A bennünk lévő mikrobák és szerepük az emberi egészségben és betegségekben

Ossza meg:

Megosztani Facebookon
Csipog
Küldje el a Reddit-nek
Oszd meg a LinkedIn-en

Az emberek és mikrobiómáik eddigi legátfogóbb elemzésének végeredményei végérvényesen összekapcsolják a mikrobákat és a mikrobiális tevékenységeket az egészségügyi problémákkal.

A mikrobák hatalmas, de láthatatlan királysága van jelen a testében. Kicsi, de hihetetlenül hatalmas, ezres fajok és billió lakos él a test minden részén, és alkotják a sokféle emberi mikrobiómot. Ezek a mikrobiómák támogatják és fenntartják az egészségét, de ha a mikrobiómát valamilyen módon megzavarják, több száz betegséghez, például rákhoz, valamint autoimmun és szív- és érrendszeri betegségekhez is kapcsolódnak.

Ezért nem meglepő, hogy az emberi mikrobióm az egészségkutatás fontos útja. Ez döntő jelentőséggel bír az egészségünkre nézve, amint azt a Humán Mikrobiom Projekt második szakaszában a Nature-ben közelmúltban megjelent tanulmányok sora sugallja.

Ki van ott? A mikrobiom felmérése emberben

Az Országos Egészségügyi Intézet (NIH) közös alapja 2007-ben létrehozta az évtizedes Humán Mikrobiom Projektet (HMP). A HMP projektet úgy tervezték, hogy közösségi erőforrás legyen a kutatás fellendítésére az akkor még fiatal területen. A fő cél egy olyan eszközkészlet létrehozása volt, amely tartalmazta az adatkészleteket, valamint az analitikai és klinikai protokollokat a nagyobb kutatói közösség számára, hogy képes legyen tanulmányozni a mikrobiómot meghatározott betegségekben és populációkban.

A projekt első fázisa egy 300 egészséges emberből összegyűjtött minták felhasználásával katalogizálta az öt meghatározott testrégióhoz (bőr, szájüreg, légutak, gyomor-bélrendszer és urogenitális traktus) társított mikrobatípusok (beleértve a baktériumokat, gombákat és vírusokat) referencia-adatkészletét. felnőtt férfiak és nők.

Ezen mikrobaközösségek elemzéséhez DNS-szekvenálási technológiákat alkalmaztak, amelyeket az Emberi Genom Projekt során először fejlesztettek ki. A mikrobiómával társult betegségek általában nem fertőzőek, de az emberi mikrobiómával magyarázható arányban vannak.

A kutatók a referencia-adatkészletet ütemtervként használták fel az ilyen nem fertőző betegségekhez vagy állapotokhoz társuló mikrobiális közösségbeli különbségek típusainak azonosításához.

Fontos figyelmeztetés van itt.

A kutatók még nem tudják, hogy a mikrobaközösség változása betegséghez vezet-e, vagy egy mikrobaközösség megváltozik-e egy betegség kialakulásának reakciójaként.

Bár a mikrobiom méréseinek pillanatképét készítették ezekben a korábbi HMP vizsgálatokban, annak megértésére volt szükség, hogy ezek a közösségek hogyan változnak az idő múlásával, ha az ilyen típusú tanulmányok meg tudják kezdeni meghatározni a mikrobiom és a betegség közötti ok-okozati összefüggést. Ez különösen fontos, mert az emberi test mikrobiális populációi életük során megváltoznak, és étrend, stressz és egyéb környezeti tényezők befolyásolják őket.

A kutatóknak valójában videót kell készíteniük a mikrobiomról és az emberi testről.

Mit csinálnak? Hogyan hatnak egymásra az emberek és a mikrobák

Az NIH Közös Alap 2014-ben elindította a második fázist, az Integratív Humán Mikrobiom Projektet (iHMP). Ezt a fázist a biomolekulák, például az RNS, a fehérjék és az anyagcseréhez kapcsolódó anyagok, a mikrobiómból származó anyagcserének és a emberi gazda.

A kutatók ezeket a módszereket a mikrobiómával összefüggő három modell vizsgálatára használták: koraszülés, gyulladásos bélbetegség (IBD) és prediabetes. A cél annak értékelése volt, hogy mely biológiai tulajdonságok vagy tulajdonságkészletek bizonyultak a leghasznosabbaknak ahhoz, hogy betekintést nyerhessenek ezekbe a körülményekbe.

A kutatók egészséges és érintett egyének mikrobiómáját vizsgálták az egyes állapotokra, hosszabb ideig.

„Befejeztük az emberi test mikrobiális fajainak leltározását. De a mikrobák kölcsönhatásba lépnek egymással és a gazdával. Mindegyik befolyásolhatja a másikat ”- mondta Lita Proctor, a Human Microbiome Project programigazgatója. "Tehát fontos volt, hogy megragadtuk ezeket az időérzékeny kölcsönhatásokat a mikrobiom és a gazda között."

Koraszülés és hiányzó baktériumok a hüvelyi mikrobiomban

A koraszülés, egy olyan állapot, amikor a nők 37 hetes terhesség előtt szülnek, az újszülöttek halálának második leggyakoribb oka világszerte. A koraszülés esetei is népességenként jelentősen eltérnek. A Betegségmegelőzési és Megelőzési Központ szerint 2016-ban az afroamerikai nők körében a koraszülés aránya 14% volt a fehér nőknél, 9% -kal - ez közel 50% -os különbség.

Mivel a terhes nő egészséges hüvelyi mikrobiómája szorosan összefügg a csecsemő egészséges születésével, az iHMP első modellrendszere, a Vaginal Microbiome Consortium Multi-Omic Microbiome Study: Pregnancy Initiative (MOMS-PI) a terhesek hüvelyi mikrobiomáinak jellemzésére törekedett. nők felmérni a koraszülés kockázatát, különös tekintettel az afro-amerikai nőkre.

A projektbe bevonták és követték a terhes nők egy csoportját, amelybe összesen 45 koraszülés és 90 teljes idejű szülés került be. A mikrobiómia adatait, valamint egyéb jellemzőket, beleértve a génexpressziót, a fehérje és a metabolit szintjét mind a mikrobiómából, mind az alanyokból, a kutatók valami meglepőre jutottak.

Az egyik vizsgálati eredményben a kutatók összehasonlították a hüvelyi mikrobiomák normális előrehaladását komplikáció nélküli terhességekben a koraszülött nőknél tapasztalhatóakkal. Megállapították, hogy a terhesség korai szakaszában azoknál a nőknél (főleg afroamerikai), akik koraszülést tapasztaltak, lényegesen alacsonyabb volt a természetben előforduló baktérium, a Lactobacillus crispatus szintje. A mikrobiom kulcsfontosságú tagja, amelyről ismert, hogy fontos az egészséges hüvelyi környezet fenntartásában.

Az első trimeszter végére azonban ezeknek a nőknek a hüvelyi mikrobiómái általában visszatérnek egy normális, Lactobacillus által uralt közösségbe. A kutatók most tudni akarják, miért tűnik el ez a mikroba hatékonyan az anya hüvelyéből terhességének legkorábbi napjaiban.

Ez az eredmény azt is megerősítette a kutatók számára, hogy egy nő mikrobiális közösségének összetétele a terhesség korai szakaszában, és nem később, a legkorábbi születés kockázatának előrejelzésében lehet a leghasznosabb.

A nő mikrobiális összetételének vizsgálata a terhesség korai szakaszában, és nem később, leginkább hasznos lehet a koraszülés kockázatának előrejelzésében.

"Ezek az eredmények különösen örvendetesek és kezdetben váratlanok voltak, mert azt sugallják számunkra, hogy a koraszülött biomarkerek könnyebben felismerhetők a terhesség korai szakaszában" - mondta Gregory Buck, Ph.D., a tanulmány vezető kutatója és a Virginia Commonwealth Egyetem professzora . "A prediktív modellünk érzékenysége és specifitása már valamivel jobb, mint a jelenleg alkalmazott klinikai paraméterek."

Ha ezeket az eredményeket más, afroamerikai nőkkel folytatott klinikai vizsgálatokban is megismétlik, akkor az orvosok számára mikrobiomán alapuló biológiai markereket nyújthatnak, amelyek előre jelezhetik a koraszüléseket egy nő terhességének korai szakaszában, és így több időt és lehetőséget biztosítanak a koraszülés megelőzésére irányuló beavatkozásokhoz.

Gyulladásos bélbetegség és specifikus mikrobiális termékek elvesztése

Az úgynevezett „nyugati étrend”, amelyet általában magas zsírtartalmú, alacsony rosttartalmú étrendként jellemeznek, és az antibiotikumok gyakori használata összefüggésbe hozható a bél mikrobiomjának összetételének eltolódásával az egészségesétől. Ezek az elmozdulások viszont szorosan összefüggenek a gyulladásos bélbetegségek (IBD), valamint az IBD Crohn-betegség és fekélyes vastagbélgyulladás fokozott előfordulásával. Mindkettő fájdalmas állapot, láz, étvágytalanság és fáradtság jellemzi, és az Egyesült Államokban több mint 3 millió embert érint.

Kevés ismeret áll rendelkezésre arról, hogy a mikrobiom milyen szerepet játszik az IBD-ben, és arról, hogy a mikrobiom hogyan befolyásolja a betegség progresszióját. Mostanáig.

Curtis Huttenhower, Ph.D., a Harvard Közegészségügyi Iskolában, Ramnik Xavier, MD, a Massachusettsi Általános Kórházban, és az iHMP második modellrendszerének, a Bélgyulladásos Multi-omics (IBDMBD) projekt többi tagjának biztosítottak a mikrobiális közösség legátfogóbb leírása az IBD-ben.

Olyan Crohn-betegségben és fekélyes vastagbélgyulladásban szenvedő betegeket toboroztak, akik vagy alacsony szintű gyulladást mutattak, vagy teljesen kialakult betegségük volt. Százharminckét beteget vizsgáltak egy éven keresztül, és mindegyik kutató a vizsgálat kezdetén bélbiopsziát vett fel, kéthetente székletmintákat gyűjtött és négyhavonta vért vett ezekből az alanyokból.

A koraszülött tanulmányhoz hasonlóan a kutatók ezeket a mintákat elemezték a mikrobiómák összetétele, valamint a fehérjék, metabolitok és egyéb biológiai tulajdonságok szempontjából. Ezekkel az adatokkal a kutatók tanulmányozhatták a mikrobiom és a betegség állapotának kölcsönhatását az idő múlásával.

Sok esetben az IBD-s betegek mikrobiomja néhány hét alatt teljesen átalakult a sminkben. Ez a fajta drámai változás ritka volt az IBD-n kívüli résztvevőknél.

Sok esetben az IBD-betegek mikrobiome néhány hét alatt teljesen megváltozott a sminkben.

Ezek a kutatók azt találták, hogy az IBD-ben szenvedő mikrobák csökkentek, amelyek az egészséges bélmikrobiomákban általában nagy mennyiségben találhatók meg, például F. prausnitzii és R. hominis. Az E. coli, egy másik baktérium, amely az egészséges bélmikrobiomákban is gyakran megtalálható, de általában nagyon alacsony szinten van, megnőtt az IBD-ben.

A bélben lévő baktériumok elengedhetetlenek étrendünk lebontásához. E lebontás során a baktériumok olyan vegyületeket termelnek, amelyek közül sok kommunikációs jelként szolgál a mikrobiom és az emberi gazdaszervezet között. E baktériumok elvesztésével tehát csökkenthetők ezek a fontos jelátviteli molekulák.

Ez a tanulmány a bélbutirát szintjének jelentős csökkenését állapította meg, a bélbaktériumok által előállított jelzőmolekula, amely csökkenti a gyulladást és erősíti a bélbélést. A kutatók feltételezik, hogy a butirátcsökkenés oka lehet a mikrobák - például a F. prausnitzii és az R. hominis - jelentős csökkenése, amelyek a bél mikrobiomjának legfontosabb butiráttermelői lehetnek.

"Minden egyén mikrobiomja és immunrendszere egyértelműen egyértelműen, összehangoltan reagált. Bár ez a betegséghez vezető komplex kapcsolatokat nehezebben tudja szétválasztani, új lehetőségekre hív minket fel, hogy esetleg megszakítsák ezeket a nem kívánt visszacsatolási hurkokat, új utakhoz vezetve. az IBD kezelésére vagy kezelésére "- mondta Huttenhower.

Megelőző sztrájk: 2-es típusú cukorbetegség korai stádiumában

A 2-es típusú cukorbetegség (T2D) epikus méretéhez közeledik a világon, és szorosan összefügg az elhízás növekvő járványával. Az amerikai felnőtt lakosság tíz százaléka rendelkezik T2D-vel, további 30% pedig prediabetikus. A prediabétesz olyan egészségi állapot, amikor az ember vércukorszintje megemelkedik, de nem elég magas ahhoz, hogy indokolja a T2D diagnózist. Ez azért történik, mert a prediabetikus és a T2D egyének általában inzulinrezisztenciában szenvednek, ahol a test már nem reagál a hormon jelzéseire, hogy a glükózt a véráramból és a sejtekbe mozgassa. A prediabetikus populáció csaknem 70% -a életében cukorbeteg lesz.

Az iHMP harmadik modellrendszere, az Integrated Personal -Omics Project (IPOP), Michael Snyder, Ph.D., Stanfordi Egyetem és George Weinstock, Ph.D., Jackson Genomikai Orvostudományi Laboratórium vezetésével, az alapvető kérdések megválaszolására jött létre. mint például: mi okozza a prediabétesz T2D-ként való előrehaladását? A prediabetes állapot során milyen stresszorok növelik az ilyen elmozdulás kockázatát?

Az IPOP vizsgálat 106 egészséges és prediabetikus egyént vett fel, akiket négy év alatt vizsgáltak. Bél- és orrmikrobiómájukat, valamint a gazda és a mikrobiómák biológiai tényezőit követték nyomon ebben a négy évben.

Először is, a kutatók azt találták, hogy az egészséges résztvevőknek más volt a bél mikrobiom sminkje, mint a prediabetikus tünetekkel, így már létrehozták ezeket a prediabetikus betegeket egy esetlegesen csökkent vagy egészségtelen mikrobiómával.

Ezenkívül az egészséges és prediabetikus egyének egy részénél légúti vírusfertőzés lépett fel, amelynek során a kutatók mindkettőt influenza vakcinával immunizálták.

Általában, ha egy személy légzőszervi vírusfertőzésben szenved, immunrendszere aktiválódik a fertőzés leküzdésére. Érdekes módon a tanulmány azt találta, hogy amikor a légzőszervi vírusfertőzésben szenvedő prediabetikus résztvevőket immunizálták, immunrendszerük az egészséges résztvevőkhöz képest lassan reagált, de még mindig hatékony. Mivel a 2-es típusú cukorbetegség kapcsolódik az immunrendszerrel kapcsolatos stresszekhez, a kutatók azt javasolták, hogy lehetséges, hogy az immunizálás megvédheti a prediabéteszes betegeket a teljes betegség kialakulásától.

Lehetséges, hogy az immunizálás megvédheti a prediabetikus betegeket a teljes betegség kialakulásától.

"Hihetetlen látni, hogy az inzulinrezisztens emberek egészséges kiindulási helyzetükben is különböznek egymástól, számos mikrobiális különbséggel" - mondta Snyder.

Bizonyítékok utalnak arra, hogy a prediabéteszes betegek megváltozott mikrobiómával rendelkeznek, amely szintén látszólag kapcsolódik egy legyengült immunrendszerhez. A prediabéteszes betegek számára előnyös lehet az immunizálás az immunrendszerük fellendítése érdekében, ami megvédi őket a T2D kialakulásától. Csak a nagyobb tanulmányok képesek igazolni ezt a hipotézist.

A jövőbeni felismerések

Az iHMP a mikrobiális közösség összetételéről és a génexpresszióról, a fehérjékről, metabolitokról és az immunrendszer tulajdonságairól szóló biológiai információk legnagyobb gyűjteményét hozta létre mind az emberi testből, mind annak mikrobiómjából, amelyet az idők során három mikrobiomával kapcsolatos állapot követett.

Az emberi testen és annak mikrobiomán belüli biológiai jellemzők nyomon követésével az iHMP projektek azt mutatták, hogy egyes mikrobák és tulajdonságaik elvesztése vagy gyarapodása szorosan összefügg az egyének koraszülésének állapotával, IBD-vel és prediabétessel.

Bizonyos esetekben ezek a tényezők a betegségek korai mutatóiként szolgáltak, és így ígéretet nyújtanak a prediktív biomarkerek jövőbeli fejlődésére.

Az ebben a három mikrobiológiai modellben összegyűjtött adatkészlet erőforrásként szolgál a nagyobb közösség számára annak kipróbálására, hogy mely biológiai tényezők lesznek a leglátványosabbak az adott kutatásuk során. Ezeknek a tanulmányoknak az adatait a HMP Adatkoordinációs Központ archiválta és kurátora, és korlátlanul felhasználható a szélesebb közösség további kutatásaihoz.