hirdetés
2019. augusztus. 22., csütörtök - Menyhért, Mirjam.

A gyulladásos bélbetegségek és a mikrobióta kapcsolata

A mikrobióta módosítása a jövőben a személyre szabott terápia fontos részét képezi majd, azonban ehhez elengedhetetlen, egyrészt hogy a mikrobióta állapotának, mintázatának a meghatározott protokollok szerinti kimutatása és értékelése standardizálva legyen.

 

hirdetés

 

A gyulladásos bélbetegségek (inflammatory bowel diseases, IBD) patogenezisének alapvető oka nem ismert, a genetikai prediszpozició, a táplálkozás és a környezeti tényezők mindegyike fontos szerepet játszik, és együttesen a nyálkahártya gyulladásos reakcióját váltják ki. A bélrendszerben egy igen bonyolult mikrobiális közösség található, amely a táplálék megemésztése mellett az immunrendszer szabályozásában is részt vesz. A bél mikrobiótája, túlnyomó többségében, a több mint 1000 fajt képviselő körülbelül 1014 baktériumsejtből áll, de a baktériumok mellett archeák, gombák és vírusok is előfordulnak.

IBD pathogenezisében a bél mikrobióta összetételének fontos szerepe van

Az egészséges emberekben a két domináns baktérium törzs: a Bacteroidetes és a Firmicutes, és az ide tartozó baktériumok a bakteriális közösség mintegy 90% -át teszik ki.  Mindkét törzsre jellemző, hogy a hozzájuk tartozó baktérium fajok csak szigorúan anaerob körülmények között életképesek. Ez a két törzs felelős elsősorban az élelmi rostok rövid szénláncú zsírsavakká – acetáttá, propionáttá és butiráttá – történő átalakításáért. A butirát amellett, hogy a vastagbél enterociták energiaforrása, gyulladásgátló tulajdonságokkal is rendelkezik. A normál bélflórában kismértékben az Actinobacteria és a Proteobacteria törzsek is jelen vannak, az ide tartozó fakultatív anaerob baktériumok kolonizációs rezisztenciát biztosítanak a patogén baktériumok ellen, vagyis jelenlétük megakadályozza a kórokozó baktériumok kitapadását és elszaporodását (1,2).

Az IBD pathogenezisében a bél mikrobióta összetételének fontos szerepe van, ezt bizonyítja, hogy az IBD-s betegekben a bakteriális diverzitás csökkenését, és a baktériumok összetételének megváltozását figyelték meg az egészséges kontrollokhoz viszonyítva.  A gazdaszervezet és a mikrobák kölcsönhatását ugyanakkor a gazdaszervezet genetikai adottságai is befolyásolják, így adott a gazdaszervezet genetikai tulajdonságainak prediszponáló szerepe is (1,2).

Az IBD kialakulásában felmerült egyes kórokozók etiológiai jelentősége, azonban a potenciális célzott kórokozó ágensek elleni terápiás vizsgálatok eddig nem voltak sikeresek. A legvitatottabb baktériumok, melyeknél felmerült az etiológiai szerep a Mycobacterium avium paratuberculosis (MAP), az adherens invazív Escherichia coli (AIEC), a Clostridium difficile, a Campylobacter és a Salmonella (1,2).

A mikrobióta bakteriális összetételének változása IBD-s betegekben

IBD-ben a mikrobióta diverzitása csökken, a résztvevő baktériumok csíraszáma nem változik, de a közösséget létrehozó baktérium fajok száma jelentősen csökken. A betegek mikrobiomjának – a mikrobióta genomjának – a metagenomikai vizsgálata szerint a részt vevő egyedi baktériumok 25%-kal kevesebb fajba sorolhatóak be. Néhány tanulmány azt mutatja, hogy az IBD-s betegek mikrobiomjában a Mycobacterium avium paratuberculosis (MAP), a Clostridium difficile, a Ruminococcus gnavus és az adherens invazív Escherichia coli (AIEC) nagyobb mértékben mutatható ki, miközben Faecalibacterium prausnitzii, Roseburia hominis, Lactobacillus, Bifidobacterium és Akkermansia fajok egyedei az IBD-s betegekben kisebb mértékben vannak jelen vagy hiányoznak.

A Crohn-betegek és a colitis ulcerosás betegek retrospektív vizsgálatai során számos a megbetegedésekkel összefüggő baktérium-taxont azonosítottak. Ezek elsősorban az IBD-vel mutattak összefüggést, de néhány taxon szelektív volt csak a Crohn-betegségre illetve csak a colitis ulcerosára. Firmicutes és Proteobacteria törzsekhez tartozó egyes baktériumok - például az Enterobacteriaceae, Ruminococcus gnavus és a Desulfovibrio -gyakoribbá válása a betegség aktivitásával függ össze (3). Ezzel szemben a Firmicutes és a Bacteroidetes baktériumok egy csoportja elsősorban egészséges emberekben figyelhető meg és IBD-s betegeknél még a klinikailag inaktív időszakban is gyakran csak kis mennyiségben találhatóak, vagy nincsenek jelen. Ilyen baktériumok a például a F. prausnitzii, a Lachnospiraceaeés az Akkermansia speciesek.

Az alacsony kockázatú IBD-s betegek intestinális mikrobiomjában elsősorban a Bacteroidales, a Ruminococcacae, a Clostridiales, az Erysipelotrichaceae, a Bifidobacteriaceae figyelhető meg. A magas kockázatú betegek esetében pedig az Enterobacteriaceae, az Enterococcaceae, a Lachnospiraceae (Blautia, Dorea) és a Prevotella jelenlétével mutattak ki összefüggést. Az IBD-s betegek aktív betegséggel pedig az Enterobacteriaceae, Gemellaceae, Neisseriaceae, Pasteurellaceae, Fusobacteriaceae, Veillonellaceae jelenléte volt kapcsolatba hozható (4).

Mikrobióta funkcionális változása IBD-s betegekben

IBD-s betegekben a mikrobiális közösségek megváltozása a mikróbák anyagcseréjének a megváltozásával jár együtt, többek között a megnövekedett mikrobiális oxidatív stresszel, csökkent szénhidrát-anyagcserével és aminosav-bioszintézissel, valamint a mikróbák megnövekedett tápanyag-transzportjával és felvételével. Az IBD-s megbetegedés és a betegség aktivitása összefüggést mutatott a nyálkahártya gyulladását elősegítő másodlagos epesavak szintjének a megemelkedésével, melynek hátterében a baktériumok megváltozott enzim aktivitása áll (5).

IBD-s betegekben ezzel szemben a rövid szénláncú zsírsavak szintje a székletben jelentősen csökken.  Tekintettel arra, hogy a rövid szénláncú zsírsavak (pl.: butirát) termelése kizárólag az enterális mikrobióta által történik, ezért szintjük csökkenése korrelál a termelésükhöz kapcsolódó mikroorganizmusok, elsősorban a metanogén baktériumok csökkenésével. A butirát az egészséges bél normál működésében meghatározó szerepet játszik. A bélnyálkahártya számára a butirát a fő energiaforrás, ezért a butirát szintje, a sejtekben a génexpresszió, a gyulladás, a differenciálódás és az apoptózis fontos szabályozója a gazdasejtekben és kulcsszerepet játszik a baktériumok energia metabolizmusában is. Így a butirát-termelő baktériumok csökkenése elősegíti a bél nyálkahártya-károsodását (6,7).

Az IBD betegek kezelésre adott válasza és a mikrobióta közötti összefüggés

Retrospektív vizsgálatok megerősítettek, hogy az IBD betegek esetében a kezelésre adott válaszok összefüggést mutatnak a mikrobióta összetételével. Bizonyos baktériumok, mint az Eubacterium rectale és Bifidobacterium spp. mennyiségének növekedése előrejelezte az anti-TNF-alfa-kezelésre adott javuló állapotot. Crohn-betegek enterális táplálásra adott klinikai válasza szintén a mikrobiális összetétel megváltozásával társult. Azonban ebben a mikrobióta változásban a F. prausnitzii- mint a megváltozott bélnyálkahártya homeosztázisában fontos szerepet játszó prominens enterális bakterium -, nem jutott fontos szerephez. A szteroid kezelésre reagáló betegek mikrobiótája az egészséges egyének mikrobiotójához vált hasonlóvá a mikrobiom diverzitás és összetétel tekintetében is. A széklet transzplantációval kezelt és arra jól reagáló colitis ulcerosás betegek esetében a székletben az egészséges mikrobiotával összefüggésbe hozott IV, XIVa és XVIII Clostridium klaszterek helyreállását és a Bacteroidetes mennyiségének csökkenését figyelték meg. Ahogy az enterális táplálás után, így itt sem találtak összefüggést a F. prausnitzii és a kezelésre adott reakció között.  Az autológ széklettranszplantációt követően a responder és a non-responder csoport szintén különbséget mutatott mikrobióta tekintetében; megváltozott a Bacillusok, Proteobacteriumok és a Bacteroidetes aránya (8).

A mikrobióta vizsgálatának lehetőségei

A mikrobióta szerepének a megértésében a „next-generation sequencing” (NGS) (következő generációs szekvenálás) komoly szerepet játszik. Ezen szekvenálási módszer forradalmi változást eredményezett, mert lehetővé tette többek között a bélflóra (bél mikrobióta) összetételének a meghatározását anélkül, hogy szükség lenne a különböző mikrobák kitenyésztésére. A legelterjedtebb módszer a mikrobiális közösségek baktérium összetételének jellemzésére a baktériumok erősen konzervált 16S rRNS gén meghatározott szakaszának NGS szekvenálásával történik. Ez a technika betekintést nyújt a különböző baktérium osztályok összetételébe, azonban nem minden esetben alkalmas a species szintű meghatározásra. A mikrobiális összetétel species és törzs szintű vizsgálatához metagenomikai NGS szekvenálás és a genomok de novo összeszerelése szükséges. A baktériumokat pontosan azonosító szekvencia adatoknak a kimutatása és taxonómiai elemzése jól körülhatárolt és viszonylag ár/érték arányban elfogadható. (9). Az utóbbi időben egyre nagyobb hangsúlyt kap a mikrobiális összetételen túl a mikrobákhoz kapcsolódó funkciók vizsgálata, mely az IBD-s beteg esetében a betegség aktivitásával mutat összefüggést.  Így további módszerek kerülnek alkalmazásra a transzlációs kutatásban, pl.: a mikrobiális minták transzkripciós vagy metagenomikai analízise, illetve a bakteriális eredetű metabolitok vagy fehérjék meghatározása az enterális mintákban (10,11,12.)

A mikrobiális minták transzkripciós és metagenomikai analízise nagy teljesítményű nukleinsav-szekvenáló módszereken alapszik. A metabolitok, fehérjék meghatározása NMR, folyadékkromatográfiás tömegspektrometriás, illetve LC-MS-sel történhet. Ezek a technikák jelenleg elsősorban adatgyűjtésre alkalmasak, mivel a bioinformatikai eredemények értékelése és megítélése folyamatos változik, és jelenleg még nem alkalmasak biomarkerként történő felhasználásra, mivel a detektálás inkább relatív, mint abszolút meghatározásra korlátozódik (13,14).

Nemrég új technika került bemutatásra, melynek során IBD-s betegek székletéből IgA antitestekkel fedett baktériumok meghatározása történt flow-cytometriás elkülönítés majd 16S szekvenálást követően. Ez a technika új perspektívát nyithat, melynek során a beteg saját enterális IgA-reakciója azonosíthatja az IBD pathomechanizmusában szerepet játszó baktériumokat, melyek célzott személyre szabott eltávolítása vagy helyreállítása megfordíthatja vagy megakadályozhatja az IBD kialakulását (15).

A mikrobióta összetételének vizsgálata, mint az IBD biomarkere

Jelenleg a mikrobiom vizsgálathoz nincsenek egységes protokollok. A mintavételre, előkészítésre és feldolgozásra vonatkozó protokollok szükségesek, hogy a mikrobiom összetételére vonatkozó eredmények a diagnosztikába valamint a kezelésben alkalmazhatóak legyenek. Azonban, egyre több ígéretes eredmény van arra vonatkozóan, hogy a mikrobiom biomarkerként történő felhasználása a közeli jövőben elérhető lesz. Először is, a bélnyálkahártyáról, biopsziából, származó mikrobiom korrelál az IBD-s beteg állapotával, mint a széklet eredetű mikrobiom (16). Ezen túlmenően az IBD által érintett résztől távoleső nyálkahártyáról - például Crohn-betegek rectális nyálkahártyájáról - származó mintának is prediktív értéke van a betegség stádiumának meghatározásában. Kis mintaszámú vizsgálatokban IBD-vel összefüggő mikrobiom változást mutattak ki a nyálban (17) és a nyelvről is (18). Ezek a megfigyelések arra engednek következtetni, hogy az IBD-ben általános ökoszisztéma-változás lép fel, amelyet a jelenlegi adatok alapján minimálisan invazív mintavételezéssel (pl. a rectális nyálkahártyából történt mintával) is lehet majd diagnosztizálni.

A mikrobióta összetételének biomarkerként történő alkalmazását a 16S szekvenálási technika megbízhatósága alkalmassá teszi a jövőben akár klinikai laboratóriumi felhasználásra is. E mellett számos 16S szekvenáláson alapuló algoritmus áll jelenleg fejlesztés alatt, hogy akár egy egyszerű adat, mint például a diszbiózis index is klinikai felhasználásra kerülhessen (16).

Azonban, a klinikai alkalmazhatósága ezeknek az analíziseknek jelenleg még nem kiforrott. A mikroorganizmusok rendkívüli diverzitásában különbségek figyelhetők meg nemcsak az egyének között, de egy adott személy mikrobiótája is az idővel jelentős változást mutat a különböző hatásokra (19,20). Ennek megfelelően az IBD-s betegek és az egészséges egyének között is nagy a különbség található a mikrobiális összetétel tekintetében (16).

Az IBD diagnózisában, fenotípus meghatározásánál és a kezelésre adott válasz esetében a kiválasztott indikátor mikroorganizmusok, illetve a mikrobiális indexek prediktív értéke alacsony. Mindazonáltal, a mikrobiális összetételt jellemző markerek hozzáférhetőségével, valamint gyakoribb alkalmazásukkal a humán vizsgálatok során, a jövőben biomarkerkénttörténő felhasználásuk az adatok finomításával egyértelművé válhat. Hosszú távon úgy tűnik, egy másik, új diagnosztikai irányvonal is kialakul, mely a székletben, a vérben, nyálban vagy akár a vizeletben is a mikrobiális összetételt, különböző a mikroorganizmusok által termelt metabolitok kimutatásával jellemezné.

Végül, új lehetőségeket nyit az IgA-kötő mikrobák új generációs szűrésére, az IBD-ben megfigyelhető releváns fajok monitorozása, illetve terápiás célzattal történő kimutatása céljából.

A mikrobióta módosítása a jövőben a személyre szabott terápia fontos részét fogja képezni, azonban ehhez elengedhetetlen, egyrészt hogy a mikrobióta állapotának, mintázatának a meghatározott protokollok szerinti kimutatása és értékelése standardizálva legyen.

FERRING/VSL/2019/03/230

Irodalomjegyzék:

  1. Morgan XC, Tickle TL, Sokol H, et al. Dysfunction of the intestinal microbiome in inflammatory bowel disease and treatment. Genome Biol. 2012;13:R79
  2. Kostic AD, Xavier RJ, Gevers D. The microbiome in inflammatory bowel disease: current status and the future ahead. Gastroenterology. 2014 46(6):1489-99.
  3. Tong M, Li X, Wegener Parfrey L, et al. A modular organization of the human intestinal mucosal microbiota and its association with inflammatory bowel disease. PLoS One. 2013;8:e80702
  4. Dubinsky M, Braun J. Diagnostic and prognostic microbial biomarkers in IBD. Gastroenterology. 2015 Oct; 149(5): 1265–1274.e3.
  5. Devkota S, Wang Y, Musch MW, et al. Dietary-fat-induced taurocholic acid promotes pathobiont expansion and colitis in Il10−/− mice. Nature. 2012;487:104–8.
  6. Barcenilla A, Pryde SE, Martin JC, et al. Phylogenetic relationships of butyrate-producing bacteria from the human gut. Appl Environ Microbiol. 2000;66:1654–1661.
  7. Smith PM, Howitt MR, Panikov N, et al. The microbial metabolites, short-chain fatty acids, regulate colonic Treg cell homeostasis. Science. 2013;341:569–73.
  8. Rossen NG, Fuentes S, van der Spek MJ, et al. Findings From a Randomized Controlled Trial of Fecal Transplantation for Patients With Ulcerative Colitis. Gastroenterology. 2015;149:110–118 e4
  9. Tong M, Jacobs JP, McHardy IH, et al. Sampling of Intestinal Microbiota and Targeted Amplification of Bacterial 16S rRNA Genes for Microbial Ecologic Analysis. Curr Protoc Immunol. 2014;107:7 41 1–7 41 11.
  10. Huttenhower C, Kostic AD, Xavier RJ. Inflammatory Bowel Disease as a Model for Translating the Microbiome. Immunity. 2014;40:843–854.;
  11. De Preter V, Verbeke K. Metabolomics as a diagnostic tool in gastroenterology. World J Gastrointest Pharmacol Ther. 2013;4:97–107.
  12. Storr M, Vogel HJ, Schicho R. Metabolomics: is it useful for inflammatory bowel diseases? Curr Opin Gastroenterol. 2013;29:378–83.; Nyangale EP, Mottram DS, Gibson GR. Gut microbial activity, implications for health and disease: the potential role of metabolite analysis. J Proteome Res. 2012;11:5573–85.
  13. Kaever A, Landesfeind M, Feussner K, et al. MarVis-Pathway: integrative and exploratory pathway analysis of non-targeted metabolomics data. Metabolomics. 2015;11:764–777.;
  14. Goedert JJ, Sampson JN, Moore SC, et al. Fecal metabolomics: assay performance and association with colorectal cancer. Carcinogenesis. 2014 Sep;35(9):2089-96.)
  15. Palm NW, de Zoete MR, Cullen TW, et al. Immunoglobulin A coating identifies colitogenic bacteria in inflammatory bowel disease. Cell. 2014;158:1000–10.
  16. Gevers D, Kugathasan S, Denson LA, et al. The treatment-naive microbiome in new-onset Crohn’s disease. Cell Host Microbe. 2014;15:382–92.
  17. Said HS, Suda W, Nakagome S, et al. Dysbiosis of salivary microbiota in inflammatory bowel disease and its association with oral immunological biomarkers. DNA Res. 2014;21:15–25.
  18. Docktor MJ, Paster BJ, Abramowicz S, et al. Alterations in diversity of the oral microbiome in pediatric inflammatory bowel disease. Inflamm Bowel Dis. 2012;18:935–42.
  19. .Wu GD, Compher C, Chen EZ, et al. Comparative metabolomics in vegans and omnivores reveal constraints on diet-dependent gut microbiota metabolite production. Gut. 2016 Jan;65(1):63-72
  20. Caporaso JG, Lauber CL, Costello EK, et al. Moving pictures of the human microbiome. Genome Biol. 2011;12:R50.
Prof. dr. Szabó Dóra, Semmelweis Egyetem, Orvosi Mikrobiológiai Intézet, igazgató
a szerző cikkei

cimkék

Olvasói vélemény: 10,0 / 10
Értékelés:
A cikk értékeléséhez, kérjük először jelentkezzen be!

A rovat támogatója

 


Ferring Magyarország Kft,
Székhely: 1138 Budapest, Tomori utca 34.
Elektronikus elérhetőség: This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.