In de tweede helft van de vorige eeuw werd duidelijk dat micro-organismen niet alleen ziekten verwekken, maar ook van nature op en in de mens voorkomen en daar zelfs nuttige functies vervullen. De academische vraag werd gesteld of mens en dier eigenlijk wel zonder dit kleine grut konden leven. Pasteur persoonlijk deed mee aan de discussie die daarover werd gevoerd. Nee, poneerde de patron in een publikatie in 1885, dat kan niet, voor een normale stofwisseling zijn micro-organismen noodzakelijk. Pasteur was zo zeker van zijn zaak dat hij heel genereus aan zijn tegenstanders een techniek beschreef waarmee je aan een kiemvrije kip zou kunnen komen: neem een ei, laat dat uitkomen in een steriele omgeving en geef het kuiken steriel voer. Isolatie van de omgeving is essentieel, want je kip is zo weer besmet. Een kip was in 1885 handiger dan een levendbarend beest omdat je een ei makkelijker steriel apart kunt leggen dan een foetus.
Volgens Pasteur zou een aldus ter wereld gekomen kuiken niet lang leven. Het experiment met de kip werd in 1899 uitgevoerd; de kippen die daaruit voortkwamen groeiden slecht en waren niet gezond. Dat leek het gelijk van Pasteur te bewijzen. Maar in 1912 lukte het om kippen anderhalve maand kiemvrij en in leven te houden. Zo heeft Pasteur zijns ondanks de basis gelegd voor de wetenschap der gnotobiologie. 'Gnosis' is kennis en 'bios' is leven - de naam van het veld lijkt wat pretentieus maar verwijst naar het feit dat je bij gnotobiologisch onderzoek precies wilt weten wat voor vlees je in de kuip hebt. Het nut van kiemvrije dieren is vooral gelegen in de mogelijkheid ze selectief te besmetten of hun darmflora selectief uit te roeien, zodat de rol van een bepaalde soort of groep bacteriën in isolatie kan worden bestudeerd.
Tegenwoordig is het kiemvrij maken en houden van allerhande beesten routine. Het Centraal Dierenlab van de Katholieke Universiteit Nijmegen werkt bijvoorbeeld met kiemvrije muizen en ratten. Ze wonen in isolatoren: een soort couveuses die met plastic zijn omhuld om de micro-organismen buiten te houden. Via gehandschoende gaten in het plastic kan de onderzoeker in het hok ingrijpen zonder microben naar binnen te brengen. Voor alle zekerheid wordt in de hokken een overdruk gehandhaafd: een kleine lekkage heeft tot gevolg dat er lucht naar buiten lekt zodat er zelfs dan geen lucht met kiemen naar binnen komt. Door de overdruk staat het plastic bol, wat de indruk geeft dat de couveuse elk moment kan wegzweven.
De meest betrouwbare manier om aan kiemvrije dieren te komen is het steriel uitnemen van de baarmoeder van een hoogzwanger moederdier (de baarmoeder is zelf een steriele omgeving) waarna de jongen steriel ter wereld komen en steriel worden grootgebracht. Heb je eenmaal een kiemvrije stam dan kun je deze dieren op de normale manier laten telen omdat kiemvrije moeders hun jongen op geen enkele manier kunnen besmetten.
De Nijmeegse muizen scharrelen in steriel zaagsel, eten steriel voer en lebberen steriel water. Maar voor het blote oog zijn het heel gewone muisjes. Hoe kan het eigenlijk dat Pasteur het mis had? We horen toch voortdurend hoe belangrijk de darmflora is voor ons welbevinden? Peter Heidt (1944), sinds twee jaar deeltijdhoogleraar Gnotobiologie aan de Katholieke Universiteit, haalt zijn schouders op. 'De darmflora heeft zeker een belangrijke functie. Vitamine K maken bijvoorbeeld. Maar als je die vitamine K aan het dieet toevoegt heb je daarvoor geen darmflora meer nodig. De muizen en ratten hier krijgen dus een verrijkt dieet.' Voor de ontlasting van de diertjes heeft een en ander het curieuze gevolg dat die niet naar poep ruikt. 'Ons personeel kan ruiken of er een besmetting is opgetreden,' zegt Heidt. Niettemin wordt uit elke isolator iedere twee weken een keutel microbiologisch onderzocht. Meer is niet nodig want als een hok is verontreinigd dan is het bij alle keutels van alle bewoners raak. De kiemvrije muizenstam is in twee delen gesplitst die weer van elkaar zijn afgezonderd, zodat niet de hele stam in één keer verloren kan gaan.
Niet alleen maken de kiemvrije beesten een welvarende indruk, ze kunnen ook veel ouder worden dan hun normale soortgenoten. Gemiddeld kunnen kiemvrije muizen een jaar ouder worden dan de gebruikelijke één tot anderhalf jaar, een spectaculair verschil. Al krijgen ze in Nijmegen in hun functie van proefdier zelden de gelegenheid de extra tijd ook vol te maken. 'Afgezien van de afzondering is het niet onverstandig kiemvrij te leven,' stelt Heidt droog vast. Ook voor mensen geldt dat. De oorzaak is gelegen in het ziekmakend vermogen van bacteriën die overigens gewoon in de darmflora thuishoren. 'Onder normale omstandigheden houden we ze wel onder de duim,' aldus Heidt. 'Maar ze liggen voortdurend op de loer en bij jonge, zieke of oude mensen kunnen verschuivingen van het evenwicht in de darmflora tot problemen leiden waar je zelfs aan kunt doodgaan.' De mens is in zijn eigen lichaam in de minderheid want op duizend miljard lichaamscellen zijn er honderd keer zoveel microben die technisch gesproken geen deel uitmaken van het lichaam. In gewicht gemeten valt het weer mee, want die honderdduizend miljard kostgangers wegen samen maar een kilo of anderhalf.
Heidt lijkt met halflang haar, baard, leren jas en spijkerbroek meer op een veearts dan op een professor. Zijn roots liggen bij TNO, waar hij door fusies en reorganisaties 'verschillende keren van instituut veranderde zonder van stoel te veranderen.' Zo werkte hij bij het Instituut voor Toegepaste Radiobiologie en Immunologie, bij het Medisch Biologisch Laboratorium, bij het Primatencentrum, en nu bij de verzelfstandigde voortzetting van het laatste, het Biomedical Primate Research Centre waar hij hoofd is van de afdeling Beenmergtransplantatie. De Nederlandse gnotobiologie is gegrondvest door Heidts leermeester prof.dr. D.W. van Bekkum, ook bij TNO. In de jaren vijftig, tijdens de Koude Oorlog, was de Nederlandse overheid geïnteresseerd in de vraag of en zo ja hoe genezing mogelijk was van schade aan de gezondheid door straling. Een voor de hand liggende manier om dat probleem te onderzoeken was, proefdieren een hoge dosis straling toe te dienen en vervolgens te proberen ze weer op te lappen. Maar straling beschadigt vooral snel delende cellen en velt dus om te beginnen het immuunsysteem, meer in het bijzonder het beenmerg, waar bloedcellen worden gemaakt. Bestraalde proefdieren bezweken aan infecties en aan het herstellen van de stralingsschade zelf kwam van Bekkum niet toe. Daarvoor waren kiemvrije dieren nodig en Van Bekkum zorgde dat die er kwamen. Lange tijd was TNO leverancier van deze proefdieren, tot deze activiteit enkele jaren geleden werd geprivatiseerd. De bewuste afdeling van TNO is nu zelf ook verzelfstandigd tot het Biomedical Primate Research Centre en levert expertise op het gebied van de Gnotobiologie aan diverse universiteiten.
Het onderzoek naar stralingsziekten leidde tot de eerste succesvolle beenmergtransplantatie in 1968 in het Academisch Ziekenhuis in Leiden, een internationale primeur voor Nederland. Heidt vindt nog altijd dat Van Bekkum daar best een Nobelprijs voor had mogen krijgen. Die beenmergtransplantaties hadden in een aantal gevallen een nare complicatie: de graft-versus-host ziekte. Bij het implanteren van een donororgaan kan het afweersysteem van de ontvanger het nieuwe orgaan afstoten. Als het orgaan dan in het lichaam blijft wordt het vrijwel letterlijk door de afweer afgebroken. Maar bij een beenmergtransplantatie ontvangt de patiënt weinig anders dan een nieuw afweersysteem. Daardoor is het mogelijk dat niet de ontvanger het nieuwe materiaal afstoot, maar andersom: het lichaam van de patient wordt afgestoten door het nieuwe afweersysteem. 'Dat is in zijn ernstige vorm een van de meest verschrikkelijke ziektebeelden die er bestaan,' verklaart Heidt. 'Vooral de epitheloïde organen moeten het ontgelden, dat zijn bijvoorbeeld de huid, het maagdarmkanaal en de lever. In sommige gevallen kan letterlijk de huid loslaten.' De kans op Graft-versus-host ziekte is minder naarmate donor en acceptor genetisch meer op elkaar lijken (bijvoorbeeld broers en zusters), en is nul bij identieke tweelingen.
Het is gebleken dat bij ontvangers die van tevoren waren gedecontamineerd, dat wil zeggen met antibiotica zoveel mogelijk waren ontdaan van hun darmflora, dit ziektebeeld niet of sterk verzwakt optrad. Kennelijk is bij de strijd tussen lichaamseigen en geïmplanteerde cellen nog een derde partij betrokken - een of andere darmbacterie. Onder normale omstandigheden goedaardig maar altijd op de loer. Heidt: 'We hebben jaren gezocht welke bacterie het zou kunnen zijn maar uiteindelijk zijn we niet verder gekomen dan de vaststelling dat hij zit in de groep van de zogenaamde anaerobe bacterien. Dat zijn microben die alleen maar kunnen leven in de afwezigheid van zuurstof, en die de grote meerderheid van onze microflora vormen.' Het is nu mogelijk patienten met beenmergkanker kiemvrij te maken, te transplanteren en na 60 dagen, als beenmerg en lichaam aan elkaar zijn gewend, de darmflora weer 'aan te leggen'. Maar omdat dit een moeilijke en dure procedure is (de patient moet gedurende ruim twee maanden hermetisch geïsoleerd worden verpleegd), wordt op het ogenblik gezocht naar manieren om een vergelijkbaar resultaat te bereiken op een simpeler manier. Heidt zelf onderzoekt bij TNO bijvoorbeeld de mogelijkheden van een stof als gamma-interferon.
Het is niet uniek dat bij dergelijke immunologische kwesties de onderhuurders van het lichaam een rol spelen. Ook sommige auto-immuunziekten (waarbij de afweer zich tegen delen van het eigen lichaam keert) treden alleen of vooral op wanneer er een bepaalde microbe in de buurt is. Dit is bijvoorbeeld aangetoond in een proefdiermodel voor insuline-afhankelijke diabetes.
Het is bekend dat er een intensief immunologisch verkeer is door de darmwand heen: soms dringen bacteriën het lichaam binnen en worden teruggevonden in lymfklieren. Ook worden er antistoffen door de darmwand heen uitgescheiden, zodat de afweer een aantoonbare invloed heeft op het leven in het darmkanaal. Omdat de fijnere nuances van de werking van de afweer erfelijk zijn bepaald is de precieze samenstelling van de darmflora niet zomaar een kwestie van wat je toevallig binnenkrijgt maar is ze afhankelijk van de genen in het omhullende lichaam. 'Je kiest als het ware je eigen darmflora,' formuleert Heidt. Op dit gebied is nog veel onbekend. Nader gnotobiologisch onderzoek is gaande.
Een van de successen van gnotobiologische research is het identificeren van de bacterie die cariës teweeg brengt. Ratten in het Centraal Dierenlab in Nijmegen die volop suiker kregen maar vrij waren van de bacterie Streptococcus mutans ontwikkelden geen cariës terwijl soortgenoten mèt deze bacterie binnen vier maanden rotte kiezen hadden. Op dit ogenblik loopt er onderzoek naar bacteriën die deze 'strep' in de mondflora kunnen verdringen. Die zou je aan tandpasta kunnen toevoegen, om zo de gaatjes voor te blijven.
Technieken die in de gnotobiologie zijn ontwikkeld worden op ruime schaal in andere vakgebieden gebruikt. Zo worden in operatiekamers ventilatietechnieken gebruikt die de kans op het verspreiden van ziektekiemen minimaliseren. Patiënten met een ernstige erfelijke afwijking aan het immuunsysteem kunnen geïsoleerd worden verpleegd in afwachting van een transplantatie of gentherapie, zoals David, 'the Bubble Boy', die op 22 februari 1984 overleed kort nadat er tevergeefs een poging was gedaan om hem met een beenmergtransplantatie te genezen. Heidt is tot drie keer toe betrokken geweest bij gevallen van baby's met een kans op een dergelijke afwijking. Deze werden steriel ter wereld gebracht zodat het, als de ziekte inderdaad werd vastgesteld, niet nodig zou zijn ze te ontsmetten. In alle drie gevallen die Heidt kent bleek de erfelijke afwijking er niet te zijn. Na een aantal dagen konden deze kiemvrije kinderen kunstmatig van een darmflora worden voorzien en mochten ze naar huis.
Een actueel probleem waarbij Heidt een rol ziet weggelegd voor de gnotobiologie is dat van de resistentie tegen antibiotica bij ziekteverwekkende bacteriën. De natuurlijke weerstand tegen ziekten hangt aantoonbaar samen met de samenstelling en de conditie van de darmflora. Bovendien: 'Onder normale omstandigheden leef je zonder problemen samen met je eigen flora, ook al zitten daar potentiële ziekteverwekkers tussen. Als je meer zou weten van de natuurlijke weerstand zou je die misschien kunnen oppeppen. Dan zouden de antibiotica vaker op de plank kunnen blijven en het probleem van de resistentie zou aanzienlijk verminderen.'