedre kunne forstå denne sammenhengen kreves både kloke hoder og nye teknologier. Noen av hovedutfordringene er:

Mangel på avanserte analysemetoder for å bestemme mikrobiota-sammensetning, aktivitet og respons
Innsamling, håndtering og tolkning av komplekse data som skapes ved analyse av tarm-mikrobiota
Mangel på biologiske tarm-modeller (celler og dyr) som på en god måte gjenspeiler det komplekse økosystemet i tarmen
Å aktivt påvirke mikrobiotasammensetningen i tarmen

Tarmen – vårt nye strategiske prosjekt

SINTEF har allerede unik kompetanse og en forsknings-infrastruktur innenfor flere områder og teknologier som trengs for å “knekke tarm-koden”. Derfor har SINTEF finansiert et 3,5-årig strategisk prosjekt – Microbiota@SINTEF.

Målet er å tilpasse vår infrastruktur til tarm-mikrobiotaforskning og utvikle nye metoder som kan støtte oppunder nasjonal og internasjonal forskningsaktivitet på området.Forskningsaktivitetene vil formes gjennom et tett samarbeid med nasjonale og internasjonale samarbeidspartnere innenfor akademia, sykehus og industri.

Å forstå tarm-mikrobiota

For å kunne forske på hva som skjer med mikrobene i tarmen under ulike betingelser, trengs gode biologiske modeller som på best mulig måte etterligner den komplekse tarmen og mikrobene som lever der. Ikke minst trenger vi gode analytiske metoder.

Nye spennende og svært avanserte tredimensjonale celle-baserte modeller av tarm er under utvikling. Og analysene av disse kan effektiviseres ytterligere ved hjelp av automatisering. I det siste tiåret har SINTEF jobbet tungt innenfor utvikling av slike nye og robotiserte celle-baserte metoder og er internasjonalt ledende innenfor feltet.

Bedre forståelse av samspillet mellom mikrobene i tarmen og individet anses derfor av mange for å representere et paradigmeskift innenfor medisin.

Analysene som brukes er vanligvis ulike ‘omics’ teknikker som forteller hvilke mikrober som finnes i tarmen (metagenomics), hvilke gener som er aktive (metatranscriptomics) og hva slags aktivitet mikrobene har til enhver tid (metabolomics). I tillegg kan vi ved hjelp av avanserte kjemiske analyser “avbilde” nøyaktig hvor i tarmen de ulike mikrobene befinner seg.

Slike analyser og biologiske modeller som beskrevet her frembringer enorme mengder data som krever avansert datahåndtering og -tolkning. I det pågående strategiske prosjektet Microbiota@SINTEF vil vi derfor utnytte vår kompetanse innenfor maskinlæring og kunstig intelligens for å forstå hvordan tarm-mikrobiota påvirker/påvirkes av sykdom eller behandling.

Å påvirke riktig – til rett tid

Når endringer i tarm-mikrobiota påvirker dyr og menneskers helse på en negativ måte vil vi kunne forbedre helsetilstanden ved å aktivt påvirke tarmfloraen. Det er flere måter å gjøre dette på:

Bruk av medisiner (“drug the bug”), prebiotika (substanser som promoterer vekst av “snille” bakterier), probiotika (levende “snille” bakterier) og tilførsel av avføring fra friske personer er alle metoder som benyttes i dag.

Av disse er probiotika den mest vanlige metoden, som for eksempel ved inntak av Biola og tilsvarende produkter som inneholder “gode” melkesyrebakterier. Alle disse metodene har av ulike årsaker flere svakheter som gjør at ingen av dem kan brukes som en gullstandard for aktiv påvirkning av tarm-mikrobiota i dag.

Målrettet levering av aktive substanser til rett sted og rett tid kan potensielt bidra til økt suksess. Dette kan gjøres ved hjelp av “smarte” formuleringer som for eksempel endrer egenskapene til de aktive substansene,eller leverer dem til rett adresse i kroppen. Enten i form av medisinering eller som en ekstra ingrediens i matvarer eller fôr.

SINTEF vil utnytte over 30 års erfaring innen smart levering av medisiner og helsefremmende ingredienser for å forske på ulike måter å målrettet påvirke mikrober i tarmen. En strategisk satsning som Microbiota@SINTEF gir oss muligheten til å være med og flytte forskningsfronten innen tarm-mikrobiota og helse sammen med norske og internasjonale samarbeidspartnere.

Forskning som aktivt bidrar til forståelse og metoder som kan gi bedre helse og velvære for mennesker og dyr er selve kjernen i SINTEFs visjon “Teknologi for et bedre samfunn.”

Denne bloggen ble først publisert på #SINTEFblogg.

Kilder:
Liang DC, Gut Pathogens, 2018. 10
Cani PD., Gut, 2018. 67(9):1716
Clemente JC, BMJ, 2018. 360
Petrosino JF, Genome Medicine, 2018. 10
Van de Wiele in The Impact of Food Bioactives on Health: in vitro and ex vivo models Ch 27. 2015
Neurath, M, Nat Rev Gastroenterol Hepatol, 2020. 17(2):76
Li LY, Nature Communications, 2019. 10.
Franzosa EA, Nature Microbiology, 2019. 4(2): 293
Carabotti M, Ann Gastroenterol, 2015, 28(2): 203
Altamura F., Curr.opinion in chemical biology, 2019. 56:10
Qin J, Nature, 2010. 464:59