Crevna mikrobiota i autizam: Uticaj disbioze na neurološki razvoj i ponašanje

Uvod

Poremećaj iz spektra autizma (eng. Autism Spectrum Disorder, ASD) uključuje različitosti i teškoće na području socijalne komunikacije te na području ponašanja, interesa i aktivnosti¹.

Istraživanja provedena na populaciji osoba s ASD-om otkrila su brojne komorbiditete koji se statistički značajno češće javljaju u populaciji djece s ASD-om nego u djece neurotipičnog razvoja, poput disregulacije imunološkog sustava, sistemskih upala, neuroinflamacije, epilepsije, respiratornih i nutritivnih alergija, intolerancije na hranu itd.^2-5. Uz navedene komorbiditete, važno je istaknuti pojedine gastrointestinalne (eng. gastrointestinal, GI) simptome koji se vrlo često javljaju u djece s ASD-om, kao npr. opstipacija, proljev, abdominalna bol, nadutost i meteorizam. Prevalencija GI poremećaja četiri je puta učestalija u djece s ASD-om u usporedbi s djecom neurotipičnog razvoja⁶. Navedeni se simptomi u djece s ASD-om javljaju s učestalosti od 23 do 70%^7-9, te se navodi  specifični GI fenotip koji karakterizira povećana propusnost crijeva (eng. Leaky gut syndrome) te poremećeni imunološki odgovor u crijevima¹⁰.

Upravo GI disfunkcija implicira moguću ulogu crijevne mikrobiote u patofiziologiji ASD-a te se navedeni komorbiditet u djece s ASD-om sve više istražuje. Novija istraživanja ukazuju da je u djece s ASD-om izmijenjen sastav crijevne mikrobiote, što upućuje na postojanje crijevne disbioze. Prisustvo GI simptoma pokazuje korelaciju s „težinom” kliničke slike ASD-a te je povezano s emocionalnim i bihevioralnim poteškoćama koje se javljaju u djece s ovim poremećajem^11-13. U istraživanju Chaidez i sur. objavljeno je da su abdominalni grčevi, nadutost, proljev i opstipacija bili statistički učestaliji u djece s ASD-om u usporedbi s djecom s drugim neurorazvojnim poremećajima te s djecom neurotipičnog razvoja. Nadalje, specifična ponašanja poput iritabilnosti, socijalne povučenosti, stereotipija i hiperaktivnosti učestalije su zabilježena u djece s navedenim GI simptomima⁷. Upravo su ta istraživanja važna s obzirom na to da upućuju na moguće komorbiditete u djece s ASD-om te na mogućnost terapijske intervencije kako bi se umanjili neki postojeći simptomi koje izaziva poremećena ravnoteža crijevne mikrobiote¹⁴. Simptomi crijevne disbioze su raznoliki i uvelike ovise o tome koje su specifične vrste zastupljene u prekomjernom ili nedostatnom broju.

Etiologija i patofiziologija crijevne disbioze

Prije započinjanja terapijske intervencije, potrebno je razumjeti etiologiju i patofiziologiju crijevne disbioze, odnosno utvrditi zašto i na koji način do nje dolazi. Dokazano je da okolišni čimbenici mogu utjecati na sastav crijevne mikrobiote. Primjerice, pesticidi prisutni u hrani mogu smanjiti vijabilnost i broj pojedinih bakterijskih vrsta.Većina bakterija koje nalazimo u crijevima, poput bakterijskih vrsta Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Bacillus badius, Bifidobacterium adolescentis te bakterija roda Lactobacillus spp. osjetljive su na pesticide², a najosjetljivija od navedenih jest bakterija roda Lactobacillus spp.¹⁵.

Uravnotežena crijevna mikrobiota ključna je za prevenciju kolonizacije potencijalno patogenim bakterijskim vrstama, poput Clostridioides difficile. Pad broja „dobrih” intestinalnih bakterija, osobito rodova Lactobacillus spp. i Bifidobacterium spp., omogućava proliferaciju bakterija otpornijih na pesticide i druge okolišne čimbenike, primjerice rodova Streptococcus spp. i Clostridium spp., što narušava ravnotežu mikrobiote i dovodi do crijevne disbioze².

Crijevna disbioza može se pojaviti i kod zdravih osoba, primjerice uslijed primjene određenih antibiotika, kao i kod imunosuprimiranih bolesnika. Kvasci roda Candida spp. prirodno naseljavaju kožu i sluznice gastrointestinalnog i genitourinarnog trakta zdravih osoba, no ponekad mogu postati patogeni i invazivni¹⁶. Pet najčešćih patogenih vrsta roda Candida spp. su C. albicans, C. glabrata, C. tropicalis, C. parapsilosis i C. krusei. Infekcija s Candidom spp. može se manifestirati kao mukokutana infekcija, zahvaćajući kožu i sluznice bolesnika, primjerice usta, ždrijelo, jednjak i rodnicu, dok se diseminirana infekcija i multiorgansko zatajenje uslijed invazivne kandidijaze javljaju rijeđe¹⁶. Benigna infekcija obično nastaje pri poremećaju ravnoteže crijevne mikrobiote uslijed dugotrajne primjene određenih antibiotika, osobito ako je smanjen broj bakterija roda Lactobacillus spp., koje moduliraju imunološki odgovor i potiču stvaranje specifičnih interleukina koji inhibiraju proliferaciju Candida spp.¹⁷.

Ozbiljne i perzistentne mukokutane infekcije češće se javljaju kod imunosuprimiranih osoba, dok kod neutropeničnih bolesnika u jedinicama intenzivne njege može doći do diseminacije infekcije u krvotok, a potom i u druge organe i tkiva.

Utjecaj crijevne disbioze na neurološki razvoj i ponašanje

Nadalje, nameće se pitanje na koji način crijevna disbioza utječe na organizam te na neurorazvoj djeteta. Brojna istraživanja opisuju međusobnu povezanost odnosno međudjelovanje crijeva i mozga (eng. gut-brain axis) ^18-20. Rezultati istraživanja provedenih na pokusnim životinjama upućuju na to da crijevna mikrobiota ima izravan utjecaj na razvoj emocionalnog ponašanja te na proizvodnju neurotransmitera, dodatno podupirući dokaze o povezanosti crijeva i mozga^21-24.

Poznato je da pojedine vrste mikroorganizama različitim mehanizmima utječu na neurorazvoj djeteta, a time i na kliničku sliku ASD-a. Primjerice, porast broja kvasaca roda Candida spp., osobito vrste Candida albicans, već je više puta potvrđen u djece s ASD-om u usporedbi sa populacijom zdrave djece^{25, 26}. U istraživanju Strati i sur. učestalost povišenog broja Candide spp. bila je čak dvostruko veća u djece s ASD-om nego u djece neurotipičnog razvoja¹⁷. Nadalje, meta-analiza Ozgur i sur. ne samo da je potvrdila statističi značajnu razliku u brojnosti vrste Candida albicans u mikrobioti djece s ASD-om u odnosu na djecu urednog neurorazvoja, već je također istaknula mogućnost da upravo Candida albicans predstavlja etiološki čimbenik u razvoju ASD simptomatologije²⁷. Navedeno se objašnjava činjenicom da Candida albicans može dovesti do smanjenja apsorpcije minerala i ugljikohidrata te, posljedično, do povećane koncentracije toksičnih metabolita, poput amonijaka, u organizmu koji imaju neurotoksična svojstva¹⁷.

Iza Candide albicans, jedna od najčešće proučavanih skupina mikroorganizama u kontekstu ASD-a su bakterije roda Clostridium spp. Povećana zastupljenost navedenih bakterija korelira s upalim procesima i pojavom abdominale boli u djece s ASD-om²⁹. U istraživanju Strati i sur. Bakterije roda Clostridium spp. povezane su sa simptomima opstipacije u djece¹⁷. Osim lokalnog djelovanja u crijevima, povećana količina Clostridium spp. narušava imunološku ravnotežu izravnim utjecajem na regulatorne T-limfocite (engl. T regs) i pomoćničke CD4⁺ T-limfocite³⁰. Ove bakterije proizvode enterotoksine, a njihovi metaboliti mogu uzrokovati mitohondrijsku disfunkciju i pogoršanje simptoma ASD-a³¹. Clostridium spp. sudjeluju i u metabolizmu p-krezola, koji smanjuje ekscitabilnost dopaminergičkih neurona, što može doprinijeti teškoćama u socijalizaciji te pojavi repetitivnih obrazaca ponašanja u djece s ASD-om³³. Nadalje, poznato je da Clostridium spp. može dovesti do poremećaja kinureninskog puta i povećanog stvaranja kinolinske kiseline, koja djeluje ekscitotoksično te potiče neuroinflamaciju, aktivaciju mikroglije i makrofaga u mozgu, kao i posljedično odumiranje neurona⁶.

Osim Candide albicans i Clostridium spp., ulogu u poremećajima metabolizma i simptomatologiji djece s ASD-om imaju i druge bakterijske vrste, među kojima se posebno ističe Escherichia coli. Povećana zastupljenost bakterije E. coli može dovesti do nakupljanja različitih metabolita u organizmu, među kojima su najznačajniji amonijak i histamin. Histamin je biogeni amin koji može uzrokovati glavobolje, migrene, vrtoglavicu, hipertenziju, tahikardiju, bolove u zglobovima, umor, nesanicu i astmatične napadaje, kao i brojne gastrointestinalne simptome poput proljeva, grčeva, mučnine i nadutosti¹⁴.

Osim povećane zastupljenosti pojedinih potencijalno patogenih bakterijskih rodova, u djece s ASD-om često se bilježi i smanjena brojnost korisnih bakterijskih vrsta, što dodatno narušava homeostazu crijevne mikrobiote. Uz smanjenje broja određenih bakterijskih vrsta, u djece s ASD-om može se javiti i manjak drugih važnih mikroorganizama. Meta-analiza Xu i sur. (2019.), provedena na uzorku od 254 osobe s ASD-om, pokazala je da djeca s ASD-om imaju niži udio bakterijskih rodova poput Akkermansia muciniphila, Bacteroides spp., Bifidobacterium spp., Parabacteroides spp., Enterococcus spp. i Lactobacillus spp. u usporedbi sa zdravom djecom¹⁴.

U kontekstu simptomatologije ASD-a osobitu važnost imaju bakterije roda Bifidobacterium spp., koje proizvode mliječnu kiselinu, inhibiraju rast patogenih bakterija poput E. coli i Faecalibacterium spp., smanjuju upalne procese u crijevima te potiču funkciju imunološkog sustava³⁴,³⁵. Smanjena zastupljenost Bifidobacterium spp. dovodi do smanjene proizvodnje kratkolančanih masnih kiselina (engl. short-chain fatty acids, SCFA), za koje je utvrđena povezanost s razvojem ASD-a. Niske koncentracije SCFA povezuju se s narušenom saharolitičkom fermentacijom i povećanom propusnošću crijeva, što može pogoršati simptome ASD-a³⁶. Promjene u količini Bifidobacterium spp. također mogu uzrokovati poremećaje metabolizma triptofana, što dovodi do gastrointestinalnih disfunkcija te smanjene razine serotonina i melatonina – hormona ključnih za regulaciju raspoloženja i cirkadijanog ritma³⁷.

Nedostatak bakterijskog roda Enterococcus spp. može rezultirati poremećajem imunološke funkcije crijeva, smanjenom otpornošću na kolonizaciju patogenim bakterijama te smanjenom proizvodnjom SCFA i serotonina. Bakterijska vrsta Akkermansia muciniphila, odgovorna za razgradnju mucina, ima ključnu ulogu u održavanju integriteta crijevne barijere; njezina smanjena zastupljenost povezuje se s tanjim slojem mukusa i razvojem sindroma propusnih crijeva³⁸.

Rod Bacteroides spp. sudjeluje u razgradnji polisaharida, pa se njegov smanjeni udio povezuje s poremećenom razgradnjom ugljikohidrata²⁸. Uloga vrste Bacteroides vulgatus u regulaciji razina glutamata opisana je u istraživanju Wang i sur. (2019.), koji su pojasnili patofiziologiju povišenog glutamata u djece s ASD-om uslijed smanjene zastupljenosti mikrobiote uključene u njegov metabolizam²¹.

Osim modulacije imunološkog sustava i inhibicije proliferacije Candida spp., bakterije roda Lactobacillus spp. važne su i zbog sposobnosti stvaranja gama-aminomaslačne kiseline (engl. gamma-aminobutyric acid, GABA), inhibitornog neurotransmitera čija je razina u djece s ASD-om često snižena.

Terapijske intervencije

U određenim slučajevima, „remodeliranje” crijevne mikrobiote ciljanom uporabom antibiotika, biljnih preparata i fekalnom transplantacijom može dovesti do ublažavanja simptoma ASD-a^39-41. Primjena probiotika može utjecati na sastav crijevne mikrobiote, poboljšati funkciju intestinalne barijere te modulirati imunološki odgovor crijevne mukoze⁴⁰. Važno je naglasiti da ne postoji univerzalni terapijski pristup za liječenje crijevne disbioze, te je prije bilo kakve terapije poželjno imati uvid u sastav crijevne mikrobiote kako bi terapija bila ciljana i učinkovitija. Stoga je prije započinjanja bilo kakve intervencije preporučljivo provesti analizu sastava crijevne mikrobiote kako bi terapija bila ciljana, individualizirana i time učinkovitija.

Zaključak

Sveukupno, dostupni znanstveni dokazi upućuju na to da crijevna mikrobiota ima važnu, ali kompleksnu ulogu u patofiziologiji ASD-a. Neravnoteža u mikrobioti, koja uključuje povećanje broja potencijalno patogenih mikroorganizama i smanjenje korisnih bakterijskih vrsta, može pridonijeti razvoju gastrointestinalnih smetnji te utjecati na neuroimunološke i bihevioralne procese povezane s ASD-om.

Premda se terapijske intervencije usmjerene na modulaciju mikrobiote pokazuju obećavajućima, trenutačni podaci još nisu dostatni za donošenje jednoznačnih kliničkih preporuka. Potrebna su daljnja istraživanja kako bi se detaljnije razjasnili mehanizmi putem kojih crijevna mikrobiota utječe na neurološki razvoj, te kako bi se razvile učinkovitije, znanstveno utemeljene terapijske strategije za za optimizaciju liječenja simptoma ASD-a.

Autor:  Prim. dr. sc. Gordana Tomac, dr.med.

Literatura

1. Stošić J, Begić M, Soldan M. Djevojčice i žene s poremećajem iz spektra autizma. 2020; 13:95-106. doi:10.21465/2020-KP-1-2-0007
2. Rabetafika H, Razafindralambo H. Gut Microbiota Profile – Autism Spectrum Disorder Relationship: Relative Lower Microbiota Diversity and Imbalance in Probiotics. Highlights Med Med Sci Vol 2. 2021:99-105. doi:10.9734/bpi/hmms/v2/8848d
3. Fakhoury M. Autistic spectrum disorders: A review of clinical features, theories and diagnosis. Int J Dev Neurosci. 2015;43:70-77. doi:10.1016/j.ijdevneu.2015.04.003
4. Jyonouchi H, Sun S, Itokazu N. Innate immunity associated with inflammatory responses and cytokine production against common dietary proteins in patients with autism spectrum disorder. Neuropsychobiology. 2002; 46(2):76-84. doi:10.1159/000065416
5. Rossignol DA, Frye RE. A review of research trends in physiological abnormalities in autism spectrum disorders: Immune dysregulation, inflammation, oxidative stress, mitochondrial dysfunction and environmental toxicant exposures. Mol Psychiatry. 2012; 17(4):389-401. doi:10.1038/mp.2011.165
6. Chaidez V, Hansen RL, Hertz-Picciotto I. Gastrointestinal problems in children with autism, developmental delays, and typical development. J Autism Dev Disord. 2014; 44(5):1157-1167. doi:10.1007/s10803-013-1995-x
7. Fudenberg HH, Smith EM, Sytkowski GP. Genetic control of the immune response in autism spectrum disorder. Clin Immunol. 2015; 159(2):100-106.
8. Strati F, Cavalieri D, Albanese D, et al. Analysis of the gut microbiota in patients with autism spectrum disorders. PLoS ONE. 2017; 12(7):e0182079. doi:10.1371/journal.pone.0182079
9. Strati F, et al. Characteristics of the gut microbiota in patients with autism spectrum disorders. Gastroenterology. 2016; 151(2):221-232.
10. Wang L, et al. Role of gut microbiota in the pathogenesis of autism spectrum disorder. Research Reviews in Clinical Psychology. 2023: 12-25.
11. Fulceri F, Morelli M, Santocchi E, et al. Gastrointestinal symptoms and behavioral problems in preschoolers with Autism Spectrum Disorder. Dig Liver Dis. 2016; 48(3):248-254. doi:10.1016/j.dld.2015.11.026
12. Vinolo MAR, Rodrigues HG, Nachbar RT, Curi R. Regulation of inflammation by short chain fatty acids. Nutrients. 2011; 3(10):858-876. doi:10.3390/nu3100858
13. Mazefsky CA, Schreiber DR, Olino TM, Minshew NJ. The association between emotional and behavioral problems and gastrointestinal symptoms among children with high-functioning autism. Autism. 2014; 18(5):493-501. doi:10.1177/1362361313485164
14. Xu M, Xu X, Li J, Li F. Association between gut microbiota and autism spectrum disorder: A systematic review and meta-analysis. Front Psychiatry. 2019; 10(JULY):1-11. doi:10.3389/fpsyt.2019.00473
15. Kulkarni S, Haq SF, Samant S, Sukumaran S. Adaptation of Lactobacillus acidophilus to thermal stress yields a thermotolerant variant which also exhibits improved survival at pH 2. Probiotics Antimicrob Proteins. 2018; 10(4):717-727. doi:10.1007/s12602-017-9321-7
16. Pappas PG, Kauffman CA, Andes DR, et al. Clinical Practice Guideline for the Management of Candidiasis: 2016 Update by the Infectious Diseases Society of America. Clin Infect Dis. 2015; 62(4):e1-e50. doi:10.1093/cid/civ933
17. Strati F, Cavalieri D, Albanese D, et al. New evidences on the altered gut microbiota in autism spectrum disorders. Microbiome. 2017; 5(1):1-11. doi:10.1186/s40168-017-0242-1
18. Stilling RM, Dinan TG, Cryan JF. Microbial genes, brain & behaviour – epigenetic regulation of the gut-brain axis. Genes, Brain Behav. 2014; 13(1):69-86. doi:10.1111/gbb.12109
19. Cussotto S, Sandhu K V., Dinan TG, Cryan JF. The Neuroendocrinology of the Microbiota-Gut-Brain Axis: A Behavioural Perspective. Front Neuroendocrinol. 2018; 51(May 2018):80-101. doi:10.1016/j.yfrne.2018.04.002
20. Grenham S, Clarke G, Cryan JF, Dinan TG. Brain-gut-microbe communication in health and disease. Front Physiol. 2011; 2 DEC(December):1-15. doi:10.3389/fphys.2011.00094
21. Wang M, Wan J, Rong H, He F WH. Alterations in Gut Glutamate Metabolism Associated with Changes in Gut Microbiota Composition in Children with Autism Spectrum Disorder. 2019; 4(1):1-12.
22. Bravo JA, Forsythe P, Chew M V., et al. Ingestion of Lactobacillus strain regulates emotional behavior and central GABA receptor expression in a mouse via the vagus nerve. Proc Natl Acad Sci U S A. 2011; 108(38):16050-16055. doi:10.1073/pnas.1102999108
23. Desbonnet L, Clarke G, Shanahan F, Dinan TG, Cryan JF. Microbiota is essential for social development in the mouse. Mol Psychiatry. 2014; 19(2):146-148. doi:10.1038/mp.2013.65
24. Lim JS, Lim MY, Choi Y, Ko G. Modeling environmental risk factors of autism in mice induces IBD-related gut microbial dysbiosis and hyperserotonemia. Mol Brain. 2017; 10(1):1-12. doi:10.1186/s13041-017-0292-0
25. Koceski A, Smith CJ, Syed YA, Trajkovski V. Understanding the Relationship between Distress Behaviour and Health Status of People with Autism Spectrum Disorder. Healthc. 2023; 11(11). doi:10.3390/healthcare11111565
26. Iovene MR, Bombace F, Maresca R, et al. Intestinal Dysbiosis and Yeast Isolation in Stool of Subjects with Autism Spectrum Disorders. Mycopathologia. 2017; 182(3-4):349-363. doi:10.1007/s11046-016-0068-6
27. Ozgur EG, Balci S. Might the fungus candida albicans a risk factor for autism? A meta-analysis study. Afr Health Sci. 2023; 23(4):230-235. doi:10.4314/ahs.v23i4.25
28. Alharthi A, Alhazmi S, Alburae N. The Human Gut Microbiome as a Potential Factor in Autism Spectrum Disorder. Int J Mol Sci. 2022 Jan 25; 23(3):1363. doi: 3390/ijms23031363
29. Luna RA, Oezguen N, Balderas M, et al. Distinct Microbiome-Neuroimmune Signatures Correlate. Cell Mol Gastroenterol Hepatol. 3(2):218-230.doi:10.1016/j.jcmgh.2016.11.008
30. Azhari A, Azizan F, Esposito G. A systematic review of gut-immune-brain mechanisms in Autism Spectrum Disorder. Dev Psychobiol. 2019; 61(5):752-771. doi:10.1002/dev.21803
31. Stiles BG, Pradhan K, Fleming JM, Samy RP eruma., Barth H, Popoff MR. Clostridium and bacillus binary enterotoxins: bad for the bowels, and eukaryotic being. Toxins (Basel). 2014; 6(9):2626-2656. doi:10.3390/toxins6092626
32. Frye RE, Rose S, Slattery J, MacFabe DF. Gastrointestinal dysfunction in autism spectrum disorder: the role of the mitochondria and the enteric microbiome. Microb Ecol Heal Dis. 2015; 26(0):1-17. doi:10.3402/mehd.v26.27458
33. Bermudez-martin P, Becker JAJ, Caramello N, et al. The microbial metabolite p-Cresol induces autistic-like behaviors in mice by remodeling the gut microbiota. Microbiome. 2021:1-23. doi.org/10.1186/s40168-021-01103-z
34. Mudd AT, Berding K, Wang M, Donovan SM, Dilger RN. Serum cortisol mediates the relationship between fecal Ruminococcus and brain N-acetylaspartate in the young pig. Gut Microbes. 2017; 8(6):589-600. doi:10.1080/19490976.2017.1353849
35. Hashemi Z, Fouhse J, Im HS, Chan CB, Willing BP. Dietary pea fiber supplementation improves glycemia and induces changes in the composition of gut microbiota, serum short chain fatty acid profile and expression of mucins in glucose intolerant rats. Nutrients. 2017; 9(11):1-14. doi:10.3390/nu9111236
36. Adams JB, Johansen LJ, Powell LD, Quig D, Rubin RA. Gastrointestinal flora and gastrointestinal status in children with autism – comparisons to typical children and correlation with autism severity. BMC Gastroenterol. 2011; 11. doi:10.1186/1471-230X-11-22
37. Tomova A, Husarova V, Lakatosova S, et al. Gastrointestinal microbiota in children with autism in Slovakia. Physiol Behav. 2015; 138(2015):179-187. doi:10.1016/j.physbeh.2014.10.033
38. Wang L, Christophersen CT, Sorich MJ, Gerber JP, Angley MT, Conlon MA. Low relative abundances of the mucolytic bacterium Akkermansia muciniphila and Bifidobacterium spp. in feces of children with autism. Appl Environ Microbiol. 2011; 77(18):6718-6721. doi:10.1128/AEM.05212-11
39. Kang DW, Adams JB, Gregory AC, et al. Microbiota Transfer Therapy alters gut ecosystem and improves gastrointestinal and autism symptoms: An open-label study. Microbiome. 2017; 5(1):1-16. doi:10.1186/s40168-016-0225-7
40. Critchfield JW, Van Hemert S, Ash M, Mulder L, Ashwood P. The potential role of probiotics in the management of childhood autism spectrum disorders. Gastroenterol Res Pract. 2011; 2011. doi:10.1155/2011/161358
41. Navarro F, Pearson DA, Fatheree N, Mansour R, Hashmi SS, Rhoads JM. Are ‘leaky gut’ and behavior associated with gluten and dairy containing diet in children with autism spectrum disorders? Nutr Neurosci. 2015; 18(4):177-185. doi:10.1179/1476830514Y.0000000110