DEMİR VE MİKROBİYOTA

Transkript

1 ÇEVRESEL FAKTÖRLERİN MİKROBİYOTAYA ETKİSİ DEMİR VE MİKROBİYOTA DR. BURÇİN ŞENER HACETTEPE ÜNİVERSİTESİ TIP FAKÜLTESİ TIBBİ MİKROBİYOLOJİ AD 1. ULUSAL İNSAN MİKROBİYOTASI VE SAĞLIĞIMIZA ETKİLERİ KONGRESİ 8-10 ARALIK 2016, ANKARA

2 Sunum Akışı Demir metabolizması Mikroorganizmada demir kullanımı Demir ve mikrobiyota ilişkisi Demir-Mikrobiyota-Hastalık ilişkisi

3 DEMİR=ISPANAK Ispanakta bol miktarda oksalik asit, folik asit, magnezyum ve fosfor vardır. Ispanakta bol miktarda bulunan oksalik asit ıspanaktaki non-heme demirin emilimini bozar.

4 DEMİR Oksijen taşınması ve depolanması Elektron taşınması Oksidatif metabolizma YAŞAM İÇİN VAZGEÇİLMEZ BİR ELEMENT!!!! Hücre büyümesi ve çoğalması Esansiyel reaksiyonların katalizi Toplam vücut demiri 3-4 gramdır

5 Demir Metabolizması Ferröz demir (Fe 2+ ) serbest formunda çok toksiktir. Ferrik demir (Fe 3+ ) fizyolojik ph da çözünmez ve biyoyararlanımı çok düşüktür. Vücutta serbest demir düzeyi çok düşük olup çoğu bağlı formdadır.

6 Demir metabolizması Vücuttaki demirin yaklaşık %70 i hemoglobinde; %25 i ferritin ve denatüre olmuş ferritin yapısındaki hemosiderinde; %3-4 ü miyoglobinde; %0,1 i sitokromlarda; %0,1 i demir-enzim komplekslerinde; %2 si hücreler arası sıvıda %0,1 i plazmada transferrine bağlı olarak bulunur 6

7 Demir emilimi: Fe 2+ iyonu şeklinde Duodenal lumen Başlıca duodenum ve jejunumda İnce bağırsak mukozasında bulunan ferritin ve transferrin demir emilimini birlikte düzenlemektedir. Kan Depo demir= ferritin, hemosiderin 7

8 Demir metabolizması Plazmada demir transferine bağlı olarak organlara taşınır 8

9 MİKROORGANİZMALAR VE DEMİR Demir mikroorganizma için de esansiyel bir element Sitokrom yapısı: oksido-redüksiyon reaksiyonları Enzimatik reaksiyonlarda ANCAK. Bakterinin demire ulaşması zor Salgılarda laktoferrin Kanda transferrin Hücre ve dokularda hemoprotein veya ferritin demiri tutar

10 MİKROORGANİZMALAR VE DEMİR Bakteriler demiri sideroforlar aracılığıyla çalmak zorunda Düşük molekül ağırlıklı, demire yüksek afinite gösteren, bakteriler ve bazı mantarlar tarafından salınan moleküller Demiri ortamdan alıp bakteri hücresine taşırlar Holden VI, Bachman MA. Metallomics 2015

11 Bakteri serbest demire ulaşmak için savaşmak zorunda. Bakteri sitotoksinleri, hemolizinleri ile daha çok hücre parçalayarak demiri çoğaltmaya çalışır; siderofor sentezini arttırır

12 Enfeksiyon halinde durum daha da Demiri başlıca depolayan makrofajlar hepsidin hormonu salınması sonucunda demiri daha fazla tutmaya başlar ve GIS e geçişi azaltır 1. Enfeksiyon anemisi 2. Bakterilerin demiri alması zorlaşır, virülansı azalır. zor Bakterilerde bulunan TbpA proteini demir için transferrinle yarışmakta. 21 farklı primat türünde transferrin sekanslanıyor ve evrim sürecinde transferrinin TbpA dan kurtulmak için farklılaştığı gösteriliyor. Bir besin maddesine karşı gelişen bu yarış konak ve patojenin evrimi açısından bir kanıt!!!! Barber M, Elde N. Science 2014, 346:

13 PATOJEN BAKTERİLERE DEMİRİ VERMEMEK GEREK. MİKROBİYOTA BU NOKTADA NE İŞE YARAMAKTA???

14 GIS MİKROBİYOTASI Konak sağlığında önemli rol oynuyor: Bariyer etkisi Eksojen patojenlerle yarışma etkisi

15 Firmicutes: Bacillus, Clostridia Bacteriodetes: Bacteroides, Porphyromonas Actinobacteria: Actinomyces, Corynebacteria, Nocardia, Streptomyces Proteobacteria: Acetobacter, Sphingomonas, Bordetella, Neisseria, Aeromonas, Enterobacteriaceae, Haemophilus, Pseudomonas, Vibrio, Campylobacter, Helicobacter

16 Artanlar Azalanlar Le Chatelier et al, Nature 2013

17 Denge. Enterik gram negatif bakterilerin çoğu için demir varlığı virülansta ve patojen suşların Bifidobakteriler, laktobasiller / kolonizasyonunda önemli rol oynar. Enterobacteriaceae türleri Demir GIS mikrobiyotasında bulunan pek çok bakteri için esansiyel ancak bariyer fonksiyonu yapan bazı yararlı bakterilerin (örn. Laktobasiller) demir gereksinimi yoktur. Bu oran yükseldikçe Düşük demir Laktobasilleri enfeksiyona arttırır, olan Clostridium direnç ve Bacteroides leri azaltır. artıyor!!!

18 Bakterilerin bağırsaklarda yerleşebilmeleri ortamdaki besin maddelerine bağlı Demir pek çok GIS bakterisinin üremesi ve kalıcılığı açısından esansiyel bir besin elementi S.Typhi ve EHEC demiri sekestre eden mekanizmaları ile patojenitelerini sağlıyorlar Vasquez-Gutierrez P, et al. Frontiers Microbiol 2016, 7: 1480

19 Bifidobakteriler bebeklerde GIS de ilk yerleşen anaerob mikrobiyota üyeleri İntestinal mikrobiyota içeriğini etkiliyor İmmün modülasyon etkileri var

20 Bifidobakteriler Organik asit oluştururak ph yı düşürür Yüksek oranda demiri tutar S.Typhi ve EHEC nin bağırsak epitel hücrelerine adherensi önler Vasquez-Gutierrez P, et al. Frontiers Microbiol 2016, 7: 1480

21 Demiri tutan mikrobiyotanın koruyucu etkisi!!! Özellikle B.pseudolongum ve B.kashiwanohense S.Typhi ve EHEC in bağırsaklara tutunmasını önlüyor. Acaba bu enterik patojenlere karşı önleyici probiyotikler olarak kullanılabilir mi?

22 Diyet yoluyla alınan ve absorbe olmayan demir kolondaki mikrobiyota dengesini bozarak patojenik bakterilerin artışına neden olabilir mi? Demirin artan dozları GIS E.coli oranında artış Düşük demir = Doğal antibiyotik Besinsel bağışıklık Diyare

23 Oral demir disbiyozisi tetikler!!!

24 İnflamasyon durumunda E.coli sideroforu olan enterobactin konağın savunma mekanizması olan MPO sistemini inhibe eder E.coli inflamasyon olan bağırsakta artar!!! Hypoferremia in the inflamed gut signals bacteria (E. coli) to produce more enterobactin (Ent), which not only helps to efficiently acquire iron from the environment but also inactivates host antibacterial enzyme myeloperoxidase (MPO). The dual activities of Ent provide a survival advantage despite the inflammatory milieu, resulting in E. coli bloom. The inhibition of MPO activity by Ent is counterregulated by host siderophore-binding protein, Lipocalin 2.

25 Mutaflor : E.coli Nissle 1917 Alfred Nissle, 1. Dünya Savaşı sırasında Balkanlarda dizanteri, tifo, paratifoya yakalanmayan bir askerin dışkısında izole edilen bir E.coli suşu Dört farklı siderofor içeren bir suş: Enterobactin, salmochelin, aerobactin ve yersiniabactin Almanya da kolit ve kabızlık tedavisinde yıllarca kullanılmış..

26 Beslenmenin demir düzeyi ve mikrobiyota üzerine nasıl etkisi olmakta?

27 Afrika, Fildişi sahili Çift kör randomize kontrollü çalışma 6-14 yaş çocuklar (n=139) 6 ay demir katkılı ve katkısız bisküvi ile beslenme Demir katkılı bisküvi (Fe:20 mg/gün), haftada 4 gün

28 Fe DAHA PATOJENİK BİR GIS MİKROBİYOTA PROFİLİ Enterik bakteriler artar, laktobasiller azalır. GIS de enflamasyon Anemik Afrikalı çocuklarda.. Zimmermann 2010

29 Güney Afrika kırsalında, randomize plasebokontrollü çalışma 38 hafta izlem, 6-11 yaş demir eksikliği anemisi olan çocuk 22 çocuk 50 mg Fe (FeSO4) 4 gün/hf. 27 çocuk plasebo 24 çocuk referans grup (Fe eksikliği olmayan)

30 Fekal örnekleme Kantitatif PCR 10 bakteri grubu araştırılıyor Fekal SCFA (short chain fatty acid) düzeyi Fekal kalprotektin

31 Fe desteği öncesi Fe eksikliği olan ve olmayan gruplar arasında bağırsaklardaki bakteri grupları, fekal SCFA ve fekal kalprotektin açısından fark yok. Düşük enteropatojen yükü olan Afrikalı çocuklarda Fe desteği bağırsaklardaki bakteri gruplarının içeriğini, fekal SCFA ve fekal kalprotektin düzeyini belirgin ölçüde etkilemiyor.

32 Her ikisi de Afrika da yapılan bu iki çalışmanın sonuçları çok farklı??? Fildişi sahilinde yapılan çalışma daha düşük kalitede su kullanan ve beslenme olanakları daha kısıtlı Demirin bir konak bölgede ve patojen yapılmış... üzerindeki Yani etkisi: Konağın bazal demir düzeyi Yaş Bağışıklık durumu GIS enteropatojen yükü GIS mikrobiyota içeriği ile ilişkili

33 Sadece anne sütüyle beslenen 5 aylık 45 bebek 3 farklı beslenme grubu Ticari olarak hazırlanmış püre et Demir ve çinko katkılı bebek maması Sadece demir katkılı bebek maması 9-10 aylığa kadar takip Aylık fekal örnekleme Enterik mikrobiyom analizi (14 bebekte)

34 Fe-katkılı mama ile beslenen gruplarda günlük demir alımı etle beslenen gruba göre daha yüksek

35 Dışkı mikrobiyotasında en yaygın olanlar: Firmicutes ve Bacteroidetes Mikrobiyota dağılımı bir bireyde zaman içinde ve ayrıca bireyler arasında değişkenlik gösteriyor. Bacteroidetes azalınca yerini Proteobacteria, Actinobacteria veya Firmicutes türleri alıyor.

36 Demir katkısı ile enterik bakterilerin arttığına dair bir veri yok Sadece demir katkılı mama alanlarda Actinobacteria (Bifidobacteria ve Rothia) ve Laktobasiller azalıyor, Bacteroides türleri daha baskın Et ile beslenen grupta Clostridia grup XIVa artıyor bütirat artışı İmmünmodülatuvar etki (İBH a karşı koruma sağlıyor!!)

37 Enfeksiyon yükü yüksek bölge Bağırsaklarda kronik inflamatuvar bir durum Hepsidin düzeyinin yükselmesi Toksik radikal oluşumu Bağırsaklarda demirin artması Enterositlerden dolaşıma demir emiliminin bozulması İNFLAMASYON

38 Demir-Mikrobiyota-Hastalık İlişkisi

39 Crohn hastalığı-demir-mikrobiyota Crohn hastalığı GIS de ağızdan anüse kadar bir veya birkaç bölümü tutabilen bir inflamatuvar bağırsak hastalığı Sağlıklı insanlarda bağırsak mikrobiyotasının önemli kısmını oluşturan Firmicutes ve Bacteroidetes ler İBH olgularında belirgin olarak azalmakta, Proteobacteria ve Actinobacteria genuslarında anlamlı bir artış görülmekte bütirat azalmakta proinflamatuvar sitokinler üzerine olan inhibitör etki ortadan kalkmakta inflamasyon İBH tedavisinde Clostridium IX a ve VI gruplarını içeren probiyotik ürünlerin kullanımı

40 Oral demir alımı bağırsakta bakteri topluluklarını önemli oranda azaltıyor Demir proinflamatuvar etkiye sahip İnflamatuvar bağırsak hastalıklarının tedavisinde aktif hastalık sırasında oral demir kullanımı önerilmemekte FeSO 4 içermeyen bir diyet Crohn ileitis gelişimini önlüyor

41 Ülseratif kolit-bağırsak mikrobiyotası- Demir ilişkisi Ülseratif kolit patogenezinde bağırsak mikrobiyotasının rolü? E.coli ülseratif kolit ilişkisi? E.coli inflamasyonu arttırıyor X azaltıyor Demirin bu ilişkideki rolü?

42 E.coli hem Fe2+ i tutarak hem de H 2 O 2 yi parçalayarak inflamasyonu geriletiyor E.coli de: Katalaz genleri (katg, kate) (+) Demir tutan siderofor genleri (feob, fepa, fhua, feca, iron, fyua, iuta) (+) Bağırsak mukozasında inflamasyon ve doku hasarı heme molekülünün parçalanması yüksek konsantrasyonda Fe+2 açığa çıkması katg gen ekspresyonu H 2 O 2 nin parçalanması remisyon Pilarczyk-Zurek, BMC Gastroenterol, 2016, 16: 128

43 Ortamda demir artarsa E.coli daha kolay üremekte Non-patojenik E.coli suşları Oral yolla alınan ülseratif çözünür koliti geriletmek demir oranının artması GIS amacıyla hastalığı kullanılabilir olanlarda mi? mikrobiyotada istenmeyen değişikliklere yol açarak enterik patojenlerin adherensini arttırıyor. Pilarczyk-Zurek, BMC Gastroenterol, 2016, 16: 128

44 Demir tedavisi: İnflamasyonu indükler demir emilimini bozar Emilmeyen demir GIS mikrobiyotasını değiştirir Anti-oksidan kullanımı? Demirin indüklediği inflamasyonu azaltır mı? Vit E

45 Demir katkısı daha patojenik bir mikrobiyal profil ortaya çıkarmıyor, aksine Escherichia spp. azalıyor Fe+Vit E alanlar Roseburia türü artıyor bütirat üretimi yükseliyor kolonda kan akımı uyarılıyor kolonositlerin bariyer fonksiyonu desteklenir

46 Demir, mikrobiyota ve kolorektal kanser Kolorektal kanserlerde demir eksikliği ve anemi sık görülmekte Oral veya i.v. demir bu eksikliği düzeltmekte Ancak..aşırı demir kolorektal karsinogenesisi desteklemekte Ng O. Wien Med Wochenschr (2016) 166:

47 Vücutta demir deposu arttıkça kolon Ca riski artıyor.. Fazla demir Disbiyozis S.bovis, Bacteroides, E.faecalis ve Clostridium spp artış İnflamasyon ve Karsinogenez Hidrojen sülfit, safra tuzları artışı

48 Patojen türlerin kolonizasyonu nu önler Demiri bağlar Bifidobacterium longum ve Lactobacillus acidophilus Safra tuzlarının mutajenik etkilerini azaltır Bütirat üretimi Anti-karsinojenik etki

49 SONUÇ

50 Şimdilik bilinenler.. Demir eksikliği GIS mikrobiyotasını değiştirmektedir. Oral yolla alınan yüksek doz çözünür demir mikrobiyota üzerinde istenmeyen etkilere sahip Demir desteğinin mikrobiyotaya etkisi baz Fe düzeyi ile yakından ilişkili İntravenöz demir kolon mikrobiyotasını daha az etkileyerek demirin istenmeyen etkilerini önleyebilir mi? Demir proinflamatuvar etkiye sahip İBH olanlarda oral demir kullanımı önerilmemektedir

51 Araştırma alanları Ciddi demir eksikliği anemisi durumunda diyetle alınan demir desteğinin potansiyel patojenik mikrobiyota üzerine olan negatif etkileri nasıl modifiye edilebilir? Daha özgün analizler Yeni prospektif çalışmalar Farklı coğrafi bölgeler Farklı hasta grupları Demir tedavisi ile birlikte farklı pre-, pro-biyotiklerin kullanımı inflamasyonu nasıl etkiliyor?

52 Araştırma alanları Kişiselleştirilmiş tıp alanında: Demir hangi hastalara verilebilir? Demir desteği sadece Fe eksikliği anemisi kanıtlanmış bebeklere mi verilmeli, tüm bebeklere değil. Rutin tanıda kullanılabilecek yeni biyobelirteçler : demir tedavi için kullanılsın/kullanılmasın Örn. Hepsidin

53 2500 yıl önce.. İlaçlar yiyecekleriniz, yiyecekleriniz ilaçlarınız olsun..