Menneskelig mikrobiom - Human microbiome

Grafikk som viser mikrobiota for menneskelig hud , med relativ forekomst av forskjellige bakterieklasser

Det menneskelige mikrobiomet er aggregatet av all mikrobiota som ligger på eller i menneskelige vev og biofluider sammen med de tilsvarende anatomiske stedene de befinner seg i, inkludert hud, brystkjertler, sædvæske, livmor, eggstokk follikler, lunge, spytt, munnslimhinne , konjunktiva , galdeveier og mage -tarmkanalen . Typer av menneskelig mikrobiota inkluderer bakterier , archaea , sopp , protister og virus . Selv om mikro-dyr også kan leve på menneskekroppen, er de vanligvis ekskludert fra denne definisjonen. I sammenheng med genomikk brukes begrepet humant mikrobiom noen ganger for å referere til de kollektive genomene til bosatte mikroorganismer; Begrepet menneskelig metagenom har imidlertid den samme betydningen.

Mennesker koloniseres av mange mikroorganismer, med omtrent samme størrelsesorden for ikke-menneskelige celler som menneskelige celler. Noen mikroorganismer som koloniserer mennesker er commensal , noe som betyr at de eksisterer samtidig uten å skade mennesker; andre har et mutualistisk forhold til sine menneskelige verter. Motsatt kan noen ikke- patogene mikroorganismer skade menneskelige verter via metabolittene de produserer, som trimetylamin , som menneskekroppen omdanner til trimetylamin N-oksid via FMO3- mediert oksidasjon. Enkelte mikroorganismer utfører oppgaver som er kjent for å være nyttige for den menneskelige verten, men rollen til de fleste av dem er ikke godt forstått. De som forventes å være til stede, og som under normale omstendigheter ikke forårsaker sykdom, regnes noen ganger som normal flora eller normal mikrobiota .

Den menneskelige microbiome Prosjekt (HMP) tok på prosjektet for å sekvensere genomet til normalflora, med spesielt fokus på bakterieflora som normalt lever på huden, munnen, nesen, fordøyelseskanalen, og vagina. Den nådde en milepæl i 2012 da den publiserte sine første resultater.

Terminologi

Selv om det er kjent som flora eller mikroflora , er dette en feilbetegnelse i tekniske termer, siden ordet rotflora gjelder planter, og biota refererer til den totale samlingen av organismer i et bestemt økosystem. Nylig brukes det mer passende begrepet mikrobiota , selv om bruken ikke har overskredet den forankrede bruken og anerkjennelsen av flora med hensyn til bakterier og andre mikroorganismer. Begge begrepene brukes i forskjellig litteratur.

Relative tall

Fra 2014 ble det rapportert i populære medier og i vitenskapelig litteratur at det er omtrent 10 ganger så mange mikrobielle celler i menneskekroppen som det er menneskelige celler; dette tallet var basert på anslag om at det menneskelige mikrobiomet inkluderer rundt 100 billioner bakterieceller og at et voksent menneske vanligvis har rundt 10 billioner humane celler. I 2014 publiserte American Academy of Microbiology en FAQ som understreket at antall mikrobielle celler og antall menneskelige celler begge er estimater, og bemerket at nyere forskning hadde kommet frem til et nytt estimat av antall menneskelige celler - omtrent 37,2 billioner , noe som betyr at forholdet mellom mikrobielle og menneskelige celler, hvis det opprinnelige estimatet på 100 billioner bakterieceller er riktig, er nærmere 3: 1. I 2016 publiserte en annen gruppe et nytt estimat på at forholdet var omtrent 1: 1 (1,3: 1, med "en usikkerhet på 25% og en variasjon på 53% over befolkningen i standard 70 kg [150 lb] hanner") .

Et nyere estimat er et forhold på 1,3: 1 bakterieceller for hver menneskelig celle, mens antallet fager og virus er flere enn bakterieceller med en størrelsesorden mer. Antall bakteriegener (forutsatt 1000 bakteriearter i tarmen med 2000 gener per art) anslås å være 2.000.000 gener, 100 ganger antallet på omtrent 20.000 menneskelige gener.

Studere

Flytdiagram som illustrerer hvordan det humane mikrobiomet studeres på DNA -nivå.

Problemet med å belyse det humane mikrobiomet er i hovedsak å identifisere medlemmene i et mikrobielt samfunn, som inkluderer bakterier, eukaryoter og virus. Dette gjøres først og fremst ved bruk av deoksyribonukleinsyre (DNA) -baserte studier, selv om ribonukleinsyre (RNA), protein og metabolittbaserte studier også utføres. DNA-baserte microbiome studier vanligvis kan kategoriseres som enten målrettet amplicon studier eller nå nylig, hagle metagenomic studier. Førstnevnte fokuserer på spesifikke kjente markørgener og er først og fremst informativ taksonomisk, mens sistnevnte er en hel metagenomisk tilnærming som også kan brukes til å studere det funksjonelle potensialet i samfunnet. En av utfordringene som er tilstede i humane mikrobiomstudier, men ikke i andre metagenomiske studier, er å unngå å inkludere vert -DNA i studien.

Bortsett fra bare å belyse sammensetningen av det menneskelige mikrobiomet, er et av de store spørsmålene som involverer det menneskelige mikrobiomet om det er en "kjerne", det vil si om det er en delmengde av samfunnet som deles mellom de fleste mennesker. Hvis det er en kjerne, ville det være mulig å knytte visse fellesskapssammensetninger til sykdomstilstander, som er et av målene for HMP. Det er kjent at det menneskelige mikrobiomet (for eksempel tarmmikrobiota) er svært variabelt både innenfor et enkelt emne og blant forskjellige individer, et fenomen som også observeres hos mus.

Juni 2012 ble en stor milepæl for HMP kunngjort av National Institutes of Health (NIH) -direktør Francis Collins . Kunngjøringen ble ledsaget av en serie koordinerte artikler publisert i Nature og flere tidsskrifter i Public Library of Science (PLoS) samme dag. Ved å kartlegge den normale mikrobielle sammensetningen av friske mennesker ved hjelp av genom-sekvenseringsteknikker, har forskerne ved HMP opprettet en referansedatabase og grensene for normal mikrobiell variasjon hos mennesker. Fra 242 friske amerikanske frivillige ble mer enn 5000 prøver samlet fra vev fra 15 (menn) til 18 (kvinner) kroppssteder som munn, nese, hud, nedre tarm (avføring) og skjede. Alt DNA, humant og mikrobielt, ble analysert med DNA -sekvenseringsmaskiner. De mikrobielle genomdataene ble ekstrahert ved å identifisere det bakteriespesifikke ribosomale RNA, 16S rRNA . Forskerne beregnet at mer enn 10 000 mikrobielle arter okkuperer det menneskelige økosystemet, og de har identifisert 81–99% av slektene .

Haglepistol -sekvensering

Det er ofte vanskelig å dyrke i laboratoriesamfunn av bakterier , arke og virus , derfor kan sekvenseringsteknologier også utnyttes i metagenomikk . Den komplette kunnskapen om funksjonene og karakteriseringen av spesifikke mikrobielle stammer tilbyr faktisk en stor potensial innen terapeutisk oppdagelse og menneskers helse.

Innsamling av prøver og DNA -ekstraksjon

Hovedpoenget er å samle inn en mengde mikrobiell biomasse som er tilstrekkelig til å utføre sekvensering og for å minimere forurensning av prøven; Av denne grunn kan berikningsteknikker brukes. Spesielt DNA-ekstraksjon må metoden være bra for hver bakteriestamme , for ikke å ha genomer av de som er lette å lyse . Mekanisk lysering er vanligvis foretrukket i stedet for kjemisk lysering, og perleslag kan føre til tap av DNA ved forberedelse av biblioteket.

Utarbeidelse av biblioteket og sekvensering

De mest brukte plattformene er Illumina , Ion Torrent , Oxford Nanopore MinION og Pacific Bioscience Sequel, selv om Illumina -plattformen regnes som det mest tiltalende alternativet på grunn av sin brede tilgjengelighet, høye ytelse og nøyaktighet. Det er ingen indikasjoner på riktig mengde prøve som skal brukes.

Metagenome montering

De novo -tilnærmingen utnyttes; Imidlertid byr det på noen vanskeligheter som skal overvinnes. Den dekning avhenger av hver genom overflod i sin spesifikke samfunnet; genomer med lav forekomst kan gjennomgå fragmentering hvis sekvenseringsdybden ikke er tilstrekkelig nok til å unngå dannelse av hull. Heldigvis er det metagenome-spesifikke montører som hjelper, siden hvis hundrevis av stammer er tilstede, må sekvenseringsdybden økes til maksimum.

Contig binning

Verken fra hvilket genom alle konti stammer, eller antall genomer som er tilstede i prøven er kjent a priori ; Målet med dette trinnet er å dele opp contigs i arter. Metodene for å utføre slik analyse kan enten være overvåket (database med kjente sekvenser) eller uten tilsyn (direkte søk etter kontigrupper i de innsamlede dataene). Begge metodene krever imidlertid en slags metrikk for å definere en poengsum for likheten mellom en bestemt kontig og gruppen den må settes i, og algoritmer for å konvertere likhetene til allokeringer i gruppene.

Analyse etter behandlingen

Den statistiske analysen er avgjørende for å validere de oppnådde resultatene ( ANOVA kan brukes til å størrelse forskjellene mellom gruppene); hvis det er sammenkoblet med grafiske verktøy, blir resultatet enkelt visualisert og forstått.

Når et metagenom er satt sammen, er det mulig å utlede det funksjonelle potensialet til mikrobiomet. Beregningsutfordringene for denne typen analyse er større enn for enkeltgenomer, fordi metagenomes-montører vanligvis har dårligere kvalitet, og mange gjenopprettede gener er ikke-fullstendige eller fragmenterte. Etter genidentifikasjonstrinnet kan dataene brukes til å utføre en funksjonell kommentar ved hjelp av flere justeringer av målgenene mot ortologers databaser.

Markørgenanalyse

Det er en teknikk som utnytter primere til å målrette mot en spesifikk genetisk region og gjør det mulig å bestemme de mikrobielle fylogeniene . Den genetiske regionen er preget av en svært variabel region som kan gi detaljert identifikasjon; den er avgrenset av bevarte regioner, som fungerer som bindingssteder for primere som brukes i PCR . Hovedgenet som brukes til å karakterisere bakterier og archaea er 16S rRNA -gen, mens soppidentifikasjon er basert på Internal Transcribe Spacer (ITS). Teknikken er rask og ikke så dyr og gjør det mulig å oppnå en lavoppløselig klassifisering av en mikrobiell prøve; det er optimalt for prøver som kan være forurenset av vert -DNA. Primer -affinitet varierer mellom alle DNA -sekvenser, noe som kan resultere i skjevheter under amplifikasjonsreaksjonen; Faktisk er prøver med lav overflod utsatt for overamplifiseringsfeil, siden de andre forurensende mikroorganismer resulterer i å være overrepresentert ved økning av PCR-syklusene. Derfor kan optimalisering av primervalg bidra til å redusere slike feil, selv om det krever fullstendig kunnskap om mikroorganismer som er tilstede i prøven, og deres relative mengder.

Markørgenanalyse kan påvirkes av primervalget; i denne typen analyse er det ønskelig å bruke en godt validert protokoll (for eksempel den som ble brukt i Earth Microbiome Project ). Det første du må gjøre i en markørgenamplikonanalyse er å fjerne sekvenseringsfeil; mange sekvenseringsplattformer er veldig pålitelige, men det meste av det tilsynelatende sekvensmangfoldet skyldes fremdeles feil under sekvenseringsprosessen. For å redusere dette fenomenet er en første tilnærming å samle sekvenser i Operasjonell taksonomisk enhet (OTU): denne prosessen konsoliderer lignende sekvenser (en terskel på 97% er vanligvis vedtatt) til en enkelt funksjon som kan brukes i ytterligere analysetrinn; denne metoden ville imidlertid kaste SNP -er fordi de ville bli gruppert til en enkelt OTU. En annen tilnærming er Oligotyping , som inkluderer posisjonsspesifikk informasjon fra 16- tallets rRNA-sekvensering for å oppdage små nukleotidvariasjoner og fra å skille mellom nært beslektede forskjellige taxa. Disse metodene gir som utgang en tabell med DNA -sekvenser og tellinger av de forskjellige sekvensene per prøve i stedet for OTU.

Et annet viktig trinn i analysen er å tildele et taksonomisk navn til mikrobielle sekvenser i dataene. Dette kan gjøres ved hjelp av maskinlæringsmetoder som kan nå en nøyaktighet på slektsnivå på omtrent 80%. Andre populære analysepakker gir støtte for taksonomisk klassifisering ved bruk av eksakte samsvar med referansedatabaser og bør gi større spesifisitet, men dårlig følsomhet. Uklassifisert mikroorganisme bør sjekkes ytterligere for organellesekvenser.

Filogenetisk analyse

Mange metoder som utnytter fylogenetisk slutning bruker 16SRNA -genet for Archea og Bacteria og 18SRNA -genet for eukaryoter. Fylogenetiske komparative metoder (PCS) er basert på sammenligning av flere trekk blant mikroorganismer; prinsippet er: jo tettere de er i slekt, jo større antall egenskaper de deler. Vanligvis er PCS koblet til fylogenetisk generalisert minst kvadrat (PGLS) eller annen statistisk analyse for å få mer signifikante resultater. Rekonstruksjon av forfedre brukes i mikrobiomstudier for å beregne trekkverdier for taxa hvis egenskaper er ukjente. Dette utføres ofte med PICRUSt , som er avhengig av tilgjengelige databaser. Fylogenetiske variabler velges av forskere i henhold til studietype: gjennom valg av noen variabler med betydelig biologisk informasjon er det mulig å redusere dimensjonen til dataene som skal analyseres.

Fylogenetisk bevisst avstand utføres vanligvis med UniFrac eller lignende verktøy, for eksempel Soresens indeks eller Rao's D, for å kvantifisere forskjellene mellom de forskjellige samfunnene. Alle disse metodene påvirkes negativt av horisontal gentransmisjon (HGT), siden det kan generere feil og føre til korrelasjon av fjerne arter. Det er forskjellige måter å redusere den negative virkningen av HGT: bruk av flere gener eller beregningsverktøy for å vurdere sannsynligheten for antatte HGT -hendelser.

Typer

Bakterie

Commensals vs patogener mekanisme. Mekanismer som ligger til grunn for betennelsen ved KOLS. Luftveisepitel har en kompleks struktur: består av minst syv forskjellige celletyper som interagerer med hverandre ved hjelp av tette kryss. Videre kan epitelanrop levere signalene til det underliggende vevet og delta i mekanismene for medfødt og adaptivt immunforsvar. Nøkkelsenderne til signalene er dendritiske celler. Når patogene bakterier (f.eks. S. pneumoniae, P. aeruginosa) har aktivert bestemte mønstergjenkjenningsreseptorer på/i epitelceller, aktiveres de proinflammatoriske signalveiene. Dette resulterer hovedsakelig i IL-1, IL-6 og IL-8 produksjon. Disse cytokinene induserer kjemotaksen til infeksjonsstedet i målcellene (f.eks. Nøytrofiler, dendritiske celler og makrofager). På den annen side forårsaker representanter for standard mikrobiota bare svak signalering som forhindrer betennelse. Mekanismen for å skille mellom ufarlige og skadelige bakterier på molekylære så vel som på fysiologiske nivåer er ikke fullstendig forstått.

Befolkninger av mikrober (som bakterier og gjær ) bor i huden og slimhinneoverflatene i forskjellige deler av kroppen. Deres rolle er en del av normal, sunn menneskelig fysiologi, men hvis antallet mikrober vokser utover deres typiske områder (ofte på grunn av et kompromittert immunsystem) eller hvis mikrober befolker (for eksempel gjennom dårlig hygiene eller skade) områder av kroppen som normalt ikke er kolonisert eller sterilt (for eksempel blod eller nedre luftveier eller bukhulen), kan det oppstå sykdom (forårsaker henholdsvis bakteremi/sepsis, lungebetennelse og peritonitt).

Human Microbiome Project fant at individer er vert for tusenvis av bakterietyper, forskjellige kroppssteder som har sine egne særpreg. Hud og vaginale steder viste mindre mangfold enn munnen og tarmen, disse viste den største rikdommen. Den bakterielle sminken for et gitt sted på en kropp varierer fra person til person, ikke bare i type, men også i overflod. Bakterier av samme art som finnes i hele munnen er av flere undertyper, og foretrekker å bo tydelig forskjellige steder i munnen. Selv enterotypene i den menneskelige tarmen, som man tidligere trodde var godt forstått, kommer fra et bredt spekter av lokalsamfunn med uskarpe taksongrenser.

Det er anslått at 500 til 1000 arter av bakterier lever i tarmene hos mennesker, men tilhører bare noen få phyla: Firmicutes og Bacteroidetes dominerer, men det er også Proteobacteria , Verrucomicrobia , Actinobacteria , Fusobacteria og Cyanobacteria .

En rekke typer bakterier, som Actinomyces viscosus og A. naeslundii , lever i munnen, hvor de er en del av et klebrig stoff som kalles plakk . Hvis dette ikke fjernes ved børsting, stivner det til kalkulus (også kalt tannstein). De samme bakteriene skiller også ut syrer som oppløser tannemaljen og forårsaker tannråte .

Den vaginale mikrofloraen består hovedsakelig av forskjellige laktobacillusarter . Det ble lenge antatt at den vanligste av disse artene var Lactobacillus acidophilus , men det har senere blitt vist at L. iners faktisk er mest vanlig, etterfulgt av L. crispatus . Andre laktobaciller som finnes i skjeden er L. jensenii , L. delbruekii og L. gasseri . Forstyrrelser i vaginalfloraen kan føre til infeksjoner som bakteriell vaginose eller candidiasis ("soppinfeksjon").

Archaea

Archaea er tilstede i den menneskelige tarmen, men i motsetning til den enorme variasjonen av bakterier i dette organet, er antallet archaeal -arter mye mer begrenset. Den dominerende gruppen er metanogenene , spesielt Methanobrevibacter smithii og Methanosphaera stadtmanae . Imidlertid er kolonisering av metanogener variabel, og bare omtrent 50% av mennesker har lett påviselige populasjoner av disse organismer.

Fra 2007 var ingen klare eksempler på arkeiske patogener kjent, selv om det er foreslått et forhold mellom tilstedeværelsen av noen metanogener og menneskelig periodontal sykdom .

Sopp

Sopp, spesielt gjær , er tilstede i tarmene hos mennesker. De best studerte av disse er Candida- arter på grunn av deres evne til å bli patogene hos immunkompromitterte og til og med hos friske verter. Gjær er også tilstede på huden, for eksempel Malassezia -arter, hvor de bruker oljer som skilles ut fra talgkjertlene .

Virus

Virus, spesielt bakterievirus ( bakteriofager ), koloniserer forskjellige kroppssteder. Disse koloniserte stedene inkluderer hud, tarm, lunger og munnhule. Virussamfunn har vært forbundet med noen sykdommer, og gjenspeiler ikke bare bakteriesamfunnene.

Anatomiske områder

Hud

En studie av 20 hudområder på hver av ti friske mennesker fant 205 identifiserte slekter i 19 bakteriefyl, med de fleste sekvenser tildelt fire phyla: Actinobacteria (51,8%), Firmicutes (24,4%), Proteobacteria (16,5%) og Bacteroidetes ( 6,3%). Et stort antall soppslekter er tilstede på sunn menneskelig hud, med en viss variasjon etter kroppsregion; under patologiske forhold har imidlertid visse slekter en tendens til å dominere i den berørte regionen. For eksempel er Malassezia dominerende ved atopisk dermatitt og Acremonium er dominerende på flassplaget hodebunn.

Huden fungerer som en barriere for å avskrekke invasjonen av patogene mikrober. Menneskets hud inneholder mikrober som befinner seg enten i eller på huden og kan være bolig eller forbigående. Innebygde mikroorganismer varierer i forhold til hudtype på menneskekroppen. Et flertall av mikrober bor på overfladiske celler på huden eller foretrekker å assosiere seg med kjertler. Disse kjertlene som olje eller svettekjertler gir mikrober med vann, aminosyrer og fettsyrer. I tillegg er bosatte bakterier som er forbundet med oljekjertler ofte grampositive og kan være patogene.

Konjunktiva

Et lite antall bakterier og sopp er normalt til stede i bindehinnen . Klasser av bakterier inkluderer Gram-positive kokker (f.eks. Staphylococcus og Streptococcus ) og Gram-negative stenger og kokker (f.eks. Haemophilus og Neisseria ) er tilstede. Soppslekter inkluderer Candida , Aspergillus og Penicillium . De lakrymale kjertlene utskilles kontinuerlig, holder konjunktiva fuktig, mens intermitterende blinking smører konjunktiva og vasker bort fremmedlegemer. Tårer inneholder baktericider som lysozym , slik at mikroorganismer har problemer med å overleve lysozymet og sette seg på epiteloverflatene .

Mage-tarmkanalen

Tryptofanmetabolisme av menneskelig gastrointestinal mikrobiota ( )
Metabolismediagram over tryptofan
Tryptofanase -
uttrykker
bakterier
Intestinal immuncellene

Mucosal homeostase:
TNF-oc
Junction protein-
kodende mRNA-
Nervebeskyttende :
↓ Aktivering av gliaceller og astrocytter
4-hydroksy-2-nonenal nivåer
DNA-skade
- Antioksidant
-Inhibits p-amyloid fibrildannelse
Opprettholder mucosal reaktivitet:
IL-22 produksjon
Bildet ovenfor inneholder klikkbare lenker
Dette diagrammet viser biosyntesen av bioaktive forbindelser ( indol og visse andre derivater) fra tryptofan fra bakterier i tarmen. Indol produseres av tryptofan av bakterier som uttrykker tryptofanase . Clostridium sporogenes metaboliserer tryptofan til indol, og deretter 3-indolepropionic syre (IPA), en svært potent neurobeskyttende antioksidant som scavenges hydroksylradikaler . IPA binder seg til Pregnane X -reseptoren (PXR) i tarmceller, og letter dermed mucosal homeostase og barrierefunksjon . Etter absorpsjon fra tarmen og distribusjon til hjernen, gir IPA en nevrobeskyttende effekt mot cerebral iskemi og Alzheimers sykdom . Lactobacillus- arter metaboliserer tryptofan til indol-3-aldehyd (I3A) som virker på arylhydrokarbonreseptoren (AhR) i tarmimmunceller , og igjen øker interleukin-22 (IL-22) produksjon. Indol utløser selv sekresjonen av glukagonlignende peptid-1 (GLP-1) i tarm L-celler og fungerer som en ligand for AhR. Indol kan også metaboliseres av leveren til indoksylsulfat , en forbindelse som er giftig i høye konsentrasjoner og forbundet med vaskulær sykdom og nedsatt nyrefunksjon . AST-120 ( aktivt kull ), et tarmsorbent som tas gjennom munnen , adsorberer indol, noe som igjen reduserer konsentrasjonen av indoksylsulfat i blodplasma.

Hos mennesker er sammensetningen av det gastrointestinale mikrobiomet etablert under fødselen. Fødsel ved keisersnitt eller vaginal fødsel påvirker også tarmens mikrobielle sammensetning. Babyer født gjennom vaginal kanalen har ikke-patogene, fordelaktige tarmmikrobioter som ligner på de som finnes hos moren. Tarmmikrobiota til babyer levert av C-seksjon har imidlertid flere patogene bakterier som Escherichia coli og Staphylococcus, og det tar lengre tid å utvikle ikke-patogene, fordelaktige tarmmikrobioter.

Forholdet mellom noen tarmflora og mennesker er ikke bare kommensal (en ikke-skadelig sameksistens), men snarere et gjensidig forhold. Noen menneskelige tarmmikroorganismer gagner verten ved å gjære kostfiber til kortkjedede fettsyrer (SCFA), for eksempel eddiksyre og smørsyre , som deretter absorberes av verten. Intestinale bakterier spiller også en rolle i syntetisering av vitamin B , og vitamin K , så vel som å metabolisere gallesyrer , steroler og xenobiotika . Den systemiske betydningen av SCFA og andre forbindelser de produserer er som hormoner, og tarmfloraen ser ut til å fungere som et endokrint organ , og dysregulering av tarmfloraen er korrelert med en rekke inflammatoriske og autoimmune tilstander.

Sammensetningen av tarmfloraen hos mennesker endres over tid, når dietten endres, og som generell helse endres. En systematisk gjennomgang av 15 menneskelige randomiserte kontrollerte studier fra juli 2016 fant at visse kommersielt tilgjengelige stammer av probiotiske bakterier fra Bifidobacterium og Lactobacillus slekten ( B. longum , B. breve , B. infantis , L. helveticus , L. rhamnosus , L. plantarum og L. casei ), når det tas gjennom munnen i daglige doser på 10 9 -10 10  kolonidannende enheter (CFU) etter 1-2 måneder, har behandlingseffekt (dvs. forbedrer atferds utfall) i visse forstyrrelser i sentralnervesystemet  - inkludert angst , depresjon , autismespekterforstyrrelse og tvangslidelser  - og forbedrer visse aspekter av hukommelsen . Imidlertid har endringer i sammensetningen av tarmmikrobiota også vist seg å være korrelert med helseskadelige effekter. I en artikkel publisert av Musso et al., Ble det funnet at tarmmikrobiota hos overvektige individer hadde flere Firmicutes og færre Bacteroidetes enn friske individer. Det antas at denne endringen i mikrobe -forhold kan bidra til en økning i bakterier som er mer effektive til å utvinne energi fra mat. Forskere brukte haglgeværsekvensering for å sammenligne mikrobiota av overvektige mus med magre mus. De fant at fete mus genomer besto av en overflod av gener som koder for enzymer som er i stand til å bryte ned polysakkarider som er ufordøyelige av menneskekroppen alene.

Videre bekreftet en studie utført av Gordon et al. At det var sammensetningen av mikrobiota som forårsaker fedme i stedet for omvendt. Dette ble gjort ved å transplantere tarmmikrobiota fra diettinduserte overvektige (DIO) mus eller magre kontrollmus til magre bakteriefrie mus som ikke har et mikrobiom. De fant at musene som ble transplantert med DIO musemuskelmikrobiota, hadde betydelig høyere total kroppsfett enn musene som ble transplantert med magert musemikrobiota når de ble matet med samme diett.

En egen studie, fullført av Ridaura et al. i 2013, utførte den første transplantasjonen av menneskelig avføring til bakteriefrie mus. Den menneskelige avføringen som ble samlet inn, stammer fra voksne hunntvillinger med markant forskjellige kroppsfettprosent. Forskerne var i stand til i hovedsak å overføre fedme-fenotypen og den magre fenotypen til mus, mens begge var på fettfattig musemat. Musene med avføring avledet fra den fete tvillingen økte total kropps- og fettmasse, mens musene med avføring avledet fra den slankere tvillingen ikke utviklet fedmeaktige egenskaper eller symptomer.

Urinrøret og blæren

Det genitourinære systemet ser ut til å ha en mikrobiota, som er et uventet funn i lys av den mangeårige bruken av standard kliniske mikrobiologiske kulturmetoder for å oppdage bakterier i urinen når folk viser tegn på urinveisinfeksjon ; det er vanlig at disse testene ikke viser bakterier. Det ser ut til at vanlige kulturmetoder ikke oppdager mange slags bakterier og andre mikroorganismer som normalt er tilstede. Fra 2017 ble sekvenseringsmetoder brukt for å identifisere disse mikroorganismer for å avgjøre om det er forskjeller i mikrobiota mellom mennesker med urinveisproblemer og de som er friske. For å kunne vurdere mikrobiomet i blæren i motsetning til urogenitalsystemet, bør urinprøven samles direkte fra blæren, som ofte gjøres med et kateter .

Vagina

Vaginal mikrobiota refererer til de artene og slektene som koloniserer skjeden. Disse organismer spiller en viktig rolle i å beskytte mot infeksjoner og opprettholde vaginal helse. De vanligste vaginale mikroorganismer som finnes hos kvinner før overgangsalderen er fra slekten Lactobacillus , som undertrykker patogener ved å produsere hydrogenperoksid og melkesyre. Bakteriesammensetning og -forhold varierer avhengig av stadiet i menstruasjonssyklusen . Etnisitet påvirker også vaginal flora. Forekomsten av hydrogenperoksidproduserende laktobaciller er lavere hos afroamerikanske kvinner og vaginal pH er høyere. Andre innflytelsesrike faktorer som samleie og antibiotika har vært knyttet til tap av laktobaciller. Videre har studier funnet ut at samleie med kondom ser ut til å endre laktobacillinnivået, og øker nivået av Escherichia coli i vaginalfloraen. Endringer i den normale, sunne vaginale mikrobiota er en indikasjon på infeksjoner, som candidiasis eller bakteriell vaginose . Candida albicans hemmer veksten av Lactobacillus -arter, mens Lactobacillus -arter som produserer hydrogenperoksid hemmer veksten og virulensen til Candida albicans i både skjeden og tarmen.

Soppslekter som er påvist i skjeden inkluderer blant annet Candida , Pichia , Eurotium , Alternaria , Rhodotorula og Cladosporium .

Morkaken

Inntil nylig ble morkaken ansett for å være et sterilt organ, men det er identifisert kommensale, ikke -patogene bakteriearter og slekter som bor i morkaken. Imidlertid er eksistensen av et mikrobiom i morkaken kontroversiell som kritisert i flere undersøkelser. Såkalt "placentamikrobiom" er sannsynligvis avledet fra forurensning av regenter fordi prøver med lav biomasse lett blir forurenset.

Livmor

Inntil nylig ble kvinnens øvre reproduktive kanal ansett for å være et sterilt miljø. En rekke mikroorganismer lever i livmoren til friske, asymptomatiske kvinner i reproduktiv alder. Livmorens mikrobiom skiller seg vesentlig fra skjeden og mage -tarmkanalen.

Oral hulrom

Miljøet som er tilstede i den menneskelige munnen tillater vekst av karakteristiske mikroorganismer som finnes der. Det gir en kilde til vann og næringsstoffer, samt en moderat temperatur. Bosatte mikrober i munnen fester seg til tennene og tannkjøttet for å motstå mekanisk spyling fra munnen til magen der syrefølsomme mikrober blir ødelagt av saltsyre.

Anaerobe bakterier i munnhulen inkluderer: Actinomyces , Arachnia , Bacteroides , Bifidobacterium , Eubacterium , Fusobacterium , Lactobacillus , Leptotrichia , Peptococcus , Peptostreptococcus , Propionibacterium , Selenomonas , Treponema og Veillonella . Slekter av sopp som ofte finnes i munnen inkluderer blant annet Candida , Cladosporium , Aspergillus , Fusarium , Glomus , Alternaria , Penicillium og Cryptococcus .

Bakterier akkumuleres på både det harde og myke orale vevet i biofilm, slik at de kan feste seg og streve i det orale miljøet mens de er beskyttet mot miljøfaktorer og antimikrobielle midler. Spytt spiller en sentral biofilm homeostatisk rolle som tillater rekolonisering av bakterier for dannelse og kontroll av vekst ved å løsne biofilmoppbygging. Det gir også et middel til næringsstoffer og temperaturregulering. Plasseringen av biofilmen bestemmer hvilken type utsatte næringsstoffer den mottar.

Orale bakterier har utviklet mekanismer for å føle sitt miljø og unngå eller endre verten. Imidlertid overvåker et svært effektivt medfødt vertsforsvarssystem bakteriekoloniseringen og forhindrer bakteriell invasjon av lokalt vev. Det eksisterer en dynamisk likevekt mellom tannplakkbakterier og det medfødte vertsforsvarssystemet.

Denne dynamikken mellom vertens munnhule og orale mikrober spiller en nøkkelrolle i helse og sykdom da den gir tilgang til kroppen. En sunn likevekt presenterer et symbiotisk forhold der orale mikrober begrenser vekst og vedheft av patogener mens verten gir et miljø for dem å blomstre. Økologiske endringer som endring av immunstatus, endring av mikroorganismer og tilgjengelighet av næringsstoffer skifter fra et gjensidig til parasittisk forhold, noe som resulterer i at verten er utsatt for oral og systemisk sykdom. Systemiske sykdommer som diabetes og hjerte- og karsykdommer har blitt korrelert med dårlig munnhelse. Av spesiell interesse er orale mikroorganismeres rolle i de to store tannhelsesykdommene: karies og periodontal sykdom . Patogenkolonisering ved periodontium forårsaker overdreven immunrespons som resulterer i en periodontal lomme- et dypere mellomrom mellom tannen og gingiva. Dette fungerer som et beskyttet blodrikt reservoar med næringsstoffer for anaerobe patogener. Systemisk sykdom på forskjellige steder i kroppen kan skyldes at orale mikrober kommer inn i blodet og omgår periodontale lommer og orale membraner.

Vedvarende riktig munnhygiene er den primære metoden for å forhindre oral og systemisk sykdom. Det reduserer tettheten av biofilm og gjengroing av potensielle patogene bakterier som resulterer i sykdom. Imidlertid er riktig munhygiene ikke nok, ettersom det orale mikrobiomet, genetikk og endringer i immunrespons spiller en rolle for utvikling av kroniske infeksjoner. Bruk av antibiotika kan behandle allerede spredende infeksjon, men ineffektivt mot bakterier i biofilm.

Nesehulen

Det sunne nesemikrobiomet domineres av Corynebacterium og Staphylococcus. Slimhinne -mikrobiomet spiller en kritisk rolle i modulering av virusinfeksjon.

Lunge

I likhet med munnhulen har øvre og nedre luftveier mekaniske avskrekkende midler for å fjerne mikrober. Pokalceller produserer slim som fanger mikrober og beveger dem ut av luftveiene via kontinuerlig bevegelige ciliated epitelceller. I tillegg genereres en bakteriedrepende effekt av neseslim som inneholder enzymet lysozym. Det øvre og nedre luftveiene ser ut til å ha sitt eget sett med mikrobiota. Lungebakteriell mikrobiota tilhører 9 store bakterieslekter: Prevotella , Sphingomonas , Pseudomonas , Acinetobacter , Fusobacterium , Megasphaera , Veillonella , Staphylococcus og Streptococcus . Noen av bakteriene som betraktes som "normal biota" i luftveiene, kan forårsake alvorlig sykdom, spesielt hos personer med nedsatt immunforsvar; disse inkluderer Streptococcus pyogenes , Haemophilus influenzae , Streptococcus pneumoniae , Neisseria meningitidis og Staphylococcus aureus . Fungal slekter som utgjør lunge mycobiome omfatter Candida , Malassezia , Neosartorya , Saccharomyces , og Aspergillus , blant andre.

Uvanlig fordeling av bakterier og soppslekter i luftveiene observeres hos personer med cystisk fibrose . Deres bakterieflora inneholder ofte antibiotikaresistente og sakte voksende bakterier, og frekvensen av disse patogenene endres i forhold til alder.

Galleveien

Tradisjonelt har galdeveien blitt ansett for å være normalt steril, og tilstedeværelsen av mikroorganismer i galle er en markør for patologisk prosess. Denne antagelsen ble bekreftet av svikt i tildelingen av bakteriestammer fra den normale gallegangen. Papirer begynte å dukke opp i 2013 som viser at den normale galdemikrobiotaen er et eget funksjonelt lag som beskytter en galdekanal mot kolonisering av eksogene mikroorganismer.

Sykdom og død

Menneskelige kropper er avhengige av de utallige bakteriegenene som kilden til viktige næringsstoffer. Både metagenomiske og epidemiologiske studier indikerer viktige roller for det menneskelige mikrobiomet for å forhindre et bredt spekter av sykdommer, fra type 2 diabetes og fedme til inflammatorisk tarmsykdom, Parkinsons sykdom og til og med psykiske lidelser som depresjon. Et symbiotisk forhold mellom tarmmikrobiota og forskjellige bakterier kan påvirke individets immunrespons. Selv om mikrobiombasert behandling i sin barndom også viser løfte, særlig for behandling av medikamentresistent C. difficile- infeksjon og i diabetesbehandling.

Clostridioides difficile infeksjon

En overveldende tilstedeværelse av bakteriene, C. difficile, fører til en infeksjon i mage -tarmkanalen, vanligvis forbundet med dysbiose med mikrobiota som antas å ha vært forårsaket av administrering av antibiotika. Bruk av antibiotika utrydder den fordelaktige tarmfloraen i mage -tarmkanalen, som normalt forhindrer patogene bakterier i å etablere dominans. Tradisjonell behandling for C. difficile- infeksjoner inkluderer et tilleggsregime med antibiotika, men effektiviteten er gjennomsnittlig mellom 20-30%. Forskere erkjente viktigheten av sunne tarmbakterier og vendte seg til en prosedyre kjent som fekal mikrobiottransplantasjon , der pasienter som opplever gastrointestinale sykdommer, som C. difficile infeksjon, mottar fekalinnhold fra et friskt individ i håp om å gjenopprette en normal fungerende tarmmikrobiota. Fekal mikrobiottransplantasjon er omtrent 85–90% effektiv hos personer med CDI som antibiotika ikke har virket på eller hos hvem sykdommen gjentar seg etter antibiotika. De fleste med CDI blir friske med en FMT -behandling.

Kreft

Selv om kreft generelt er en sykdom i vertsgenetikk og miljøfaktorer, er mikroorganismer involvert i rundt 20% av menneskelige kreftformer. Spesielt for potensielle faktorer i tykktarmskreft , er bakterielle tetthet en million ganger høyere enn i tynntarmen , og ca. 12 ganger mer kreftformer forekommer i tykktarmen sammenlignet med tynntarmen, muligens etablere en patogen rolle for bakterieflora i tykktarm og endetarm kreft . Mikrobiell tetthet kan brukes som et prognostisk verktøy for vurdering av tykktarmskreft.

Mikrobiotaen kan påvirke karsinogenese på tre brede måter: (i) endre balansen mellom tumorcelleproliferasjon og død, (ii) regulere immunsystemets funksjon, og (iii) påvirke metabolismen av vertsproduserte faktorer, matvarer og legemidler. Svulster som oppstår på grenseoverflater, for eksempel hud, orofarynx og luftveier, fordøyelseskanaler og urogenitale områder, har en mikrobiota. Betydelig tilstedeværelse av mikrober på et tumorsted etablerer ikke assosiasjon eller årsakssammenhenger. I stedet kan mikrober finne svulst oksygen spenning eller næringsprofil støttende. Redusert populasjon av spesifikke mikrober eller indusert oksidativt stress kan også øke risikoen. Av de rundt 10 30 mikrober på jorden, er ti utpekt av International Agency for Research on Cancer som menneskelige kreftfremkallende stoffer. Mikrober kan utskille proteiner eller andre faktorer som direkte driver celleproliferasjon i verten, eller kan opp- eller nedregulere vertens immunsystem, inkludert å drive akutt eller kronisk betennelse på måter som bidrar til karsinogenese.

Når det gjelder forholdet mellom immunfunksjon og utvikling av betennelse, er overflatehinder i slimhinner utsatt for miljørisiko og må raskt repareres for å opprettholde homeostase . Kompromissløs verts- eller mikrobiota -spenst reduserer også motstand mot malignitet, muligens forårsaker betennelse og kreft. Når barrierer er brutt, kan mikrober fremkalle proinflammatoriske eller immunsuppressive programmer gjennom forskjellige veier. For eksempel ser det ut til at kreftassosierte mikrober aktiverer NF-κΒ-signalering i tumorens mikro-miljø. Andre reseptorer for mønstergjenkjenning, slik som nukleotidbindende oligomeriseringsdomene-lignende reseptor (NLR) familiemedlemmer NOD-2 , NLRP3 , NLRP6 og NLRP12 , kan spille en rolle i formidling av tykktarmskreft. På samme måte ser det ut til at Helicobacter pylori øker risikoen for magekreft på grunn av at det driver en kronisk inflammatorisk respons i magen.

Inflammatorisk tarmsykdom

Inflammatorisk tarmsykdom består av to forskjellige sykdommer: ulcerøs kolitt og Crohns sykdom, og begge disse sykdommene har forstyrrelser i tarmmikrobiota (også kjent som dysbiose ). Denne dysbiosen presenterer seg i form av redusert mikrobielt mangfold i tarmen, og er korrelert med defekter i vertsgener som endrer den medfødte immunresponsen hos individer.

Humant immunsviktvirus

Den HIV- sykdomsprogresjon påvirker sammensetningen og funksjonen av tarmen bakterieflora, med betydelige forskjeller mellom HIV-negative, HIV-positiv, og etter ART HIV-positive populasjoner. HIV reduserer integriteten til tarmepitelbarrierefunksjonen ved å påvirke tette veikryss . Denne sammenbruddet muliggjør translokasjon over tarmepitelet, som antas å bidra til økning i betennelse sett hos mennesker med HIV.

Vaginal mikrobiota spiller en rolle i smittsomheten av HIV, med økt risiko for infeksjon og overføring når kvinnen har bakteriell vaginose , en tilstand preget av en unormal balanse mellom vaginale bakterier. Den forbedrede smittsomheten sees med økningen i proinflammatoriske cytokiner og CCR5 +  CD4 + celler i skjeden. Imidlertid ses en nedgang i smittsomhet med økte nivåer av vaginal Lactobacillus, noe som fremmer en antiinflammatorisk tilstand.

Død

Med døden kollapser mikrobiomet i den levende kroppen og en annen sammensetning av mikroorganismer ved navn nekrobiom etablerer seg som en viktig aktiv bestanddel av den komplekse fysiske nedbrytningsprosessen. De forutsigbare endringene over tid antas å være nyttige for å bestemme dødstidspunktet.

Miljøhelse

Studier i 2009 satte spørsmålstegn ved om nedgangen i biota (inkludert mikrofauna ) som et resultat av menneskelig inngrep kan hindre menneskers helse, sykehusprosedyrer, design av matvarer og behandlinger av sykdom.

Migrasjon

Foreløpig forskning indikerer at umiddelbare endringer i mikrobiota kan oppstå når en person migrerer fra et land til et annet, for eksempel når thailandske immigranter bosatte seg i USA eller når latinamerikanere immigrerte til USA. Tapet av mikrobiota mangfold var større hos overvektige individer og barn til innvandrere.

Se også

Bibliografi

  • Ed Yong. Jeg inneholder mengder: Mikrober i oss og et større syn på livet. 368 sider, Publisert 9. august 2016 av Ecco, ISBN  0062368591 .

Referanser

Eksterne linker