ÇEVRESEL FAKTÖRLERİNMİKROBİYOTAYA ETKİSİ

DEMİR VE MİKROBİYOTA

DR. BURÇİN ŞENERHACETTEPE ÜNİVERSİTESİ TIP FAKÜLTESİ

TIBBİ MİKROBİYOLOJİ AD

1. ULUSAL İNSAN MİKROBİYOTASI VE SAĞLIĞIMIZA ETKİLERİ KONGRESİ8-10 ARALIK 2016, ANKARA

Sunum Akışı

• Demir metabolizması

• Mikroorganizmada demir kullanımı

• Demir ve mikrobiyota ilişkisi

• Demir-Mikrobiyota-Hastalık ilişkisi

DEMİR=ISPANAK

Ispanakta bol miktarda oksalik asit, folikasit, magnezyum ve fosfor vardır.Ispanakta bol miktarda bulunan oksalik asit ıspanaktaki non-heme demirin emilimini bozar.

DEMİR

• Oksijen taşınması ve depolanması

• Elektron taşınması

• Oksidatif metabolizma

• Hücre büyümesi ve çoğalması

• Esansiyel reaksiyonların katalizi

• Toplam vücut demiri 3-4 gramdır

YAŞAM İÇİN VAZGEÇİLMEZ BİR

ELEMENT !!!!

Demir Metabolizması

• Ferröz demir (Fe2+) serbest formunda çok toksiktir.

• Ferrik demir (Fe3+) fizyolojik pH’daçözünmez ve biyoyararlanımı çok düşüktür.

• Vücutta serbest demir düzeyi çok düşük olup çoğu bağlı formdadır.

6

Vücuttaki demirin yaklaşık

%70’i hemoglobinde;

%25’i ferritin ve denatüre olmuş ferritinyapısındaki 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

Demir metabolizması

7

Demir emilimi:

• Fe2+ iyonu şeklinde

• Başlıca duodenum ve jejunumda

• İnce bağırsak mukozasında bulunan ferritin ve transferrin demir emilimini birlikte düzenlemektedir.

Duodenal lumen

Kan

Depo demir= ferritin, hemosiderin

Demir metabolizması

8

Plazmada demir transferine bağlı olarak organlara

taşınır

• 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

MİKROORGANİZMALAR VE DEMİR

MİKROORGANİZMALAR VE DEMİR• Bakteriler demiri

sideroforlararacılığıyla “çalmak” zorunda– Düşük molekül ağırlıklı,

demire yüksek afinitegösteren, bakteriler ve bazı mantarlar tarafından salınan moleküller

– Demiri ortamdan alıp bakteri hücresine taşırlar

Holden VI, Bachman MA. Metallomics 2015

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

Enfeksiyon halinde durum daha da zor…

• Demiri başlıca depolayan makrofajlar“hepsidin” hormonu salınması sonucunda demiri daha fazla tutmaya başlar ve GIS’egeçişi azaltır

1. Enfeksiyon anemisi

2. Bakterilerin demiri alması zorlaşır, virülansı

azalır.

Bakterilerde bulunan TbpA proteini demir için transferrinle yarışmakta….21 farklı primat türünde transferrinsekanslanıyor ve evrim sürecinde transferrinin TbpA’dan kurtulmak için farklılaştığı gösteriliyor.

Barber M, Elde N. Science 2014, 346:1362-66

Bir besin maddesine karşı gelişen bu yarış konak ve

patojenin evrimi açısından bir kanıt !!!!

PATOJEN BAKTERİLERE DEMİRİ VERMEMEK GEREK …….

MİKROBİYOTA BU NOKTADA NE İŞE YARAMAKTA ???

GIS MİKROBİYOTASI

Konak sağlığında önemli rol oynuyor:– Bariyer etkisi– Eksojen patojenlerle yarışma etkisi

Firmicutes: Bacillus, ClostridiaBacteriodetes: Bacteroides, PorphyromonasActinobacteria: Actinomyces, Corynebacteria, Nocardia, StreptomycesProteobacteria: Acetobacter, Sphingomonas, Bordetella, Neisseria, Aeromonas, Enterobacteriaceae, Haemophilus, Pseudomonas, Vibrio, Campylobacter, Helicobacter

Le Chatelier et al, Nature 2013

Artanlar

Azalanlar

Denge ….

• Enterik gram negatif bakterilerin çoğu için demirvarlığı virülansta ve patojen suşlarınkolonizasyonunda önemli rol oynar.

• Demir GIS mikrobiyotasında bulunan pek çok bakteri için esansiyel ancak bariyer fonksiyonu yapan bazı yararlı bakterilerin (örn. Laktobasiller) demir gereksinimi yoktur.

• Düşük demir Laktobasilleri arttırır, Clostridium ve Bacteroides’leri azaltır.

Bifidobakteriler, laktobasiller / Enterobacteriaceae türleri

Bu oran yükseldikçe enfeksiyona olan direnç

artıyor !!!

• 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

• Bifidobakteriler bebeklerde GIS’de ilk yerleşen anaerob mikrobiyota üyeleri

– İntestinal mikrobiyota içeriğini etkiliyor

– İmmün modülasyon etkileri var

Bifidobakteriler

Organik asit oluştururak

pH’yı düşürür

Yüksek oranda demiri tutar

S.Typhi ve EHEC’nin

bağırsak epitelhücrelerine

adherensi önler

Vasquez-Gutierrez P, et al. Frontiers Microbiol 2016, 7: 1480

Demiri tutan mikrobiyotanınkoruyucu etkisi !!!

• Özellikle B.pseudolongum ve B.kashiwanohenseS.Typhi ve EHEC’inbağırsaklara tutunmasını önlüyor…………. Acaba bu enterik

patojenlere karşı önleyici probiyotikler olarak

kullanılabilir mi?

Diyet yoluyla alınan ve absorbe olmayan demir kolondaki mikrobiyota dengesini bozarak patojenik

bakterilerin artışına neden olabilir mi?

Demirin artan dozları

GIS E.colioranında artış

Diyare

Düşük demir = “Doğal

antibiyotik”“Besinsel bağışıklık”

Oral demir disbiyozisi tetikler !!!

Hypoferremia in the inflamed gut signals bacteria (E. coli) to produce more enterobactin (Ent), whichnot only helps to efficiently acquire iron from the environment but also inactivates host antibacterialenzyme myeloperoxidase (MPO). The dual activities of Ent provide a survival advantage despite theinflammatory milieu, resulting in E. coli bloom. The inhibition of MPO activity by Ent is counter-regulated by host siderophore-binding protein, Lipocalin 2.

İnflamasyon durumunda E.coli sideroforu olan enterobactin konağın savunma mekanizması

olan MPO sistemini inhibe eder

E.coli inflamasyon olan bağırsakta artar !!!

“Mutaflor”: E.coli Nissle 1917

Alfred Nissle, 1. Dünya Savaşı sırasında

Balkanlarda dizanteri, tifo, paratifoyayakalanmayan 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…..

Beslenmenin demir düzeyi ve mikrobiyota üzerine nasıl etkisi olmakta ?

• 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

Zimmermann 2010

DAHA PATOJENİK BİR GIS MİKROBİYOTA PROFİLİ Enterik bakteriler artar,

laktobasiller azalır.

GIS’deenflamasyon

Fe

Anemik Afrikalı çocuklarda …..

• Güney Afrika kırsalında, randomize plasebo-kontrollü 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)

• Fekal örnekleme

• Kantitatif PCR 10 bakteri grubu araştırılıyor

• Fekal SCFA (short chainfatty acid) düzeyi

• Fekal kalprotektin

• Fe desteği öncesi Fe eksikliği olan ve olmayan gruplar arasında bağırsaklardaki bakteri grupları, fekal SCFA ve fekal kalprotektinaçısından fark yok.

• Düşük enteropatojen yükü olan Afrikalı çocuklarda Fe desteği bağırsaklardaki bakteri gruplarının içeriğini, fekal SCFA ve fekalkalprotektin düzeyini belirgin ölçüde etkilemiyor.

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 bir bölgede yapılmış…... YaniDemirin konak ve patojen üzerindeki

etkisi:• Konağın bazal demir düzeyi

• Yaş• Bağışıklık durumu

•GIS enteropatojen yükü• GIS mikrobiyota içeriği

ile ilişkili

• 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)

Fe-katkılı mama ile beslenen gruplarda

günlük demir alımı etle beslenen gruba göre

daha yüksek

Dışkı mikrobiyotasındaen 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.

• Sadece demir katkılı mama alanlarda Actinobacteria(Bifidobacteria ve Rothia) ve Laktobasillerazalıyor, Bacteroidestürleri daha baskın

• Et ile beslenen grupta Clostridiagrup XIVa artıyor

bütirat artışı

İmmünmodülatuvar etki(İBH’a karşı koruma sağlıyor !!)

Demir katkısı ile enterikbakterilerin arttığına dair bir

veri yok

Enfeksiyon yükü yüksek bölge

Bağırsaklarda kronik inflamatuvar

bir durum

Hepsidin düzeyinin yükselmesi

Enterositlerdendolaşıma demir

emiliminin bozulması

Bağırsaklarda demirin artması

Toksik radikal oluşumu

İNFLAMASYON

Demir-Mikrobiyota-Hastalık İlişkisi

Crohn hastalığı-demir-mikrobiyota• Crohn hastalığı GIS’de ağızdan anüse kadar bir

veya birkaç bölümü tutabilen bir inflamatuvarbağırsak hastalığı

• Sağlıklı insanlarda bağırsak mikrobiyotasınınönemli kısmını oluşturan Firmicutes ve Bacteroidetes’ler İBH olgularında belirgin olarak azalmakta, Proteobacteria ve Actinobacteriagenuslarında anlamlı bir artış görülmekte bütirat azalmakta proinflamatuvarsitokinler üzerine olan inhibitör etki ortadan kalkmakta inflamasyon

• İBH tedavisinde Clostridium IX a ve VI gruplarını içeren probiyotik ürünlerin kullanımı

• Oral demir alımı bağırsakta bakteri topluluklarını önemli oranda azaltıyor

• Demir proinflamatuvar etkiye sahip

– İnflamatuvar bağırsak hastalıklarının tedavisinde aktif hastalık sırasında oral demir kullanımı önerilmemekte

• FeSO4 içermeyen bir diyet Crohn ileitisgelişimini önlüyor

Ülseratif kolit-Bağırsak mikrobiyotası-Demir ilişkisi

• Ülseratif kolit patogenezinde bağırsak mikrobiyotasının rolü?

• E.coli ülseratif kolit ilişkisi?

• E.coli inflamasyonuarttırıyor X azaltıyor

• Demirin bu ilişkideki rolü?

• 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 katGgen ekspresyonu H2O2’nin parçalanması remisyon

Pilarczyk-Zurek, BMC Gastroenterol, 2016, 16: 128

E.coli hem Fe2+’i tutarak hem de

H2O2’yi parçalayarak inflamasyonu

geriletiyor

• Ortamda demir artarsa E.coli daha kolay üremekte

• Oral yolla alınan çözünür demir oranının artması GIS hastalığı olanlarda mikrobiyotadaistenmeyen değişikliklere yol açarak enterikpatojenlerin adherensini arttırıyor.

Pilarczyk-Zurek, BMC Gastroenterol, 2016, 16: 128

Non-patojenik E.coli suşlarıülseratif koliti geriletmek amacıyla kullanılabilir mi?

• Demir tedavisi:

– İnflamasyonu indükler demir emilimini bozar

– Emilmeyen demir GIS mikrobiyotasını değiştirir

• Anti-oksidan kullanımı?

– Demirin indüklediği inflamasyonu azaltır mı?

Vit E

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

Demir, mikrobiyota ve kolorektalkanser

• Kolorektal kanserlerde demir eksikliği ve anemi sık görülmekte

• Oral veya i.v. demir bu eksikliği düzeltmekte

• Ancak……..aşırı demir kolorektalkarsinogenesisi desteklemekte

Ng O. Wien Med Wochenschr (2016) 166:431–436

Vücutta demir deposu arttıkça kolon Ca riski artıyor……..

Fazla demir Disbiyozis

S.bovis, Bacteroides, E.faecalis ve

Clostridium sppartış

Hidrojen sülfit, safra

tuzları artışı

İnflamasyonve

Karsinogenez

Bifidobacteriumlongum ve

Lactobacillusacidophilus

Patojen türlerin

kolonizasyonunu önler

Safra tuzlarının mutajeniketkilerini

azaltır

Bütiratüretimi

Demiri bağlar

Anti-karsinojenik etki

SONUÇ

Şimdilik bilinenler……..

Demir eksikliği GIS mikrobiyotasınıdeğiştirmektedir.

Oral yolla alınan yüksek doz çözünür demir mikrobiyota üzerinde istenmeyen etkilere sahip

Demir desteğinin mikrobiyotaya etkisi baz Fedüzeyi 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

Araştırma alanları

• Ciddi demir eksikliği anemisi durumunda diyetle alınan demir desteğinin potansiyel patojenikmikrobiyota 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-biyotiklerinkullanımı inflamasyonu nasıl etkiliyor?

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

“İlaçlar yiyecekleriniz, yiyecekleriniz

ilaçlarınız olsun…..”

2500 yıl önce…………..