Mikrobiyom; Ekosistem

Transkript

1 Mikrobiyom; Ekosistem Prof. Dr. Serhat Ünal FACP, FEFIM Hacettepe Üniversitesi, Tıp Fakültesi İç Hastalıkları Anabilim Dalı İnfeksiyon Hastalıkları Ünitesi

2 Mikroflora İnsan mikroflorası hastalık ve sağlıkta fonksiyonları olan kompleks bir ekosistemdir. İnsan vücudunda aerobik ve anaerobik bakteri vardır, bu rakam vücuttaki tüm hücrelerden 10 kat fazladır. Bakteriler deri, oral kavite mukozası, üst solunum yolu, üriners ve genital sistemde de bulunur, ancak en yoğun bulunduğu yer GİS dir.

3 Gastro İntestinal Sistem (GİS) Üç ana fonksiyonu vardır Besinlerin sindirilmesi Besin, su ve elektrolitlerin emilimi GİS içi materyalin sindirim ve emilime uygun optimal hızda ilerlemesinin sağlanması

4 İntestinal Ekosistem GİS Non-immun mekanizmalar Mukus tabakası Asit ph /Enzimler Kusma Hareket İloçekal kapak Mukozal bütünlük /permeabilite TJ Dm.

5 GİS Mekanizmaları İmmun mekanizmalar MALT ın parçasıdır Humoral / lokal cevap egemen; siga P P M P P P P P P P M E M T B B B B B P P P P E E M

6 İntestinal Ekosistem GİS Gıda İntestinal Flora

7 İntestinal Ekosistem; Flora Fetus : GİS steril Yenidoğan: GİS steril Mikroflora bir/iki saat içinde oluşmaya başlar 48 saatte kolonda; Enterobacter, staphylococci, streptococci 2. ile 5.gün; Bifidobacterium Ek gıda; E.Coli, Bacteroides spp., Clostridium spp.

8 İntestinal Ekosistem; Flora 400 Tür 100 Trilyon -1 Katrilyon mo 1.5 kg Mikroorganizma Gaita gramı için > 10 8 bakteri kadarı floranın %90 ını oluşturur. Bunların büyük bir kısmı anaerobik ve spor yapmayan mikrorganizmalar oluşturur Bacteroidesler Bifidobacter Eubacteriumlar Propionibacterium Clostridium Enterococcus

9 İntestinal Flora Mide florası; x cfu/gr Lactobasil ler, H.pylori İnce barsakların florası; x cfu/gr Bifidobacter ler, Streptokoklar Lactobasil ler, Bacteroides ler Kalın barsakların florası; 1-2 x cfu/gr Anaeroblar, Enterobacter ler

10 İntestinal Ekosistem - Flora En önemli noktalardan biri mikrobiyal suşların popülasyon boyutu kavramıdır. Bakteri popülasyonu,sayısını dakikada iki katına çıkartma yeteneğine sahiptir; bu nedenle bakteri subdominant durumdan (10 4 /g. barsak içeriği) dominant duruma (10 milyar) kısa sürede geçer ve hastalık oluşturabilir

11 İntestinal Mikroflora İntestinal mukozanın morfolojik gelişimine yardım eder İnvaziv mikroorganizmalara karşı korur Metabolik yarış Reseptör için yarış Toksinlerin degradasyonu İntestinal immun sistemin maturasyonunu sağlar Kronik (fizyolojik) inflamasyonu yaratır Metabolizmaya yardım eder Fiocchi C et.al. Curr.op.in.Gastroent 1994 Intracellular Signal Triggered by Cholera Toxin in S. boulardii and S. cerevisiae. Applied And Environmental Microbiology, p Feb. 1998,

12 Mikrofloranın Metabolik Fonksiyonları Şeker ve selilozun fermentatif dekompozisyonu, Organik asitler ve CO 2 üretimi Yağ metabolizması kolesterol ve trigliserit dengesi Safra tuzlarının dekonjugasyonu Bilirubin, steroid hormonların İlaçların biotrasformasyonu ve absorbsiyonu Vitamin sentezi, absorbsiyonu ve kullanımı Indol,üre ve fenol vb. karsinojenlerin pütrifikasyonu

13 İntestinal Ekosistemin/Dengenin Korunması Flora bakterileri Asit ph Mukus Proteazlar siga İntestinal permeabilite Ama Denge güvenilmezdir...

14 Eko Sistemde Dengeyi Bozanlar Yağlı diyet Proteinli diyet Klorlu su Uzun süreli cerrahi girişim Stres İntestinal patoloji Anemi Hareketsizlik Hazır gıdalar İntestinal infeksiyonlar Kemoteröpatikler

15 İshal Bakteriyal & Viral çoğalma İmmün sist. defekti Mukozal Değişiklikler Enzimatik defekt

16 İlaç Kullanımı Ağrı kesiciler, Barsak düzenleyiciler Ateş düşürücüler, Antidepresanlar Antibiyotikler Tıpta yaygın/yanlış kullanımı Hazır gıdalarla alınanlar Veteriner tebabet ve tarımda kullanım

17 Antibiyotik İlişkili İshal ; Aİİ İshal, antibiyotiklerin sık rastlanan yan etkilerinden biri Sık ve sulu dışkılama Ağır kolit Antibiyotik kullananların % 5-30 unda Tedavi sırasında veya iki ay sonrasına kadar

18 Terminoloji Antibiyotik ile ilişkili ishal C. difficile etkenlerden biridir; % Antibiyotiğe bağlı kolit C.difficile önemli bir etken; % Psödomembranöz enterokolit (PMEK) Hemen tamamen C.difficile ye özel bir tablo, endoskopide psödomembranlar mevcut

19 Antibiyotik İlişkili İshal: Candida albicans Salmonella spp Diğer Nedenler Clostridium perfringens tip A Staphylococcus aureus Noninfeksiyöz sebepler Karbonhidrat ve kısa zincirli yağ asidi metabolizması değişiklikleri Lancet 1984;1:511 Gastroenterology 1990;98:780

20 CDİH'nin Patogenezi Antibiyotik tedavisi Kolon mikrofloranın değişikliğe uğraması C. difficile'ye maruz kalma ve kolonizasyon Toksin A ve toksin B'nin salınması Kolon mukozası hasarı (hemoraji, nekroz) ve inflamasyon Kelly CP ve ark. Annu Rev Med 1998;49:

21 Psödomembranöz Enterokolit

22 C.Difficile İnfeksiyonlarının Tedavisi İlk yapılması gereken mümkün olduğu takdirde sorumlu antibiyotiğin kesilmesidir. Sadece bu uygulama ile hastaların %15-25 inde yanıt alınabilir. Aİİ de çoğu zaman yeterli

23 C.Difficile İnfeksiyonlarında Spesifik Tedavi Metronidazol ( 3 x 500 mg.veya 4x250 mg 7-10 gün) PO Vankomisin (4 x 125 mg gün) PO Her ikisi ile tedaviye yanıt oranları (%80-100) relaps oranları (% 15-25) benzer ve aralarında anlamlı farklılıklar yok.

24 Alternatif Tedavi Seçenekleri (3) İmmünolojik yaklaşımlar Konsantre anti-c.difficile sığır IgG nin C.difficile toksininin sitotoksik ve enterotoksik etkisini azalttığı bildirilmiştir. Oral uygulamayı takiben insan dışkısının nötralizan aktivite içerdiği gösterilmiştir. Çalışmalar sürmekte ve ümit vaat etmektedir.

25 Alternatif Tedavi Seçenekleri (4) Biyoterapi: Komensal barsak florasını yeniden düzenlemeyi, böylece C.difficile ye karşı kolonizasyon direncini sağlamayı amaçlar Lactobacillus acidophilus Lactobacillus GG Enterococcus faecium SF 68 Non-toksinojenik C.difficile Yoğurt Bira mayası Saccharomyces boulardii

26 Barsak florası; kompozisyonda değişim: - Enfeksiyonlara duyarlılık - Bağışıklık sistemi kaynaklı hastalıklar - Kilo alma - İnsulin direnci DM

27 Barsak florası ve Obezite Fare ve insan florası Bacteroidetes (Gram -) Firmicutes (Gram +) Ortak Diyete bağlı olarak değişir? Ley, et al. PNAS. 2005, 102

28 Fare - Lipid üretimi - Yağ hücresi Ley, et al. PNAS. 2005, 102

29 İnsan Florası ve Obezite 12 obez 1 yıl düşük kalorili diyet Yağ kısıtlı (FAT-R) Karbonhidrat kısıtlı (CARB-R) 1 yıl boyunca flora değişimi (16s rrna) Ley R, et al. Nature 2006:444

30 İnsan Florası ve Obezite Ley R, et al. Nature 2006:444

31 İnsan Florası ve Obezite % Bacteriodetes değişimi: CARB-R FAT-R %2 kilo kaybı %6 kilo kaybı Barsak florası/obezite dinamik ilişki Ley R, et al. Nature 2006:444

32 Doctor, I don t eat May be partially true! Gordon J, et al. PNAS 2007;104

33 Fare Yağ oranı yüksek beslenme Flora değişimi Bifidobacterium Eubacterium Clostridium Bacteroides Gram (+) Polymyxin B Plazma LPS Yağ kitlesi Hepatik trigliserid birikimi İnsülin direnci Plazma LPS Hepatik steatoz Kronik inflamasyon Diyabet Obezite

34 1. Sistemik Düşük düzey Sürekli İnflamasyon Obezite DM

35 The Microbiome: transplant experiments Wild type mouse Ob Ob mouse Turnbaugh, et al. Nature 2006; 444

36 The Microbiome: transplant experiments Germ-free mice given ob/ob or wild-type flora Chow consumption and exercise the same for both groups Both sets had similar starting weight and % BF. The ob/ob microbiota promote host adiposity Turnbaugh, et al. Nature 2006; 444

37 Barsak Florası: Bebek Sezaryen Mama ile beslenme Bifidobacterium Çevresel m.o. Desulfovibrio Postnatal immün sistem gelişimi Atopi? 1y. İsveçli çocuklarda C.difficile 20 yıl önce: %10 Şimdi : > %50 İnflamatuvar barsak h.

38 Bebek barsak florası Hijyen hipotezi Erken çocuklukta enfeksiyonlar (Orijinal) atopik hastalıklara karşı korur! Hijyen hipotezi (Genişletilmiş) Bebekken oluşan ilk barsak florası kompozisyonu atopik hastalıklara karşı korunmada anahtar rol oynar!

39 İntestinal Ekosistemde Dengelerin Bozulması Bazı bakterilerin azalması ; atopi Bazı bakterilerin aşırı derecede çoğalması ; distopi Aşırı toksin salınımı Enterositlerde hasar Desmozomlarda hasar Epitelyal bütünlükte bozulma Barsak motilitesinde bozulma Permeabilitede bozulma

40 Bebek barsak florası Kolonizan bakteri Hastalık Hastalık riskini Koruyucu olanlar Atopik dermatit Enterobacteriaceae (E. coli) Bifidobacterium Clostridium(C. difficile) Lactobacillus Staph., Bacteroides Astım C. difficile B. fragilis grup

41 Bebek Beslenmesi ve Flora Christopher G. Owen et al. Pediatrics 2005;115 Sağlık Epitelyal bariyerin gelişimi Besin: biyotin, folat, vitamin K Metabolik destek İmmün sistem gelişimi Hastalık NEK Atopik /allerjik hast Obezite IBD İshal

42 Bebek Beslenmesi ve Flora Anne sütü ile beslenme: Obezite Tip 1,2 DM Christopher G. Owen et al. Pediatrics 2005;115 Otit media, gastroenterit, ASYE, atopik dermatit, astım, Lösemi(çocukluk), NEK

43 Mikrobiyom Mikrop genomu topluluğu

44 Mikrobiyom Belli bir ortamdaki mikropların, onların genetik elemanlarının (genom) ve çevre ile etkileşimlerinin bütünüdür. Mikrobiyom sözcüğü, insan fizyolojisi üzerindeki etkileri nedeniyle insan vücudunda yaşayan mikroorganizmaların insan genomunun bir parçası olarak sayılması gerektiğini öne süren Joshua Lederberg tarafından türetilmiştir Zimmer, Carl (13 July 2010). "How Microbes Defend and Define Us New York Times. Retrieved 17 July Coyle, MD, Walter J.."The Human Microbiome: The Undiscovered Country.p. 16. Retrieved 2 March 2012

45 Mikrobiyom Mikrobiyomun tümü takriben sadece gram ağırlığında olmasına rağmen, insan vücudu insan hücresinden 10 kat fazla mikrobiyal hücre içerir Mikrobiyomlar bundan başka toprak, deniz suyu ve tatlı su sistemleri de dahil olmak üzere bir çok ortamda tanımlanmıştır. Zimmer, Carl (13 July 2010). "How Microbes Defend and Define Us New York Times. Retrieved 17 July Coyle, MD, Walter J.."The Human Microbiome: The Undiscovered Country.p. 16. Retrieved 2 March 2012

46 Mikrobiyom Protistalardan insanlara kadar tüm bitki ve hayvanlar, mikrobiyal organizmalar ile yakın ilişki içinde yaşamaktadır. Ancak yakın zamana kadar, bitkiler ve insanlar ile mikrobiyal dünya arasındaki karşılıklı etkileşim büyük oranda hastalık durumları ve nispeten az sayıda simbiyotik vaka çalışmalarında tanımlanmıştır. Canlı varlıklar izole halde yaşamazlar, ancak kompleks topluluklar bağlamında evrimleşmişlerdir.

47 Mikrobiyom Mikropların nadir simbiyotik vaka çalışmasının çok ötesinde, bir organizmanın fenotipinin önemli bir parçası olduğu gittikçe artarak anlaşılmaktadır. Bir organizmanın tüm yerleşik mikroplarına unutulmuş bir organ denmektedir Boscha TCG, McFall-Ngaib MJ (2011). "Metaorganisms as the new frontier. Zoology 114 (4): Willyard C (24 November 2011). "Microbiome: Gut reaction". Nature 479: S5 S7

48 Mikrobiyom İnsan mikrobiyomu yaklaşık 100 trilyon mikrop hücresi içermekte olup, her 10 hücreye karşı 1 insan hücresi denk gelmektedir (21). Bu nedenle insan fizyolojisini belirgin olarak etkileyebilmektedir. Örneğin, sağlıklı bireylerde mikrobiyota insanda olmayan geniş çapta metabolik fonksiyonları sağlar Gill, S. R.; Pop, M.; Deboy, R. T.; Eckburg, P. B.; Turnbaugh, P. J.; Samuel, B. S.; Gordon, J. I.; Relman, D. A. et al. (2006). "Metagenomic Analysis of the Human Distal Gut Microbiome. Science 312 (5778):

49 Mikrobiyom Hastalıklı bireylerde mikrobiyota değişmekte olup, neonatal nekrotizan enterokolit, inflamatuvar barsak hastalığı Vajionozis gibi hastalıklarla ilişkilidir. Sonuç olarak insan mikrobiyomu önemli bir konu olup, İnsan Mikrobiyom Projesi (Human Microbiome Project ) ve MetaHIT gibi girişimlerle başlamıştır.

50 Mikrobiyom Günümüzde yeni metagenomik ve metatranskriptonomik bilim dallarında tekli hücrelerin ve hatta tüm mikrobiyal toplulukların genom ve gen ekspresyon analizlerini yapmak mümkündür Boscha TCG, McFall-Ngaib MJ (2011). "Metaorganisms as the new frontier. Zoology 114 (4):

51 Mikrobiyom Bu bilginin birçok bilim dalları boyunca araştırmacılara ulaşılabilir olmasını sağlayan çok büyük veritabanları, ve karmaşık veri kümelerini algılayabilen matematiksel analiz metodlarının dahil olduğu pekçok gelişme olmuştur. Boscha TCG, McFall-Ngaib MJ (2011). "Metaorganisms as the new frontier. Zoology 114 (4):

52 Mikroflora ve İnsan Sağlığı Çalışmaları Tek m.o. genomları Farklı yöntemler Meta analiz sonuçları Genomlar arası etkileşim?

53 Dünya Mikrobiyom Projesi (Earth Microbiome Project-EMP ) Doğal örnekleri toplamak ve dünyadaki mikrobiyal toplulukları analiz etmek için başlamıştır. Farklı biomlarda 200,000 kadar örnek toplama hedefini gütmektedir, böylece mikrobiyal kompozisyon ve etkileşim tarafından ekosistemler ve çevreleri karakterize etmek için dünya üzerindeki mikropların tam bir veritabanını meydana getirecektir Bu verileri kullanarak, yeni ekolojik ve evrimsel teoriler öne sürülebilir ve test edilebilir Gilbert, J. A.; Meyer, F.; Antonopoulos, D.; Balaji, P.; Brown, C. T.; Brown, C. T.; Desai, N.; Eisen, J. A. et al. (2010)."Meeting Report: The Terabase Metagenomics Workshop and the Vision of an Earth Microbiome Project. Standards in Genomic Sciences 3 (3):

54 İnsan Mikrobiyom Projesi USA Ulusal Sağlık Enstitüsü (NIH) girişimi olup, hem sağlıklı hem de hasta insanlarla (onların mikrobiyal florası) ilişkili olduğu bulunan mikroorganizmaların tespit edilmesi ve karakterize edilmesi amacıyla planlanmıştır de başlatılmıştır, beş yıllık bir projedir total olarak 115 milyon dolarlık bir bütçesi vardır. Asıl amacı, insan sağlığı ya da hastalığı ile ilgili olarak insan mikrobiyomunun nasıl değiştiğini test etmektir. Peterson, J.; Garges, S.; Giovanni, M.; McInnes, P.; Wang, L.; Schloss, J. A.; Bonazzi, V.; McEwen, J. E. et al. (2009)."The NIH Human Microbiome Project. Genome Research 19 (12):

55 Nisan, 1953 Nisan, 2003

56 İnsan Sağlığı ve Hastalıklar Toplam: gen İnsan Genomu Epigenom Mikrobiyom

57 Epigenetik: Genomda değişiklik olmaksızın fenotipte kalıtsal değişiklikler olması

58 İnsan Epigenom Projesi 2008

59 2008

60 İnsan Mikrobiyom Projesi İnsanda mikrobiyom? Amaç Mikrobiyomda değişiklik Sağlık? Hastalık?

61 İnsan mikrobiyomu

62 İnsan Mikrobiyom Projesi Gerekli yeni teknoloji ve enformatik sistemini geliştirmek Mikrobiyomdaki değişikliklerin hastalıkla ilişkisini gösterecek projelere destek vermek Referans veri tabanı sağlamak

63 İnsan Mikrobiyom Projesi Süre: 5 yıl Bütçe: 115 milyon dolar En az 250 normal gönüllü örneği

64 HMP temel alanları Referans Genomlar 600 üretilen/üretilemeyen bakteri genomu dizi analizi toplam 1000 e ulaşmak 16S RNA dizileme Her vücut bölgesindeki m.o. topluluğunun karmaşıklığını tanımlamak Her bölgede çekirdek mikrobiyom Metagenomik WGS ( Whole genome shotgun) İnsan örneklerinde toplam mikrobiyal genom dizilemesi Mikrobiyomdaki genler arası etkileşim Araştırıcılara destek ve Eğitim

65 Data Analysis and Coordination Center (DACC) for the Human Microbiome Project (HMP).

66 Choosing Reference Organisms: Current breakdown of strains according to body site - Reference genomes isolated from airways - Reference genomes isolated from the gastrointestinal tract - Reference genomes isolated from the oral cavity - Reference genomes isolated from the skin - Reference genomes isolated from the vagina

67 İnsanda Fekal transplantasyon???

68

69