پرتال جامع ستاد توسعه زیست فناوری
۹ آبان ۱۳۹۹

میکروبیوم ها؛ مهمان های ناخوانده بدن ما

3001
0
شنبه, ۲ تیر ۱۳۹۷
حجت اسماعیل بیگی

کلید واژه‌ها  

بهتر است در ابتدا با مجموعه ای از اصطلاحات که در حال حاضر در این زمینه استفاده می‌شوند، آشنا شویم. 

Microbiota: اصطلاح میکروبیوتا به مجموعه‌ای از موجودات زنده اشاره دارد. میکروبیوتای روده شامل بسیاری از گونه‌هایی است که به طور دائم در دستگاه گوارش حضور دارند و یک جمعیت از میکروارگانیسم‌ها که سریعاً تغییر می‌کنند و ازبین می‌روند.

Microbiome: کل میکروارگانیسم‌ها، ژن‌های آن‌ها و متابولیت‌های آن‌ها، میکروبیوم نامیده می‌شود. 

Human microbiome: میکروبیوم انسان به کل جمعیت میکروب‌های بدن انسان ازجمله دستگاه گوارش، دستگاه ادراری ، حفره دهان، دستگاه تنفسی و پوست اشاره دارد.

Dysbiosis: به عنوان تغییر در میکروبیوتای روده و واکنش نامطلوب بدن به این تغییرات تعریف می‌شود و در ارتباط با بیماری‌هایی هم‌چون آسم، بیماری التهابی مزمن، چاقی و  non-alcoholic steatohepatitis (NASH) می‌باشد.

تاریخچه واژه میکروبیوتا! 

اصطلاح میکروبیوم ابتدا توسط میکروبیولوژیست برنده جایزه نوبل، Joshua Lederberg، در سال 2001 به‌کار برده شد. هم‌چنین  بیان می‌شود که واژه میکروبیوتا نیز برای اولین بار توسط Lederberg در سال 2001 تعریف شده‌است. اما حقیقت این است که Lederberg هیچ‌کدام از واژه‌های میکروبیوم و میکروبیوتا را تعریف نکرده‌است. در واقع میکروبیوتا یک واژه میکروب‌شناسی پایه است که در حدود 50 سال است که استفاده می‌شود. واژه میکروبیوم نیز قبل از سال 2001 استفاده شده‌است. 

تشکیل میکروبیوتا در بدن 

به نظر می‌رسد که رشد میکروبیوتا از زمان تولد آغاز می‌شود، اگرچه تعدادی از مطالعات با تشخیص میکروب‌ها در بافت‌هایی نظیر جفت این موضوع را به چالش کشیده‌اند. پس از تولد به‌دنبال بیماری، مصرف آنتی‌بیوتیک‌ها و تغییر در رژیم غذایی، ترکیب میکروبیوتای دستگاه گوارش تغییر می‌کند. نوع زایمان نیز بر ترکیب میکروبیوتا مؤثر است. میکروبیوتای نوزادانی که با زایمان طبیعی به دنیا آمده‌اند، مقدار زیادی لاکتوباسیلوس در روزهای اولیه پس از تولد دارد که به دلیل بالا بودن لاکتوباسیلوس در فلور واژن می‌باشد. در مقابل میکروبیوتای نوزادانی که با سزارین به دنیا آمده‌اند به دلیل عدم عبور از کانال زایمان، دیرتر کلونیزه می‌شود. در اوایل نوزادی، میکروبیوتا تنوع کم‌تری دارند و غالباً شامل actinobacteria و protepbacteria هستند. طی سال اول زندگی، تنوع میکروبی افزایش می‌یابد و ترکیب میکروبیوتا به سمت یک ترکیب میکروبی مشخص گرایش می‌یابد. در حدود 2.5 سالگی ترکیب، تنوع و عملکرد میکروبیوتای نوزادی به میکروبیوتای بزرگسالان شبیه می‌شود. اگرچه در بزرگسالی ترکیب میکروبیوتای روده نسبتاً پایدار است، اما با شرایط زندگی تغییر می‌کند.

نژاد باکتریایی متفاوتی در روده کوچک و کولون وجود دارد. در روده کوچک نژاد غالب، شاخه firmicutes و کولون غنی از bacteroidetes می‌باشد. گونه‌هایی از جنس‌های enterococcus, streptococcus, Bifidobacterium bacteroides, lactobacillus, clostridium و ruminococcus در نمونه‌های مدفوع یافت می‌شوند که نشان می‌دهد این ترکیب میکروبی در روده وجود دارد. در حالیکه در لایه مخاطی و اپی‌تلیال روده تنها  lactobacillus, clostridium و enterococcus وجود دارد. 

Gut microbiota چیست؟  (شکل1)

به مجموعه‌ای از باکتری‌ها، آرکی‌ باکتری‌ها (archaea) و eukarya که در لوله گوارش ساکن هستند، میکروبیوتای روده گفته می‌شود. تعداد میکروارگانیسم‌های ساکن در دستگاه گوارش در حدود 1014 تخمین زده می‌شود، به‌طوریکه تعداد باکتری‌ها 10 برابر تعداد سلول‌های انسانی و مقدار ژنوم آن‌ها (میکروبیوم) 100 برابر ژنوم انسان است.

این جمعیت شامل حداقل 1000 گونه مختلف باکتری شناخته شده با بیش از 3 میلیون ژن است. کل میکروبیوتا می‌توانند تا 2 کیلوگرم وزن داشته باشند. یک سوم میکروبیوتای روده در اکثر افراد یکسان است، در حالی که دو سوم آن‌ها در هر فرد اختصاصی می‌باشد. به عبارت دیگر، میکروبیوتا در روده شما مانند کارت شناسایی فردی است!

چرا gut  microbiota اهمیت دارد؟

میکروبیوتای روده به هضم مواد غذایی خاصی که معده و روده کوچک قادر به هضم آن‌ها نیستند، کمک می‌کند.

به تولید برخی ویتامین‌ها هم‌چون ویتامین B و K کمک می‌کند.

مبارزه با سایر میکروارگانیسم‌های مهاجم و حفظ یکپارچگی مخاط روده.

میکروبیوتای سالم و متعادل روده، سبب عملکرد مناسب گوارشی می‌شود.

gut  microbiota چگونه تکامل می‌یابد؟

در حالیکه ترکیب کلی میکروبیوتای روده در اکثر افراد سالم مشابه است، ترکیب گونه‌های میکروبیوتا بسیار شخصی است و به طور عمده توسط محیط و رژیم غذایی تعیین می‌شود. برای مثال ژاپنی‌ها می‌توانند به دلیل آنزیم‌های خاصی که میکروبیوتای آن‌ها دارند، جلبک دریایی (بخشی از رژیم غذایی روزانه خود) را هضم کنند.

بسیاری از مطالعات اثرات مفید  prebioticsو probiotics را بر روی میکروبیوتای روده نشان داده‌اند. Prebiotics باعث بهبود عملکرد میکروبیوتا می‌شود و رشد و فعالیت برخی از باکتری‌های "خوب" را نیز ممکن می‌سازد. در برخی از محصولات تخمیر شده نیز probiotics به میکروبیوتا کمک می‌کنند تا تعادل، یکپارچگی و تنوع آن‌ها حفظ شود.


تغذیه و میکروبیوتای روده 

ترکیب میکروبیوتای روده با توجه به آن‌چه مصرف می‌کنیم، تغییر می‌کند. به همین دلیل مصرف یک رژیم غذایی متنوع و متعادل ضروری است. prebiotics و  probiotics مهم‌ترین مواد غذایی هستند که در حفظ بالانس میکروبیوتای روده نقش دارند. 

Prebiotics 

مفهوم پری بیوتیک‌ها، که گاهی اوقات fermentable fibre نیز نامیده می شوند، ابتدا در سال 1995 توسط  Gibson و Roberfroid معرفی شد.  این ماده به طور انتخابی رشد و فعالیت تعداد محدودی از گونه‌های باکتریایی را ترویج می‌دهد. پری بیوتیک‌ها می‌توانند به طور طبیعی در غذا یافت شوند یا به آن‌ها اضافه شود. پری بیوتیک‌ها به طور طبیعی در سبزیجات و میوه‌ها مانند سیر، پیاز، مارچوبه، گوجه فرنگی، موز، آلو، سیب، غلات مانند سبوس و آجیل مانند بادام وجود دارد. به همین دلیل، سبزیجات، میوه‌ها و غلات باید بخشی از رژیم غذایی متعادل و سالم باشند.(شکل2)

Probiotics , , 

در سال 1907 Metchnikoff  بیان کرد که مصرف مقادیر زیادی از محصولات شیری حاوی باکتری باعث زندگی طولانی و سالم در دهقان‌های بلغاری شده‌است. اصطلاح پروبیوتیک ابتدا در سال 1965 توسط Lilly و Stillwell به عنوان جایگزین برای اصطلاح آنتی‌بیوتیک برای توصیف مواد ترشح شده از میکروارگانیسم‌ها پیشنهاد شده بود. معنی پروبیوتیک در سال 1974 توسط R. B. Parker به عنوان ارگانیسم‌ها و موادی که موجب حفظ تعادل میکروبی روده می‌شود، تعریف شده‌‌است. 

سازمان بهداشت جهانی (WHO) پروبیوتیک‌ها را به عنوان میکروارگانیسم‌هایی زنده تعریف می‌کند که اگر در مقادیر کافی مصرف شوند، موجب سلامتی فرد می‌شوند. این میکروارگانیسم‌ها تا حدی به بهبود وضعیت دستگاه گوارش و فرایند هضم کمک می‌کنند. هنگامی‌که ترکیب میکروبیوتای روده تحت تأثیر رژیم غذایی نامناسب، مصرف آنتی ‌بیوتیک‌ها، عفونت و استرس تغییر می‌کند، مصرف پروبیوتیک‌ها می‌تواند موجب بالانس مجدد این ترکیب شود. بسیاری از پروبیوتیک‌ها از باکتری‌هایی هستند که به طور سنتی برای تخمیر غذا استفاده می‌شوند. شایع‌ترین پروبیوتیک‌هایی که در حال حاضر در مطالعات استفاده می‌شوند، Lactobacillus و Bifidobacterium هستند، اما سایر میکروارگانیسم‌ها شامل Enterococcus و Streptococcus نیز مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. برخی از این گونه‌های باکتریایی نیز می‌توانند در طیف وسیعی از غذاها (مانند ماست و شیر تخمیر شده) یا مکمل‌ها یافت شوند. ( شکل3)

امروزه با استفاده از دست‌کاری میکروبیوتای روده و تغییر جمعیت آن‌ها بوسیله استفاده از پروبیوتیک‌ها سعی در بهبود بیماری‌های ناشی از dysbiosis دارند. مطالعات نشان می‌دهند باکتری‌های پروبیوتیک که عمدتاً شامل Lactobacillus و Bifidobacterium هستند، نقش مهمی در بهبود عملکرد میکروبیوتای روده دارند.



عملکرد میکروبیوتای روده 

میکروبیوتای روده که از آن به‌عنوان یک عضو متابولیک یاد می‌شود، در تغذیه، تنظیم ایمنی و التهاب سیستمیک نقش دارد. به نظر می‌رسد که میکروبیوتا قادر به تنظیم ژن‌هایی هستند که بر روی توزیع انرژی در آدیپوسیت‌ها (سلول‌های چربی) تأثیر می‌گذارد.


عواملی که بر میکروبیوتا اثر می‌گذارد: 

از دیدگاه تکاملی، ارگانیسمهایی که میکروبیوتا را در پستانداران تشکیل می‌دهند، با توجه به منبع تغذیه تعریف می‌شوند. بنابراین همه‌چیزخواران، گوشت‌خواران و گیاهخواران دارای  میکروبیوتای مختلف هستند. ویژگی‌های رژیم غذایی، همراه با عوامل ژنتیکی می‌تواند بر تشکیل میکروبیوتا اثرگذار باشد. در یک مطالعه پس از یک روز رژیم غذایی غربی (با چربی و قند زیاد و پلی ساکاریدهای گیاهی کم)، در ترکیب میکروبی و مسیرهای متابولیکی موش‌ها تغییر ایجاد شد.

با وجود تغییر در میکروبیوتا در طی سال‌ها، ترکیب میکروبیوم مادر حین زایمان و شیردهی نقش مهمی در ترکیب میکروبیوتای فرد در آینده دارد.  در انسان، ترکیب میکروبیوتا در میان اعضای خانواده نسبت به دیگران شباهت بیش‌تری دارد.

میکروبیوتای روده و ایمنی

میکروبیوتای روده نقش مهمی در پاسخ ایمنی بدن انسان دارد. در سال 1989 مشخص شد کاهش میکروب‌ها به منظور افزایش بهداشت موجب افزایش بیماری‌های خودایمنی می‌شود. هم‌چنین شواهدی وجود دارد که در افراد مبتلا به آلرژی و آسم، تغییر در ترکیب میکروبیوتا وجود دارد. سیستم ایمنی میزبان از طریق ارتباط با میکروبیوتای روده و متابولیت‌های آن تحت تأثیر قرار می‌گیرد. باکتری‌ها در توسعه سیستم ایمنی مخاطی روده، هم از نظر فیزیکی و هم به لحاظ عملکردی نقش دارند. قرار گرفتن در معرض باکتری‌های روده نیز در پیشگیری از آلرژی دخالت دارد. نوزادان و کودکانی که آلرژی دارند به نسبت افرادی که سالم هستند، ترکیب متفاوتی از باکتری‌های روده‌ای دارند. به نظر می‌رسد که میکروبیوتای روده، سیستم ایمنی را تحریک می‌کند و موجب می‌شود به همه‌ی آنتی‌ژن‌ها پاسخ مناسب دهد. تغییر یافتن ترکیب میکروبیوتای روده در اوایل زندگی منجر به سیستم ایمنی ناکارآمد می‌شود.

میکروبیوتای روده و متابولیسم

چاقی ناشی از افزایش مصرف مواد غذایی است که دارای انرژی زیاد، قند و چربی اشباع هستند. با این حال، به نظر می‌رسد که افزایش مصرف کالری به‌تنهایی عامل چاقی نیست. موش‌های عاری از میکروب (germ free) هنگامی‌که در معرض رژیم‌های دارای چربی و کربوهیدرات بالا قرار می‌گیرند وزن نمی‌گیرند، که این فرض را که رژیم غذایی برای القای چاقی کافی نیست پررنگ‌تر می‌کند. میکروبیوتای یک انسان دارای اضافه وزن که با سندرم متابولیک همراه است، با افزایش نسبت Firmicutes/Bacteroidetes همراه است. به نظر می‌رسد Bifidobacteria و Bacteroides در برابر چاقی به‌عنوان محافظ عمل می‌کنند.

پروژه میکروبیوم انسان (Human Microbiome Project)  

پروژه میکروبیوم انسانی (HMP) ابتکار تحقیقاتی مؤسسه ملی بهداشت آمریکا برای شناسایی میکروارگانیسم‌های موجود در بدن انسان و نقش آن‌ها در سلامت و بیماری‌ها و تهیه یک نقشه ژنتیکی از میکروارگانیسم‌های بدن می‌باشد. HMP جمعیت‌های میکروبی موجود در قسمت‌های مختلف بدن انسان را مشخص کرده است: راه‌های هوایی، حفره دهان، پوست، دستگاه گوارش و دستگاه ادراری. 

 اولین مرحله این پروژه (HMP1) که در سال 2008 آغاز شد، یک پروژه 5 ساله بود که بر شناسایی و مشخص کردن فلور میکروبی انسان متمرکز بود. 

اهداف HMP1

ایجاد یک مجموعه مرجع از توالی ژنوم میکروبی برای ارزیابی اولیه میکروبیوم انسان 1

بررسی ارتباط بین بیماری و تغییرات میکروبیوم انسان 2

گسترش تکنولوژی و ابزارهای جدید برای آنالیز 3

بررسی مفاهیم اخلاقی، قانونی و اجتماعی پژوهش‌های میکروبیوم انسان 4








پیشرفت در تکنولوژی توالی‌یابی DNA، یک زمینه تحقیقاتی جدید به نام metagenomics ایجاد کرده‌است که امکان بررسی جوامع میکروبی را بدون نیاز به کشت فراهم می‌کند. به این ترتیب به جای بررسی ژنوم یک باکتری که در آزمایشگاه کشت شده است، ژنوم‌های حاصل از جوامع میکروبی بررسی می‌شوند.

مرحله دوم که به عنوان پروژه میکروبیوم انسانی یکپارچه (integrative HMP) شناخته می‌شود، در سال 2014 با هدف تولید منابعی برای مشخص کردن میکروبیوم و کشف نقش میکروب‌ها در سلامت و بیماری انجام شد. i HMP یک مجموعه از داده‌ها در مورد میکروبیوم و میزبان با استفاده از تکنیک‌های چندگانه "omics" ایجاد خواهد کرد. این پروژه شامل 3 زیر مجموعه در مؤسسات مختلف بود.

روش‌های مطالعه در این پروژه شامل  تکنیک‌های زیر بود:

16S rRNA

Metagenome shotgun sequencing

Whole genome sequencing

Metatranscriptomics

Metabolomics/ lipidomics

Immunoproteomics

در مطالعه ای جدید در مورد میکروبیوم‌ها، میلیون‌ها ژن ناشناخته از جمعیت‌های میکروبی در روده، پوست، دهان و واژن کشف شده‌اند که درک جدیدی از نقش میکروبیوم‌ها در سلامتی و بیماری انسان بوجود آورده‌است. این مطالعه توسط محققان دانشکده پزشکی دانشگاه مریلند (UM SOM)، MIT و هاروارد صورت گرفته‌است و بزرگ‌ترین مطالعه در مورد میکروبیوم انسان تاکنون است. این مطالعه بخشی از پروژه میکروبیوم انسان در مؤسسه ملی بهداشت آمریکا است که در سال 2008 برای شناسایی میکروب‌های انسانی، ارتباط آن‌ها با سلامتی و بیماری و راهکارهایی برای آنالیز میکروب‌ها انجام شده‌است.

HMP شامل مشارکت بسیاری از موسسات تحقیقاتی از جمله دانشگاه Standford، موسسه Broad، دانشگاه Virginia، دانشگاه Washington، MIT، دانشکده پزشکی Baylor و بسیاری از موسسات دیگر بود.  

چالش‌های مطالعه میکروبیوتا و راهکارهای آن 

چندین چالش در تحقیق میکروبیوم در گذشته وجود داشت:  رشد همه‌ی میکروارگانیسم‌ها به سادگی امکان‌پذیر نبود. با این وجود، تکنیک‌های مدرن برای مطالعه مواد ژنتیکی، درک ما از میکروبیوتا را تغییر داده‌اند. برخی از اجزای میکروبیوتا به شرایط ویژه‌ای برای رشد احتیاج دارند، بنابراین آن‌ها در گذشته کشف نشده یا ناشناخته بودند. به عنوان مثال، میکروبیوتای کولون دارای حدود 800 تا 1000 گونه در هر فرد است، اما 62٪ آنها ناشناخته است و 80٪ از باکتری‌های شناسایی شده توسط متاژنومیکس نیز غیرقابل کشت هستند.  ( شکل5)

مفاهیم و پیشرفت‌های «متانومیک» پنجره‌ای جدید برای درک میکروبیوتای روده باز کرده‌است: 

Metagenome مجموعه تشکیل شده توسط میزبان و میکروبیوم است.

Metagenomics تجزیه و تحلیل ماده ژنتیکی باکتری است که به طور مستقیم از نمونه‌ی مورد مطالعه گرفته می‌شود و امکان شناسایی باکتری‌هایی را که نمی‌توان در محیط کشت تشخیص داد، فراهم می‌کند.

Metatranscriptomics  کل RNA رونویسی‌شده را بررسی می‌کند.

Metaproteomics  بر سطوح پروتئینی متمرکز است.

Metabolomics  مشخصات متابولیکی را مطالعه می‌کند.

Ribosomal RNA (rRNA)، بیش‌ترین ماکرومولکول مورد استفاده در مطالعات phylogenetic باکتریایی و taxonomic است.

با استفاده از توالی‌هایی که بخش‌های متغیر ژن برای زیرواحد 16S را کد می‌کنند، تشابه phylogenetic باکتری‌ها وآرکی‌باکتری‌ها archaea)) مشخص می‌شود که می‌توان آن‌ها را بدون استفاده از محیط کشت طبقه‌بندی کرد. با توجه به اطلاعات ژنتیکی به دست آمده از میکروبیوم از طریق 16S rRNA، طبقه‌بندی صورت می‌گیرد.  هنگامی که 95٪ شباهت در 16S rRNA وجود دارد، جنس، و زمانی که شباهت 97٪ باشد، اشاره به گونه است.


نظرات