Tsvetan Velinov, UMHAT „Alexandrovska” EAD

microbiom

Corespondenţă: Conf. Dr. Tsvetan Velinov, MD, șeful Laboratorului Central de Microbiologie, Spitalul Universitar „Alexandrovska” EAD, CLM, Bulevardul „St. Georgi Sofiyski ”№ 1, 1431 Sofia; E-mail: [email protected]

rezumat

Cuvinte cheie: microbiom, microbiotă, căi respiratorii

Descoperirea lui A. van Leeuwenhoek din 1683 că există microbi în corpul nostru a fost foarte surprinzătoare și, fără îndoială, a stârnit un mare interes și entuziasm în rândul oamenilor de știință din secolul al XVII-lea. De atunci, acești însoțitori ai noștri nu au încetat să ne surprindă. În primul rând, au devenit un motiv de frică, deoarece au potențialul de a provoca o serie de boli, dintre care unele (cum ar fi meningita și pneumonia) pun viața în pericol. Într-o etapă ulterioară, am descoperit că acestea sunt comensale pe care trebuie să le prețuim și să le protejăm, deoarece acestea sunt esențiale pentru dezvoltarea noastră, participă la protecția noastră împotriva agenților patogeni exogeni și ne furnizează nutrienți, energie și vitamine. Acum, în a doua decadă a secolului 21, aflăm că și ei participă la construcția fizicului nostru, ne determină comportamentul și starea de spirit. Dezvoltarea relației noastre cu microflora a dus la realizarea faptului că ne așteaptă multe alte surprize.

Cunoașterea microbilor cu care trăim a crescut semnificativ în ultimii ani. Un indicator al interesului pe care îl manifestăm față de această populație sunt publicațiile din PubMed: în 2017 au fost publicate peste 7.000 de studiouri, de aproape opt ori mai mult decât în ​​2000.

Care este explicația acestui interes tot mai mare pentru microflora umană și, în special, pentru microbiologie? Se pare că există două forțe motrice: în primul rând, este interesul crescut pentru importanța microbiomului pentru dezvoltarea umană, nutriție, comportament, sănătate și boli; în al doilea rând, dezvoltarea tehnologiilor care ne permit să studiem nu numai compoziția cantitativă și a speciilor microflorei, ci și metabolismul acesteia, cu impactul corespunzător asupra macroorganismului.

De mult timp se știe că un grup de microorganisme cunoscute sub numele de agenți patogeni provoacă boli infecțioase severe. Alte microorganisme (parte a florei noastre normale) în anumite circumstanțe pot provoca diverse stări de boală - așa sunt. „Patogen condiționat”. Recent, există suficiente dovezi că multe dintre microorganismele care ne locuiesc joacă un rol important în menținerea sănătății și bunăstării umane. Aici vreau să clarific câțiva termeni:

· „Microbiota” este compoziția calitativă și cantitativă a microorganismelor care locuiesc pe o nișă ecologică;

· „Microbiomul” este informația genetică purtată de aceste microorganisme. La sfârșitul secolului al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea, mulți dintre membrii a ceea ce identificăm acum ca microbiota noastră s-au dovedit a fi cauza mai multor infecții, cum ar fi exemplele prezentate în tabel. 1.

Lipsa cunoștințelor suficiente în momentul în care microflora normală a fost identificată a acestor microbi ca agenți patogeni și, de fapt, sunt prezenți, dacă nu în total, atunci într-o mare parte a populației umane sănătoase. În anumite circumstanțe, așa cum am menționat mai sus, pot provoca boli. Recent a devenit clar că nu numai membrii individuali ai microflorei noastre normale sunt capabili să provoace boli, ci și o modificare a integrității sale într-un anumit loc (disbioză) poate duce, de asemenea, la boli.

Folosind chiar și cele mai bune metode ale microbiologiei clasice, nu putem aprecia pe deplin diversitatea microbiană în diferitele nișe ecologice. Motivele pentru aceasta sunt multe și includ:

· Lipsa sau lipsa nutrienților sau a cerințelor de mediu pentru unii microbi;

· Prezența în corpul nostru a microorganismelor care sunt viabile, dar care nu pot fi cultivate din cauza imposibilității de a separa diferitele specii de o comunitate (locuitorii biofilmelor, de exemplu);

· Moartea unei mari părți a microbilor în timpul transportului și prelucrării probelor.

În ciupercile microscopice, complexul genei ARNr este format din patru gene ribozomale care codifică 18S (subunitate mică), 5.8S și 28S (subunitate mare) și 5S. În această regiune, distanțierul transcris intern (ITS) și regiunea D1/D2 a subunității 28S (formată din aproximativ 600 de perechi de nucleotide) sunt regiunile cele mai variabile filogenetic și sunt utilizate pe scară largă pentru identificarea fungică și taxonomie. Diverse alte tehnici sunt, de asemenea, utilizate pentru a identifica și caracteriza în continuare microbii izolați. Acestea includ electroforeza cu câmp pulsat (PFGE), ribotiparea, PCR multiplex, PCR amorsat arbitrar, MALDITOF-MS (timp de desorbție/ionizare cu laser asistat în matrice a spectrometriei de masă de zbor) etc.

Colonizarea noastră cu microorganisme începe la naștere și, conform unor studii anterioare. Suntem, în general, conștienți de faptul că flora noastră microbiană normală se schimbă în timp. Imediat după naștere, colonizarea se face în principal prin bifidobacterii și lactobacili la naștere „per viasnaturales” și în principal cu reprezentanți ai florei cutanate în „sectio caesarea” 12. Odată cu trecerea la alimente solide, crește diversitatea speciilor de clostridii. După al doilea an, flora microbiană se stabilizează, formată în principal din membrii familiilor Bacteroidaceae, Lachnospiraceae și Ruminococcaceae 13. Astfel, microbiomul își atinge complexitatea în adolescență și rămâne relativ stabil până la vârsta adultă. În viața ulterioară, microbiomul devine relativ mai puțin divers, cu o stabilitate redusă. Astăzi, există dovezi puternice care să susțină natura ereditară a microflorei. Deși moștenirea bacteriilor de la tată este puțin studiată, dovezile crescânde susțin moștenirea de la mamă 14 .

Deoarece lactobacilii domină vaginul mamei, colonizarea inițială a tractului gastro-intestinal cu aceste bacterii nu poate fi accidentală. Un alt factor important pentru compoziția microbiomului este modul de hrănire, întrucât flora bebelușilor alăptați în comparație cu cei care se hrănesc artificial este foarte diferită, atât din punct de vedere al compoziției, cât și din punct de vedere al diversității. Bifidobacteriile sunt prezente în microflora sugarilor, în timp ce la sugarii hrăniți cu alimente artificiale predomină Escherichia coli, Clostridium difficile, Bacteroides fragilis și lactobacili. .

Modificările legate de vârstă ale microbiomului duc la o stabilitate redusă a ecosistemului, familiile dominante fiind înlocuite de Firmicutes și Bacteroides, iar proteobacteriile cresc în detrimentul bifidobacteriilor. Unul dintre cei mai importanți factori care influențează compoziția microbiomului este utilizarea antibioticelor. Aceste medicamente ucid bacteriile patogene, dar au și un impact uriaș asupra restului florei microbiene normale. Impactul lor este strict individual și depinde în mare măsură de utilizarea frecventă și/sau recentă a antibioticelor. De exemplu, la 1-2 săptămâni după tratamentul cu ciprofloxacină, microflora intestinală se poate recupera pe deplin, în timp ce cu o săptămână de terapie cu clindamicină, un antibiotic cu activitate antianaerobă semnificativă, efectele sale pot continua până la doi ani după terminarea terapiei. .

Diferite fluctuații într-o astfel de floră stabilizată sunt adesea observate odată cu înaintarea în vârstă, când se trece la o altă dietă, în stări de boală, când este necesară terapia cu diferite medicamente (în principal antibiotice) etc. Multe studii din ultimii ani au confirmat afirmația de mai sus. Au fost studiate variații ale microbiomului luate din diferite locuri din corpul persoanelor sănătoase în patru momente de timp diferite 17. Există, de asemenea, date despre structura comunităților microbiene din intestine și saliva indivizilor studiați pe parcursul unui an, cu modificări legate de stilul de viață al acestor persoane (dietă îmbogățită cu fibre) 18. Aceste modificări nu au avut loc prin achiziționarea de noi specii bacteriene, ci prin schimbări în compoziția cantitativă a grupurilor microbiene existente, în principal printr-o dublă creștere a raportului dintre bacterioizi și firmicute. Atunci când se compară conținutul intestinal al copiilor europeni cu cel al copiilor din mediul rural din Burkina Faso, s-au constatat diferențe drastice datorită diferitelor regimuri alimentare din cele două populații.

Aceste date demonstrează că populația noastră microbiană este foarte adaptabilă. Desigur, este influențat de natura nișei ecologice pe care o locuiește și de stadiul dezvoltării gazdei, dar în același timp stilul de viață al individului și impactul mediului pot provoca modificări ale compoziției și cantității sale. structura microbiotei nu sunt neapărat disbioză, sunt mai degrabă dovada adaptabilității, flexibilitatea florei noastre este, de asemenea, pe deplin compatibilă cu sănătatea.

Când se studiază fiziopatologia umană, este esențial să se ia în considerare nu numai fiecare reprezentant din ecosistem, ci și simbioza și relațiile dintre ecosistemele individuale (în special intestinele și altele). Un raport recent a demonstrat importanța acestei relații la pacienții cu transplant alogen de celule stem hematopoietice (allo-HSCT), care au leziuni ale mucoasei gastro-intestinale, ducând la o diversitate redusă a florei intestinale. Acest lucru ridică problema impactului diversității intestinale asupra mortalității post-transplant. Au fost caracterizate secvențele genetice de ARNr bacteriene 16S și diversitatea microbiană a fost evaluată prin indicele Simpson. Subiecții sunt clasificați în grupuri cu diversitate mare, medie și scăzută. Rezultatele mortalității sunt semnificativ mai slabe la pacienții cu diversitate intestinală inferioară; supraviețuirea globală de 3 ani este de 36%, 60% și respectiv 67% pentru grupurile cu diversitate scăzută, medie și mare. Autorii acestui studiu indică diversitatea microflorei intestinale ca un predictor independent al mortalității în transplantul de celule stem hematopoietice alogene 19. .

În dezvoltarea florei microbiene a căilor respiratorii putem lua în considerare câteva puncte importante. În primul rând, aceasta este expunerea microbiană intrauterină. Noile date arată că mediul intrauterin, considerat anterior steril, conține o microflora unică și ridică problema dezvoltării microbiotei sugarului înainte de naștere22. S-a constatat că lichidul amniotic, care joacă un rol semnificativ în organogeneza pulmonară și intestinală, conține diverse comunități microbiene 23. Dovezile acumulate pentru relația dintre izolarea micoplasmelor și ureaplasmelor din lichidul amniotic și enterocolita necrozantă la nou-născuți ne determină să credem că compoziția microbiană intrauterină poate și are un rol important în viața postnatală. După naștere, bacteriile derivate din mediu, dintre care multe sunt de origine maternă, colonizează suprafețele corpului. După cum sa menționat mai sus, modul de livrare este cheia colonizării primare a nou-născutului.

După cum a devenit deja clar, PD-urile găzduiesc un număr mare de microbi, a căror compoziție, precum și impactul lor asupra sănătății organelor respiratorii, abia acum începe să fie clarificată. Folosind diverse tehnici de identificare a bacteriilor, sa constatat că DP sănătoși conțin până la 2000 de microorganisme/cm3 de țesut 24. Comparând microbiomii DP la pacienții cu CF, BPOC, astm și primitori de transplant pulmonar, s-au observat diferențe remarcabile, atât între ei, cât și în comparație cu controalele sănătoase. Cele mai comune genuri găsite în PD „normal” includ Pseudomonas (Proteobacteria), Streptococcus (Firmicutes), Prevotella (Bacteroides), Fusobacteria, Veillonella, Haemophilus 25 .

Mesaje pentru practica clinică

1. Dovezile prezente susțin cu tărie rolul important al microflorei în reglementarea PD.

2. Cunoștințele noastre despre factorii cheie din viața timpurie care duc la crearea unei microflore stabile în plămâni și interacțiunea acestora cu celulele imune rămâne limitată.

3. În timp ce în intestin microorganismele folosesc substanțe nutritive diferite ca surse de energie, eliberând produse metabolice capabile să moduleze răspunsurile imune locale și sistemice, plămânii sunt privați de astfel de surse de energie bogate și, prin urmare, este posibil ca speciile microbiene locale să fi dezvoltat capacitatea de a utiliza alternative surse de energie situate în BF. În prezent nu există dovezi ale unor astfel de surse alternative de energie. Acesta este un domeniu interesant de cercetare ulterioară pentru a ne arăta ce surse de energie din DP sunt necesare în timpul sănătății sau al bolilor și poate constitui baza pentru noi strategii pentru tratarea diferitelor boli pulmonare.

Literatură

1. Turnbaugh PJ, Hamady M, Yatsunenko T și colab. Un microbiom intestinal de bază la gemenii obezi și slabi. Natura 2008; 457: 480–4.

2. Suzaki H, Watanabe S, Pawankar R. Rinosinuzita și astmul - microbiom și noi perspective. Curr Opin Allergy Clin Immunol 2013; 13: 45–9.

3. Dickson RP, Erb-Downward JR, Huffnagle GB. Rolul microbiomului bacterian în bolile pulmonare. Expert Rev Respir Med 2013; 7: 245–57.

4. Ege MJ, Mayer M, Normand A C și colab. Expunerea la microorganisme de mediu și astmul copilariei. N Engl J Med 2011; 364: 701-9.

5. Hsiao EY, McBride SW, Hsien S și colab. Microbiota modulează anomaliile comportamentale și fiziologice asociate cu tulburările neurodezvoltării. Celula 2013; 155: 1451–63.

6. Bringiotti R, Lerardi E, Lovero R și colab. Microbiota intestinală: amestecul exploziv la originea bolii inflamatorii intestinale? World J Gastrointest Pathophysiol 2014; 5: 550-9.

7. Berer K, Mues M, Koutrolos M și colab. Microbiota comensală și autoantigenul de mielină cooperează pentru a declanșa demielinizarea autoimună. Natura 2011; 479: 538–41.

8. Wu X, Ma C, Han L și colab. Caracterizarea moleculară a microbiotei fecale la pacienții cu diabet de tip II. Curr Microbiol 2010; 61: 69–78.

9. Zaura E, Nicu EA, Krom BP, Keijser BJ. Achiziționarea și menținerea unui microbiom oral normal: perspectivă actuală. Microbiolul infectează celula frontală. 2014; 4: 85.

10. Louis P, Hold GL, Flint HJ. Microbiota intestinală, metaboliții bacterieni și cancerul colorectal. Nature Revs Microbiol 2014: 12; 661-672.

11. Wilson M. Simbioza om-microb. În: Bacteriologia oamenilor: o perspectivă ecologică. Oxford: Wiley Blackwell, 2008; 1–55.

12. Dominguez Bello MG, Costello EK, Contreras M și colab. Modul de livrare modelează achiziția și structura microbiotei inițiale în mai multe habitate ale corpului la nou-născuți. Lucrările Academiei Naționale de Științe din SUA 2010; 107: 11971–5.

13. Arrieta MC, Stiemsma LT, Amenyogbe N, Brown EM, Finlay B. Microbiomul intestinal în viața timpurie: sănătate și boală. Front Immunol 2014; 5: 427.

14. Ochman H, Worobey M, Kuo CH și colab. Relațiile evolutive ale hominizilor sălbatici recapitulate de comunitățile microbiene intestinale. PLoS Biol 2010; 8: e1000546.

15. Penders J, Thijs C, Wink C și colab. Factori care influențează compoziția microbiotei intestinale la începutul copilăriei. Pediatrie 2006; 118: 511-21.

16. Jernberg C, Lofmark S, Edlund C și colab. Impactul pe termen lung al expunerii la antibiotice asupra microbiotei intestinale umane. Microbiologie 2010; 156: 3216–23.

17. Costello EK, Lauber CL, Hamady M, Fierer N, Gordon JI, Knight R. Variația comunității bacteriene în habitatele corpului uman în spațiu și timp. Știința 2009; 326: 1694–1697.

18. David LA, Materna AC, Friedman J, și colab. Stilul de viață al gazdei afectează microbiota umană pe perioade de timp zilnice. Genome Biol 2014; 15: R89.

19. Taur Y, Jenq RR, Perales MA și colab. Efectele diversității bacteriene ale tractului intestinal asupra mortalității în urma transplantului de celule stem hematopoietice alogene. Blood 2014; 124: 1174–1182.

20. Erb-Downward JR, Thompson DL, Han MK și colab. Analiza microbiomului pulmonar la fumătorul „sănătos” și la BPOC. PloS One 2011; 6: e16384.

21. Wolak JE, Esther CR, O'ConnellTM. Analiza metabolomică a lichidului de lavaj bronhoalveolar de la pacienții cu fibroză chistică. Biomarkeri: indicatori biochimici de expunere, răspuns și sensibilitate la substanțe chimice 2009; 14: 10.1080/13547500802688194.

22. Moller BR, Christiansen FV, Thorsen P și colab. Sterilitatea cavității uterine. Acta Obstetricia et Gynecologica Scandinavica 1995; 74: 216-9.

23. Mysorekar IU, Cao B. Microbiom în naștere și naștere prematură. Semin Reprod Med 2014; 32: 50–5.

24. Hilty M, Burke C, Pedro H și colab. Comunități microbiene dezordonate în căile respiratorii astmatice. PloS One 2010; 5: e8578.

25. Marsland BJ, Gollwitzer ES. Interacțiuni gazdă-microorganism în bolile pulmonare. Nat Rev Immunol 2014; 14: 827–35.