میکروبیوم چیست؟

در سال های اخیر درک ما از میکروبیوم انسان (ژنوم همه میکروب های موجود در انسان) بسیار درخشان بوده است. پیشرفت در فناوری های تعیین توالی ژنوم و تجزیه و تحلیل متاژنومیک (مطالعه ژنتیکی ژنوم ها که مستقیماً از نمونه های محیطی گرفته شده است) به دانشمندان این امکان را داده است که این میکروب ها و عملکرد آن ها را مطالعه کرده و برهمکنش های میکروبیوم و میزبان را در سلامت و بیماری بررسی کنند.

میکروبیوم انسان دارای 100 تریلیون میکروب است که بخش عمده آن در روده ما زندگی می کند. درک این جامعه پیچیده زیست محیطی از آنجا که بر بیماران ما تأثیر می گذارد بسیار مهم است و دستکاری میکروبیوم روده می تواند در آینده در درمان بیماری ها مورد استفاده قرار گیرد. پیشرفت های بیشتر در فناوری تعیین توالی و درک ما از میکروبیوم، چشم اندازهای هیجان انگیزی را برای بهره برداری از میکروبیوتا برای داروهای شخصی و پزشکی شخص محور فراهم می کند.

میکروبیوم انسان یک سازمان واقعی

میکروبیوم انسان از مجموعه ای از باکتری ها (و ویروس ها و قارچ ها) تشکیل شده است که پیچیدگی بیشتری نسبت به خود ژنوم انسان دارند. پروژه های متاژنومیک در مقیاس بزرگ (ژنوم های اجتماعی و محیطی) ، مانند Metagenomics European of the Human Intestinal Tract و Human Microbiome Project ، 3.3 میلیون ژن منحصر به فرد پروتئین ساز را در مقایسه با کل ژنوم انسان، که دارای حدود 23000 ژن است، گزارش کرده اند. میکروبیوم انسان دارای عملکردهای وسیعی از جمله ایجاد ایمنی ، دفاع در برابر عوامل بیماری زا ، تغذیه میزبان از جمله تولید اسیدهای چرب کوتاه زنجیره ای مهم در متابولیسم انرژی میزبان ، سنتز ویتامین ها و ذخیره چربی و همچنین تأثیر بر رفتار انسان است.

ترکیب میکروبیوم

بر خلاف ژنوم میزبان، که نسبتاً ثابت است، میکروبیوم پویا است و با توسعه اولیه، عوامل محیطی مانند رژیم غذایی و استفاده از آنتی بیوتیک ها و به ویژه در پاسخ به بیماری تغییر می کند. چشمگیرترین تغییرات در ترکیب در دوران نوزادی و اوایل کودکی رخ می دهد. میکروبیوم روده نوزاد تحت تاثیر سن بارداری، نوع تغذیه (شیر خشک یا شیر مادر)، نحوه زایمان (زایمان طبیعی یا سزارین)، وضعیت تغذیه مادر (اضافه وزن یا سوء تغذیه) و استفاده از آنتی بیوتیک ها می باشد. اعتقاد بر این است که پیچیدگی و انعطاف پذیری میکروبیوتای نوزاد در طول این مراحل اولیه زندگی در حفظ هموستاز با سیستم ایمنی میزبان مهم است و بر سلامت در مراحل بعدی زندگی تأثیر می گذارد. یک روده سالم انسان می تواند حداقل 1000 گونه مختلف باکتری را در خود جای دهد که شامل دو راسته مهم ، یعنی Bacteroidetes و Firmicutes است.

تعاملات پویا بین میکروب های انسان و محیط

دستگاه گوارش (GI) نوزاد انسان محیط جدیدی را برای کلونیزاسیون میکروبی فراهم می کند. در واقع، میکروبیوتایی که نوزاد شروع به بدست آوردن می کند بستگی زیادی به نحوه زایمان دارد. بیست دقیقه پس از تولد، میکروبیوتای نوزادانی که از طریق واژینال به دست می آیند شبیه میکروبیوتای واژن مادرشان است، در حالی که نوزادانی که از طریق سزارین زایمان می کنند میکروبیوتای موجود بر روی پوست را دریافت می کنند. به دست آوردن میکروبیوتا تا چند سال اول زندگی ادامه می یابد، بطوریکه میکروبیوم دستگاه گوارش نوزادان از همان 1 سالگی شبیه به بزرگسالان می شود. در یک مطالعه در مورد میکروبیوتای نوزادی مشاهده شده است که در 2.5 ابتدای زندگی، تنوع فیلوژنتیکی به طور قابل توجهی و بصورت خطی با زمان افزایش میابد.

علاوه بر این، تغییرات قابل توجهی در ترکیب میکروبیوتای روده در پنج نقطه زمانی آشکار بود. شروع رژیم غذایی با شیر مادر، ایجاد تب در روز 92، شروع خوردن غلات در روز 134، خوردن شیر خشک و غذاهای آماده در روز 161 و درمان آنتی بیوتیکی و رژیم غذایی بزرگسالان در روز 371. جالب است که هر تغییر رژیم غذایی با تغییر در میکروبیوتای روده و تغییر و تحول در ژن های مربوطه همراه می باشد. به عنوان مثال، با شروع رژیم غذایی کامل برای بزرگسالان، ژن های موجود در میکروبیوم مرتبط با بیوسنتز ویتامین و هضم پلی ساکارید غنی می شوند. تعامل بین میکروبیوتای انسان و محیط پویا است و میکروب های انسان آزادانه به سطوحی می رسند که هر روز با آنها در تعامل هستیم. جوامع میکروبی دائما بین سطوح منتقل می شوند و یک تعامل پویا بین میکروبیوتای محیطی و مکان های مختلف بدن انسان وجود دارد.

میکروبیوم روده در هضم و تغذیه نقش مهمی ایفا می کند

شواهد زیادی در مورد ارتباط و پیوند ناگسستنی در مورد بین میکروبیوتای میزبان، تغذیه، هضم و متابولسیم وجود دارد. در تجزیه و تحلیل انسان و 59 گونه پستاندار دیگر، توالی های 16S rRNA در کنار هم گوشتخواران، همه چیزخواران و گیاهخواران نشان می دهد که ساختارهای جامعه میکروبی بسته به رژیم غذایی متفاوت است. همچنین تغییرات رژیم غذایی در موش ها می تواند منجر به تغییرات قابل توجهی در متابولیسم باکتری ها، به ویژه اسیدهای چرب زنجیره ای کوچک و اسیدهای آمینه در کمتر از یک هفته شود. نکته مهم این است که تنوع ژنتیکی موجود در میکروبیوتای روده ما به ما اجازه می دهد تا ترکیبات را از طریق مسیرهای متابولیکی که به طور مشخص در ژنوم پستانداران کدگذاری نشده است هضم کنیم، و توانایی ما را در استخراج انرژی از رژیم های مختلف متنوع افزایش می دهد.

به نظر می رسد که میکروبیوتای روده نقش مهمی در چاقی ایفا می کند. موش های بدون میکروب که پیوند میکروبیوتای روده را از موش های معمولی دارای میکروب دریافت می کنند، به دلیل افزایش استخراج انرژی از رژیم غذایی و افزایش رسوب انرژی در چربی های میزبان، بدون افزایش مصرف غذا، چربی های بافتی را افزایش می دهند. دو بخش عمده میکروبی، Firmicutes و Bacteriodetes، بسته به فنوتیپ فراوانی متفاوتی را نشان می دهند.

پتانسیل دستکاری میکروبیوتا و درمان بیماری ها

دستکاری میکروبیوتا به عنوان یک ابزار درمانی یک زمینه سریع پیشرفت در تحقیقات میکروبیوم است. داده های فراوانی وجود دارد که نشان می دهد درمان هایی که می توانند دیس بیوز را معکوس کنند در مدیریت برخی بیماری های انسانی موثر هستند. استفاده هدفمند از آنتی بیوتیک ها برای از بین بردن میکروبیوتای منتخب ، پروبیوتیک ها و پری بیوتیک ها برای تشویق گسترش باکتری های مفید و پیوند میکروبیوتای مدفوع برای احیای جوامع باکتریایی ، برخی از رویکردهایی است که در حال حاضر در دست بررسی یا استفاده است.

در مقایسه با موشهای چاق ژنتیکی (ob/ob) ، کاهش باکتریودت ها و افزایش Firmicutes در موش های چاق (ob/ob) مشاهده شده است و و فنوتیپ چاقی حتی می تواند از طریق میکروبیوتا به موش های بدون میکروب اما از نظر ژنتیکی طبیعی منتقل شود و فنوتیپ حاصل ناشی از بالانس و تعدل انرژی می باشد: حرارت سنجی نمونه مدفوع نشان می دهد که موش های ob/ob انرژی بیشتری از رژیم غذایی خود استخراج می کنند و مدفوع کمتری را دفع می کنند.

جالب توجه است که همین تأثیرات در مورد مدل دیگر موش، موش های TLR5 ، که در برخی از موش ها نیز چاق می شوند، صادق است ( اما در دیگر موش ها کولیت ایجاد می شود، که احتمالاً به دلیل تفاوت در میکروبیوم پس زمینه است). همچنین موش های TLR5 یک فنوتیپ چاقی قابل انتقال ایجاد می کنند، اما هیچ تفاوتی در کارایی برداشت انرژی وجود ندارد. در عوض، میکروبیوتای تغییر یافته به نوعی موش ها را گرسنه می کند و چاقی ناشی از میکروب آنها را می توان با محدود کردن مقدار غذا در قفس و همچنین آنتی بیوتیک ها درمان کرد.

ارتباط بین میکروب ها و چاقی شاید به بهترین شکل از طریق کاهش وزن نشان داده شود. از آنجا که گروه های مختلف افراد تحت رژیم غذایی محدود یا بدون کربوهیدرات قرار گرفتند، میزان باکتریودت های آنها با کاهش وزن بدن افزایش یافت و از جامعه میکروبی چاق به یک جامعه لاغر تبدیل شد. بنابراین، تعدیل میکروبیوتای بیمار ممکن است یک گزینه درمانی برای ترویج کاهش وزن در بیماران چاق یا افزایش وزن در کودکان کم وزن باشد. به طور شگفت انگیزی، میکروب هایی که با غذای خود می خوریم ممکن است ژن های جدیدی را برای هضم غذاهای جدید به میکروبیوم بدن ما ارائه دهند. Hehemann و همکاران دریافتند که کلاس جدیدی از گلیکوزید هیدرولازها برای هضم پورفیران، یک پلی ساکارید رایج در جلبک های قرمز، نیز در نمونه های مدفوع انسان به عنوان ژنی در Bacteriodes plebeius یافت شده است.

بررسی دقیق تر فراداده مدفوع نشان داد که نمونه های مدفوع حاوی ژن هضم کننده پورفیران فقط در افراد ژاپنی وجود داشت. این ژن در میکروبیوم روده افراد ایالات متحده یافت نشد. چرا ژن دریایی در روده انسان یافت می شود؟ نویسندگان به این نتیجه رسیدند که جلبک دریایی رایج در رژیم غذایی ژاپنی ها، اما نه آمریکایی ها، حاوی میکروارگانیسم هایی است که ژن ها را به میکروبیوم روده منتقل می کند. محققان به این نتیجه رسیدند که جلبک دریایی رایج در رژیم غذایی ژاپنی ها، اما نه آمریکایی ها، حاوی میکروارگانیسم هایی است که ژن ها را به میکروبیوم روده منتقل می کند. بنابراین ، میکروب ها این توانایی را دارند که تعداد ابزارهای متابولیک روده انسان را تا حد زیادی افزایش دهند و به ما این امکان را می دهند که مجموعه ای از سوبستراها را هضم کنیم.

انعطاف پذیری روده انسان

با توجه به ثبات نسبی میکروبیوتای روده انسان، یک سوال کلیدی این است که آیا به اندازه کافی انعطاف پذیر است که اجازه دهد مداخلات کاملاً مشخصی برای بهبود سلامت ایجاد شود. همانطور که در بالا توضیح داده شد، میکروبیوتای روده پس از ایجاد، نسبت به تفاوت بین افراد، نسبتاً ثابت است. با این حال، تعدادی از مطالعات نشان می دهد که عوامل خارجی می توانند جامعه میکروب های واقع در دستگاه گوارش را تغییر دهند و آنتی بیوتیک ها یک مثال مهم از این عوامل هستند.

آنتی بیوتیک ها عمدتا برای مبارزه با گونه های باکتریایی بیماری زا که در داخل میزبان هستند یا به میزبان حمله کرده اند مورد استفاده قرار می گیرند، با این حال نسل فعلی آنتی بیوتیک ها طیف وسیعی دارند و قسمت های وسیعی از میکروبیوتای معمولی را نیز هدف قرار می دهند. بنابراین، آنتی بیوتیک ها به طور قابل توجهی روی میکروبیوم روده میزبان تأثیر می گذارند. سه تا چهار روز پس از درمان با آنتی بیوتیک وسیع الطیف سیپروفلوکساسین، میکروبیوتای روده کاهش غنای طبقه بندی (taxonomic richness)، تنوع و یکنواختی را تجربه می کند.

منابع: