האם שאלתם את עצמכם מהו המגן הראשוני שמגן על גופינו? במצב פיזיולוגי תקין הרקמות החיצוניות בגופינו, העור והריריות, מהוות מחסום המגן על גופינו מחדירה של גופים זרים לא רצויים אליו. אך האם זהו המחסום והמגן הראשוני? כפי שכבר הזכרנו, פני השטח של איברים אילו מהווה בית גידול למגוון עצום של מיקרואורגניזמים - מיקרוביוטה, שחלקם הינם חיידקים פרוביוטים. לאותם חיידקים פרוביוטים המשפיעים באופן חיובי על בריאותינו, תפקיד מרכזי בהגנה על גופינו ישירות ממיקרואורגניזמים מחוללי מחלה-פטוגנים. כיצד הם עושים זאת? זוהי שאלת המחקר הראשונה שנשאלה ותשובות לה רבות.

על פי המאמר הסוקר את המכניזם של פעילות הפרוביוטיקה, אשר פורסם בג'ורנל הבינלאומי למיקרוביולוגיה רפואית (2010), ההשפעה הישירה של פרוביוטיקה על מיקרואורגניזמים אחרים מחולקת לחמישה נושאים: חומרים אנטי-מיקרוביאלים המיוצרים על ידי החיידקים הפרוביוטים, תחרות על משאבים מוגבלים, מניעת היצמדות של פתוגניים לרקמה, השפעות אנטי-פולשניות והשפעות אנטי-טוקסינים (רעלים).

יצור חומרים אנטי-מיקרוביאלים על ידי חיידקים פרוביוטים

בקטריוצינים הינם רעלים חלבוניים המיוצרים על ידי חיידקים במטרה לעכב את צמיחתם של זני בקטריות דומים או קרובים. חומרים אילו נחשבים לרוב כאנטיביוטיקה בעלת ספקטרום צר, אך יש החולקים על כך. מחקרים שנעשו במבחנה הראו עיכוב בשכפול של פטוגנים, שנגרם על ידי חומרים בעלי משקל מולקולרי נמוך (מולקולות קטנות מאוד). דוגמא למולקולה כזו היא חומצה לקטית המיוצרת על ידי חיידקים לקטים, לקטובצילים, העמידים בפניה לעומת בקטריות אחרות שהשפעתה עליהן דומה להשפעת מי חמצן (מחורר את דופן התא החיידקי וגורם להתפוצצותו). לקטובצילים מייצרים גם בקטריוצינים בעלי משקל מולקולרי נמוך (LMBW) וגם בקטריוצינים בעלי משקל מולקולרי גבוה (Class III).

 ה- LMBW (הבקטריוצינים) הינם פפטידים אנטי-מיקרוביאלים המחולקים לשלוש קטגוריות:

(ClassI) אנטיביוטיקה, המיוצרת על ידי מספר גדול של חיידקים גראם-חיוביים במטרה לתקוף גראם-חיוביים אחרים. האנטיביוטיקה נקלטת על ידי מרכיבים שומניים בדופן התא החיידקי, משבשת ייצור מחודש של דופן התא או משבשת פונקציות פיזיולוגיות הנחוצות לשרידות ובכך גורמת להתפוצצות התא החיידקי.

(ClassII) פפטידים קטנים יציבים בחום בזכות קשרים דיסולפידים שאינם קשורים לאנטיביוטיקה, מעכבים התפתחות של חיידקים שונים גם כן על ידי פגיעה במעטפת התא החיידקי. (ClassIV) פפטידים אנטימיקרוביאלים מחזוריים המכילים מולקולות שומן או פחמימות הפוגעים גם כן בשלמות מעטפת התא החיידקי.

ניסוי בעכברים הראה כי הספקטרום הרחב של בקטריוצין מ-ClassII, Abp118, שיוצר על ידי חיידקים פרוביוטים מזן Lactobacillus salivarius, שניתן לעכברים אורלית, הגן עליהם מפני זיהום של חיידקי הליסטריה הפולשניים שניתנו לעכברים במזון. זאת לעומת קבוצת הביקורת שבה לחיידקים הפרוביוטים הייתה מוטציה שלילית שמנעה ייצור של Abp118 ולכן לא הצליחו להגן על בעלי החיים .

פרט לייצור LMBW חיידקים פרוביוטים מסוגלים לייצר גם סוגים מסוימים של אנטיביוטיקה. מרבית החיידקים הפרוביוטים מסנתזים אנטיביוטיקה צרת טווח בשם מיקרוצין (microcines), שהיא למעשה פפטידים אנטיבקטריאלים. לעומת זאת ישנם גם זנים פרוביוטים המסנתזים אנטיביוטיקות רחבות טווח. לדוגמא, חיידקים פרוביוטים מזן Lactobacillus reuteri, מסוגלים לייצר אנטיביוטיקה בשם ראוטרין (3-hydroxypropionaldehyde), בעלת טווח פעילות רחב נגד חיידקים גראם-חיוביים וגראם-שליליים, אך גם נגד שמרים, פטריות, פרוטוזאה ווירוסים.

מולקולת בקטריוציניות חלבוניות בעלות משקל מולקולרי גבוה (גבוה מ (kDa 20 -מניבות פעילות אנטימקרוביאלית ספציפית. כאשר מולקולות אילו מיוצרות על ידי חיידקים גראם-חיוביים הן נקראות בקטריוצינים (ClassIII)  עם זאת חלבונים בקטריוצינים מיוצרים גם על ידי חיידקים גראם-שליליים. זני ביפידובקטריה השונים (Bifidobacteria) נמצאו כייצרני חלבונים בקטריוצינים בעלי אפקט אנטי-חיידקי כנגד חיידקי גראם-חיוביים וגראם-שלילים.

חומצות מרה שניוניות - חיידקים פרוביוטים מסוגלים לייצר חומצות מרה שניוניות, שלמעשה הן נגזרות של מלחי מרה. נגזרות חומצות מרה אילו מראות פעילות אנטי בקטריאלית חזקה בהשוואה למלחי המרה המסונתזים על ידי האורגניזם המארח.

תחרות על משאבים מוגבלים

דוגמא חשובה למשאב מוגבל במארח (גופינו) הוא הברזל. ברזל הוא משאב חיוני כמעט לכל הבקטריות למעט חיידקים לקטובצילים, אשר לא צורכים ברזל בסביבת הגידול הטבעית שלהם. תכונה זו עשויה להקנות יתרון מכריע בתחרות עם מיקרואורגניזמים אחרים התלויים בברזל. למרות זאת, חיידקים פרוביוטים מזן לקטובצילוס אצידופילוס מסוגלים לקשור ברזל מחומצן (ferric hydroxide) על פני שטח התא שלהם, ולהפכו לבלתי זמין עבור פתוגניים.

מניעת היצמדות של פתוגניים לרקמה

מאחר וחיידקים פרוביוטים מסוגלים להיצמד היטב לתאי האפיתל, ובכך הם חוסמים ומונעים היצמדות של חיידקים פתוגניים, אנו מניחים כי זהו מנגנון חשוב ביותר שבו חיידקים פרוביוטים משפיעים עלינו, המארח. השפעות המונעות היצמדות עשויות לנבוע מהתחרות שבין החיידקים הפרוביוטים והפתוגן לאותו קולטן או השראת החיידקים הפרוביוטים ליצור מוגבר של מולקולות מוצין (mucin) מתאי האפיתל. ברירית מעיים של חזירים ההיצמדות של פתוגניים מסוג סלמונלה, קלוסארודיון (Clostridium) ואי-קולי פחתה בנוכחות של חיידקים פרוביוטים מהסוג ביפידובקטריום לקטיס (Bb12) או .Lactobacillus rhamnosus LGG עם זאת, היכולת לעכב את ההיצמדות של הפתוגניים המקובעים לרקמה הרירית של האדם, ככל הנראה תלויה בספציפיות של שני זני החיידקים, הפרוביוטים והפתוגנים.

יכולת ההיצמדות הבולטת ביותר של חיידקים פרוביוטים נובעת מחלבונים שעל פני שטח הלקטובצילים, אשר חולקים מאפיינים משותפים כגון, נוכחות של סיגנל פפטידי, מוטיב עיגון בדופן התא של קצה C טרמינלי וכמה איזורים (דומיינים) חוזרים עם פונקציות היצמדות משוערות. מלבד תחרות על אותו הקולטן על ידי החיידקים הפרוביוטים והפתוגנים, ישנם מצבים של אנטי-היצמדות המבוטאים על ידי חיידקים פרוביוטים כתוצאה מפירוק רצפטורים סוכריים הנובעת מהפרשת אינזימים, יצירת ביופילם, יצור של אנלוגים לקולטנים והיצמדות לחומרים פעילי שטח ביולוגים (biosurfactants).

השפעות אנטי-פולשניות

כמו יכולת ההיצמדות גם חדירה לדופן של תאי אפיתל היא תכונה חשובה לפתוגניות מלאה של פתוגנים רבים של הבטן. עובדה זו הובילה לחקור ולחפש היתכנות של השפעות אנטי-פולשני של פרוביוטיקה. לכימות יכולת הפלישה של חיידקים פתוגנים לתאים אקריוטים משתמשים לרוב בשיטת הגנת גנטמיצין (The gentamicin protection assay). בשיטה זו בודקים את היכולות של חיידקים לחדור לתאים אנמליים ובכך להתחמק ממוות על ידי האנטיביוטיקה גנטמיצין, שאינה חודרת לתוך התאים ולכן קוטלת רק את החיידקים שמחוצה להם. ספירת החיידקים שחדרו לתאים מתבצעת לאחר שחרורם באמצעות ליזיס שנעשה לתאי האפיתל וקביעה לפי מספר מושבות שגדלו (CFU). כפי שידוע כיום, כל חומרי האנטי-מיקרוביאלים המיוצרים על ידי חיידקים פרוביוטים גורמים להפחתת כמויות החיידקים שחדרו לתוך התאים, אומנם ההשפעה אינה עיכוב ישיר לפלישה אלה נובעת מכך שחומרים אילו פשוט הורגים את הפתוגנים לפני חדירתם לתאים. עם זאת, התגלה חיידק פרוביוטי מיוחד ממשפחת האי-קולי, מזן נילס (E. coli strain Nissle -EcN) המסוגל באופן ייחודי להפריע לפתוגניים לפלוש לתאי המאחסן. דווח כי EcN מסוגל לעכב במיוחד פלישה של S. typhimurium, Yersinia enterocolitica, Shigella flexneri, Legionella pneumophila, L. monocytogenes לתאי האפיתל של המעי. מידת יכולת העיכוב תלויה במספר חיידקי EcN הנצרכים ונצפתה רק בצריכת חיידקי EcN חיים. ידוע כי אין צורך במגע ישיר בין חיידקי ה- EcN עם החיידקים הפולשניים או עם תאי אפיתל , אך חומרי העיכוב שמופרשים  עדין לא זוהו במלואם.

כמו כן ישנם פקטורים המופרשים מכמה סוגי פרוביוטים לקטובצילים ומ-  Bifidobacterium bifidum מזן Bb12  המפריעים גם הם לפלישת הפתוגן, S. typhimurium, לתאי האפיתל של המארח.

בחלק מזני, Lactobacillus kefir, המרכיב המתווך את ההשפעה האנטי-פולשנית זוהה (S-layer protein), ונמצא כי  הוא גורם לעיכוב גם כאשר הוא מבודד ומוכנס למדיום התרביות ללא הפרוביוטים.

השפעות אנטי-טוקסינים (רעלים)

מבין גורמי הנזק הבקטריאליים השונים, הקבוצה החשובה ביותר הינה הטוקסינים (רעלים) שמופרשים על ידי בקטריות פתוגניות אילו. היעילות של מספר זני פרוביוטיקה להקלה בשלשול, ככל הנראה מבוססת על היכולת שלהם להגן על המארח כנגד הרעלים. הגנה זו יכולה לנבוע מעיכוב של ביטוי הרעלן על ידי הפתוגנים. הרעלן הנפוץ ביותר הינו רעלן שיגה(shiga)  שגורם לשלשול דמי ועד לקריסת כליות קטלנית, כשלקיחת אנטיביוטיקה (מלבד תרופה מקבוצת הקרבפנמים) רק מחמירה את המצב (כיוון שבעקבות מות החיידקים מופרשים יותר רעלנים).

מניסויים במבחנה הוסק כי ריכוז גבוה של חומצה אצטית המיוצרת על ידי זן Bifidobacterium breve Yakult, ככל הנראה אחראית לעיכוב של ביטוי הרעלן שיגה מזני E. coli (STEC) O157:H7 .

ניסוי בעכברים נקיים מחיידקים הראה כי מתן פרוביוטיקה מהזן Clostridium butyricum MIYAIRI הגן עליהם מזיהום של הפתוגן E. coli (EHEC) O157:H7. פרוביוטיקה זו (MIYAIRI) נמצאה כמעכבת גם במבחנה וגם בחיות ביטוי של הרעלן שיגה על ידי יצור של חומצה בוטירית וחומצה לקטית. כמו כן לאחר איזון חומצה בוטירית ל - pH 7 היא מפחיתה את יכולת ההתקיימות של הפתוגן (EHEC).

ניסויים ב- q-PCR אימתו כי זנים רבים של פרוביוטיים לקטובציליים מסוגלים לעכב ביטוי של רעלן שיגה מEHEC- על ידי הפרשה של חומצות אורגניות בריכוזים שהורגים.

במספר מודלים נמצא כי שמרי פרוביוטיקה Saccharomyces boulardii, מהזן  Saccharomyces cerevisiae הראו הגנה יעילה כנגן הרעלן Clostridium difficile toxin A (TcdA). זהו רעלן שפועל על ידי שינוי חלבוני GTPase בתאי המארח ובכך פוגע בתפקוד ובפעילות התאית. זוהי הגנה שנובעת מהתערבות במפל איתותים תוך תאי. בנוסף לכך נמצא כי S. boulardii מסוגל לעורר תגובה חיסונית (IgA) ספציפית כנגד הרעלן A ולהפריש פרוטאזות אשר מסוגלות להרוס רעלן זה.

פרוביוטיקות מסוימות אף מסוגלות להגן בפני רעלנים של ציאנובקטריות ((Cyanobacterial ופיטריות. אפקט ההגנה שנצפה מבוסס בעיקר על אינטרקציות פיזוכימכאליות בין הרעלן לבקטריה הפרוביוטית לעומת האינטרקציות מטבוליות כפי שתואר קודם לכן.

לדוגמא, הרעלן הפיטרתי Mycotoxin) ) , Deoxynivalenol, הינו מזהם גידולי תבואה אשר עלול לגרום לקלקול קיבה. נמצא כי חיידקי לקטובצילים מהזן rhamnosus GG, חיים או מתים, נקשרים לרעלן זה ומגבילים את הזמינות הביולוגית שלו. כמו כן חיידקים מזן זה ומהזן LC-705 L. rhamnosus, מסוגלים להיקשר לרעלנים פטרייתיים אחרים כגון אפלטוקסין aflatoxin)). מודל בחולדות, L. rhamnosus GG, הראה יכולת ויסות של הספיגה במעיים והגדיל את הפרשת הצואה המזוהמת באפלטוקסין ובכך הפחית את רמות הרעילות ומנע פגיע בכבד, כל זה כתוצאה מהיקשרות של הרעלן לחיידק הפרוביוטי . בניסויי מבחנה זיהו כי זן זה מגן על הרס של הממברנה ושל ה-DNA של התאים מפני הרעלן.

דוגמא נוספת היא יכולת ההיקשרות של מספר זנים של החיידקים הפרוביוטים:
L. rhamnosus, Bifidobacterium lactis, B. longum  אשר להם יכולת לאגד רעלנים פפטידים של ציאנובקטריות (כחוליות), בניהם הרעלן המסוכן והנפוץ ביותר, microcystin LR, אשר פוגע בכבד. רעלן זה מצוי רבות במי שתייה המזוהמים בכחוליות, וניתן להסירו מתמיסות מימיות על ידי קישורו לפרוביוטיקה מהזן המתאם.

מאמר זה סיכם כיצד משפיעים ומגנים חיידקים פרוביוטים לסוגיהם על גופינו מפני פתוגנים, על פי חמש הקטגוריות הבאות: הפרשת חומרים אנטי-מיקרוביאלים, תחרות על משאבים מוגבלים, מניעת היצמדות של פתוגניים לרקמה, השפעות אנטי-פולשניות והשפעות אנטי-טוקסינים (רעלים). כמובן שישנם עוד הרבה דוגמאות להשפעות זני הפרוביוטים הנחקרים, שלא צוינו במאמר מטעמי תמציתיות.

Oelschlaeger, Tobias A. "Mechanisms of probiotic actions–a review."International Journal of Medical Microbiology 300.1 (2010): 57-62.‏