Gazdamikrobiális kölcsönhatások a terápiás és étrendből származó xenobiotikumok anyagcseréjében

Rachel N. Carmody és Peter J. Turnbaugh

FAS Rendszerbiológiai Központ, Harvard Egyetem, Cambridge, Massachusetts, USA.

Cím levelezés: Peter J. Turnbaugh, FAS Rendszerbiológiai Központ, Harvard Egyetem, Oxford Street 52, Cambridge, Massachusetts 02138, USA. Telefon: 617.384.9238; E-mail: [email protected].

Keresse meg Carmody, R. cikkeit itt: JCI | PubMed | Google ösztöndíjas

FAS Rendszerbiológiai Központ, Harvard Egyetem, Cambridge, Massachusetts, USA.

Cím levelezés: Peter J. Turnbaugh, FAS Rendszerbiológiai Központ, Harvard Egyetem, Oxford Street 52, Cambridge, Massachusetts 02138, USA. Telefon: 617.384.9238; E-mail: [email protected].

Turnbaugh, P. cikkeit itt találja: JCI | PubMed | Google ösztöndíjas

Megjelent 2014. augusztus 8-án - További információ

Kapcsolódó mikrobiális közösségeink kritikus szerepet játszanak az emberi egészségben és a betegségekre való hajlamban, de hogy milyen mértékben alakítják a terápiás beavatkozásokat, azt sem lehet jól tudni. Itt integráljuk a bél mikrobiomjának a terápiás gyógyszerek és az étrendből származó bioaktív vegyületek anyagcseréjére gyakorolt közvetlen és közvetett hatásainak klasszikus és jelenlegi tanulmányainak eredményeit. Különös figyelmet fordítunk a fogadó szervezet ksenobiotikumokra adott válaszainak mikrobiális hatásaira, hozzátéve az egyre növekvő egyetértést, hogy a kezelési eredmények tükrözik a mikrobiális világgal fennálló intim partnerségünket, és kiinduló keretet nyújtunk a farmakológia és a táplálkozás átfogóbb áttekintéséhez.

Az emberi test egy összetett mikrobiális ökoszisztéma otthona. A gyomor-bél traktusban található a legtöbb mikrobiális közösség (a bél mikrobiota), amely körülbelül 10 13 mikrobiális sejtből áll (1). Összességében a bél mikrobiota összesített genomjai több mint 100-szor annyi egyedi gént kódolnak, mint az emberi genomban található körülbelül 20 000 fehérjét kódoló gén és közel 20 000 géncsalád (2). Ezért nem meglepő, hogy ezek a gének és kódolt metabolikus aktivitásaik (a bél mikrobiome) kibővítik a gazdaszervezet metabolikus képességeit. Ebben az áttekintésben a klinikai gyakorlat és a kutatás szempontjából kritikus jelentőséggel bíró egy bizonyos területre összpontosítunk: a bélmikrobiom hatása a xenobiotikára, az idegen vegyületekre, beleértve a terápiás gyógyszereket és az étrendből származó bioaktív vegyületeket (1. ábra). Kiemeljük azokat a kulcsfontosságú tanulmányokat, amelyek szemléltetik a mikrobiális hatások szélességét és az érintett mechanizmusok sokféleségét, ugyanakkor kiinduló bizonyítékot szolgáltatunk arra vonatkozóan, hogy az emberi bél mikrobiomjában az egyének közötti különbségek hozzájárulnak a xenobiotikus válasz variációihoz. Végül megvitatjuk, hogyan lehet ezt a feltörekvő területet a legjobban kihasználni az orvostudomány javítására az elkövetkező években.

A xenobiotikus anyagcsere bélmikrobiális modulációja. A közvetlen mechanizmusok magukban foglalják (i) aktív vegyületek előállítását, (ii) méregtelenítést és (iii) közvetlen kötődést a baktériumsejtekhez. A közvetett mechanizmusok magukban foglalják a gazda fiziológiájának mikrobiális manipulációját. (iv) Mikrobiális részvétel az enterohepatikus ciklusban: (1) a vegyületeket a májban történő konjugációval inaktiválják; (2) a konjugált vegyület átjut az epébe és kiválasztódik a bél lumenébe; (3) a mikrobiális enzimek felszabadítják a konjugátumcsoportot, és így újra aktiválják a vegyületet; és (4) a hatóanyag visszatér a keringésbe. (v) A xenobiotikus anyagcserében részt vevő gazda gének megváltozott expressziója. (vi) Megváltozott kinetika a mikrobiális metabolitok miatt, amelyek az xenobiotikumokkal versenyeznek az enzimkötő helyekért. vii. Metabolikus útközbenső termékek mikrobiális előállítása. (viii) Az immunválasz stimulálása transzlokáció vagy gyulladás útján.

A xenobiotikus anyagcsere jellemzően a könnyen felszívódó lipofil vegyületek enzimatikus átalakulását hidrofil termékekké alakítja ki a kiválasztás céljából. A máj a fő helye ezeknek az átalakulásoknak, de a biotranszformációk a gyomor-bél traktusban és más szövetekben is előfordulnak (3). Noha a specifikus reakciókészlet vegyületenként változó, sok esetben a citokróm P450 (CYP450) enzimek, karbonilreduktázok, karboxilészterázok és más enzimek először oxidáció, redukció és/vagy hidrolízis útján változtatják meg a xenobiotikumokat. A transzferázok ezt követően konjugálják a kapott termékeket töltött fajokkal, például glükuronsavval és szulfáttal, poláros származékokat képezve, amelyek könnyebben ürülnek ki az epével vagy a vizelettel (4).

Az enzimatikus aktivitás sokféleségének köszönhetően a bél mikrobiom számos vegyületet képes metabolizálni úgy, ahogyan az emberek nem. Több mint 40 terápiás és étrendből származó bioaktív vegyületről ismert, hogy közvetlen mikrobiális módosításon mennek keresztül (részletes áttekintés: 5-7. Hivatkozás), de a felelős mikrobiális fajok vagy konzorciumok szinte minden esetben ismeretlenek. Az alábbiakban a xenobiotikumok közvetlen mikrobiális metabolizmusának példáit emeljük ki, ahol a mikrobaközösség tulajdonságai és a vonatkozó biokémiai transzformációk közötti összefüggéseket tisztázták. Ezenkívül példákat mutatunk be olyan vegyületekről, amelyek aktivitása megváltozni látszik a mikrobiális sejtekhez való fizikai kötődés révén.

Aktív vegyületek mikrobiális előállítása. A bélmikrobiom átalakíthatja az inaktív terápiás szereket (azaz az előgyógyszereket) és az étrendi bioaktív anyagokat hasznos formáikká. Például a fekélyes vastagbélgyulladásra előírt szulfaszalazin prodrug egy gyulladásgátló 5-amino-szalicilsav (5-ASA) molekulából áll, amely N-N kettős kötéssel kapcsolódik egy szulfapiridin-molekulához (2. ábra). A gyógyszer inaktív marad, amíg el nem éri a disztális bélet, ahol a bél mikrobiómája által kódolt azoreduktázok hasítják az N-N kettős kötést, hogy felszabadítsák az aktív 5-ASA-t (8). Tehát a hagyományos állatok székletvizsgálatai a teljes átalakulást tükrözik alkotó molekulákká, míg csíra mentes vagy antibiotikummal kezelt állatok választják ki a prodrogot (8).

A kiválasztott terápiás és étrendből származó vegyületek közvetlen mikrobiális interferenciájának mechanizmusai. Ezen interakciók részletes leírását lásd a cikk szövegében.

Hasonlóképpen, a gyümölcsök, zöldségek, gabonafélék és a kávé konjugált hidroxicinnamátokat, antioxidáns és gyulladásgátló vegyületeket tartalmaz, amelyek a mikrobiális biotranszformáció után aktiválódnak (9–11). A hatóanyagok - beleértve a koffeinsavat, a ferulinsavat és a o-kumarinsav - általában észterkonjugátumokként vannak jelen a növényekben (2. ábra). Az emberek a bél mikrobiomjától függenek, hogy milyen cinnamoil-észterázok szükségesek ezeknek az észterkötéseknek a lebontásához, ami megmagyarázza, miért a koffeil-, feruloil- és o-a kumaroyilcsoportok észterezett formában léteznek a proximális bélben, de szabad savakként a vastagbélben (12, 13). Tagjai Bifidobacterium, Lactobacillus, és Escherichia az emberi bélben kísérletileg kimutatták, hogy hidrolizálják a koffeinsav és a ferulinsav észtereit (11); ez a tevékenység azonban valószínűleg szélesebb körben elterjedt, mivel sok baktérium és gomba termel cinnamoil-észterázokat (14). Számos további példa van a bioaktív molekulákat eredményező étrendi vegyületek mikrobiális anyagcseréjére, ideértve a ciklin hidrolízisét karcinogén glikozid-metilazoxi-metanolvá (15), a szójaból származó izoflavonoid-daidzein nem-szteroid ösztrogén-termelését (16) és az aglikonok felszabadulását. antocianinok rákellenes tulajdonságokkal (17).

A bél mikrobioma méregteleníti az étrendi vegyületeket is. Például sok növény oxalátot (22) termel, amely egy erős kelátképző szer, amely kötődik a Ca 2+ -hoz és más szabad fémkationokhoz, hozzájárulva a hiperoxaluriához, a vesekövekhez, a veseelégtelenséghez és a szívvezetési zavarokhoz (23-25). Az emlősökben hiányoznak az oxalát méregtelenítéséhez szükséges enzimek, ehelyett a mikrobiális biotranszformációra támaszkodnak (26. hivatkozás és 2. ábra). Három mikrobiális enzim ismert, amely részt vesz az oxalát katabolizmusában: egy oxalát: formiát antiporter, amely lehetővé teszi az oxalát bejutását a baktérium sejtjébe; formil-CoA transzferáz, amely az oxalátot oxalil-CoA-vá alakítja át; és oxalil-CoA dekarboxiláz, amely formil-CoA-t eredményez. Oxalobacter formigének az egyik legfontosabb baktérium, amely felelős a reakcióért: (a) egyedüli oxigénforrásként használhatja az oxalátot (27); b) hiánya O. formigenes a hyperoxaluria és a vesekő fokozott kockázatával jár (28); és (c) O. formigenes csökkenti a vizelet oxalát koncentrációját (29, 30).

A bélmikrobák közvetlen kötődése szintén jótékony hatással lehet. Heterociklusos aminok (HCA-k) keletkeznek a hús, a baromfi és a hal elszenesedése során az izomszövetben jelen lévő kreatin, aminosavak és monoszacharidok hőkatalizált kondenzációján keresztül (39). Epidemiológiai vizsgálatok összefüggést jelentettek a HCA-k bevitele és a vastagbélrák kockázatának megnövekedése között (40, 41), in vitro kísérletek és állati takarmányozási kísérletek alátámasztották az okozati összefüggést (39, 42). Több tanulmány arról számolt be, hogy az emberi bélben és az erjesztett élelmiszerekben jelen lévő tejsavbaktériumok közvetlenül kötődhetnek a 2-amino-1-metil-6-fenilimidazo-hoz [4,5-b] piridin (PhIP), 2-amino-3-metil-imidazo [4,5-f] kinolin (IQ), 2-amino-3,8-dimetil-imidazo [4,5-f] kinoxalin (MeIQx), 3-amino-1-metil-5H-pirido (4,3-b) indol (Trp-P-2) és más fontos étrendből származó mutagének (42–45), amelyek potenciálisan megakadályozzák a DNS-károsodás és a preneoplasztikus elváltozások indukcióját (46. hivatkozás és 2. ábra). További vizsgálatokra van szükség a HCA-khoz közvetlenül kötődni képes baktériumok körének, a megkötés mechanizmusainak, a baktériumokra és a gazdaszervezetekre gyakorolt fiziológiai hatások, valamint e jelenségek karcinogenezishez való relevanciájának felderítéséhez.

A xenobiotikumok közvetlen megváltoztatása mellett a közelmúltban végzett munka hangsúlyozta, hogy a gazda xenobiotikus anyagcseréjét a bél mikrobioma alakítja. Az alábbiakban bemutatunk példákat azokra a különféle mechanizmusokra, amelyek révén a bélmikrobák ismert módon befolyásolják a gazda xenobiotikus anyagcseréjét. Az ezen a területen folytatott további munka ígéretet tesz arra, hogy régóta felmerülő kérdéseket fog megvilágítani azzal kapcsolatban, hogy miként kommunikálunk társult mikrobáinkkal.

A gazda xenobiotikus anyagcseréjének mikrobiális modulációjának mechanizmusai egyes terápiás és étrendből származó vegyületeknél. Ezen interakciók részletes leírását lásd a cikk szövegében.

A mikrobiális kolonizáció miatt megváltozott gazdasejt-expresszió. Bizonyíték van arra, hogy a bél mikrobiota jelenléte megváltoztathatja a xenobiotikus anyagcserében részt vevő legfontosabb gazdaenzimeket. Például több tanulmány kimutatta, hogy a CYP450 gének máj expressziója különbözik a hagyományos és a csíra mentes állapot között (60-62). A csíra mentes egereknél a P450 oxidoreduktáz, a II. Típusú CYP450 enzimek egyetlen donora, és a máj xenobiotikus anyagcsere fő szabályozójaként szolgáló konstitutív androsztán receptor (CAR) fokozott expressziója mutatkozott meg (62). Ezek a különbségek funkcionálisan relevánsak voltak; csíra mentes egerek 35% -kal gyorsabban gyógyultak meg a pentobarbital által kiváltott érzéstelenítésben, mint a hagyományos állatok (3. ábra). Az egyik lehetséges mechanizmus az, hogy a csíramentes állatokban a bilirubin, az elsődleges epesavak és a szteroid hormonok megemelkedett CAR aktivátorai növelhetik a CAR expressziót, és ezáltal növelhetik az anyagcsere sebességét.

Hasonlóképpen, a közelmúltban kimutatták, hogy a vörös húsban bővelkedő vegyület, az l-karnitin gyorsítja az embereknél az érelmeszesedést a TMA mikrobiális termelése és az azt követő máj-TMAO termelés révén (74). A széles spektrumú antibiotikumok egyhetes kezelését követően beadott l-karnitin-kihívások a TMAO-termelés majdnem teljes elnyomásához vezettek, az antibiotikum-megvonást követően a TMAO-termelés visszatért. Érdekes módon az étrend által kiváltott bél mikrobaközösségek variációja az alanyok között a TMAO termelésének különbségeihez vezetett egy orális l-karnitin-provokáció után, a mindenevő alanyoknál nagyobb volt a TMAO-képződés képessége a vegán vagy vegetáriánus alanyokhoz képest. Ezek a megállapítások egybevágnak a bélmikrobiom kötelező szerepével az l-karnitin TMAO-képződésében, és arra utalnak, hogy az étkezési előzmények potenciálisan növelhetik a TMA prekurzorok bevitelével járó CVD kockázatát.

A gazdaenzim-kötő helyekért folytatott verseny xenobiotikus anyagcserére gyakorolt hatásának második, halálos példája a szorbivin vírusellenes szer. 1993-ban 18 halálesetről és számos súlyos mellékhatásról számoltak be a herpes zoster vírusos betegségben szenvedő japán rákos betegek körében, akiknek az 5-fluorouracil (5-FU) daganatellenes gyógyszer vagy az 5 -FU prodrugok. A kombinációs terápia az 5-FU toxikus felhalmozódásához vezetett az 5-FU katabolikus enzim, a dihidropirimidin-dehidrogenáz (DPD) gátlása miatt, irreverzibilis kötéssel (E) -5- (2-bróm-vinil) uracil (BVU), a szorivudin mikrobiális metabolitja (80. hivatkozás és 3. ábra). Csíra mentes és antibiotikummal kezelt patkányok elkerülik a kombinált terápia káros hatásait, kiemelve a bél mikrobiota kritikus szerepét ebben a végzetes gyógyszer-gyógyszer interakcióban. Sajnos ezeket a halálokat meg lehetett volna akadályozni, mivel a mikrobiális szorivudin-BVU átalakulás mechanizmusai, a BVU felszívódása a belekben, valamint az a megfigyelés, hogy a BVU irreverzibilisen gátolja a patkánymáj DPD-jét, ami az 5-FU fokozott plazmakoncentrációját eredményezi a Az 5-FU-ról és a BVU-ról az irodalomban már beszámoltak (81).

Kapcsolatok a mikrobák, az immunitás és az xenobiotikumok között. A rákellenes gyógyszerek legfrissebb tanulmányai azt mutatják, hogy a bél mikrobioma a gazdaszervezet immunrendszerének stimulálásával is befolyásolhatja a gyógyszer hatékonyságát. Például a CpG-oligonukleotid immunterápiában részesülő daganatos egerek között az antibiotikus kezelés csökkentette a TNF és a gyulladáscsökkentő citokinek termelését, veszélyeztetve a myeloid eredetű sejtek tumorellenes aktivitását (82. hivatkozás és 3. ábra). Gavage az LPS-lel visszaállítva Tnf expresszió csíra mentes egerekben, de nem olyan egerekben, amelyekből hiányzik a TLR az LPS-hez (Tlr4 -/- ), ami arra utal, hogy a Gram-negatív baktériumok által végzett LPS-termelés előkészíti a gazda immunrendszerét a CpG-oligonukleotid immunterápiában. Ennek a mintának a megerősítése, Tnf expresszió pozitívan korrelált a Gram-negatív nemzetség bőségével Alistipák, és az oltás által Alistipák antibiotikum-kezelés után megmentette a TNF-termelést (82).

A grampozitív baktériumoknak a rákos gyógyszerek hatékonyságának javítását is jóváhagyták. A rákellenes prodrug ciklofoszfamid okozta bélpermeabilitás a Gram-pozitív baktériumfajok jelentős transzlokációjához vezetett (elsősorban Lactobacillus johnsonii és Enterococcus hirae) a bélből, a mesenterialis nyirokcsomókba és a lépbe (83. hivatkozás és 3. ábra). A transzlokált baktériumok in vitro és in vivo stimulálták a patogén Th17 (pTH17) sejtek differenciálódását a naiv CD4 + T sejtektől, míg a kontroll baktériumok és a tisztított LPS nem váltottak ki választ. Csíramentes egerek vagy vankomicinnel kezelt egerek, amelyek elsősorban a gram-pozitív baktériumokat célozzák meg, csökkentették a pTH17 válaszokat, amelyek gátolták a ciklofoszfamid tumorellenes hatásait, a pTH17 sejtek örökbefogadásával vankomicinnel kezelt egerekbe mentve ezeket a hatásokat.

Az ilyen vizsgálatok együttesen azt sugallják, hogy az antibiotikumok kemoterápiával történő beadásának szokásos gyakorlata, amelyet általában az alacsony fehérvérsejtszám csökkentése érdekében végeznek, korábban nem becsült terápiás kockázatokat hordoz magában. További munkára van szükség az immunrendszer bakteriális antigének általi közvetlen stimulálásának és a beadott vegyületek mikrobiális anyagcseréje és/vagy a gazda xenobiotikus anyagcsere mikrobiális módosításai következtében bekövetkező közvetett hatásainak relatív hozzájárulásának meghatározásához. Fontos lesz annak tesztelése is, hogy a mikrobiális közösség felépítésében és működésében bekövetkező változások hozzájárulnak-e a gyógyszerreakció klinikailag releváns változásaihoz.

Sok kihívás áll előttünk. A gazda-mikrobiális interakciók eredendő összetettsége arra késztette Nicholsont és Wilsont (84), hogy a xenobiotikus anyagcserét összehasonlítsák a pachinko-val (japán flipper), amelyben az eredményt számtalan gazda- és mikrobiális elem valószínűségi mozgása és ütközései határozzák meg. Modelljükben egy adott méretű és alakú (biokémiai tulajdonságokkal rendelkező) golyó (xenobiotikum) sorsa függ a csapok (emberi és mikrobiális enzimek) eloszlásától, amelyek meghatározzák annak útját a gépen (testen) keresztül, és a amelyet kilép (kiválasztás). A valószínűségi modell még bonyolultabb, mivel a csapok száma és helyzete folyamatosan változik, reagál a gazda genetikájának, a bél mikrobiális közösségének összetétele és funkciója, valamint számos környezeti tényező közötti kölcsönhatásokra.

A bélmikrobiom szerepével kapcsolatos alapvető kérdések megválaszolatlanok maradnak a terápiás és étrendből származó xenobiotikumok többségének, valamint általában a mikrobiális anyagcserének. Melyek a mikrobiális taxonok és a molekuláris mechanizmusok? Mely metabolikus tevékenységek mindenütt jelen vannak, és melyek gazdanként változnak? Hogyan befolyásolják a gazda és a környezeti tényezők a mikrobiális anyagcserét? A mikrobiális anyagcsere mennyiben stabil, transzmisszív és ellenáll a zavarnak? Befolyásolja-e egy adott vegyület korábbi kitettsége a jövőbeli mikrobiális választ? Milyen szelektív erők alakították a mikrobiális enzimek evolúcióját a xenobiotikus anyagcseréhez, és mekkora a hozzáférhető természetes és idegen szubsztrátok tartománya? Végül az ilyen kérdések megválaszolása lehet a kulcs az emberi biológia átfogóbb áttekintéséhez, valamint az orvostudomány prediktívebb és személyre szabottabb megközelítéséhez.

Őszintén elnézést kérünk sok kiemelkedő kollégánktól, akiknek munkája kimaradt a hely korlátozása miatt; még mindig átfogóbb áttekintésre van szükség ebben a témában. Köszönjük Emily Balskusnak, Nitzan Koppelnek, Kristen Seimnek és a 3 névtelen bírálónak a kézirat hasznos megjegyzéseit. Ezt a munkát az NIH (1F32DK101154, P50GM068763) és a Harvard Egyetem Bauer Fellows programja támogatta.

Összeférhetetlenség: Peter J. Turnbaugh-t jelenleg az Ethicon finanszírozza olyan munkáért, amely nem kapcsolódik ehhez az áttekintő cikkhez.

Hivatkozási információk: J Clin Invest. 2014; 124 (10): 4173–4181. doi: 10.1172/JCI72335.