Vieraileva kirjailija: Suoliston ja aivojen välinen viestintä – suoli-aivo-akseli
Tämä on Catharina Lavebrattin kirjoitus, joka toimii lääketieteellisen genetiikan apulaisprofessorina Karoliinisen instituutin molekyylilääketieteen ja kirurgian osastolla. Catharina johtaa myös translationaalisen psykiatrian tutkimusryhmää ja toimii Karoliinisen yliopistosairaalan molekyylilääketieteen keskuksessa. Catharinan tutkimus keskittyy psykiatristen häiriöiden taustalla olevien molekyylimekanismien ymmärtämiseen paremman diagnoosin, ennaltaehkäisevän ja yksilöllisen hoidon mahdollistamiseksi. Kirjoitushetkellä Catharina johtaa ADHD:n ja suolistoflooran kliinistä tutkimusta Karoliinisessa instituutissa. Toinen kirjoittaja on Catharinan tohtoriopiskelija, biotekniikan maisteri Miranda Stiernborg.
Elämme mikrobioottisessa maailmassa, jossa meitä ympäröivät jatkuvasti mikrobit, kuten bakteerit, virukset ja sienet. Kehossamme on myös useita miljardeja mikrobeja ja 99 prosenttia ihmiskehon geneettisestä koodista kuuluu mikrobeihin, jotka asuvat elimistössämme, ja jossa suolisto muodostaa suurimman mikrobiyhteisön. Tosiasia on, ettei ihmistä olisi ollut koskaan olemassa ilman meissä eläviä mikrobeja – satojen tuhansien vuosien ajan olemme eläneet rinnakkain ja siten kehittäneet erittäin tärkeää yhteistyötä näiden organismien kanssa. Jos tämä yhteistyö ei toimi tai suolistomme mikrobit ovat epätasapainissa, se vaikuttaa myös muualle elimistöön. Koska miljardit pienet organismit suolistossa vaikuttavat paljon muuhunkin kuin vain niiden asuinpaikkaan, ne voivat vaikuttaa monin tavoin elimistöömme kaukana suolen seinämien ulkopuolella.
Mikä on suolisto-aivo-akseli?
Tutkijat ovat jo pitkään nähneet yhteyden vatsavaivojen ja aivoihin vaikuttavien tilojen välillä, esim. mielenterveyden ja neurodegeneratiivisten sairauksien [1 välillä], mutta eivät ole pystyneet selittämään yhteyttä. Mitä tekemistä vatsalla ja aivoilla olisi keskenään? Se, että vatsalla ja aivoilla on suora yhteys toistensa välillä, saattaa tuntua yllättävältä. Ne sijaitsevat kaukana toisistaan ja niillä on erilaiset päätoiminnot. Vatsalaukun tila ja erityisesti suolistossa elävät mikrobit, mikrobiomi, vaikuttaa tosiasiassa aivoihimme. Tämä selitetään tällä hetkellä muun muassa suolisto-aivo-akselilla.
Suolisto-aivo-akseli on nimitys suoliston ja aivojen välisille viestintäkanavalle. Tiedonsiirto tapahtuu mm. hermoston, veren ja immuunijärjestelmän kautta. Noin 2 kg:lla suolistossamme olevilla mikrobeilla on suurempi vaikutus tähän viestintään kuin mitä aiemmin on kuviteltu, ja bakteerien roolista tiedetään eniten. Vielä meillä ei kuitenkaan ole vielä kattavaa kuvaa niiden todellisista vaikutuksista.
Se, että suolistossa olevat mikrobit vaikuttavat aivoihin, on esimerkiksi osoitettu tutkimuksissa, joissa tutkijat ovat luoneet ns. bakteerivapaita hiiriä ja rottia. Näiden eläinten käyttäytyminen on muuttunut aktiivisuuden, sosiaalisen vuorovaikutuksen ja ahdistusta ja huolta ja masennusta muistuttavan käyttäytymisen suhteen [2]. Lisäksi useissa hiirillä ja rotilla tehdyissä tutkimuksissa tutkijat ovat havainneet, että jopa antibioottien saanti, joka vähentää merkittävästi mikrobien määrää, aiheuttaa samanlaisia käyttäytymismuutoksia. Vaikutuksia käyttäytymiseen on havaittu lähinnä silloin, kun suoliston mikrobien määrä on vähentynyt jo nuorilla eläimillä [3]. Mutta vaikka tutkimukset viittaavat suoliston mikrobien ja aivojen väliseen viestintään hiirillä ja rotilla, ei ole vielä täysin selvää, miten tämä tapahtuu. Sen ymmärtämiseksi on mentävä syvemmälle, molekyylitasolle.
Miten suolisto ja aivot kommunikoivat keskenään?
Suolisto-aivoakseli tarkoittaa siis suoliston ja aivojen välisiä kommunikointitapoja. Jotkut kommunikointitavat ovat suorempia kuin toiset. Vagushermo, joka on yksi 10 hermosta, jonka juuri sijaitsee aivoissa, on nopein ja suorin yhteys suoliston ja aivojen välillä. Vagushermon säikeet ulottuvat suolen seinämään, jossa mm. mikrobien molekyylit saavuttavat ne. Nämä molekyylit, kuten serotoniini, dopamiini, glutamaatti ja GABA, voivat vaikuttaa signaaleihin, jotka kulkevat aivoihin vagushermon säikeiden kautta ja vaikuttavat siten aivojen hermosoluihin. Tutkijat lisäsivät esimerkiksi bakteerikannan hiirten suolistoon ja havaitsivat lisääntynyttä viestintää hermosolujen välillä tietyissä aivojen osissa ja että hiiret kestivät stressiä paremmin ja niiden masennus väheni. Kun vagushermo katkaistiin hiiriltä, näitä ominaisuuksia ei enää havaittu [4].
Suolisto-aivo-akselilla on myös epäsuoraa viestintää, joka tapahtuu enimmäkseen mikrobien jäteaineiden kautta. Kuten meillä ihmisillä, monilla suolistomme mikrobeilla on aineenvaihdunta. Tällöin erilaiset mikrobit tuottavat erityyppisiä pieniä molekyylejä suolistossamme hajonneesta ruoasta. Nämä pienet molekyylit voidaan sekä kuljettaa suolen seinämän solujen läpi että kommunikoida niiden kanssa, mikä tarkoittaa, että nämä molekyylit voivat saavuttaa tai käynnistää elimistöön vaikuttavia reaktioita. Suolissamme olevien bakteerien melko hyvin tutkittu jäteaine on lyhytketjuiset rasvahapot (SCFA, Short-Chain Fatty Acids), joiden ensisijainen lähde ovat bakteerit, jotka hajottavat suolessa olevia kuituja. Näitä rasvahappoja voidaan kuljettaa suolen seinämän läpi ja pieninä määrinä veressä ja selkäydinnesteessä. SCFA:t vaikuttavat moniin prosesseihin, kuten suoliston seinämän kykyyn pysyä tiiviinä, vagus-hermon stimulaatioon ja immuunijärjestelmän prosesseihin.
Neuroendokriininen järjestelmä on hormonien ja hermoston välinen vuorovaikutus, jossa HPA-akseli on osa sitä neuroendokriinistä järjestelmää, joka ottaa huomioon kehon stressisignaalit psykologisten ja fyysisten stressitekijöiden jälkeen. Mikrobiomilla ja HPA-akselilla näyttää olevan kaksisuuntainen viestintä, jossa esim. aktivoitu HPA-akseli, ts. lisääntynyt stressi, näyttää pystyvän johtamaan lisääntyneeseen suoliston seinämän läpäisevyyteen ja mikrobien aiheuttamaan tulehdukseen [5, 6].
Mitä suolisto-aivo-akseli tarkoittaa ihmisen elimistössä?
Tiedät nyt, mikä on suolisto-aivo-akseli ja miten suolistofloora voi olla yhteydessä aivoihin, mutta mitä tämä todella tarkoittaa? Kuten olet ehkä huomannut, monet tässä tekstissä esitetyistä tutkimuksista ovat eläinkokeita. Nämä tutkimukset saattavat osoittaa molekyylimekanismeja, taustalla olevaa viestintää ja suhteita hallituissa ympäristöissä, mutta kertovat vähemmän, miten asian laita on ihmisellä. Hiiret, rotat ja ihmiset ovat niin erilaisia, että pelkästään hiiri/rotta -tutkimusten perusteella ei voida tehdä johtopäätöksiä ihmisen suolisto-aivo-akselista. Nämä tutkimukset voivat sen sijaan olla perusta kysymyksille ja hypoteeseille, joita myöhemmin testataan ihmisillä tehdyissä tutkimuksissa.
Joten kuinka paljon mikrobiomi vaikuttaa käytökseemme? Tutkimukset suoliston mikrobien mahdollisesta vaikutuksesta mielenterveyteen tai hermoston rappeutumiseen ihmisillä ovat olleet melko suppeita, toisin sanoen muutamilla henkilöillä tehtyjä mittauksia. Mutta suppeatkin tutkimukset voivat paljastaa mahdollisia yhteyksiä [5]. Tutkimukset ovat osoittaneet, että siirrettäessä ulosteita esim. masennuspotilailta hiirten/rottien suolistoon, nämä eläimet kehittävät käyttäytymistä ja veren kemiallisia markkereita, joita havaitaan myös masennuksessa. Samalla tavalla hiirelle/rotalle voitiin luoda skitsofrenian ja autismin oireita antamalla eläimille näiden potilaiden ulosteita. Tämä viittaa siihen, että suoliston mikrobit voivat aiheuttaa samanlaisia ydinoireita kuin masennus, autismi ja skitsofrenia [7-9]. Tämän mukaisesti useat tutkimukset ovat löytäneet eroja suoliston bakteereissa terveiden henkilöiden ja mm. masennuksesta, autismista, skitsofreniasta, kaksisuuntaisesta mielialahäiriöstä tai Parkinsonin taudista kärsivien henkilöiden välillä [5].
Toistaiseksi olemme vain raaputtaneet pintaa koskien mikrobien roolia suoli-aivo-akselilla. Viime vuosikymmenen aikana suolistomikrobien tutkimus on räjähtänyt, ja kuten aiemmin mainittu, on tehty monia eläinkokeita ja pienimuotoisia ihmiskokeita, jotka osoittavat yllättäviä yhteyksiä. Eri tutkimustulokset eivät kuitenkaan ole aina yhdenmukaisia, ja monet näkökohdat ovat epäselviä, kuten erot eläinlajien välillä, kovariaatio vs. kausaliteetti, sukupuolierot, vaikutus ruokavalioon, suoliston kolonisoivien mikrobien geneettinen koostumus, eikä kaikkia mekanismeja tunneta lainkaan. Mutta mitä enemmän tutkimuksia tehdään, sitä enemmän pystytään selvittämään epäselvyyksiä ja ymmärtämään monimutkaista yhteistyötämme mikrobien kanssa, jotka hallitsevat suoliston ja aivojen välistä viestintää, mikä voi puolestaan tarjota meille uusia menetelmiä sairauksien diagnosointiin ja hoitoon.
Kirjailija:
Catharina Lavebratt ja Miranda Stiernborg
Viitteet
- Cryan, J.F., et al., The gut microbiome in neurological disorders. Lancet Neurol, 2019.
2. Sherwin, E., et al., Microbiota and the social brain. Science, 2019. 366(6465): p. eaar2016.
3. Codagnone, M.G., et al., Programming Bugs: Microbiota and the Developmental Origins of Brain Health and Disease. Biol Psychiatry, 2019. 85(2): p. 150-163.
4. Bonaz, B., T. Bazin, and S. Pellissier, The Vagus Nerve at the Interface of the Microbiota-Gut-Brain Axis. Frontiers in Neuroscience, 2018. 12(49).
5. Cryan, J.F., et al., The Microbiota-Gut-Brain Axis. Physiol Rev, 2019. 99(4): p. 1877-2013.
6. Farzi, A., E.E. Frohlich, and P. Holzer, Gut Microbiota and the Neuroendocrine System. Neurotherapeutics, 2018. 15(1): p. 5-22.
7. Kelly, J.R., et al., Transferring the blues: Depression-associated gut microbiota induces neurobehavioural changes in the rat. J Psychiatr Res, 2016. 82: p. 109-18.
8. Zheng, P., et al., The gut microbiome from patients with schizophrenia modulates the glutamate-glutamine-GABA cycle and schizophrenia-relevant behaviors in mice. Sci Adv, 2019. 5(2): p. eaau8317.
9. Sharon, G., et al., Human Gut Microbiota from Autism Spectrum Disorder Promote Behavioral Symptoms in Mice. Cell, 2019. 177(6): p. 1600-1618.e17.