Crijevna mikrobiota
From Wikipedia, the free encyclopedia
Remove ads
Crijevna mikrobiota, crijevni mikrobiom, ranije (pogrešno) zvana crijevna flora, je skup mikroorganizama, uključujući bakterije, archaea, gljive i viruse koji žive u probavnom traktu životinja.[1] Gastrointestinalni metagenom je skup svih mikrobiotnih crijevnih genoma.[2][3] Crijeva su glavna lokacija ljudskog mikrobioma.[4] Mikrobiota crijeva ima širok uticaj, uključujući efekte na kolonizaciju, otpornost na patogene, održavanje crijevnog epitela, metabolizam prehrambenih i farmaceutskih spojeva, kontrolu imunske funkcije, pa čak i ponašanje kroz osu crijeva–mozak.
.jpg)
Mikrobni sastav crijevne mikrobiote varira u različitim regijama probavnog trakta. Debelo crijevo sadrži najveću mikrobnu gustinu zabilježenu u bilo kojem staništu na Zemlji, predstavljajući između 300 i 1000 različitih vrsta.[5] Bakterije su najveća i do sada, najbolje proučavana komponenta i 99% crijevnih bakterija dolazi iz oko 30 ili 40 vrsta.[6] Do 60% suhe mase fecesa su bakterije.[7] Preko 99% bakterija u crijevima su anaerobne, ali u cekumu, aerobne bakterije dostižu veliku gustinu.[4] Procjenjuje se da mikrobiota ljudskog crijeva ima oko stotinu puta više gena nego što ih ima u ljudskom genomu.
Remove ads
Pregled
Kod ljudi, crijevna mikrobiota ima najveći broj i vrsta bakterija u poređenju s drugim dijelovima tijela.[8] Kod njih crijevna flora se uspostavlja jednu do dvije godine nakon rođenja, do kada su se crijevni epitel i crijevna mukozna barijera koje luči zajedno razvili na način koji je tolerantan na, pa čak i podržava crijevnu floru, a to također predstavlja barijeru za patogene organizme.[9][10]
Odnos između neke crijevne mikrobiote i ljudi nije samo komensalan (neštetni suživot), već prije mutualizamski odnos.[4] Neki ljudski crijevni mikroorganizmi imaju koristi za domaćina fermentacijom dijetalnim vlaknima u kratkolančanim masnim kiselinama (SCFA), kao što su acetatna i buterna kiselina, koje potom apsorbira domaćin.[8][11] Crijevne bakterije također imaju ulogu u sintezi vitamina B i K kao i metabolizam žučne kiseline, sterola i ksenobiotika.[4][11] Sistemski značaj SCFA i drugih spojeva koje oni proizvode je kao hormoni, a čini se da sama crijevna flora funkcionira kao endokrini organ i poremećaj regulacije crijevne flore je u korelaciji sa nizom upalnih i autoimunih stanja.[12]
Sastav mikrobiote ljudskog crijeva mijenja se tokom vremena, kada se prehrana mijenja i kako se mijenja cjelokupno zdravlje.[8][12] Ssistematski pregled iz 2016. godine ispitivao je pretkliničke pretrage koje su provedene s određenim komercijalno dostupnim sojevima probiotskih bakterija i identificirala one koji su imali najveći potencijal da budu korisni za određene poremećaj centralnog nervnog sistema.
Remove ads
Klasifikacije
Mikrobni sastav crijevne mikrobiote varira u cijelom probavnom traktu. U želucu i tankom crijevu, relativno malo vrsta bakterija je općenito prisutno.[5][13] Debelo crijevo, nasuprot tome, sadrži najveću mikrobnu gustinu zabilježenu u bilo kojem staništu na Zemlji[14] sa do 1012 ćelija po gramu crijevnog sadržaja. Ove bakterije predstavljaju između 300 i 1.000 različitih vrsta. Međutim, 99% bakterija dolazi iz oko 30 ili 40 vrsta.[6] Kao posljedica njihovog obilja u crijevima, bakterije također čine do 60% suhe mase izmeta.[7] Fungi, protisti, archaea i virusi prisutni su i u crijevnoj flori, ali se manje zna o njihovim aktivnostima.[15]
Preko 99% bakterija u crijevima su anaerobne, ali u cekumu, aerobne bakterije dostižu visoku gustinu.[4] Procjenjuje se da ova crijevna flora imaju oko stotinu puta više gena ukupno nego što ih ima u ljudskom genomu.[16]
Mnoge vrste u crijevima nisu proučavane izvan njihovih domaćina jer se ne mogu kultivirati.[6][13][17] Iako postoji mali broj osnovnih mikrobnih vrsta koje dijele većina pojedinaca, populacije mikroba mogu uveliko varirati.[18] Unutar pojedinca, njihova mikrobna populacija ostaje prilično konstantna tokom vremena, uz neke promjene koje se javljaju zbog promjena u načinu života, ishrani i starosti.[5][19] Projekt ljudskog mikrobioma je imao za cilj da bolje opiše mikrobiotu ljudskih crijeva i drugih lokacija u tijelu.
Četiri dominantne bakterijske grupe u ljudskom crijevu su Bacillota (Firmicutes), Bacteroidota, Actinomycetota i Pseudomonadota.[20] Većina bakterija pripada rodovima Bacteroides, Clostridium, Faecalibacterium,[5][6] Eubacterium, Ruminococcus, Peptococcus, Peptostreptococcus i Bifidobacterium.[5][6] Ostali rodovi, kao što su Escherichia i Lactobacillus, prisutni su u manjoj mjeri.[5] Vrste iz roda Bacteroides same čine oko 30% svih bakterija u crijevima, što sugerira da je ovaj rod posebno važan u funkcionisanju domaćina.[13]
Rodovi gljivica koji su otkriveni u crijevima uključuju rodove Candida, Saccharomyces, Aspergillus, Penicillium , Rhodotorula, Trametes, Pleospora, Sclerotinia, Bullera i Galactomyces, između ostalih.[21][22] Rhodotorula se najčešće nalazi kod osoba sa upalnom bolešću crijeva, dok se Candida najčešće nalazi kod osoba s cirozom hepatitisa B i hroničnim hepatitisom B.[21]
Archaea čine još jednu veliku klasu crijevne flore koja je važna u metabolizmu bakterijskih produkata fermentacije.
Industrijalizacija je povezana s promjenama u mikrobioti i smanjenje raznolikosti bi moglo dovesti do izumiranja određenih vrsta; 2018. istraživači su predložili biobankovno spremište ljudske mikrobiote.[23]
Enterotip
Enterotip je klasifikacija živih organizama zasnovana na njihovom bakterijskom ekosistemu u mikrobiomu ljudskog crijeva, a ne diktirana godinama, spolom, tjelesnom težinom ili nacionalnim podjelama.[24] Postoje indicije da dugotrajna ishrana utiče na enterotip.[25] Predložena su tri ljudska enterotipa,[24][26] ali njihova valjanost je dovedena u pitanje.[27]
Remove ads
Kompozicija
Želudac
Zbog visoke kiselosti želuca, većina mikroorganizama tamo ne može preživjeti. Glavni bakterijski stanovnici želuca su iz rodova: Streptococcus, Staphylococcus, Lactobacillus, Peptostreptococcus.[4], Helicobacter pylori je gram-negativne spiralne bakterije koje se stvaraju na sluzokoži želuca, uzrokujući hronični gastritis i peptički ulkus, te je kancerogen za rak želuca.[4]:904
Crijeva
Tanko crijevo sadrži mikroorganizme u tragovima zbog blizine i uticaja želuca. Gram-pozitivne koke i štapičaste bakterije su dominantni mikroorganizmi koji se nalaze u tankom crijevu.[4] Međutim, u distalnom dijelu tankog crijeva alkalni uvjeti podržavaju gram-negativne bakterije Enterobacteriaceae.[4] Bakterijska flora tankog crijeva pomaže u širokom rasponu crijevnih funkcije. Bakterijska flora daje regulatorne signale koji omogućavaju razvoj i korisnost crijeva. Prekomjerni rast bakterija u tankom crijevu može dovesti do zatajenja crijeva.[29] Osim toga, debelo crijevo sadrži najveći bakterijski ekosistem u ljudskom tijelu.[4] Oko 99% flore debelog crijeva i fecesa sastoji se od obaveznih anaeroba kao što su Bacteroides i Bifidobacterium.[30] Faktori koji ometaju populaciju mikroorganizama u debelom crijevu uključuju antibiotike, stres i parazite.[4]
Bakterije čine većinu flore u debelog crijeva[31] i 60% suhe mase izmeta.[5] Ova činjenica čini izmet idealnim izvorom crijevne flore za bilo kakve testove i eksperimente, ekstrakcijom nukleinske kiseline iz fecesnih uzoraka i bakterijskog 16S rRNK genske sekvence se generiraju pomoću bakterijskih prajmera. Ovaj oblik testiranja je također često poželjniji od invazivnijih tehnika, kao što su biopsije.
Pet koljena dominira crijevnom mikrobiotom: Bacteroidota, Bacillota (Firmicutes), Actinomycetota, Pseudomonadota i Verrucomicrobiota—sa Bacteroidota i Bacilota čini 90% sastava.[32] Negdje između 300[5] i 1000 različitih vrsta živi u crijevima, s većinom procjena na oko 500.[33] Međutim, vjerovatno je da 99% bakterija dolazi iz oko 30 ili 40 vrsta, pri čemu je Faecalibacterium prausnitzii (koljeno Firmicutes) najčešća vrsta kod zdravih odraslih osoba.[34]
Istraživanja sugeriraju da odnos između crijeva flore i ljudi nije samo komenzalan (neštetni suživot), već je prije mutualizamski, simbiotski odnos. Iako ljudi mogu preživjeti bez crijevne flore, mikroorganizmi obavljaju niz korisnih funkcija, kao što je fermentacija neiskorištenih energetskih supstrata, treniranje imunskog sistema preko krajnjih proizvoda metabolizma kao što su propionat i acetat, sprečavanje rasta štetnih vrsta, regulacija razvoja crijeva, proizvodeći vitamine za domaćina (kao što su biotin i vitamin K) i proizvodeći hormone koji usmjeravaju domaćina da skladišti masti.[4] Opsežna modifikacija i neravnoteža mikrobiote crijeva i njen mikrobiom ili zbirka gena povezani su s pretilošću.[35] Međutim, u određenim uslovima, smatra se da su neke vrste sposobne da izazovu bolest izazivanjem infekcije ili povećanim rizikom rak za domaćina.[5][31]
Mikobiom
Gljive i protisti također čine dio crijevne flore, ali se manje zna o njihovim aktivnostima.[36]
Virom
Ljudski virom čine uglavnom bakteriofagi.[37]
Remove ads
Varijacija
Starost
Pokazalo se da postoje uobičajeni obrasci evolucije sastava mikrobioma tokom života.[38] Općenito, bioraznolikost sastava mikrobiote izmetnih uzoraka značajno je veća kod odraslih nego kod djece, iako su međuljudske razlike veće kod djece nego kod odraslih.[39] Veći dio sazrijevanja mikrobiote u konfiguracijama sličnim odrasloj osobi dešava se tokom prve tri godine života.[39]
Kako se sastav mikrobioma mijenja, tako se mijenja i sastav bakterijskih proteina proizvedenih u crijevima. U mikrobiomima odraslih pronađena je visoka prevalencija enzima uključenih u fermentaciju, metanogenezu i metabolizam arginina, glutamata, aspartata i lizina. Nasuprot tome, u mikrobiomima novorođenčadi dominantni enzimi su uključeni u metabolizam cisteina i puteve fermentacije.[39]
Geografija
Sastav mikrobioma crijeva ovisi o geografskom porijeklu populacija. Varijacije u kompromisu "Prevotella", predstavljanja gena ureaza i reprezentacije gena koji kodiraju glutamat sintazu/razgradnju ili druge enzime uključene u razgradnju aminokiselina ili biosintezu vitamina pokazuju značajne razlike između populacija iz SAD-a, Malavija ili američkog porijekla.[39]
Stanovništvo SAD ima visoku zastupljenost enzima koji kodiraju razgradnju glutamin a i enzima uključenih u biosintezu vitamina i lipoične kiseline; dok populacije Malavija i američki domoroc i imaju visoku zastupljenost enzima koji kodiraju sintazu glutamata i također imaju preveliku zastupljenost α-amilaze u svojim mikrobiomima. Kako stanovništvo SAD-a ima ishranu bogatiju mastima od populacije domorodaca ili Malavija koja ima ishranu bogatu kukuruzom, ishrana je verovatno glavna determinanta bakterijskog sastava crijeva.[39]
Dalja istraživanja su pokazala veliku razliku u sastavu mikrobiote između evropske i ruralne afričke djece. Fecesne bakterije djece iz Firence upoređene su sa bakterijama djece iz malog ruralnog sela Boulpon u Burkina Faso. U ishrani tipskog djeteta koje živi u ovom selu u velikoj meri nedostaju masti i životinjski proteini, a bogata je polisaharidima i biljnim proteinima. U izmetnim bakterijama evropske djece dominirale su Firmicutes i pokazale su značajno smanjenje biodiverziteta, dok je u fecesnim bakterijama djece Boulpon dominirao Bacteroidetes. Povećana bioraznolikost i različit sastav crijevnog mikrobioma u afričkim populacijama mogu pomoći u probavi normalno neprobavljivih biljnih polisaharida i također mogu rezultirati smanjenom učestalošću neinfektivnih bolesti debelog crijeva.[40]
U manjem obimu, pokazalo se da je dijeljenje brojnih zajedničkih izloženosti okolišu u porodici jaka determinanta individualnog sastava mikrobioma. Ovaj efekt nema genetički uticaj i konzistentno se primećuje u kulturološki različitim populacijama.[39]
Pothranjenost
Neuhranjena djeca imaju manje zrelu i manje raznoliku crijevnu mikrobiotu od zdrave djece, a promjene u mikrobiomu povezane s nedostatkom nutrijenata mogu zauzvrat biti patofiziološki uzrok pothranjenosti.[41][42] Pothranjena djeca također obično imaju više potencijalno patogene crijevne flore i više kvasca u ustima i grlu.[43] Promjena prehrane može dovesti do promjena u sastavu i raznolikosti crijevne mikrobiote.
Rasa i etnička pripadnost
Istraživači iz American Gut Project i Human Microbiome Project otkrili su da dvanaest porodica mikroba varira u obilju na osnovu rase ili etničke pripadnosti pojedinca. Snaga ovih asocijacija ograničena je malom veličinom uzorka: American Gut Project prikupio je podatke od 1.375 osoba, od kojih su 90% bili kavkazoidi.[44] U Studiji „Zdrav život u urbanom okruženju“ (HELIUS) u Amsterdamu otkrili su da oni nizozemskog porijekla imaju najviši nivo raznolikosti crijevne mikrobiote, dok oni južnoazijskog i surinamcskog porijekla imaju najmanju raznolikost. Rezultati studije sugeriraju da osobe iste rase ili etničke pripadnosti imaju više sličnih mikrobioma od onih različite rasne pozadine.[44]
Socioekonomski status
Do 2020., najmanje dvije studije pokazale su vezu između socioekonomskog statusa (SES) osoba i njihove crijevne mikrobiote. Studija u Chicagou otkrila je da osobe u naseljima s višim SES-om imaju veću raznolikost mikrobiote. Ljudi iz naselja s višim SES-om također su imali više bakterija Bacteroides. Slično tome, studija blizanaca u Ujedinjenom Kraljevstvu otkrila je da je viši SES također povezan s većom raznolikošću crijevnde mikrobiote.[44]
Remove ads
Funkcije
Kada je počelo proučavanje crijevne flore u 1995,[45] Smatralo se da ima tri ključne uloge: direktnu odbranu od patogena, jačanje odbrane domaćina svojom ulogom u razvoju i održavanju crijevnog epitela i induciranju proizvodnje antitijela u njemu i metabolizmu inače neprobavljivih spojeva u hrani ; kasniji rad otkrio je njegovu ulogu u treniranju imunskog sistema u razvoju, a daljnji rad se fokusirao na njegovu ulogu u osi crijeva i mozga.[46]
Metabolizam
Šablon:Metabolizam triptofana ljudskom mikrobiotom Bez crijevne flore, ljudsko tijelo ne bi moglo iskoristiti neke od neprobavljenih ugljikohidrata koje konzumira, jer neke vrste crijevne flore imaju enzim koji ljudskim ćelijama nedostaju za razgradnju određenih polisaharida.[11] Glodari uzgojeni u sterilnom okruženju i kojima nedostaje crijevna flora moraju jesti 30% više kalorija samo da bi ostali iste težine kao njihovi normalni parnjaci.[11] Ugljikohidrati koje ljudi ne mogu probaviti bez pomoći bakterija uključuju određene skrobne, vlaknasted, oligosaharidne i šećerne nutrijente koje tijelo nije uspjelo probaviti i apsorbirati poput laktoze u slučaju netolerancije glukoze i šećernog alkohola, sluzi proizveden u crijevima i proteinima.[8][11]
Bakterije pretvaraju ugljikohidrate koje fermentiraju u kratkolančane masne kiseline oblikom fermentacije zvanom saharolitska fermentacija. Proizvodi uključuju acetatnu, propionsku i buternu kiselinu, Ove materijale mogu koristiti ćelije domaćini, pružajući glavni izvor energije i hranjivih tvari. Plinovi (koji su uključeni u signalizaciju[47] i može uzrokovati nadutost) i stvaranje organskih kiselina, kao što je mliječna kiselina, također nastaju fermentacijom.[6] Koristi se acetatna kiselina mišića, a propionska kiselina olakšava jetrenu proizvodnju ATP, a buterna kiselina obezbjeđuje energiju crijevnim ćelijama.
Crijevna flora također sintetizira vitamine kao što su biotin i folat i olakšava apsorpciju minerala iz ishrane, uključujući magnezij, kalcij i željezo.[5][19] Methanobrevibacter smithii je jedinstvena jer nije vrsta bakterija, već je član domena Archaea, i najzastupljenija je vrsta arheja koja proizvodi metan u ljudskoj gastrointestinalnoj mikrobioti.[48]
Crijevna mikrobiota također služi kao izvor vitamina K i B12 koje tijelo ne proizvodi ili proizvodi u maloj količini.[49][50]
Farmakomikrobiomika
Ljudski metagenom (tj. genetički sastav osobe i svih mikroorganizama koji borave na ili unutar njenog tijela) značajno varira između pojedinaca.[51] Stotinu biliona mikroba i virusa koji žive u svakom ljudskom tijelu, a koji brojčano nadmašuju ljudske ćelije i doprinose najmanje 100 puta više gena od onih koji su kodirani u ljudskom genomu (Ley et al., 2006.), nude ogroman skup dodataka za međuindividualne genetičke varijacija koja je podcijenjena i uglavnom neistražena (Savage, 1977; Medini et al., 2008; Minot et al., 2011; Wylie et al., 2012). U međuvremenu, ogromna literatura je odavno dostupna o biotransformaciji ksenobiotika, posebno crijevnim bakterijama (prema Sousa et al., 2008; Rizkallah et al., 2010; Johnson et al., 2012; Haiser i Turnbaugh, 2013). Ove vrijedne informacije se uglavnom odnose na metabolizam lijekova putem nepoznatih mikroba povezanih s ljudima; međutim, dokumentirano je samo nekoliko slučajeva međuindividualnih varijacija mikrobioma (npr. digoksin (Mathan et al., 1989) i acetaminofen.[52] Sastav mikrobioma varira ovisno o anatomskom mjestu. Primarna determinanta sastava zajednice je anatomska lokacija: interpersonalne varijacije su značajne i veće su od vremenske varijabilnosti koja se vidi na većini lokacija kod jedne osobe. Budući da ukupan broj mikrobnih i virusnih ćelija u ljudskom tijelu (preko 100 triliona) znatno nadmašuje broj ćelija u vrste "Homo sapiens" (desetine triliona), postoje značajne varijacije u sastavu mikrobioma i mikrobiološkim koncentracijama prema anatomskom mjestu. Tečnost iz ljudskog debelog crijeva – koja sadrži najveću koncentraciju mikroba od bilo kojeg anatomskog mjesta – sadrži približno jedan trilion (10 ^12) bakterijske ćelije/ml.[51][53]
Neke metagenomske studije sugerišu da su manje od 10% ćelija koje čine naše telo ćelije Homo sapiensa. Preostalih 90% su bakterijske ćelije. Opis ovog takozvanog ljudskog mikrobioma je od velikog interesa i važnosti iz nekoliko razloga. Kao prvo, pomaže nam da redefiniramo šta je biološka jedinka. Predlažemo da se ljudska individua sada najbolje opisuje kao super-individua u kojoj koegzistira veliki broj različitih vrsta (uključujući čovjeka). Postoji značajan potencijal za interakcije između lijekova i mikrobioma pojedinca, uključujući i njihove mikrobiome: lijekovi koji mijenjaju sastav ljudskog mikrobioma, metabolizam lijeka mikrobnim enzimima koji modificiraju farmakokinetički profil lijeka i mikrobni metabolizam lijeka koji utječe na kliničku efikasnost lijeka i profil toksičnosti.[51][52]
Brojni mikroorganizmi borave sa ljudskim domaćinom u simbiotskom odnosu i imaju važnu ulogu u metaboličkim procesima i zdravlju domaćina. Nekoliko studija u nedavnoj prošlosti izvijestilo je da postoji su kompozicijske razlike u ljudskom mikrobiomu zbog faktora kao što su geografska lokacija, ishrana, starost i genetićke varijacije. Posebno u slučaju ljudskih crijeva, koja sadrži veliku raznolikost bakterijskih vrsta, razlike u mikrobnom sastavu mogu značajno promijeniti metaboličku aktivnost u lumenu crijeva. Diferencijalna metabolička aktivnost zbog razlika u vrstama crijevnih mikroba nedavno je povezana s različitim metaboličkim poremećajima i bolestima. Pored uticaja mikrobne raznolikosti crijeva ili disbioze na različite ljudske bolesti, sve je više dokaza koji pokazuju da crijevni mikrobi mogu uticati na bioraspoloživost i djelotvornost različitih oralno davanih molekula lijeka kroz promiskuitetni enzimski metabolizam. Ova studija o atomističkim detaljima vezivanja amfetamina i afiniteta vezivanja za tiramin-oksidazu zajedno sa poređenjem sa dva prirodna supstrata ovog enzima; tiramin i fenilalanin, pružaju snažne dokaze za metabolizam amfetamina zasnovan na promiskuitetu pomoću enzima tiramin-oksidaze E. coli. Dobijeni rezultati bit će ključni u dizajniranju surogat molekula za amfetamin koji može pomoći ili u poboljšanju djelotvornosti i biodostupnosti lijeka amfetamina putem kompetitivne inhibicije ili u redizajniranju lijeka za bolje farmakološke efekte. Ova studija će također imati korisne kliničke implikacije u smanjenju crijevne mikrobiote uzrokovane varijacijama u odgovoru na lijekove među različitim populacijama.
Osim ugljikohidrata, crijevna mikrobiota može metabolizirati i druge ksenobiotike, kao što su lijekovi, fitohemikalije i toksični sastojci iz hrane. Pokazalo se da se više od 30 lijekova metabolizira mikrobiotom crijeva. Mikrobni metabolizam lijekova ponekad može inaktivirati lijek.[54][55]
Remove ads
Također pogledajte
- Otpor na kolonizaciju
- Lista ljudske flore
- Lista vrsta mikrobiote donjeg reproduktivnog trakta žena
- Kožna flora
- Escherichia coli koja proizvodi verotoksin
Napomene
Reference
Dopunska literatura
Vanjski linkovi
Wikiwand - on
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Remove ads