Omówienie artykułu pt. „Jaki jest wpływ mikroflory na zespół suchego oka: przegląd literatury na temat osi jelito-oko” w BMC Ophthalmol. w 2024 roku [1].
Prof. dr hab. med. Andrzej Grzybowski
Kierownik Katedry Okulistyki, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski, Olsztyn
Kierownik Instytutu Okulistycznych Badań Naukowych, Fundacja Okulistyka 21, Poznań
Wprowadzenie
Zespół suchego oka (ZSO) to przewlekła choroba powierzchni oka spowodowana niestabilnością filmu łzowego lub nierównowagą w mikrośrodowisku powierzchni oka, prowadząca do szeregu nieprzyjemnych objawów i problemów z widzeniem. Ponieważ dokładne przyczyny i mechanizmy nie są w pełni poznane, można obecnie jedynie kontrolować chorobę, a nie ją wyleczyć. Mikrobiota, obejmująca wiele bakterii zamieszkujących skórę i błony śluzowe organizmu gospodarza w symbiozie, odgrywa istotną rolę w zdrowiu człowieka. W ostatnich latach badania wykazały istotną zależność między mikrobiotą a rozwojem chorób [2].
Unikalna struktura powierzchni oka, stale narażona na środowisko zewnętrzne, sprzyja rozwojowi stabilnej symbiotycznej mikrobioty, która odgrywa kluczową rolę w utrzymaniu równowagi immunologicznej powierzchni oka. Zakłócenie mikrośrodowiska może prowadzić do różnych chorób oczu. Mikrobiota jelit, intensywnie badana jako kluczowe miejsce śluzówkowe dla zrozumienia ludzkiego mikrobiomu przez Narodowy Instytut Zdrowia (NIH) w Stanach Zjednoczonych, zawiera około 150 razy więcej genów mikrobiowych niż genów ludzkich [3]. Ostatnie badania wykazały, że zmiany w mikrobiocie jelitowej mogą wpływać na występowanie chorób oczu. Badanie korelacji między mikrobiotą a chorobami oczu stało się punktem wyjścia do badania dróg choroby i zapobiegania jej postępowaniu. Omawiamy artykuł przeglądowy ma na celu omówienie potencjalnych mechanizmów osi jelito-oko poprzez analizę wpływu mikrobioty na odporność powierzchni oka oraz scharakteryzowanie zmian mikrobioty powierzchni oka i jelit w przypadku zespołu suchego oka.
Metody
Podczas procesu wyszukiwania i selekcji hasło „zespół suchego oka” zostało wprowadzone do wyszukiwarki PubMed. Aby zapewnić innowacyjność i aktualność artykułu, podczas przeszukiwania literatury na podstawie słów kluczowych, zakres czasowy publikacji literatury został określony na ostatnie 5 lat, z terminem końcowym 2023. Uzyskano łącznie 4701 terminów wyszukiwania. Po wprowadzeniu słowa kluczowego „Mikrobiota” jednocześnie uzyskano 37 wyników, a po wprowadzeniu słowa kluczowego „Bakterie” uzyskano 221 wyników. Przeanalizowano łącznie 13 artykułów, z których 9 dotyczyło zespołu suchego oka i mikrobioty powierzchni oka, a 4 zespołu suchego oka i mikrobioty jelitowej. Jednocześnie, biorąc pod uwagę nową koncepcję przeszczepu mikrobioty kału i dalszą weryfikację związku między jelitem a powierzchnią oka, zespół uwzględnił również badanie na zwierzętach oparte na „przeszczepie mikrobioty kału” z 2016 roku.
Wyniki
Charakterystyka mikrobioty powierzchni oka
Powierzchnia oka, składająca się z rogówki i spojówki, wykazuje mniejszą liczbę sekwencji genów mikroorganizmów w porównaniu z błoną śluzową jelit. Sekwencje o niskiej liczebności pochodzące z zewnętrznych źródeł i zanieczyszczeń mogą być uznawane za część komensalnej mikrobioty powierzchni oka. Pomimo postępu w metodach badawczych – od tradycyjnej hodowli do testów opartych na sekwencjonowaniu drugiej generacji – nadal nie ma konsensusu co do istnienia podstawowej kompozycji mikrobioty powierzchni oka.
Badania nad mikroorganizmami obecnymi na powierzchni oka sięgają lat 30. XX wieku. Najczęściej identyfikowanymi mikroorganizmami w spojówce zdrowych osób są koagulazo-ujemne gronkowce, Propionibacterium spp., Corynebacterium spp., Staphylococcus aureus, Streptococcus, a także bakterie Gram-ujemne, takie jak Haemophilus, Neisseria i Pseudomonas spp. Sekwencjonowanie genu rybosomalnego RNA 16 S (16 S rRNA) stało się skuteczniejszą metodą analizy składu mikrobiologicznego w siedliskach. Te siedliska zwykle obejmują pięć głównych typów: Proteobacteria, Actinobacteria, Firmicutes, Cyanobacteria i Bacteroidetes. Trzy pierwsze typy stanowią ponad 87% całości, podczas gdy Cyanobacteria i Bacteroidetes uznano za zanieczyszczenia. Oprócz 59 rodzajów, stwierdzono obecność Bradyrhizobium, Acinetobacter, Brevundimonas, Aquabacterium i Sphingomonas, jak również rodzajów często spotykanych w metodach hodowli. Występowały różnice zarówno w liczebności, jak i gatunkach pomiędzy obiema metodami. Bakterie dominujące w tradycyjnej metodzie hodowli stanowiły znacznie mniejszy odsetek wyników sekwencjonowania. Na przykład, Staphylococcus, dominujący w tradycyjnej metodzie, stanowił jedynie 4% całości. Ta rozbieżność może wynikać z preferencji tradycyjnej metody hodowli dla rodzajów odpowiednich do wzrostu na pożywkach. Z kolei metoda sekwencjonowania 16 S ujawniła znacznie bardziej zróżnicowaną kompozycję gatunków, co czyni ją bardziej odpowiednią do analizy dominujących gatunków w środowisku. Badanie to miało ograniczoną liczbę badanych, a większa próba byłaby konieczna do potwierdzenia wyników.
Wysiłek związany z pobieraniem próbek odgrywa kluczową rolę w wykrywaniu rodzajów środowiskowych na powierzchni oka. Lekkie przecieranie pozwala wykryć takie rodzaje jak Rothia, Herbaspirillum, Leptothrichia i Rhizobium, przy jednoczesnym zmniejszeniu wykrywalności Firmicutes (gronkowców), Actinobacteria (Corynebacterium spp.) i Proteobacteria. Natomiast mocne przecieranie prowadzi do wyższej liczebności Proteobacteria, Bradyrhizobium, Delftia i Sphingomonas w nabłonku spojówki. Silne dociskanie jest zalecane zamiast zeskrobywania w badaniach nad mikroorganizmami powierzchni oka, ponieważ część mikrobiologiczna łatwo zmywana przez śluz może zostać pominięta. Wen i wsp. odkryli, że starsze osoby miały wyższe wskaźniki Shannona oraz zwiększoną liczebność Staphylococcus haemolyticus, Micrococcus luteus i E. coli, podczas gdy młodsze osoby wykazywały więcej Ochrobactrum anthropi, Mycoplasma hyorhinis i P. acnes. Ponadto, starsza grupa miała wyższe liczebności szlaków metabolicznych związanych z węglowodanami, tłuszczami, składnikami odżywczymi i aminokwasami, co sugeruje, że wiek może mieć większy wpływ na skład mikrobiologiczny niż płeć. W niedawnym badaniu dotyczącym zespołu suchego oka u dzieci i młodzieży z cukrzycą zaobserwowano podobne wyniki jak we wcześniejszych badaniach. Główne typy mikroorganizmów na powierzchni oka u dzieci i młodzieży obejmowały Proteobacteria, Firmicutes i Actinobacteria. Jednak różnice w liczebności mogą wskazywać na potencjalny związek z takimi czynnikami jak wiek i status immunologiczny.
Badania nad mikrobiologiczną charakterystyką powierzchni oka wykazują rosnący trend w ciągu ostatniej dekady. Wyniki kompleksowych badań wskazują, że główne typy mikroorganizmów obecnych na powierzchni oka to Proteobacteria, Actinobacteria, Firmicutes i Bacteroidetes. Technika pobierania próbek, środowisko, wiek i płeć wpływają na skład mikrobiologiczny powierzchni oka. Definicja podstawowej mikrobioty pozostaje niepewna. Pomimo różnych czynników wpływających na mikrobiotę, nie wydają się one zakłócać normalnego stanu powierzchni oka, co sugeruje obecność unikalnego układu immunologicznego, który reaguje na patogeny zewnętrzne, jednocześnie tolerując mikroorganizmy komensalne. Dalsze badania nad związkiem między mikroorganizmami powierzchni oka a odpornością mogą dostarczyć wglądu w ich rolę w rozwoju chorób powierzchni oka.
Mikrobiota i tolerancja immunologiczna powierzchni oka
Homeostaza mikrośrodowiska powierzchni oka jest przede wszystkim osiągana dzięki mechanicznym ruchom gałek ocznych oraz aktywacji miejscowej odporności. Mruganie oraz przepływ łez pomagają w usuwaniu ciał obcych z powierzchni oka. Oprócz tych mechanizmów, powierzchnia oka posiada naturalny system odpornościowy, który reguluje reakcje immunologiczne gospodarza na mikroorganizmy. Regulacja ta obejmuje nabłonek rogówki, utrzymanie beznaczyniowości rogówki oraz interakcję z tkankami limfoidalnymi związanymi ze spojówką i komórkami układu odpornościowego, takimi jak wydzielnicza IgA (sIgA) i limfocyty.
Głównym przeciwciałem wytwarzanym przez komórki kubkowe w gruczołach łzowych i spojówkowych jest sIgA, które jest produkowane przez komórki B. Komórki B są początkowo aktywowane przez pierwotne komórki B, które migrują ze szpiku kostnego do spojówki lub gruczołów łzowych po przejściu procesu przełączania klasy przeciwciał. sIgA odgrywa kluczową rolę w zapobieganiu infekcjom bakteryjnym, gromadząc się w warstwie mucyny, wiążąc się z nią oraz promując działanie przeciwzapalnej cytokiny IL-10, która wpływa na dojrzewanie komórek dendrytycznych. Proces ten prowadzi ostatecznie do indukcji tolerancji immunologicznej w błonach śluzowych. Badania wykazały, że poziom sIgA na powierzchni oka zmniejszał się u myszy hodowanych w warunkach konwencjonalnych po podaniu doustnych antybiotyków. Natomiast poziomy komórek B produkujących IgA znacznie wzrosły u szczurów hodowanych w sterylnych warunkach po ich przeniesieniu do środowiska konwencjonalnego. Dodatkowo, zaobserwowano pozytywną korelację pomiędzy różnorodnością mikrobioty jelitowej a poziomami sIgA. Chociaż nie ma bezpośrednich dowodów na związek tych zmian z mikrobiotą powierzchni oka, można przypuszczać, że może to być związane ze zmianami w środowisku powierzchni oka lub innych częściach organizmu, jak na przykład jelitach.
Różne receptory na powierzchni oka mogą odpowiadać na sygnały wyzwalające szlaki zapalne. Receptory wzorców molekularnych związanych z patogenami, zlokalizowane w nabłonku oka, są aktywowane przez specyficzne bodźce, inicjując wrodzone i swoiste odpowiedzi immunologiczne poprzez produkcję cytokin, ligandów chemokin i aktywację szlaków zapalnych, takich jak czynnik jądrowy-kB i kinazy aktywowane mitogenami. Aktywacja TLR4 przez lipopolisacharyd (LPS) może indukować rozwój zespołu suchego oka poprzez zwiększenie wydzielania cytokin w rogówce i spojówce. Badania na modelach zwierzęcych wykazały, że LPS zwiększa ekspresję IL-12a, IL-1β oraz IFN-γ w suchym oku, a także zwiększa produkcję chemokin związanych z komórkami Th1, co ostatecznie prowadzi do rozwoju suchego oka związanego z komórkami Th1. TLR5, znajdujący się w nabłonku spojówki, rozpoznaje białka flagelinowe z patogennych bakterii i reaguje na nie. Patogenne bakterie wywołują odpowiedź poprzez aktywację receptorów na powierzchni oka, podczas gdy bakterie komensalne przyczyniają się do ochrony błon śluzowych, konkurując z bakteriami patogennymi. Badania in vitro pokazują, że zdrowe komórki rogówki i spojówki nie wywołują odpowiedzi immunologicznej na komensalne bakterie powierzchni oka, takie jak Staphylococcus epidermidis czy Propionibacterium acnes. Zamiast tego, wydzielają cytokiny, takie jak IL-6 i IL-8, w odpowiedzi na patogeny, takie jak Pseudomonas aeruginosa. Myszy skolonizowane przez Corynebacterium mastitidis wzmacniają odpowiedzi immunologiczne powierzchni oka przeciwko infekcjom wywołanym przez Pseudomonas aeruginosa i Candida albicans, indukując produkcję IL-17 przez komórki T na powierzchni oka. Chociaż dokładna rola receptorów Toll-podobnych w immunopatogenezie zespołu suchego oka nie jest jeszcze w pełni wyjaśniona, można przypuszczać, że zaburzenia równowagi mikrobioty i aktywacja sygnalizacji TLR mogą wywołać odpowiedzi immunologiczne związane z rozwojem suchego oka.
Zespół suchego oka a mikrobiota powierzchni oka
Rozwój ZSO jest ściśle powiązany ze zmianami mikrobioty powierzchni oka, co podkreśla rolę zmienionej mikrobioty w procesach zapalnych charakterystycznych dla tej choroby. Badania kliniczne wykazały różnice w składzie bakteryjnym powierzchni oka u pacjentów z suchym okiem w porównaniu do osób zdrowych. Niektóre badania wskazują na zmniejszoną różnorodność alfa mikrobioty u pacjentów z suchym okiem, natomiast inne nie odnotowały takich zmian, co może wynikać z różnorodnych przyczyn zespołu suchego oka.
W przypadku dysfunkcji gruczołów Meiboma (MGD), różnorodność mikrobioty często nie różni się od zdrowych oczu, jednak skład bakterii w wydzielinach gruczołów jest zmieniony. W cięższych przypadkach MGD odnotowano większą liczbę gatunków bakterii.
Dominujące bakterie na powierzchni oka u osób z suchym okiem, takie jak Corynebacterium i Staphylococcus epidermidis, zmieniają się w kierunku patogenów, takich jak Pseudomonas, Acinetobacter i inne. W przypadku MGD występuje zwiększona obecność bakterii, takich jak Staphylococcus aureus, które mogą destabilizować film łzowy. Z kolei Corynebacterium odgrywa rolę w stymulacji odpowiedzi immunologicznej, np. poprzez produkcję IL-17.
W suchym oku związanym z chorobami autoimmunologicznymi obserwuje się większą obecność bakterii, takich jak Corynebacterium i Staphylococcus, co wiąże się z silniejszymi procesami zapalnymi. Z kolei u pacjentów z cukrzycą mikrobiota staje się bardziej zróżnicowana, a bakterie takie jak Staphylococcus aureus mogą wpływać na stabilność filmu łzowego, co przypomina patomechanizm ciężkiej postaci MGD.
Zmiany w mikrobiocie powierzchni oka podkreślają złożoność zespołu suchego oka i sugerują konieczność dalszych badań nad związkiem między mikrobiotą a rozwojem tej choroby, co może otworzyć nowe możliwości terapeutyczne.
Zespół suchego oka a mikrobiota jelitowa
Interakcja między mikrobiotą jelitową a układem odpornościowym jest kluczowa dla utrzymania równowagi jelitowej i zapobiegania chorobom. Mikroorganizmy komensalne w jelitach, takie jak te produkujące krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe (SCFA), pełnią funkcje immunomodulacyjne, wspierają barierę śluzową jelit i mają właściwości przeciwzapalne. Zaburzenia mikrobioty jelitowej mogą prowadzić do chorób immunologicznych, a zmiany w mikrobiocie jelitowej mogą wpływać na stan odpornościowy powierzchni oka, co potwierdzają badania nad chorobami oczu, w tym ZSO.
W badaniach dotyczących pacjentów z zespołem Sjögrena (SS) i związanym z nim ZSO, wykazano zmniejszenie liczby bakterii wytwarzających maślan, takich jak Faecalibacterium, oraz zmniejszenie poziomów bakterii Clostridiales i Bacteroides, które pomagają hamować odpowiedź zapalną komórek Th17. Sugeruje to związek między mikrobiotą jelitową a reakcją immunologiczną na powierzchni oka.
Pacjenci z ZSO związanym z czynnikami środowiskowymi wykazują zmiany w mikrobiocie jelitowej, różniące się od pacjentów z SS. Obie grupy wykazywały wzrost Veillonella, ale osoby z suchym okiem środowiskowym miały zmniejszoną liczbę bakterii Subdoligranulum. W przypadku SS zauważono również obniżony stosunek Firmicutes do Bacteroidetes oraz zmniejszoną liczebność Bifidobacterium, co sugeruje dysbiozę jelitową i przewlekły stan zapalny.
Badania na myszach z transplantowaną mikrobiotą ludzką od pacjentów z suchym okiem potwierdziły, że zmiany w mikrobiocie jelitowej mogą prowadzić do poważniejszych objawów suchego oka, w tym uszkodzeń rogówki. Ponadto, zmniejszenie liczby komórek Treg (regulujących odpowiedź immunologiczną) w węzłach chłonnych sugeruje, że mikrobiota jelitowa może wpływać na suchy zespół oka w kolejnych pokoleniach, co wskazuje na możliwy komponent genetyczny.
Wyniki te sugerują potencjalne terapie oparte na modyfikacjach mikrobioty jelitowej, takie jak przeszczepy kału, które są już stosowane w leczeniu chorób jelit i mogą być obiecujące w terapii suchego oka związanego z dysbiozą jelitową. Jednak potrzebne są dalsze badania nad kontrolą tych metod, optymalnym składem mikrobioty oraz wpływem diety i środowiska.
Dyskusja
Związek między mikrobiotą jelitową a chorobami oczu
Jelita to złożony organ, w którym zamieszkują biliony mikroorganizmów, mających kluczowy wpływ na trawienie oraz rozwój i funkcjonowanie układu odpornościowego. Zdrowie gospodarza jest ściśle związane z równowagą mikrobioty jelitowej. Zakłócenia w składzie mikrobioty mogą prowadzić do różnych chorób, a coraz więcej badań wskazuje na powiązanie między mikrobiotą jelitową a chorobami oczu, co określa się mianem „osi jelitowo-ocznej”. Zakłócenia mikrobioty jelitowej są związane z chorobami oczu, takimi jak zwyrodnienie plamki żółtej, zapalenie błony naczyniowej oka czy zapalenie rogówki.
Badania wykazują znaczące różnice w składzie mikrobioty jelitowej i powierzchni oka między osobami zdrowymi a pacjentami z chorobami oczu. Większość tych badań opiera się na sekwencjonowaniu 16s rRNA, które koncentruje się na zmianach w różnorodności i strukturze mikrobioty. Metagenomika, umożliwiająca identyfikację bakterii, grzybów i wirusów, ma duży potencjał w badaniach nad chorobami oczu, choć jej wysoki koszt utrudnia zastosowanie w badaniach klinicznych. Jednak identyfikacja mikroorganizmów to dopiero początek – konieczne są dalsze badania, aby zrozumieć mechanizmy, przez które mikrobiota wpływa na patogenezę zespołu suchego oka.
Obecne badania koncentrują się na interakcjach między mikrobiotą jelitową a układem odpornościowym. Metabolity wytwarzane przez mikroorganizmy jelitowe, takie jak krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe, mogą przedostać się do oka przez krwiobieg, wpływając na rozwój limfocytów Treg, które regulują reakcje zapalne w oku. Dzięki temu pojawiają się nowe potencjalne cele terapeutyczne, takie jak probiotyki, prebiotyki czy antybiotyki.
Interwencje wpływające na skład mikrobioty, takie jak przeszczep mikrobioty jelitowej, wykazują obiecujące wyniki w badaniach na zwierzętach. Jednak ze względu na złożoność ludzkiej diety i jej wpływ na skuteczność probiotyków i prebiotyków, wyniki badań są trudne do jednoznacznej interpretacji. Wpływ na mikrobiotę mają też czynniki takie jak płeć, wiek czy lokalizacja geograficzna, a także indywidualne „typy jelitowe” i „typy mikrobioty oka”.
Komentarz:
Ostatnie badania wskazują na istotny związek między mikrobiotą jelitową a stanami chorobowymi oczu, znany jako „osi jelitowo-ocznej”. Zakłócenia w mikrobiocie jelitowej mogą wpływać na odpowiedzi immunologiczne zarówno ogólne, jak i oczne, przez różne mechanizmy, co może prowadzić do schorzeń oczu. Terapie, takie jak przeszczep mikrobioty jelitowej, mają potencjał pozytywnego wpływu na stan zdrowia oczu poprzez regulację mikrobioty jelitowej. Chociaż badania w tej dziedzinie są nadal na etapie wstępnym, pokazują one obiecujące perspektywy w odkrywaniu precyzyjnych powiązań między mikrobiotą jelitową a chorobami oczu, oferując nowe możliwości zapobiegania i zarządzania tymi stanami.
Konieczne są dalsze badania nad mechanizmami łączącymi mikrobiotę jelitową z chorobami oczu, szczególnie nad identyfikacją konkretnych szczepów bakterii i metabolitów związanych z zdrowiem oczu. Należy również uwzględnić wpływ wieku, płci i innych czynników na tę zależność, aby poprawić diagnostykę zespołu suchego oka i zoptymalizować strategie leczenia.
Piśmiennictwo
1. Song J, Dong H, Wang T, Yu H, Yu J, Ma S, Song X, Sun Q, Xu Y, Liu M. What is the impact of microbiota on dry eye: a literature review of the gut-eye axis. BMC Ophthalmol. 2024 Jun 19;24(1):262.
2. NIH HMP Working Group, Peterson J, Garges S, Giovanni M, et al. The NIH human microbiome project. Genome Res. 2009;19(12):2317–23.
3. Qin J, Li R, Raes J, Arumugam M, Burgdorf KS, Manichanh C, et al. A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing. Nature. 2010;464(7285):59–65.