Mikrobiyom; Ekosistem

Prof. Dr. Serhat Ünal FACP, FEFIM

Hacettepe Üniversitesi, Tıp Fakültesi

İç Hastalıkları Anabilim Dalı

İnfeksiyon Hastalıkları Ünitesi

Mikroflora

• İnsan mikroflorası hastalık ve sağlıkta

fonksiyonları olan kompleks bir ekosistemdir.

• İnsan vücudunda 1014 aerobik ve anaerobik

bakteri vardır, bu rakam vücuttaki tüm

hücrelerden 10 kat fazladır.

• Bakteriler deri, oral kavite mukozası, üst

solunum yolu, üriners ve genital sistemde de

bulunur, ancak en yoğun bulunduğu yer GİS dir.

Gastro İntestinal Sistem (GİS)

• Üç ana fonksiyonu vardır

– Besinlerin sindirilmesi

– Besin, su ve elektrolitlerin

emilimi

– GİS içi materyalin sindirim ve

emilime uygun optimal hızda

ilerlemesinin sağlanması

Non-immun mekanizmalar

Mukus tabakası

Asit pH /Enzimler

Kusma

Hareket

İloçekal kapak

Mukozal bütünlük /permeabilite

İntestinal Ekosistem GİS

TJ

Dm.

İmmun mekanizmalar

MALT ‘ın parçasıdır

Humoral / lokal cevap egemen; sIgA

M

T B B B

B B

GİS Mekanizmaları

P P

P

P

P P

P P

P

P

P

P P

M

E E

E

M

M

GİS

Gıda İntestinal

Flora

İntestinal Ekosistem

• Fetus : GİS steril

• Yenidoğan: GİS steril

• Mikroflora bir/iki saat içinde oluşmaya başlar

• 48 saatte kolonda;

Enterobacter, staphylococci, streptococci

• 2. ile 5.gün; Bifidobacterium

• Ek gıda; E.Coli, Bacteroides spp., Clostridium spp.

İntestinal Ekosistem; Flora

İntestinal Ekosistem; Flora

400 Tür

100 Trilyon -1

Katrilyon mo

1.5 kg

Mikroorganizma

Gaita gramı için >

108 bakteri

30-40 kadarı floranın %90 ını oluşturur.

Bunların büyük bir kısmı anaerobik ve spor

yapmayan mikrorganizmalar oluşturur

Bacteroidesler

Bifidobacter

Eubacteriumlar

Propionibacterium

Clostridium

Enterococcus

İntestinal Flora

Mide florası;

1.0-3.0 x 10 3-4 cfu/gr

Lactobasil’ler, H.pylori

İnce barsakların florası;

3.0-5.0 x 10 5-9 cfu/gr

Bifidobacter’ler, Streptokoklar

Lactobasil’ler, Bacteroides’ler

Kalın barsakların florası;

1-2 x 10 9-10 cfu/gr

Anaeroblar, Enterobacter’ler

İntestinal Ekosistem - Flora

• En önemli noktalardan biri mikrobiyal suşların

popülasyon boyutu kavramıdır.

• Bakteri popülasyonu,sayısını 20-30 dakikada iki

katına çıkartma yeteneğine sahiptir; bu nedenle

bakteri subdominant durumdan (104/g. barsak

içeriği) dominant duruma (10 milyar) kısa sürede

geçer ve hastalık oluşturabilir

İntestinal Mikroflora

• İntestinal mukozanın morfolojik gelişimine yardım eder

• İnvaziv mikroorganizmalara karşı korur

Metabolik yarış

Reseptör için yarış

Toksinlerin degradasyonu

İntestinal immun sistemin maturasyonunu sağlar

• Kronik (fizyolojik) inflamasyonu yaratır

• Metabolizmaya yardım eder Fiocchi C et.al. Curr.op.in.Gastroent 1994

Intracellular Signal Triggered by Cholera Toxin in S. boulardii and S. cerevisiae. Applied And Environmental Microbiology, p. 564-568 Feb. 1998,

Şeker ve selilozun

fermentatif

dekompozisyonu,

Organik asitler ve

CO2 üretimi

Yağ

metabolizması

kolesterol ve

trigliserit dengesi

Safra tuzlarının dekonjugasyonu

Bilirubin, steroid hormonların

İlaçların biotrasformasyonu ve absorbsiyonu

Mikrofloranın Metabolik Fonksiyonları

Vitamin sentezi,

absorbsiyonu ve

kullanımı

Indol,üre ve fenol

vb. karsinojenlerin

pütrifikasyonu

•Flora bakterileri

•Asit pH

•Mukus

•Proteazlar

•sIgA

•İntestinal permeabilite

İntestinal Ekosistemin/Dengenin Korunması

Ama ‘ Denge’ güvenilmezdir...

Eko Sistemde Dengeyi Bozanlar

Yağlı diyet

Proteinli diyet

Klorlu su

Uzun süreli cerrahi

girişim

Stres

İntestinal patoloji

Anemi

Hareketsizlik

Hazır gıdalar

İntestinal infeksiyonlar

Kemoteröpatikler

İshal

İmmün sist. defekti

Bakteriyal & Viral çoğalma

Mukozal Değişiklikler Enzimatik defekt

İlaç Kullanımı

•Ağrı kesiciler, Barsak düzenleyiciler

•Ateş düşürücüler, Antidepresanlar

•Antibiyotikler

•Tıpta yaygın/yanlış kullanımı

• Hazır gıdalarla alınanlar

•Veteriner tebabet ve tarımda kullanım

Antibiyotik İlişkili İshal ; Aİİ

• İshal, antibiyotiklerin sık rastlanan yan

etkilerinden biri

• Sık ve sulu dışkılama Ağır kolit

• Antibiyotik kullananların % 5-30’unda

• Tedavi sırasında veya iki ay sonrasına kadar

Terminoloji

• Antibiyotik ile ilişkili ishal – C. difficile etkenlerden biridir; % 20-30

• Antibiyotiğe bağlı kolit – C.difficile önemli bir etken; % 50-75

• Psödomembranöz enterokolit (PMEK) – Hemen tamamen C.difficile’ye özel bir tablo,

endoskopide psödomembranlar mevcut

Antibiyotik İlişkili İshal:

Diğer Nedenler

• Candida albicans

• Salmonella spp

• Clostridium perfringens tip A

• Staphylococcus aureus

• Noninfeksiyöz sebepler

– Karbonhidrat ve kısa zincirli yağ asidi

metabolizması değişiklikleri

Lancet 1984;1:511

Gastroenterology 1990;98:780

CDİH'nin Patogenezi

Antibiyotik tedavisi

Kolon mukozası hasarı (hemoraji, nekroz) ve inflamasyon

Toksin A ve toksin B'nin salınması

C. difficile'ye maruz kalma ve kolonizasyon

Kolon mikrofloranın değişikliğe uğraması

Kelly CP ve ark. Annu Rev Med 1998;49:375-390.

Psödomembranöz Enterokolit

C.Difficile İnfeksiyonlarının

Tedavisi

• İlk yapılması gereken mümkün olduğu

takdirde sorumlu antibiyotiğin kesilmesidir.

• Sadece bu uygulama ile hastaların %15-25’

inde yanıt alınabilir.

• Aİİ’ de çoğu zaman yeterli

• Metronidazol ( 3 x 500 mg.veya 4x250 mg 7-10 gün) PO

• Vankomisin (4 x 125 mg. 7-10 gün) PO

Her ikisi ile tedaviye yanıt oranları (%80-100)

relaps oranları (% 15-25)

benzer ve aralarında anlamlı farklılıklar yok.

C.Difficile İnfeksiyonlarında

Spesifik Tedavi

İmmünolojik yaklaşımlar

• Konsantre anti-C.difficile sığır IgG’ nin C.difficile

toksininin sitotoksik ve enterotoksik etkisini

azalttığı bildirilmiştir.

• Oral uygulamayı takiben insan dışkısının

nötralizan aktivite içerdiği gösterilmiştir.

• Çalışmalar sürmekte ve ümit vaat etmektedir.

Alternatif Tedavi Seçenekleri (3)

Biyoterapi: Komensal barsak florasını yeniden düzenlemeyi, böylece C.difficile’ ye karşı kolonizasyon direncini sağlamayı amaçlar

• Lactobacillus acidophilus

• Lactobacillus GG

• Enterococcus faecium SF 68

• Non-toksinojenik C.difficile

• Yoğurt

• Bira mayası

• Saccharomyces boulardii

Alternatif Tedavi Seçenekleri (4)

- Enfeksiyonlara duyarlılık

- Bağışıklık sistemi kaynaklı hastalıklar

- Kilo alma

- İnsulin direnci DM

Barsak florası; kompozisyonda değişim:

Barsak florası ve Obezite

Fare ve insan florası

– Bacteroidetes (Gram -)

– Firmicutes (Gram +)

Diyete bağlı olarak değişir?

Ley, et al. PNAS. 2005, 102

Ortak

Ley, et al. PNAS. 2005, 102

- Lipid üretimi

- Yağ hücresi

Fare

İnsan Florası ve Obezite

12 obez 1 yıl düşük kalorili diyet

– Yağ kısıtlı (FAT-R)

– Karbonhidrat kısıtlı (CARB-R)

1 yıl boyunca flora değişimi (16s rRNA)

Ley R, et al. Nature 2006:444

İnsan Florası ve Obezite

Ley R, et al. Nature 2006:444

İnsan Florası ve Obezite

% Bacteriodetes

değişimi:

CARB-R %2 kilo kaybı

FAT-R %6 kilo kaybı

Barsak florası/obezite

dinamik ilişki

Ley R, et al. Nature 2006:444

“Doctor, I don’t eat”

May be partially true!

Gordon J, et al. PNAS 2007;104

Fare

Yağ oranı yüksek beslenme

Flora değişimi

Bifidobacterium

Eubacterium

Clostridium

Bacteroides

Gram (+)

Polymyxin B Plazma LPS

Hepatik steatoz

Plazma LPS

Yağ kitlesi

Hepatik trigliserid birikimi

İnsülin direnci

Kronik inflamasyon

Obezite

Diyabet

Sistemik Düşük düzey

Sürekli İnflamasyon

Obezite

DM

1.

The Microbiome: transplant experiments

Turnbaugh, et al. Nature 2006; 444

Ob Ob mouse Wild type mouse

The Microbiome: transplant

experiments

• Germ-free mice given ob/ob or wild-type flora

• Chow consumption and exercise the same for both groups

• Both sets had similar starting weight and % BF.

• The ob/ob microbiota promote host adiposity

Turnbaugh, et al. Nature 2006; 444

Barsak Florası: Bebek

Sezaryen Bifidobacterium

Postnatal

immün sistem

gelişimi

Atopi ?

Çevresel m.o. 1y. İsveçli çocuklarda

C.difficile

20 yıl önce: %10

Şimdi : > %50 Mama ile

beslenme Desulfovibrio İnflamatuvar

barsak h.

Hijyen hipotezi Erken çocuklukta enfeksiyonlar

(Orijinal) atopik hastalıklara karşı korur !

Hijyen hipotezi Bebekken oluşan ilk barsak florası

(Genişletilmiş) kompozisyonu atopik hastalıklara

karşı korunmada anahtar rol oynar!

Bebek barsak florası

Barsak motilitesinde bozulma

Permeabilitede bozulma

İntestinal Ekosistemde

Dengelerin Bozulması

Enterositlerde hasar

Desmozomlarda hasar

Epitelyal bütünlükte

bozulma

Bazı bakterilerin azalması ;

atopi

Bazı bakterilerin aşırı

derecede çoğalması ; distopi

Aşırı toksin salınımı

Kolonizan bakteri

Hastalık Hastalık riskini Koruyucu olanlar

Atopik dermatit Enterobacteriaceae (E. coli) Bifidobacterium

Clostridium(C. difficile) Lactobacillus

Staph., Bacteroides

Astım C. difficile

B. fragilis grup

Bebek barsak florası

Bebek Beslenmesi ve Flora

Sağlık

– Epitelyal bariyerin gelişimi

– Besin: biyotin, folat, vitamin K

– Metabolik destek

– İmmün sistem gelişimi

Hastalık

– NEK

– Atopik /allerjik hast

– Obezite

– IBD

– İshal

Christopher G. Owen et al. Pediatrics

2005;115

Anne sütü ile beslenme:

Obezite

Tip 1,2 DM

Otit media,

gastroenterit,

ASYE,

atopik dermatit,

astım,

Lösemi(çocukluk),

NEK

Bebek Beslenmesi ve Flora

Christopher G. Owen et al. Pediatrics

2005;115

Mikrobiyom

Mikrop genomu topluluğu

Mikrobiyom

• Belli bir ortamdaki mikropların, onların genetik

elemanlarının (genom) ve çevre ile

etkileşimlerinin bütünüdür.

• “Mikrobiyom” sözcüğü, insan fizyolojisi

üzerindeki etkileri nedeniyle insan vücudunda

yaşayan mikroorganizmaların insan genomunun

bir parçası olarak sayılması gerektiğini öne

süren Joshua Lederberg tarafından türetilmiştir Zimmer, Carl (13 July 2010). "How Microbes Defend and Define Us”New York Times. Retrieved 17 July 2010.

Coyle, MD, Walter J.."The Human Microbiome: The Undiscovered Country”.p. 16. Retrieved 2 March 2012

Mikrobiyom

• Mikrobiyomun tümü takriben sadece 200-

1000 gram ağırlığında olmasına rağmen,

insan vücudu insan hücresinden 10 kat fazla

mikrobiyal hücre içerir

• Mikrobiyomlar bundan başka toprak, deniz

suyu ve tatlı su sistemleri de dahil olmak

üzere bir çok ortamda tanımlanmıştır.

Zimmer, Carl (13 July 2010). "How Microbes Defend and Define Us”New York Times. Retrieved 17 July 2010.

Coyle, MD, Walter J.."The Human Microbiome: The Undiscovered Country”.p. 16. Retrieved 2 March 2012

• Protistalardan insanlara kadar tüm bitki ve

hayvanlar, mikrobiyal organizmalar ile yakın ilişki

içinde yaşamaktadır. Ancak yakın zamana kadar,

bitkiler ve insanlar ile mikrobiyal dünya arasındaki

karşılıklı etkileşim büyük oranda hastalık

durumları ve nispeten az sayıda simbiyotik vaka

çalışmalarında tanımlanmıştır. Canlı varlıklar

izole halde yaşamazlar, ancak kompleks

topluluklar bağlamında evrimleşmişlerdir.

Mikrobiyom

• Mikropların nadir simbiyotik vaka

çalışmasının çok ötesinde, bir organizmanın

fenotipinin önemli bir parçası olduğu gittikçe

artarak anlaşılmaktadır.

• Bir organizmanın tüm yerleşik mikroplarına

“unutulmuş bir organ” denmektedir

Mikrobiyom

Boscha TCG, McFall-Ngaib MJ (2011). "Metaorganisms as the new frontier”. Zoology 114 (4):

185–190

Willyard C (24 November 2011). "Microbiome: Gut reaction". Nature 479: S5–S7

• İnsan mikrobiyomu yaklaşık 100 trilyon mikrop

hücresi içermekte olup, her 10 hücreye karşı 1

insan hücresi denk gelmektedir (21).

• Bu nedenle insan fizyolojisini belirgin olarak

etkileyebilmektedir.

• Örneğin, sağlıklı bireylerde mikrobiyota insanda

olmayan geniş çapta metabolik fonksiyonları sağlar

Mikrobiyom

Gill, S. R.; Pop, M.; Deboy, R. T.; Eckburg, P. B.; Turnbaugh, P. J.; Samuel, B. S.; Gordon, J. I.;

Relman, D. A. et al. (2006). "Metagenomic Analysis of the Human Distal Gut Microbiome”.

Science 312 (5778): 1355–1359

• Hastalıklı bireylerde mikrobiyota değişmekte olup,

– neonatal nekrotizan enterokolit,

– inflamatuvar barsak hastalığı

– Vajionozis gibi hastalıklarla ilişkilidir.

• Sonuç olarak insan mikrobiyomu önemli bir konu

olup, İnsan Mikrobiyom Projesi (Human Microbiome

Project ) ve MetaHIT gibi girişimlerle başlamıştır.

Mikrobiyom

• Günümüzde yeni metagenomik ve

metatranskriptonomik bilim dallarında tekli

hücrelerin ve hatta tüm mikrobiyal

toplulukların genom ve gen ekspresyon

analizlerini yapmak mümkündür

Mikrobiyom

Boscha TCG, McFall-Ngaib MJ (2011). "Metaorganisms as the new frontier”. Zoology 114 (4):

185–19

• Bu bilginin birçok bilim dalları boyunca

araştırmacılara ulaşılabilir olmasını sağlayan

çok büyük veritabanları, ve karmaşık veri

kümelerini algılayabilen matematiksel analiz

metodlarının dahil olduğu pekçok gelişme

olmuştur.

Mikrobiyom

Boscha TCG, McFall-Ngaib MJ (2011). "Metaorganisms as the new frontier”. Zoology 114 (4):

185–19

• Tek m.o. genomları

• Farklı yöntemler

• Meta analiz sonuçları

• Genomlar arası etkileşim?

Mikroflora ve İnsan Sağlığı Çalışmaları

Dünya Mikrobiyom Projesi (Earth

Microbiome Project-EMP )

• Doğal örnekleri toplamak ve dünyadaki mikrobiyal

toplulukları analiz etmek için başlamıştır.

• Farklı biomlarda 200,000 kadar örnek toplama hedefini

gütmektedir, böylece mikrobiyal kompozisyon ve

etkileşim tarafından ekosistemler ve çevreleri

karakterize etmek için dünya üzerindeki mikropların tam

bir veritabanını meydana getirecektir

• Bu verileri kullanarak, yeni ekolojik ve evrimsel teoriler

öne sürülebilir ve test edilebilir

Gilbert, J. A.; Meyer, F.; Antonopoulos, D.; Balaji, P.; Brown, C. T.; Brown, C. T.; Desai, N.; Eisen,

J. A. et al. (2010)."Meeting Report: The Terabase Metagenomics Workshop and the Vision of an

Earth Microbiome Project”. Standards in Genomic Sciences 3 (3): 243–248

İnsan Mikrobiyom Projesi

• USA Ulusal Sağlık Enstitüsü (NIH) girişimi olup, hem

sağlıklı hem de hasta insanlarla (onların mikrobiyal

florası) ilişkili olduğu bulunan mikroorganizmaların tespit

edilmesi ve karakterize edilmesi amacıyla planlanmıştır.

• 2008’de başlatılmıştır, beş yıllık bir projedir total olarak

115 milyon dolarlık bir bütçesi vardır.

• Asıl amacı, insan sağlığı ya da hastalığı ile ilgili olarak

insan mikrobiyomunun nasıl değiştiğini test etmektir.

Peterson, J.; Garges, S.; Giovanni, M.; McInnes, P.; Wang, L.; Schloss, J. A.; Bonazzi, V.; McEwen, J. E. et al.

(2009)."The NIH Human Microbiome Project”. Genome Research 19 (12): 2317–2323

Nisan, 1953 Nisan, 2003

İnsan Genomu Epigenom

Mikrobiyom

İnsan Sağlığı ve Hastalıklar

Toplam:

30.000 gen

Epigenetik: Genomda değişiklik olmaksızın

fenotipte kalıtsal değişiklikler olması

İnsan Epigenom Projesi

2008

2008

İnsan Mikrobiyom Projesi

Mikrobiyomda değişiklik

İnsanda mikrobiyom ?

Amaç

Sağlık ?

Hastalık ?

İnsan mikrobiyomu

İnsan Mikrobiyom Projesi

– Gerekli yeni teknoloji ve enformatik sistemini

geliştirmek

– Mikrobiyomdaki değişikliklerin hastalıkla

ilişkisini gösterecek projelere destek vermek

– Referans veri tabanı sağlamak

• Süre: 5 yıl

• Bütçe: 115 milyon dolar

• En az 250 normal gönüllü örneği

İnsan Mikrobiyom Projesi

Referans Genomlar

600 üretilen/üretilemeyen bakteri genomu

dizi analizi toplam 1000’e ulaşmak

16S RNA dizileme

Her vücut bölgesindeki m.o. topluluğunun

karmaşıklığını tanımlamak Her bölgede çekirdek mikrobiyom

Metagenomik WGS ( Whole genome shotgun)

İnsan örneklerinde toplam mikrobiyal genom

dizilemesi Mikrobiyomdaki genler arası etkileşim

Araştırıcılara destek ve Eğitim

HMP temel alanları

http://www.hmpdacc.org/

Data Analysis and Coordination Center (DACC)

for the Human Microbiome Project (HMP).

- Reference genomes isolated from airways

- Reference genomes isolated from the

gastrointestinal tract

- Reference genomes isolated from the oral

cavity

- Reference genomes isolated from the skin

- Reference genomes isolated from the vagina

Choosing Reference Organisms: Current breakdown of strains according to body site

İnsanda

Fekal transplantasyon ???