Voor onderzoek naar de interactie tussen de mens en zijn microbioom, is de mens uiteraard het voor de hand liggende onderzoeksobject. We willen namelijk weten wat de invloed van het microbioom is op óns welzijn. Maar de mens als onderzoeksobject kent veel nadelen. De mens is een zeer complex biologisch systeem dat moeilijk te reguleren is en genetisch zijn alle mensen verschillend. Ook kun je niet even de darm eruit halen en in stukjes snijden voor nadere analyse.
Voor onderzoek aan het humane microbioom nemen wetenschappers daarom hun toevlucht tot diermodellen, zoals de muis, de zebravis, de fruitvlieg en de nematode. Wat betreft vissen en wormen staat het microbioomonderzoek nog in de kinderschoenen, aan vliegen en muizen is al veel onderzoek gedaan. Daarbij wordt vooral gekeken naar het microbioom in de darm, de plek met de intiemste interactie tussen mens en zijn miljarden bacteriën. Dat is bij dieren net zo. De vraag is: wanneer is het zinnig om een diermodel te gebruiken en wanneer niet?
Simpele modellen
De rondworm Caenorhabditis elegans is het meest simpele model: het heeft een darmpje en eet bacteriën. Een groot voordeel is dat de nematode een klein genoom heeft waardoor de invloed van bijna elk gen te onderzoeken is. Bovendien zijn de meeste nematoden hermafrodiet en vermenigvuldigen zij zich voornamelijk ongeslachtelijk, zodat het nageslacht genetisch 100% identiek is. Het nadeel is echter dat een worm genetisch gezien ver van ons afstaat en dat hij in zijn mond een soort maalsysteem heeft waardoor de meeste bacteriën in stukjes de darm inkomen.
De bacteriën die dit overleven vormen zijn darmmicrobioom. Er is lange tijd niet goed naar de rondworm gekeken omdat C. elegans in het lab alleen met E. coli-bacteriën werd gevoed. Tegenwoordig krijgen ze meer natuurlijk voedsel, namelijk een variatie aan bacteriën (soms in de vorm van poep), waardoor ze een meer natuurlijk darmmicrobioom kunnen opbouwen. Deze bevat voornamelijk zuurstoftolerante bacteriën.
Bij de fruitvlieg, met zijn gering volume, diffundeert zuurstof tot in het binnenste en die heeft daardoor net als de nematode een zuurstoftolerant darmmicrobioom met een beperkt aantal bacteriesoorten. Het bijzondere aan de fruitvlieg is dat hij in zijn leven verschillende stadia doorloopt. Hij begint als larf en verpopt zich tot vlieg waardoor ook het microbioom tijdens zijn leven verandert.
Studies met de fruitvlieg laten zien dat het microbioom een positief effect heeft op de ontwikkelingssnelheid van larven, op de levensduur van de vlieg en op het afweersysteem. Vliegen met microbioom zijn beter bestand tegen pathogenen dan vliegen zonder microbioom, een effect dat overigens alle diermodellen laten zien. Met name in de eerste week van het vliegstadium voegt het hebben van een microbioom veel toe aan de levensduur vergeleken met vliegen die geen microbioom bezitten.
Het menselijk microbioom verandert naarmate we ouder worden. Na de eerste woelige jaren van het leven, waarin het darmmicrobioom enorm verandert door verandering van voedsel en rondgierende hormonen, is het microbioom eigenlijk heel lang vrij stabiel tot circa 50- 60 jaar. Daarna verandert het microbioom sterk en krijgen we een bejaardenmicrobioom. Ook vliegen krijgen een soort bejaardenmicrobioom. Bij bejaarde vliegen pakt het zelfs positief uit om ze met antibiotica te behandelen; ze leven langer, terwijl een behandeling bij jonge vliegen juist negatief uitwerkt. Waar dat door komt, is nog niet bekend.
Fruitvliegen zijn ook uitstekend geschikt om effecten van het microbioom op gedrag te testen, zo is aangetoond dat naast de partnerkeuze ook de keuze van een geschikte omgeving om eitjes te leggen (deels) bepaald wordt door het darmmicrobioom. Larven die zich op een goede voedingsbodem bevinden hebben een ander microbioom en verspreiden dus een andere geur dan larven die zich op een slechte voedingsbodem zitten. Ook een voedingsbodem waar zich geen larven ontwikkelen verspreidt een andere geur. Eitjesleggende vrouwtjes nemen deze verschillen waar en hebben een voorkeur voor de voedingsbodems waar zich al larven bevinden die zich goed ontwikkelen.
Complexe modellen
De zebravis(larf) is alweer een stuk complexer en een geliefd studiemodel omdat het weliswaar een gewerveld dier is, maar nog steeds relatief goedkoop. Daarnaast zijn de larven in grote aantallen beschikbaar. Een zebravisvrouwtje kan, onder de juiste omstandigheden, elke twee weken driehonderd eitjes leggen, die daarna door het mannetje bevrucht worden. De bevruchte eicel is dus direct zichtbaar. Bovendien zijn de larven nog langdurig transparant, zodat de ontwikkeling vanaf de bevruchte eicel tot een kleine zebravis goed te volgen is.
Bij muizen is dat niet mogelijk. Het darmmicrobioom van de zebravis lijkt ook al meer op dat van ons zoogdieren, hoewel het nog wel lagere aantallen van de strikt anaerobe Bacteroides-bacteriën bevat die veel in onze zuurstofloze darm voorkomen. Maar het komt al aardig in de buurt. Het effect van bijvoorbeeld een hoogvetdieet op de samenstelling van het microbioom is daardoor al goed te bestuderen met zebravissen.
Wat betreft de samenstelling van het darmmicrobioom en de opbouw van de darm, lijken muizen het meest op de mens. Ook is door veelvuldig onderzoek veel over muizen bekend en kunnen ze genetisch relatief makkelijk worden aangepast. Er zijn muizenlijnen die 100% genetisch identiek zijn. Dat het dieet een zeer belangrijke rol speelt in de samenstelling van het microbioom, is ook terug te zien bij (obese) muizen.
Verder zijn veel darmaandoeningen, zoals chronische darmontsteking (Colitis ulcerosa) of prikkelbaar darmsyndroom, na te bootsen in de muis en interessant voor microbioomstudies. Een muis is wel een dier met een knuffelgehalte waarvoor toestemming nodig is van dier-ethische commissies voordat het als proefdier kan dienen. De laatste jaren zijn de regels voor dierproeven weer aangescherpt, waardoor het verkrijgen van toestemming weer een stuk lastiger is geworden.
Of je nu een worm, vlieg, vis of muis bestudeert, bij elk dier is er een grote invloed van het microbioom op het functioneren van de gastheer waar te nemen. Dit is terug te zien in groeisnelheid en langere levensduur, en een beter ontwikkeld immuunsysteem. De precieze samenstelling van elk microbioom verschilt enorm, dat komt door een ander dieet maar ook door de hoeveelheid aanwezige zuurstof. Kleine dieren als de worm en de fruitvlieg hebben daardoor meer zuurstofrijke darmen die voornamelijk zuurstoftolerante bacteriën bevatten.
Ook de zebravis heeft hier nog een beetje last van. Terwijl in onze dunne darmen hoofdzakelijk bacteriën leven die alleen bij een laag zuurstofgehalte groeien of die totaal niet tegen zuurstof kunnen (daarom wisten we vroeger ook niet goed welke bacteriën allemaal aanwezig waren in onze darm, want zodra poep in aanraking kwam met de buitenlucht gingen ze dood). Dat is wel een groot verschil tussen de mens en deze diermodellen.
Microbioomtransplantaties
Het idee om het menselijk darmmicrobioom bij bacterievrije muizen, dus zonder microbioom, in te brengen en zo meer inzicht op de invloed ervan te krijgen, is nog niet geprobeerd. Met name omdat er geen standaard mensenmicrobioom is; het verschilt van persoon tot persoon. Bij bacterievrije zebravissen is dit idee wel getest met het microbioom van de muis. Dan blijkt al snel dat het ingebrachte muizenmicrobioom een viskarakter krijgt. De muisachtige bacteroides-bacteriën bijvoorbeeld, eerst nog aanwezig voor 40%, blijven als soort wel aanwezig, maar de aantallen nemen behoorlijk snel af tot 5%, het niveau voor zebravissen.
Vaak heeft het genoom van de gastheer ook invloed op de samenstelling van zijn microbioom. Om uit te zoeken welke gastheerfactoren een rol spelen, zijn de simpele modellen zoals een worm of vlieg interessant omdat ze een beperkt aantal genen hebben, en grote aantallen proefdieren beschikbaar zijn. Dat geldt ook voor de invloed van het microbioom op de levensduur. De zebravis is voor het effect van infectieziekten interessant vanwege een goed ontwikkeld immuunsysteem.
Uiteindelijk hangt het van de onderzoeksvraag af welk model de eerste voorkeur verdient. En als er dan een interessant resultaat of gen is gevonden in bijvoorbeeld een zebravis, dan zijn er nog altijd extra herhaalproeven nodig met muizen, apen en mensen om de resultaten te kunnen vertalen naar toepassingen bij de mens.