Farmakomikrobiyomik - Pharmacomicrobiomics

Farmakobiyomiği genomik, mikrobiyoloji ve farmakolojinin bir alt alanı olarak gösteren Venn şeması.

Pharmacomicrobiomics , ilk olarak 2010 yılında kullanılan ilaç eğilim, eylem ve toksisite mikrobiyomları varyasyonlarının etkisi olarak tanımlanmaktadır. Farmakomikrobiyomik , ksenobiyotikler veya yabancı bileşikler ile bağırsak mikrobiyomu arasındaki etkileşimle ilgilidir . Bağırsakta 1000'den fazla türü temsil eden 100 trilyondan fazla prokaryotun bulunduğu tahmin edilmektedir. Bağırsakta mikroplar, gelişimsel, immünolojik ve beslenme konak fonksiyonlarını modüle etmeye yardımcı olur. Mikropların toplu genomu, insanların metabolik yeteneklerini genişleterek, çeşitli kaynaklardan besinleri yakalamalarına olanak tanır. Yani, vücuda yabancı kimyasalların metabolizmasına yardımcı olan enzimlerin salgılanması, karaciğer ve bağırsak enzimlerinin modifikasyonu ve insan metabolik genlerinin ekspresyonunun modülasyonu yoluyla mikroplar, ksenobiyotiklerin alımını önemli ölçüde etkileyebilir.

Belirli ksenobiyotiklerin ve mikrobiyomu arasındaki etkileşimi anlamak için çabalar geleneksel kullanımını kapsamıştır vivo hem de in vitro model. Son zamanlarda, bir mikrop topluluğundan elde edilen genomik DNA'nın yeni nesil dizilimi, mikrobiyal topluluklar içindeki organizmaları tanımlamak için kullanılmış ve bir ortamdaki mikropların bileşiminin doğru profillerine izin vermiştir. İnsan Mikrobiyom Projesi (HMP) gibi girişimler ağız, bağırsak, vajinal, cilt ve burun ortamlarının mikrobiyal bileşimini karakterize etmeyi amaçlamıştır. Bu ve diğer mikrobiyom karakterizasyon projeleri, farmakomikrobiyomik çalışmalarını hızlandırmıştır. İnsan vücudundaki mikrobiyomun kapsamlı bir şekilde anlaşılması, mikrobiyom tarafından gerçekleştirilen işlemlerle güçlendirilmeyen veya etkinleştirilmeyen yeni terapötiklerin ve kişiselleştirilmiş ilaç tedavilerinin geliştirilmesine yol açabilir.

Tarih

1973 tarihli bir makalesinde, Ronald Scheline, gastrointestinal mikrobiyomun, metabolik potansiyeli en az karaciğer kadar olan bir organ olarak hareket etme yeteneğine sahip olduğunu belirtti. O zamandan beri, insan mikrobiyomunun sağlık ve hastalığa aracılık etmedeki önemi kabul edildi ve ksenobiyotikler ve mikroplar arasındaki spesifik etkileşimler , in vitro veya in vivo yöntemler kullanılarak karakterize edildi . Bununla birlikte, tam metabolik profili dikkate alan az sayıda çalışma, bazılarının mikrobiyomun ksenobiyotik metabolizma ve toksikolojideki kümülatif rolünün büyük ölçüde keşfedilmemiş kaldığını söylemesine yol açmıştır. ABD ve Avrupa'da en çok satan ilaçların %84'ünün ağızdan verildiği ve bu da onu en yaygın ilaç uygulama şekli haline getirdiği bildiriliyor. Bunun anlamı, ilaçların büyük bir bölümünün, özellikle çözünürlüğü düşük ve geçirgen olanların mikrobiyomla karşılaşması ve indirgeyici ve hidrolitik reaksiyonlara maruz kalmasıdır.

16S rRNA shotgun metagenomik dizileme gibi dizileme teknolojileri , mikrobiyal topluluklarda organizma çeşitliliğini yakalayarak farmakomikrobiyomik alanının hızla genişlemesini kolaylaştırmıştır. Sırasıyla 2007 ve 2008'de kurulan Human Microbiome Project ve METAgenomics of the Human Intestinal Tract (MetaHIT), insan mikrobiyomlarındaki varyasyonu karakterize etmeyi amaçladı. Bu büyük ölçekli projeler, bireyler arasında mikrobiyal bileşimdeki varyasyonu hesaba katabilecek istatistik modellerin oluşturulmasına izin verdiği için farmakomikrobiyal çalışmaların temelini oluşturmaktadır.

Mikrobiyom bileşimini açıklama yöntemleri

Tipik bir farmakomikrobiyomik boru hattında, bir mikrobiyal numuneden alınan DNA izole edilir, dizilenir ve ardından mikrobiyal dizi veri tabanlarına hizalanır. Numunenin bileşimine bağlı olarak, bilinen etkileşimlere dayalı olarak uygun ksenobiyotik reçeteleri tanımlanabilir.

Hayvan modelleri

Doğal insan bağırsağını modellemek zor olduğundan, ksenobiyotikler ve konakçı mikrobiyomu arasındaki etkileşimler öncelikle in vivo hayvan modellerinin kullanımı yoluyla değerlendirilmiştir . Genel olarak, bakteriyel kolonizasyon paterni farklı hayvanlarda aynıdır, hem pH hem de mikroorganizma sayısı ince bağırsaktan kalın bağırsağın ileo-çekal bileşkesine doğru kademeli olarak artar. İnsan dışkı maddesi ile kolonize edilmiş mikropsuz sıçanlar, genellikle bağırsak mikrobiyal ortamının hayvan modellemesinde altın standart olarak kabul edilir. Bununla birlikte, enzim aktivitesi organizmalar arasında büyük farklılıklar gösterebilir.

in vitro modeller

İnsan dışkı örneklerinde bulunan mikroplar, bağırsak mikrobiyomunu oldukça temsil eder ve in vitro kültürlerde sıklıkla kullanılır . Çeşitli in vitro mikrobiyal modelleme teknikleri de geliştirilmiştir. Statik toplu kültürleme, ortamı düzenli aralıklarla yenilemeden bakterilerin kaplanmasından oluşur. Yarı sürekli kültür sistemleri, bakteri üremesini bozmadan ortamın eklenmesine izin verir ve pH kontrol özelliklerini içerir. Sürekli kültür sistemi, kültür ortamını sürekli olarak doldurduğu ve çıkardığı için bağırsak sistemine daha çok benzer. İnsan bağırsak mikrobiyal sisteminin (SHIME) simülatörü, beş aşamalı bir reaktör kullanarak ince ve kalın bağırsağı modeller ve pH ve hacmin sürekli izlenmesi için çok sayıda bağlantı noktası içerir. Son zamanlarda, araştırmacılar, cihaz boyunca kekik dolaştırmak için bilgisayar kontrollü bir peristaltik dalga dahil ederek SHIME'yi geliştirdiler. Bu teknolojiler, araştırmacılara kültür ortamı üzerinde yakın kontrol sağlayarak, ksenobiyotikler ve mikroplar arasındaki etkileşimlerin keşfedilmesini kolaylaştırdı.

Yeni nesil sıralama

16S rRNA Sıralaması

16S ribozomal RNA , tüm bakteri türlerinde mevcut olduğundan, çoğu organizmada aynı işleve sahip olduğundan ve bakterileri ayırt etmek için yeterli varyasyonu yakalayacak kadar büyük olduğundan (~1.500 bp) bakteri türlerini sınıflandırmak ve tanımlamak için en yaygın temel genetik belirteçtir . . 16S rRNA dizisi, "hiperdeğişken bölgelerin" dokuz penceresiyle değişen yüksek oranda korunmuş dizilerden oluşur. Bu, evrensel primerlerin aynı anda birçok türü sıralamak için kullanılmasına izin verir ve yalnızca değişken bölgeler verilen bakterileri ayırt etme olasılığını sağlar. Birçok makale, 16S rRNA gen dizilemesinin vakaların >%90'ında cins tanımlaması sağladığını, ancak vakaların yaklaşık %65 ila %83'ünde tür düzeyinde tanımlama sağladığını ileri sürmektedir. Ribozomal Veritabanı Projesi (RDP) ve SILVA veritabanları bakteri, ökarya ve arkelerde rRNA için dizi bilgisi içerir.

av tüfeği dizilimi

Yüksek verimli dizilemedeki gelişmeler, her organizmada daha fazla sayıda gen dizileyerek mikrobiyal örneklerin daha geniş bir karakterizasyonunu sağlayan bir teknoloji olan shotgun metagenom dizilimini (SMS) kolaylaştırmıştır . SMS, çevreden mikrobiyal örneklerin toplanmasını, DNA'nın izole edilmesini, DNA'nın küçük parçalara ayrılmasını ve ardından tüm genom dizilişini (WGS) gerçekleştirmeyi içerir. Okumalar, de novo veya referans genomlar kullanılarak birleştirilebilir. Ancak, SMS sınırsız değildir. Okumalar örtüşebilir ve referans genomlara doğru hizalamayı engelleyebilir. Ek olarak, okumalar insan DNA dizisi ile kontamine olabilir ve bu da sonuçları karıştırabilir. Referansa dayalı derlemede, okumalar ayrıca halka açık referans genomlarına sahip türlere karşı da önyargılı olabilir.

Mikrobiyomun bileşimi

Bireysel Mikrobiyomlar

Bağırsak

Bağırsaklarda, mikropların çoğu, pH'ın daha yüksek ve hayatta kalmaya daha elverişli olduğu kalın bağırsakta bulunabilir. Bu bakteriler genellikle kendi sindirim enzimlerimizden daha etkilidir ve protein ve karbonhidratları sindirme işlevi görür. 690'dan fazla insan mikrobiyomunun sonuçları, bağırsak mikrobiyomunun bakterilerinin çoğunun dört filuma ait olduğunu göstermiştir: Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria ve Proteobacteria.

Vajina

Vajina 200'den fazla filotipe sahiptir, en baskın olanları Firmicutes , Bacteroidetes , Actinobacteria ve Fusobacteria'ya aittir . Lactobacillus sp tarafından laktik asit ve hidrojen peroksit salgılanması. pH'ı düşürerek bakteriyel vajinoza neden olan bakteri konsantrasyonunu artırabilir.

Plasenta

Sağlıklı term gebeliklerde mikropların ilk profili Firmicutes, Tenericutes, Proteobacteria, Bacteroidetes ve Fusobacteria filumlarından patojenik olmayan kommensal mikrobiyotayı tanımladı.

Ağız boşluğu

HMP aracılığıyla, dokuz ağız içi bölge araştırıldı ve 20'den fazla bakteri filumuna ait 300'den fazla cinste zengin olduğu bulundu.

İnsan Mikrobiyomu Projesi

İnsan mikrobiyomu Projesi (HMP) ABD tarafından 2008 yılında kurulmuş Ulusal Sağlık Enstitüleri (NIH). Genel amaç, insan mikrobiyotasının kapsamlı bir karakterizasyonunu ve insan sağlığı ve hastalığındaki rolünün yanı sıra bilim adamlarının mikrobiyal popülasyonları incelemek için kullanabilecekleri veri setleri ve araçlar geliştirmektir. Spesifik girişimler aşağıdaki gibidir:

  1. İnsan mikrobiyomunun ilk karakterizasyonu için bir referans mikrobiyal genom dizileri seti geliştirin.
  2. Hastalık ve insan mikrobiyomundaki değişiklikler arasındaki ilişkiyi açıklayın.
  3. Hesaplamalı analiz için teknolojiler, yani tek tek mikropları veya karmaşık popülasyonların tüm üyelerini aynı anda sıralamaya yönelik yöntemler geliştirin.
  4. Proje, sonuçlar ve ham veriler hakkında kamuya açık bilgiler sağlamak için bir Veri Analizi ve Koordinasyon Merkezi oluşturun.
  5. HMP'de kullanılan materyalleri ve reaktifleri depolamak için araştırma havuzları oluşturun. Bu, kültürlenmiş organizmaları ve metagenomik DNA örneklerini içerir.
  6. HMP araştırmasının etik, yasal ve sosyal sonuçlarını inceleyin.

Karakterizasyonun birincil yolu, 16S rRNA dizilimi ve shotgun metagenomik dizilimidir. Örneklenen vücut bölgeleri arasında deri, ağız boşluğu, bağırsak, vajina ve burun boşluğu bulunur. HMP web sitesi sekans, metabolik rekonstrüksiyon ve topluluk profili verilerini içerir. Bu veri kümeleri, belirli klinik değişkenleri mikrobiyom bileşimi ile ilişkilendirmek için kullanılmıştır.

Bilinen İlaç Etkileşimleri

Ksenobiyotik aktivitede mikrobiyota aracılı müdahale

Mikrobiyom, farmasötik bir ilacın gücünü önemli ölçüde etkileyebilir. Çoğu ilaç kalın bağırsağın üst kısmında emilse de, alt bağırsağın mikrop bakımından zengin bölgesine maruz kalan uzun etkili ilaçlar mikrobiyal metabolizmadan etkilenebilir. Örneğin, kloramfenikol, kloramfeniği toksik formuna dönüştüren koliformların (p-aminofenil-2-amin-1,2-propandiol) varlığından dolayı, oral uygulamayı takiben kemik iliği aplazisine neden olabilir. Ek olarak, populasyonlar arasında değişen Eggerthella lenta bolluğunun digoksinin metabolizmasını etkilediği, hem aktivitesini hem de toksisitesini güçlendirdiği bulunmuştur. Kapsamlı olmayan bir ilaç listesi ve mikrobiyotanın etkilerini güçlendirmedeki/artırmadaki rolü aşağıda verilmiştir.

İlaç farmakolojik etki Mikrobiyotanın klinik sonuca etkisi Referans
Parasetamol: asetaminofen Analjezik ve ateş düşürücü Artan klinik etki ve toksisite
kloramfenikol Antibiyotik Toksisiteyi artırın
Digoksin kardiyotonik Toksisiteyi ve aktiviteyi azaltın
flusitozin mantar önleyici Etkiyi azalt
metronidazol Antibiyotik Antimikrobiyal/antifungal etkiye karşı direnç sağlar. Ayrıca metabolizmayı uyararak etkisini azaltır.
sülfinpirazon Antibiyotik ilacı etkinleştir
Sulindac Steroid olmayan antienflamatuar ilaç ilacı etkinleştir

Mikrobiyom bileşiminde ksenobiyotik aracılı girişim

Farmakobiyotikler genellikle mikrobiyomun ksenobiyotik metabolizması üzerindeki etkisi olarak yorumlansa da, terim aynı zamanda ksenobiyotiklerin mikrobiyom ve mikrobiyal genler üzerindeki etkilerini de kapsayabilir. Antibiyotiklerin insan mikrobiyomu üzerindeki etkisi iyi çalışılmıştır. Antibiyotik tedavilerinin sadece belirli bir patojeni değil, aynı zamanda bir konağın ortak sakinlerini de hedef aldığı gösterilmiştir. Kanıtlar, bazı durumlarda kommensal bakteri seviyelerinin antibiyotik tedavisinden sonra normale dönmediğini ve aslında uzun süreler boyunca olumsuz etkilenebileceğini göstermektedir. Ağız ve bağırsak mikroplarını antibiyotiklere maruz kalmadan önce, hemen sonra ve 12 ay sonrasına kadar değerlendiren bir çalışma, mikrobiyomun 12 aydan fazla değişebileceğini buldu. Mikrobiyom bileşimi antibiyotiklerle değiştirilebildiğinden, bu, akut hastalığa neden olabilen dirençli fırsatçı patojenler için pozitif seçim anlamına gelir.

PharmacoMicrobimics Web Portalı

PharmacoMicrobiomics Web Portalı mikroplar bioinformaticians, mikrobiyal genetik bilimciler ve ilaç geliştiriciler için tasarlanmıştır ilaçları modüle nasıl keşfetmek için öğrenci tarafından başlatılmış bir girişimdir. Projenin amacı, literatür verilerini araştırmak ve ilaç sınıfları, mikrobiyal aileler ve vücut sistemleri hakkında bilgiler dahil olmak üzere mikrop-ilaç etkileşimlerini ortaya çıkarmaktır. Ayrıca portal, farklı vücut bölgelerindeki mikrobiyal kompozisyon ve bunların ilaç farmakokinetiği ve farmakodinamik özellikleri üzerindeki spesifik etkileri hakkında bilgi içeren ilişkisel bir veri tabanı içerir.

Kişiselleştirilmiş Tıp

Farmakobiyomik bağlamında kişiselleştirilmiş tıp, bireyin bağırsak mikrobiyomunun bileşimine dayalı olarak bir ksenobiyotiğe tepkisini tahmin etme yeteneğini ifade eder. Bununla birlikte, ksenobiyotik tedaviden sonra metagenomik dizilemeyi kullanarak mikrobiyom bileşimini araştıran mevcut omik yaklaşımlar seyrektir. Bunun yerine, araştırma çabaları ağırlıklı olarak farklı hastalık durumlarında mikrobiyal bileşimdeki değişiklikleri modellemeye odaklanmıştır. Gelecekteki araştırma çabaları , hastalarda ilaç toleransını tahmin etmek için hangi mikropların tercihli olarak belirli bileşikleri metabolize ettiğine ( in vitro çalışmalardan elde edilen) ilişkin bilgileri türlerin bolluğunun tanımlanmasıyla birleştirmelidir. Bununla birlikte, bir mikropun belirli bir ksenobiyotik ile etkileşimini modellemek, mikropların genomları yatay gen transferi yoluyla sürekli olarak yeniden karıştırıldığından, etkileşimleri kararlı bir şekilde öngörmeyebilir . Bunu göz önünde bulundurarak, bireysel mikroplar yerine bireysel gen/transkript/protein imzalarını hedefleyen yaklaşımlar, muhtemelen daha yaygın olarak uygulanabilir kişiselleştirilmiş yaklaşımlara yol açacaktır.

sınırlamalar

Farmako-mikrobiyomiğin sınırlamaları öncelikle metagenomik profilleme ile ilişkili belirsizlikten kaynaklanmaktadır. Yani, birçok organizma homolog dizilere sahip olduğundan, shotgun dizileme ile elde edilen kısa okumaların referans genomlara hizalanması zor olabilir. Ek olarak, 16S rRNA dizilimi, tür kimliğini tutarlı bir şekilde çözemez; bu, metagenomik numunelerdeki tür kimlikleri hakkında şüphe uyandıran bir bulgudur. Ksenobiyotik-mikrobiyom etkileşimlerinin doğasını belirlemeye yönelik benzersiz yaklaşımlar sıklıkla benimsendiğinden, farklı çalışma tasarımlarından da sınırlamalar ortaya çıkar. Örneğin, farmakobiyotikler, ksenobiyotikler ve mikrobiyom arasındaki ilişkiyi çok geniş bir şekilde ifade ettiğinden, çalışmaların mikrobiyomun genetiğini profillendirme derecesi önemli ölçüde değişebilir. Gen kimliğini veya kopya numarasını değil, organizma kimliğini karakterize etmeyi amaçlayan çalışmalar, SMS yerine 16S pompalı tüfek dizilimini kullanmayı seçebilir. Tersine, organizma kimliğinden ziyade genleri ve ürünlerini tanımlamayı amaçlayan çalışmalar, transkriptomik analizle birleştirilmiş WMGS'yi seçebilir. Başlangıçta bu farklılıklar, kamuya açık verileri araştırmak isteyen araştırmacıların, araştırma sorularını eldeki verilere uyacak şekilde hedeflemeleri gerekebileceği anlamına gelebilir.

Referanslar