Informasi

Apakah flora usus memiliki DNA yang sama dengan inangnya?

Apakah flora usus memiliki DNA yang sama dengan inangnya?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Harap bersabar, ini bukan bidang profesional saya dan saya mungkin mencampuradukkan. Dalam penjelasan mengapa benih tidak mulai tumbuh di usus seseorang, penjelasan yang diberikan adalah bahwa benda asing dideteksi oleh DNA yang dibawanya dan diserang dan dicerna, memisahkan semua untaian asam amino sehingga dapat digunakan kembali oleh inang dan tidak Campuran DNA dapat terjadi.

Saya juga mendengar bahwa sistem kekebalan menggunakan teknik yang sama untuk mendeteksi penyusup (dan kemudian menyerang organ donor).

Saya bertanya-tanya, ketika bayi disapih (mulai makan makanan biasa), dari mana fauna ini berasal? Apakah bayi memproduksinya, atau apakah mereka disediakan dalam makanan dan bertahan dalam sistem pertahanan?


Bisakah Anda menyarankan sumber yang bagus untuk pemula. - Louis Somers

Interaksi antara tubuh manusia dan mikrobiomanya cukup kompleks. Saya akan memberi Anda jawaban yang akan didasarkan pada komentar Anda bahwa Anda menginginkan jawaban dari perspektif pemula.

Demi kesederhanaan saya akan menyimpan jawaban untuk manusia sebagai organisme inang, meskipun hampir semua organisme multiseluler dapat bertindak sebagai inang bagi organisme mikroskopis.

Catatan: Nomor atau referensi yang saya gunakan berasal dari Janeway's Immunobiology. Tautan yang diberikan adalah ke edisi 2001 yang ada di rak buku NCBI. Namun, masalahnya adalah bahwa selama dekade terakhir kita telah belajar lebih banyak tentang sistem kekebalan sejak saat itu, dan beberapa hal yang saya rujuk tidak terwakili dalam edisi teks tersebut.

Apakah fauna usus memiliki DNA yang sama dengan inangnya?

Jawaban singkat untuk pertanyaan ini adalah tidak. Juga, kami biasanya mengidentifikasi mikroba alam ini sebagai flora bukan fauna, jadi Anda akan mengatakan flora usus.

Mikrobioma manusia (mikrobiota), seperti yang sering disebut, terdiri dari ratusan triliun mikroorganisme yang hidup di ceruk saluran pencernaan, saluran udara, saluran urogenital, dan kulit kita. Bahkan, diperkirakan ada 10 kali lebih banyak sel mikroba yang hidup di tubuh manusia daripada sel manusia yang menyusun tubuh itu sendiri (1). Perbedaannya adalah bahwa sel manusia sangat besar jika dibandingkan dengan sebagian besar sel mikroba yang menjajah kita (2).

Sebagian besar mikroorganisme yang menghuni kita adalah organisme bersel tunggal, seperti bakteri atau jamur (ragi). Masing-masing sel ini adalah entitasnya sendiri, dengan kata lain adalah organisme hidup yang independen, dan mereka memiliki genom mereka sendiri (bahan genetik lengkap dari suatu organisme) yang mengkode protein mereka sendiri.

Ada alat referensi yang bagus, meskipun mungkin sedikit lebih maju dari The University of Utah, The Human Microbiome. Presentasi interaktif ini memberikan gambaran umum bagi orang awam. Museum Sejarah Alam Amerika juga telah mengkurasi sebuah pameran yang disebut The Secret World Inside You.

Untuk menambahkan titik untuk klarifikasi, sementara kode genetik mikroba ini berbeda pada spesies yang berbeda dan berbeda dari inang manusia, molekul yang menyimpan informasi, yaitu DNA, semuanya terbuat dari blok pembangun asam nukleat yang sama ( 5). Untuk menggunakan analogi, itu seperti menggunakan huruf yang sama tetapi menulis dalam dua bahasa yang berbeda. Kami mungkin menggunakan sebagian besar karakter yang sama, tetapi cara kami mengatur huruf-huruf itu untuk membentuk kata-kata dalam bahasa Spanyol atau kata-kata dalam bahasa Inggris menciptakan arti yang berbeda.

Ketika organisme bersel tunggal ini bereproduksi, mereka menyalin DNA mereka sendiri dan mereka membelah menjadi dua sel baru, masing-masing menerima satu salinan DNA tersebut (6).

Karena ragi dan jamur lain secara evolusi lebih dekat dengan manusia daripada bakteri, beberapa gen mereka, bagian DNA yang berfungsi dan mengkode untuk protein dan RNA, memiliki urutan yang sangat mirip dengan kita (disebut memiliki homologi) dan sering melakukan fungsi yang sama atau serupa (7). Jika ini masalahnya, kami mengatakan bahwa gen dilestarikan secara evolusioner, tetapi sebagian besar gen yang dilestarikan secara evolusioner akan bervariasi dalam urutan dari organisme ke organisme, dan variasi biasanya akan meningkat semakin jauh Anda pergi untuk menemukan nenek moyang yang sama. antara organisme.

Tubuh manusia rata-rata terdiri dari sekitar 37,2 triliun sel (8). Hampir semua sel ini, kecuali Sel Darah Merah, memiliki salinan genom inang (9). Semua sel ini muncul dari satu sel telur yang diproduksi oleh ibu dan dibuahi oleh sperma ayah (10). Telur dan sperma mengandung setengah genom yang diperlukan embrio untuk berkembang. DNA dari ibu dan DNA dari ayah bersatu ketika inti menyatu. Jadi kami memiliki genom kami sendiri yang berasal dari ibu dan ayah kami, dan mikroba memiliki genom mereka sendiri yang mereka warisi dari sel leluhur yang memunculkan mereka.

Itu adalah jawaban yang sedikit disederhanakan karena mungkin ada cara berbeda agar DNA dapat diteruskan di antara organisme, tetapi sebagian besar, kita memiliki DNA kita sendiri dan, meskipun mereka hidup di dalam kita dan di dalam kita, mikroba memiliki DNA sendiri.

Paragraf pertama Anda.

Saya tidak dapat memberi tahu Anda mengapa benih yang kita telan dan cerna tidak berkecambah di dalam diri kita. Kemungkinan benih tidak menerima sinyal yang tepat dari lingkungan jalur pencernaan kita untuk memulai program genetik untuk memulai perkecambahan dan perkembangan menjadi tanaman.

Saya juga mendengar bahwa sistem kekebalan menggunakan teknik yang sama untuk mendeteksi penyusup (dan kemudian menyerang organ donor).

Sistem kekebalan vertebrata adalah sistem pengawasan yang beragam dan sangat disetel yang memantau patogen atau benda asing yang masuk ke dalam tubuh yang mungkin berbahaya bagi kelangsungan hidup organisme (11).

Bagi manusia, set pertahanan pertama adalah pertahanan penghalang (12). Permukaan kulit kita terdiri dari beberapa lapisan sel mati dan keratin yang membentuk penghalang kedap air. Selama lapisan ini tidak dilanggar, ia melakukan pekerjaan yang sangat baik untuk menjaga ragi dan bakteri di luar, jauh dari jaringan yang dapat mereka rusak.

Pada permukaan interior, saluran udara, saluran pencernaan, dan saluran genitourinari kita mengandung sel-sel khusus yang menghasilkan sejumlah besar lendir yang akan melapisi permukaan jaringan ini. Lendir memiliki banyak peran. Pertama menjaga jaringan tetap lembab, sehingga tidak dehidrasi. Selanjutnya mikroba menjaga jarak dari sel-sel kita, sehingga mereka tidak bersentuhan langsung dengan sel-sel epitel kita (Sel-sel yang membentuk lapisan saluran pencernaan, saluran genitourinari, dan saluran udara kita). Ketiga, dapat menjebak mikroba di dalamnya. Epitel mampu "menyapu" lendir dan sebagai hasilnya mampu membersihkan bakteri dari tubuh (13).

Termasuk dalam pertahanan penghalang sebenarnya adalah organisme mikroba itu sendiri. Interaksi antara inang dan organisme yang tidak merugikan atau menguntungkan secara aktif disebut komensalisme (13). Pada dasarnya, semua triliunan mikroorganisme yang hidup pada kita ini tidak menyakiti kita. Sebagai imbalannya, mereka mendapatkan lingkungan di mana mereka bisa hidup. Akibatnya, organisme komensal akan tumbuh di permukaan ini, akan mengambil semua ruang, dan akan menggunakan nutrisi yang dapat digunakan oleh organisme patogen (organisme yang secara aktif dapat menyebabkan infeksi) untuk membangun infeksi. .

Tingkat pertahanan berikutnya berasal dari sel-sel sistem imun bawaan (14). Dalam imunitas bawaan, sel-sel khusus memantau area mereka untuk Patogen-Associated Molecular Patterns (PAMPs). PAMP dapat berupa gula yang membentuk dinding sel mikroba atau protein yang diekspresikan pada permukaan organisme, seperti Flagellin, protein yang hanya ditemukan pada flagela patogen tertentu. Sel imun bawaan memiliki reseptor pengenalan pola (PRR) yang memiliki kekhususan umum untuk mengenali dan merespons PAMP. Sel kita bahkan memiliki PRR untuk DNA dan Double Stranded RNA, namun biasanya ditemukan dalam vesikel di bagian dalam sel. Interaksi ini sangat umum, namun begitu PRR mengikat PAMP, mereka dapat memberi sinyal ke sitoplasma, yang dapat mengarah pada produksi protein, di antara kemungkinan respons lainnya.

Di sini Anda dapat menganggap PRR seperti pendeteksi gerakan dalam sistem keamanan; anjing, atau anak Anda yang berusia dua tahun, atau penyusup akan membunyikan alarm sama saja. Ini tidak spesifik. Sensor gerak "tahu" bahwa sesuatu yang seharusnya dikenali, yaitu objek bergerak yang lebih besar dari mouse lewat dan memicu respons, tetapi tidak dapat memberi tahu Anda objek bergerak mana yang memicunya, hanya saja itu dipicu.

Sel imun bawaan juga mampu merespon dengan "memakan" patogen dalam proses yang disebut fagositosis. Di sini, mereka memecah bakteri, ragi, atau sisa-sisa sel inang mati lainnya atau patogen besar, hal-hal seperti cacing, dan meletakkan potongan-potongan itu pada molekul protein di permukaannya.

Ketika sel imun bawaan melakukan ini, mereka menghadirkan molekul ke sel imun khusus (sel imun adaptif (14)), Sel B dan Sel T, yang sangat spesifik untuk bereaksi terhadap apa. Sel-sel ini juga dapat menyebabkan banyak kerusakan pada inang, sehingga diatur dengan ketat. Pikirkan interaksi sebagai kunci dan gembok. Protein dari bakteri seharusnya mengaktifkan beberapa sel ini, tetapi protein dari inang seharusnya tidak cocok dengan kuncinya.

Semua sel kekebalan ini juga merespons sinyal kimia yang tersebar yang disebut sitokin. Molekul-molekul ini disekresikan oleh beberapa sel dan diterima oleh reseptor pada sel inang. Kadang-kadang sekresinya dilakukan oleh sel kekebalan lain, kadang-kadang dari sel inang sistem non-imun, dan kadang-kadang molekul ini dapat disekresikan oleh bakteri, jamur, atau cacing itu sendiri.

Tergantung pada sinyal kimia yang disekresikan, dan bagaimana sel berinteraksi pada saat pesan, dan sel mana yang menerima pesan, akan menentukan respons terhadap pesan. Ini kontekstual. Pikirkan kalimat "Kau membunuhku." Jika seseorang mengatakannya, sambil tertawa, kepada teman baik yang sedang bercanda, itu berarti satu hal. Jika diteriakkan saat seseorang dicekik oleh penyerang, itu berarti sesuatu yang sangat berbeda.

Untuk meringkas, sel-sel kekebalan mengawasi lingkungan dan mencoba untuk mengambil apa yang teman dan apa yang musuh dan mereka mencoba untuk merespon sesuai.

Seiring waktu dan evolusi bersama, mikrobioma kita telah mengembangkan cara berkomunikasi dengan sistem kekebalan kita untuk memberi tahu bahwa mikroba ini tidak bermaksud membahayakan. Mereka mampu "melatih" sel-sel kekebalan menggunakan sinyal kimia untuk meredam respons sistem kekebalan terhadap mereka (15), dan ini adalah bagaimana mereka dapat hidup berdampingan di dalam tubuh kita dan dengan sistem kekebalan yang terus-menerus mencari misi penghancuran. . Juga karena lendir, mikrobioma kita biasanya tidak bersentuhan langsung dengan sel kita, jadi ini adalah jenis interaksi yang berbeda daripada jika patogen yang menginfeksi menghalangi penghalang dan mendapatkan akses ke area steril di mana tidak ada bakteri atau jamur. ditemukan, dan sebagai hasilnya, sistem kekebalan bereaksi secara berbeda.

Adapun penolakan organ dan jaringan (16), masalahnya di sini adalah bahwa setiap sel kita, kecuali Sel Darah Merah, menghadirkan molekul di permukaannya yang mengidentifikasinya sebagai sel yang dibuat oleh tubuh itu sendiri. Anda hampir dapat menganggapnya sebagai jersey tim olahraga. Sel-sel kekebalan dapat mensurvei protein yang ditampilkan di permukaan sel kita dan mengatakan bahwa itu adalah milik kita, bukan dari patogen. Masalahnya adalah setiap orang membuat susunan yang berbeda dari protein ini, jadi jika saya memberi Anda ginjal, protein yang dibuat oleh sel-sel dari ginjal saya dan diletakkan di permukaannya untuk dilihat oleh sel-sel kekebalan akan berbeda dari Anda. Dalam hal ini, karena kunci tidak sesuai dengan kunci, sistem kekebalan bereaksi terhadap organ yang disumbangkan sebagai penyusup dan mulai menyerangnya. Sel-sel kekebalan sangat mematikan dan akan membunuh organ yang disumbangkan jika tidak ditekan. Itulah mengapa penerima transplantasi perlu ditekan sistem kekebalannya agar dapat bertahan hidup dengan organ yang disumbangkan. Anda mungkin bertanya "bagaimana jika kita mengambil semua protein ini dari permukaan sehingga mereka tidak dikenali?" Nah, masalahnya adalah kita memiliki kelas sel kekebalan lain yang dikenal sebagai Sel Pembunuh Alami yang berpatroli di tubuh mencari sel yang tidak menyajikan protein ini, jadi sistem kekebalan cukup mahir dan menemukan dan membunuh hal-hal yang tidak dikenali secara spesifik. sebagai diri sendiri.

Saya bertanya-tanya, ketika bayi disapih (mulai makan makanan biasa), dari mana fauna ini berasal? Apakah bayi memproduksinya, atau apakah mereka disediakan dalam makanan dan bertahan dalam sistem pertahanan?

Sejujurnya, sebagian besar mikrobioma diletakkan selama persalinan pervaginam dan menyusui. Melewati jalan lahir, mikroba dari vagina dan feses ibu dicerna oleh bayi baru lahir dan ini adalah dosis mikrobioma pertama mereka yang sebenarnya, meskipun beberapa penelitian menunjukkan bahwa mikrobioma mulai terbentuk pada janin sebelum lahir dan ditransfer melalui plasenta. dari ibu ke janin.

Dengan asumsi kita tidak membunuh bakteri ini dengan antibiotik, memiliki bakteri patogen lain mengambil alih wilayah (ya, bakteri dan jamur, seperti geng, memiliki perang rumput; itulah sebabnya kita sering menemukan antibiotik kita sebagai senyawa yang disekresikan oleh organisme ini), atau memiliki penyakit yang menghapus mikrobioma, dan memberinya makanan sehat, maka mikrobioma cukup banyak dipertahankan oleh sel-sel mikroba yang bereproduksi dengan pembelahan sel.

Kami juga akan mengambil bakteri ini dari lingkungan. Kami terus-menerus melepaskan sejumlah besar sel-sel ini ke lingkungan kita. Bayi menyentuh sesuatu dan memasukkan tangan ke dalam mulut. Ini mentransfer mikroba baik dan buruk, dan itu benar-benar hanya bagian alami dari proses. Itulah sebabnya penggunaan antibiotik dan sabun antibakteri yang berlebihan dapat menyebabkan konsekuensi yang tidak diinginkan. Kami membunuh yang baik dan juga yang buruk.

Referensi ini, Mikrobioma Anda yang Berubah, sekali lagi dari Universitas Utah adalah sumber yang bagus.

Jadi untuk meringkas, bayi mendapatkan mikrobioma saat lahir melalui flora vagina dan kotoran ibu. Mereka juga mendapatkan dosis harian dari mikroba yang menjajah kulit ibu saat dia menyusui anaknya. Kemudian bakteri ini juga ada di lingkungan, jadi bayi menyentuh sesuatu, lalu mereka memasukkan tangan mereka (atau kaki, manusia karet kecil) ke dalam mulut mereka dan mereka mendapatkan dosis dengan cara ini. Buah-buahan dan sayuran mentah juga akan memiliki mikroba pada mereka yang akan diambil. Adapun mikroba, mereka memiliki dinding sel yang memungkinkan mereka untuk hidup di lingkungan yang akan bermusuhan jika mereka tidak memiliki dinding sel. Mereka juga berkomunikasi dengan sistem kekebalan kita dan "melatihnya" untuk tidak membunuh mereka, dan selama tidak ada yang kita lakukan, seperti minum antibiotik atau terkena penyakit, mikrobioma akan cukup banyak mempertahankan dirinya melalui replikasi.


Ketergantungan Alkohol dan Sumbu Mikrobiota-Usus-Otak

P. Strkel , . P. de Timary , dalam The Gut-Brain Axis , 2016

Metabolit Berasal Mikrobiota Usus

Bakteri kolon dapat memfermentasi nutrisi, substrat endogen yang diturunkan dari inang (misalnya, lendir dan enzim pankreas), dan komponen makanan yang lolos dari pencernaan di bagian atas saluran pencernaan. Dua jenis fermentasi bakteri terjadi di usus besar (Hamer et al., 2012): fermentasi karbohidrat dan fermentasi protein.

Fermentasi karbohidrat terjadi terutama di bagian proksimal usus besar, titik akhir metaboliknya adalah pembentukan asam lemak rantai pendek (short chain fatty acid/SCFA). Asetat, propionat, dan butirat mewakili SCFA utama yang ditemukan dalam sampel tinja. SCFA, khususnya butirat, telah terbukti memiliki dampak menguntungkan pada kesehatan dan kesejahteraan. Ini termasuk penyediaan energi untuk kolonosit, penghambatan pertumbuhan patogen (dengan modulasi pH), dan peningkatan penyerapan mineral dan ion. SCFA juga memperkuat berbagai komponen penghalang pertahanan kolon, memiliki sifat antiinflamasi, meningkatkan sensitivitas insulin, dan telah terbukti meningkatkan rasa kenyang (Hamer et al., 2008 Arora et al., 2011). Setelah fermentasi karbohidrat, bakteri usus tertentu dapat mengkatalisis reduksi asetat menjadi asetaldehida dan kemudian menjadi etanol (Macfarlane et al., 2003). Bakteri ini disebut bakteri penghasil etanol. Oleh karena itu etanol yang ditemukan di usus dapat memiliki dua asal: eksogen (konsumsi alkohol) dan endogen (diproduksi oleh enzim bakteri).

Di sisi lain, fermentasi protein melibatkan fermentasi peptida makanan serta lendir dan enzim pankreas dan terjadi di kolon distal. Proses ini menghasilkan zat yang berpotensi beracun. Fermentasi asam amino rantai cabang (BCAA—valin, isoleusin, dan leusin) mengarah pada produksi asam lemak rantai cabang (BCFA) seperti asam 2-metil propanoat, asam 2-metil butanoat, dan 3-metil butanoat. AC id. Degradasi bakteri asam amino aromatik tirosin dan triptofan menghasilkan produksi senyawa fenolik dan indol, masing-masing. Produk akhir metabolisme tirosin terutama meliputi fenol dan 4-metil fenol sedangkan degradasi triptofan menghasilkan indole dan 3-metil indole (juga disebut skatole). Fermentasi asam amino belerang oleh bakteri pereduksi sulfat menghasilkan produksi hidrogen sulfida (H2S). Sebagai catatan, SCFA juga dapat timbul dari fermentasi protein, tetapi dalam jumlah kecil. Senyawa yang mengandung fenol dan belerang berpotensi beracun. Misalnya, fenol diyakini bertindak sebagai ko-karsinogen (Bone et al., 1976). Selain itu, dua penelitian independen telah menunjukkan bahwa paparan fenol menurunkan hambatan listrik transepitel dengan cara yang bergantung pada konsentrasi secara paralel dengan peningkatan fluks paraseluler manitol atau dekstran fluorescein isothiocyanate dalam kultur sel epitel usus (Hughes et al., 2008 McCall et al. ., 2009). Perubahan permeabilitas paraseluler yang diamati setelah pengobatan fenol berkorelasi dengan mislokalisasi protein persimpangan ketat claudin-1 dan ZO-1 ke sitosol (Mccall et al., 2009). Sebaliknya, indole telah terbukti memperkuat penghalang sel epitel usus in vitro (Bansal et al., 2010). H2S yang diproduksi oleh bakteri pereduksi sulfat adalah agen yang sangat beracun yang telah terbukti menginduksi kerusakan DNA genom di kolonosit (Attene-Ramos et al., 2006).Penting untuk dicatat bahwa senyawa BCFA, fenolik, dan indolik tidak diproduksi oleh enzim manusia oleh karena itu mereka adalah metabolit bakteri kolon yang unik.


Abstrak

Hubungan antara komposisi mikrobiota usus dan penyakit graft-versus-host (GVHD) akut setelah transplantasi darah/sumsum alogenik (allo-BMT) tidak dipahami dengan baik. Bakteri usus telah lama dianggap berkontribusi pada patofisiologi GVHD, tetapi penelitian pada hewan baru-baru ini dalam pengaturan nontransplantasi telah menemukan bahwa efek anti-inflamasi dimediasi oleh subpopulasi tertentu dari komensal usus. Berhipotesis bahwa hubungan yang lebih bernuansa mungkin ada antara bakteri usus dan GVHD, kami mengevaluasi komposisi bakteri tinja dari 64 pasien 12 hari setelah BMT. Kami menemukan bahwa peningkatan keragaman bakteri dikaitkan dengan penurunan kematian terkait GVHD. Selain itu, menyimpan peningkatan jumlah bakteri yang termasuk dalam genus Blautia dikaitkan dengan penurunan kematian GVHD dalam kohort ini dan dikonfirmasi dalam kohort independen lain dari 51 pasien dari institusi yang sama. Blautia kelimpahan juga dikaitkan dengan peningkatan kelangsungan hidup secara keseluruhan. Kami mengevaluasi kelimpahan Blautia sehubungan dengan faktor klinis dan menemukan bahwa hilangnya Blautia dikaitkan dengan pengobatan dengan antibiotik yang menghambat bakteri anaerob dan menerima nutrisi parenteral total untuk jangka waktu yang lebih lama. Kami menyimpulkan bahwa peningkatan kelimpahan bakteri komensal milik Blautia genus dikaitkan dengan penurunan GVHD mematikan dan peningkatan kelangsungan hidup secara keseluruhan.


Apa itu Flora Usus? (dengan gambar)

Saluran pencernaan manusia dimulai di mulut dan meluas ke anus. Flora usus mengacu pada mikroorganisme yang berada di saluran pencernaan. Mikroorganisme ini umumnya tidak berbahaya. Distribusi mereka bervariasi di sepanjang lokasi usus dan di antara individu. Mereka memainkan peran penting dalam fungsi pelindung, struktural, dan metabolisme usus.

Bakteri adalah mikroorganisme yang dominan di usus. Mereka mendominasi baik jejunum dan ileum dari usus kecil distal serta usus besar. Sekresi asam, pankreas, dan empedu mencegah kolonisasi mereka di lambung dan duodenum dari usus kecil proksimal. Bakteri aerobik, seperti lactobacilli aerobik dan enterococci, adalah flora usus yang dominan di jejunum, dan ileum dan usus besar didominasi oleh bakteri anaerob seperti bifidobacteria, Escherichia coli, dan lactobacilli anaerob. Dalam usus orang dewasa mungkin ada beberapa perubahan populasi bakteri ketika ada perubahan usia, pola makan, gaya hidup, dan lingkungan.

Dalam kondisi normal, inang manusia dan flora ususnya memiliki hubungan simbiosis di mana keduanya saling menguntungkan. Tuan rumah manusia menyediakan makanan dan lingkungan yang stabil untuk flora usus. Sementara itu, flora usus memberikan manfaat bagi inangnya dengan mencegah kolonisasi bakteri berbahaya di usus, mencegah peradangan usus, berkontribusi pada pengembangan sistem kekebalan tubuh, meningkatkan penyerapan makanan dan air, dan mensintesis vitamin K dan B.12.

Pertumbuhan bakteri berbahaya dicegah melalui efek penghalang, yang berarti kepatuhan flora usus ke lapisan usus bersaing dengan dan menghambat invasi bakteri berbahaya. Perannya dalam mencegah peradangan usus dan dalam berkontribusi pada pengembangan sistem kekebalan dikaitkan dengan kemampuan flora usus untuk merangsang jaringan limfoid di usus untuk menghasilkan antibodi terhadap bakteri berbahaya. Pertumbuhan jaringan limfoid juga dapat disebabkan oleh aksi asam lemak rantai pendek, yang merupakan produk fermentasi karbohidrat oleh bakteri. Selain itu, asam lemak rantai pendek mengontrol proliferasi dan diferensiasi sel-sel yang melapisi usus yang membantu mencegah cedera pada lapisan usus.

Selain fermentasi karbohidrat, enzim yang dihasilkan oleh flora usus juga meningkatkan penyerapan karbohidrat. Enzim ini mencerna karbohidrat menjadi bentuk energi dan nutrisi yang berguna bagi manusia. Selain itu, penyerapan air dan mineral makanan seperti zat besi, kalsium, dan magnesium, yang juga penting dalam fungsi metabolisme tubuh manusia, juga ditingkatkan.


Hasil

Penipisan mikrobiota pada tikus konvensional meningkatkan kadar kolesterol plasma

Kami bertujuan untuk menguraikan peran yang dimainkan oleh mikrobiota usus dalam pengaturan kadar kolesterol plasma pada tikus. Untuk menjawab pertanyaan ini, kami menghabiskan mikrobiota usus dari hiperkolesterolemia spontan apo −/− tikus selama 4 minggu dengan gavage harian dengan campuran antibiotik yang terdiri dari vankomisin, ampisilin, neomisin, dan metronidazol (Gbr. 1a, File tambahan 1). Setelah 7 hari pengobatan, penipisan mikrobiota usus efektif dan stabil selama 3 minggu dengan jumlah salinan gen 16S rRNA dalam tinja 10 5 kali lipat lebih sedikit dari jumlah bakteri awal (File tambahan 2: Gambar S1) sesuai dengan temuan sebelumnya [ 31]. Kadar kolesterol total plasma adalah 55% lebih tinggi pada tikus yang kekurangan mikrobiota (AB-Mdpl) dibandingkan dengan tikus yang dibesarkan secara konvensional (Conv-R) (Gbr. 1b). Fosfolipid plasma dan trigliserida juga meningkat oleh deplesi mikrobiota, meskipun tidak signifikan secara statistik untuk trigliserida (Gbr. 1b).

Penipisan mikrobiota usus meningkatkan kadar kolesterol plasma dan penyerapan kolesterol usus. A Desain eksperimental. Lihat juga File tambahan 2: Gambar S1. B Kadar kolesterol plasma, fosfolipid, dan trigliserida pada tikus yang mengalami peningkatan secara konvensional (Conv-R) dan mikrobiota (AB-Mdpl). C Distribusi kolesterol di seluruh kelas lipoprotein VLDL, LDL, dan HDL dianalisis dengan kromatografi cair protein cepat. D Radioaktivitas plasma 2 jam setelah pemberian dengan [ 3 H] -kolesterol. e Ekspresi relatif gen yang terkait dengan penyerapan kolesterol di jejunum. F Ekspresi relatif gen yang terkait dengan sekresi lipoprotein di jejunum. Data direpresentasikan sebagai mean ± SEM, n = 5-10 tikus/kelompok (D, e) atau sebagai titik dengan median (BF). Data dianalisis dengan uji Mann-Whitney. *P < 0,05, **P < 0,01, ***P < 0,001

Kolesterol dalam plasma ada terutama dikemas dalam bentuk lipoprotein: kilomikron, lipoprotein densitas sangat rendah (VLDL), lipoprotein densitas rendah (LDL), dan lipoprotein densitas tinggi (HDL). Analisis kuantitatif distribusi kolesterol antara lipoprotein yang dipisahkan oleh filtrasi gel mengungkapkan peningkatan kelimpahan subkelas VLDL dan LDL (masing-masing + 53% dan + 36%) pada tikus AB-Mdpl, sedangkan fraksi HDL serupa pada Conv-R dan AB -Mdpl tikus (Gbr. 1c).

Eksperimen ini mengkonfirmasi bahwa mikrobiota usus berkontribusi pada pengaturan kadar kolesterol plasma dan menunjukkan bahwa penipisan mikroba sangat mempengaruhi beberapa tingkat lipoprotein, terutama VLDL dan LDL.

Penipisan mikrobiota usus meningkatkan penyerapan kolesterol usus tanpa efek pada produksi VLDL hati

Saat hati mengeluarkan partikel VLDL, kami menyelidiki dampak penipisan mikrobiota pada produksi VLDL. Demikian juga, karena partikel LDL berasal dari hilangnya trigliserida oleh VLDL dan kilomikron yang berasal dari usus dalam aliran darah, kami menyelidiki penyerapan kolesterol usus.

Kemudian, kami mengukur penampilan kolesterol berlabel dalam plasma tikus yang dibangkitkan secara konvensional dan dideplesi mikrobiota 2 jam setelah pemberian [3H]-kolesterol dalam minyak zaitun. Munculnya kolesterol radiolabeled dalam plasma adalah 25% lebih tinggi pada tikus yang diobati dengan antibiotik (Gbr. 1d), menunjukkan bahwa menipisnya mikrobiota meningkatkan penyerapan kolesterol usus.

Kami selanjutnya menganalisis ekspresi jejunum gen yang terlibat dalam penyerapan kolesterol usus (Npc1l1 [39]) dan ekskresi kolesterol intraseluler di lumen usus (Abcg5 dan 8 [40]). Kami mengamati bahwa tikus yang kekurangan mikrobiota menunjukkan peningkatan tiga kali lipat dalam Npc1l1 ekspresi sambil Abcg8 ekspresinya dinaikkan secara moderat dan Abcg5 ekspresi tidak terpengaruh (Gbr. 1e). Selain itu, ekspresi beberapa gen yang mengkode apolipoprotein dan protein yang terlibat dalam perakitan dan sekresi kilomikron dan praβ-HDL meningkat setidaknya dua kali lipat dalam jejunum tikus yang kekurangan mikrobiota (Gbr. 1f).

VLDL dirakit di hati dari trigliserida, kolesterol, dan apolipoprotein (terutama ApoB) oleh pendamping Mttp. Di sini, tingkat ekspresi gen hati apoB dan Mttp tikus Conv-R dan AB-Mdpl serupa (File tambahan 3: Gambar S2A). Hal ini konsisten dengan tingkat sekresi VLDL serupa yang dinilai menggunakan Triton WR-1339 sebagai penghambat ambilan lipid perifer oleh lipoprotein lipase endotel [41] (File tambahan 3: Gambar S2B).

Serangkaian percobaan ini mengungkapkan bahwa menghabiskan mikrobiota usus dengan antibiotik meningkatkan penyerapan kolesterol usus. Sebaliknya, hipotesis peningkatan kadar VLDL pada tikus yang kekurangan mikrobiota sebagai konsekuensi dari peningkatan sintesis dan sekresi VLDL hati agak tidak mungkin.

Penipisan mikrobiota usus meningkatkan pembersihan hati kolesterol plasma melalui LDLr

[ 3 H ] - uji penyerapan kolesterol menunjukkan bahwa tingkat kolesterol radiolabeled adalah 37% lebih tinggi di hati tikus mikrobiota-depleted (Gbr. 2a, file tambahan 4), menunjukkan regulasi mikroba penyerapan kolesterol hati. Penyerapan partikel kaya kolesterol HDL dan LDL ke dalam hati dimediasi oleh masing-masing reseptor, reseptor pemulung tipe B1 (SR-B1) dan reseptor LDL (LDLr) [42]. kadar mRNA dari LDLr meningkat secara signifikan oleh penipisan mikrobiota yang tidak terjadi pada SR-B1 mRNA (Gbr. 2b). Oleh karena itu, kami mengajukan LDLr −/− tikus ke protokol penipisan mikrobiota yang sama dan mengukur kadar kolesterol mereka yang bersirkulasi. Yang mengejutkan, penipisan mikrobiota meningkatkan kadar kolesterol plasma sebesar 91% pada tikus yang kekurangan LDLr dibandingkan hanya 50% pada tikus yang kekurangan Apoe (Gbr. 2c). Ini menunjukkan bahwa pengambilan kolesterol yang dimediasi LDLr oleh hati sebagian melawan peningkatan kolesterol plasma yang disebabkan oleh penipisan mikrobiota.

Deplesi mikrobiota usus meningkatkan ambilan kolesterol hati dan sintesis kolesterol hati. A Radioaktivitas hati 2 jam setelah pemberian dengan [3H]-kolesterol pada tikus yang dibangkitkan secara konvensional (Conv-R) dan mikrobiota (AB-Mdpl). B Ekspresi relatif hati dari pengangkut kolesterol. C Peningkatan kolesterol plasma pada tikus yang kekurangan mikrobiota dibandingkan dengan tikus kontrol pada tikus Apoe ( ) dan LDLr (□) /−. D Ekspresi relatif hati dari gen yang terkait dengan sintesis kolesterol. Lihat juga File tambahan 5: Gambar S3. e Konsentrasi kolesterol dan lathosterol dianalisis dengan GC-MS di hati. Data direpresentasikan sebagai mean ± SEM, n = 6–9 tikus/kelompok (BD) atau sebagai titik dengan median (A, C, e). Data dianalisis dengan uji Mann-Whitney. *P < 0,05, **P < 0,01, ***P < 0,001

Penipisan mikrobiota usus meningkatkan sintesis kolesterol di hati

Saluran pencernaan berkontribusi 15-35% dan hati untuk 20-40% dari total sintesis kolesterol pada hewan pengerat [43]. Ekspresi relatif dari Hmgcs1 dan HmgcoAr, yang mengkode dua enzim kunci dalam jalur biosintesis kolesterol, tidak terpengaruh setelah penipisan mikrobiota usus di usus (File tambahan 5: Gambar S3) tetapi meningkat secara signifikan empat hingga tujuh kali lipat di hati (Gbr. 2d). Kami selanjutnya menentukan kandungan hati dari kolesterol dan lathosterol, zat antara sintesis yang dianggap sebagai penanda sintesis kolesterol [44], dengan kromatografi gas yang digabungkan dengan spektrometri massa (GC-MS). Konsentrasi kolesterol 30% lebih tinggi dan konsentrasi lathosterol dua kali lipat di hati AB-Mdpl dibandingkan dengan tikus Conv-R (Gbr. 2e). Hal ini menunjukkan bahwa mikrobiota usus mengatur biosintesis kolesterol secara khusus di hati.

Mikrobiota usus mempengaruhi sintesis asam empedu dan sekresi kolesterol empedu

Kolesterol terutama diekskresikan dari tubuh dalam empedu yang kemudian disekresikan di duodenum, menyebabkan ekskresi tinja dalam dua bentuk: kolesterol dan asam empedu. Untuk mengevaluasi keluaran kolesterol dari hati, kami memantau aliran empedu selama 1 jam dan menemukan peningkatan 40% pada tikus AB-Mdpl dibandingkan dengan tikus kontrol (Gbr. 3a, Berkas tambahan 6). Kami menunjukkan bahwa sekresi kolesterol bilier di lumen usus meningkat secara signifikan pada tikus AB-Mdpl dibandingkan dengan kontrol (Gbr. 3b). Yang penting, kolesterol disekresikan secara apikal dari hepatosit ke empedu sebagai kolesterol bebas melalui ABCG5/8 [45], yang ekspresi gennya dua kali lipat lebih besar pada tikus AB-Mdpl (Gbr. 3c).

Siklus enterohepatik kolesterol dan asam empedu pada tikus yang dibesarkan secara konvensional dan mikrobiota. A Volume empedu dikumpulkan dalam 1 jam kanulasi kandung empedu pada tikus yang dibangkitkan secara konvensional (Conv-R) dan mikrobiota (AB-Mdpl). B Jumlah kolesterol yang disekresikan dalam empedu selama 1 jam kanulasi kandung empedu. C Ekspresi gen hati dari enzim yang terlibat dalam biosintesis asam empedu dan pengangkut kolesterol dan asam empedu pada tikus yang dibesarkan secara konvensional (Conv-R) dan mikrobiota (AB-Mdpl). D Ekskresi feses dari asam empedu 14 C (fraksi larut air) dan kolesterol 14 C (fraksi larut sikloheksana) selama 72 jam setelah pemberian oral dengan kolesterol 14 C. e 14 C asam empedu yang diekskresikan dalam tinja dinyatakan sebagai persen dari total radioaktivitas (kolesterol + asam empedu). F Ekspresi relatif dari fgf15 di ileum distal. G Radioaktivitas plasma 2 jam setelah pemberian dengan [3H]-asam taurocholic. H Ekspresi gen relatif dari pengangkut asam empedu di ileum distal. Data direpresentasikan sebagai mean ± SEM (C, F, H) atau sebagai titik dengan median (A, B, G), n = 5–8 tikus/kelompok. Data dianalisis dengan uji Mann-Whitney. *P < 0,05, **P < 0,01, ***P < 0,001

Penurunan drastis mikrobiota usus meningkatkan penyerapan kolesterol intraluminal serta ekskresi kembali dalam empedu oleh hati. Untuk menyelidiki bagaimana penipisan mikrobiota usus mempengaruhi keseimbangan antara asupan dan sekresi kolesterol, kami memberi makan tikus dengan 14 C-kolesterol dan mengumpulkan kotoran mereka setiap 24 jam selama 72 jam. Kami memisahkan lipid netral yang mengandung kolesterol dari komponen yang larut dalam air termasuk asam empedu dan radioaktivitas terukur di setiap fraksi (Gbr. 3d). Tikus Conv-R mengeluarkan 70% lebih banyak sterol radioaktif (jumlah lipid netral dan fraksi yang larut dalam air) daripada AB-Mdpl selama 72 jam (Gbr. 3d), mengkonfirmasikan bahwa sterol terakumulasi dalam tubuh tanpa adanya mikrobiota. Secara khusus, tikus AB-Mdpl mengeluarkan kolesterol tiga kali lipat lebih sedikit dan asam empedu 50% lebih banyak daripada tikus Conv-R karenanya, asam empedu mewakili proporsi sterol tinja yang jauh lebih tinggi pada tikus Ab-Mdpl (Gbr. 3e). Hal ini menunjukkan bahwa tidak adanya mikrobiota usus menyebabkan akumulasi sterol dalam tubuh dan dalam konteks ini asam empedu merupakan proporsi yang signifikan dari sterol tinja.

Selanjutnya, kami mengamati bahwa peningkatan ekskresi asam empedu tinja dikaitkan dengan regulasi enzim dalam jalur sintesis empedu. Tingkat ekspresi Ak1r1d1 dan Cyp7a1, enzim pembatas laju dalam jalur sintesis asam empedu, meningkat di hati pada tikus AB-Mdpl, mendukung peningkatan sintesis asam empedu tanpa adanya mikrobiota (Gbr. 3c). Namun, Cyp27a1 ekspresi serupa pada kedua kelompok sementara Cyp8b1 ekspresi menurun pada tikus AB-Mdpl (Gbr. 3c). Mempertimbangkan bahwa mikrobiota diketahui menginduksi FXR usus yang pada gilirannya mengatur Cyp7a1 hati melalui mekanisme yang bergantung pada faktor pertumbuhan fibroblas 15 (Fgf-15), kami menentukan Fgf-15 ekspresi di ileum distal. Kami menemukan bahwa penipisan mikrobiota berkurang Fgf-15 ekspresi sebesar 75% (Gbr. 3f).

Karena penipisan mikrobiota meningkatkan sintesis dan sekresi asam empedu, kami perlu memeriksa apakah modifikasi penyerapan asam empedu usus dapat memperkuat atau mengurangi kehilangan asam empedu melalui feses. Gavage dengan 3 H-asam taurocholic menunjukkan bahwa deplesi mikrobiota secara signifikan menurunkan penyerapan asam taurocholic (Gbr. 3g). Hal ini mungkin tidak terkait dengan penurunan transpor aktif asam empedu, karena ekspresi gen dari dua pengangkut Ibat dan Abcc3 tidak menurun oleh penipisan mikrobiota (Gbr. 3h). Penurunan absorpsi asam taurokolat ini kemungkinan merupakan konsekuensi dari penurunan absorpsi pasif, jalur absorpsi utama asam empedu tak terkonjugasi yang diturunkan dari mikrobiota [47].

Kadar kolesterol plasma ditularkan dari manusia ke tikus melalui transplantasi mikrobiota

Eksperimen pertama kami menunjukkan bahwa kurangnya mikrobiota fungsional sangat mengganggu metabolisme kolesterol inang. Oleh karena itu kami berhipotesis bahwa tidak hanya jumlah bakteri yang akan berdampak pada metabolisme kolesterol, tetapi juga bahwa variasi dalam komposisi dan fungsi mikrobiota usus dapat menyebabkan variasi tingkat sirkulasi kolesterol. Dengan demikian kami memilih donor mikrobiota manusia yang kadar kolesterol plasmanya tidak sesuai dan menjajah tikus penerima dengan mikrobiota usus mereka. Kami memilih empat wanita berdasarkan profil lipid plasma mereka: dua donor dengan kadar kolesterol darah normal (NorChol) dan dua donor dengan kadar kolesterol total yang cukup tinggi (HiChol) (Gbr. 4a, File tambahan 7). Subyek ini tidak menerima pengobatan. Secara konsisten dengan konteks dislipidemia, kadar kolesterol HDL sedikit lebih rendah pada dua donor HiChol sementara kadar kolesterol LDL dan trigliserida jauh lebih tinggi (Gbr. 4a).

Kadar kolesterol plasma dapat ditransfer dari manusia ke tikus melalui transplantasi mikrobiota usus. A Karakteristik donor dan desain eksperimental. B Kadar kolesterol plasma, fosfolipid, dan trigliserida pada tikus yang dikolonisasi dengan mikrobiota dari donor normokolesterolemia (NorChol-r1 dan r2, cyan dan dark cyan) dan donor kolesterol tinggi (HiChol-r1 dan r2, digambarkan dalam warna merah dan merah tua). Data direpresentasikan sebagai titik dengan median (A, B), n = 8–12 tikus/kelompok. Kelompok penerima dianalisis menggunakan uji Kruskal-Wallis diikuti dengan prosedur perbandingan ganda berpasangan Dunn. *Q < 0,05, **Q < 0,01, ***Q < 0,001

Kami menjajah empat kelompok betina berusia 7 minggu yang kekurangan mikrobiota apo −/− tikus (n = 10–14 tikus per kelompok) melalui gavage oral berulang dengan mikrobiota tinja dari masing-masing donor (Gbr. 4a).Yang mengejutkan, setelah 9 minggu, rata-rata kadar kolesterol total plasma tikus penerima HiChol adalah 23% lebih tinggi dibandingkan dengan penerima NorChol (Gbr. 4b). Lipid plasma lainnya seperti trigliserida dan fosfolipid juga meningkat secara dramatis (Gbr. 4c), menunjukkan bahwa sebagai donor mereka, tikus penerima HiChol memiliki profil lipid plasma yang berubah secara keseluruhan.

Mikrobiota usus mengatur keseimbangan penyerapan / sintesis kolesterol

Untuk menyelidiki apakah mikrobiota usus dari donor dislipidemia atau normolipidemia dapat memodulasi jalur metabolisme kolesterol, kami menganalisis ekspresi dalam jejunum gen yang terkait dengan penyerapan kolesterol usus dan sekresi lipoprotein. Npc1l1, apoB, ApoCII, dan Mtpp semuanya secara signifikan lebih banyak diekspresikan pada kedua kelompok penerima HiChol daripada di kedua kelompok penerima NorChol (Gbr. 5a, File tambahan 8). Ini menunjukkan bahwa mikrobiota usus dari donor dislipidemia meregulasi penyerapan kolesterol usus pada tikus penerima dibandingkan dengan tikus yang dikolonisasi dengan mikrobiota dari donor normolipidemik.

Mikrobiota usus mengatur keseimbangan penyerapan/sintesis kolesterol. A Ekspresi relatif dari gen yang terkait dengan penyerapan kolesterol dan sekresi lipoprotein di jejunum pada tikus yang dijajah dengan mikrobiota dari donor normokolesterolemia (NorChol-r1 dan r2, cyan dan dark cyan) dan donor kolesterol tinggi (HiChol-r1 dan r2, digambarkan dalam merah dan merah tua). B Ekspresi relatif enzim yang terlibat dalam sintesis kolesterol di hati. Lihat juga File tambahan 9: Gambar S4. C Konsentrasi kolesterol dan lathosterol dianalisis dengan GC-MS di hati. D Trigliserida dan fosfolipid dianalisis dengan uji biokimia di hati. e Ekspresi relatif hati dari LDLr. F Ekspresi relatif hati dari Cyp7a1 di hati. G Ekspresi relatif dari fgf15 di ileum distal. Data direpresentasikan sebagai mean ± SEM (A, B, e, F, G) atau sebagai titik dengan median (C, D), n = 8–12 tikus/kelompok. Kelompok penerima dianalisis menggunakan uji Kruskal-Wallis diikuti dengan prosedur perbandingan ganda berpasangan Dunn. *Q < 0,05, **Q < 0,01, ***Q < 0,001

Sebaliknya, gen jalur sintesis kolesterol (HmgcoAr dan Hmgcs1) dua kali lebih sedikit diekspresikan dalam hati penerima HiChol dibandingkan penerima Norchol (Gbr. 5b). Secara konsisten, konsentrasi lathosterol secara signifikan lebih rendah di hati kedua kelompok penerima HiChol daripada di hati penerima Norchol, mendukung penurunan sintesis kolesterol hati pada tikus penerima HiChol (Gbr. 5c). Namun, kandungan kolesterol hati tidak terpengaruh oleh status donor (Gbr. 5c), menunjukkan bahwa jalur metabolisme kolesterol lain di hati dipengaruhi oleh mikrobiota. Sebagai kolesterol, fosfolipid hati serupa pada keempat kelompok sementara trigliserida hati sedikit meningkat pada penerima HiChol dibandingkan dengan penerima NorChol (Gbr. 5d).

Ekspresi hati dari reseptor LDL lebih rendah pada HiChol daripada pada tikus penerima NorChol (Gbr. 5e), menunjukkan penurunan serapan hati pada tikus yang dikolonisasi dengan mikrobiota dari donor dislipidemia. Selain itu, ekspresi Cyp7a1 juga berkurang pada penerima HiChol, yang kemungkinan disebabkan oleh peningkatan ekspresi penekannya Fgf15 di ileum distal (Gbr. 5f, g). Ada kecenderungan menurun Cyp8b1 dan kolesterol kanalikuli Abcg5/g8 dan asam empedu Abcb11 transporter, tetapi ini tidak mencapai signifikansi statistik (File tambahan 9: Gambar S4).

Secara keseluruhan, rangkaian percobaan ini menunjukkan peningkatan penyerapan kolesterol usus dan penurunan penyerapan dan sintesis hati pada tikus penerima HiChol dibandingkan dengan tikus penerima NorChol. Sekresi kolesterol empedu dalam lumen usus juga mungkin lebih rendah pada HiChol daripada pada tikus penerima NorChol. Hal ini menunjukkan secara lebih luas bahwa mikrobiota dapat menjadi pengatur keseimbangan penyerapan usus/sintesis hati.

Tikus yang dijajah dengan mikrobiota dari donor manusia normokolesterolemia dan dislipidemia memiliki komposisi mikrobiota usus yang berbeda

Untuk mengidentifikasi spesies bakteri atau taksa yang terlibat dalam regulasi homeostasis kolesterol, kami menganalisis dengan pengurutan gen 16S rRNA dari wilayah V3-V4 mikrobiota tinja tikus penerima 9 minggu setelah kolonisasi. Indeks keragaman alfa Richness, Simpson, dan Shannon serupa antara kelompok tikus penerima (File tambahan 10: Gambar S5). PCA antar kelas berdasarkan kelimpahan ASV menunjukkan bahwa mikrobiota tikus mengelompok secara terpisah tergantung pada donor mikrobiota (Gbr. 6a). Dua kelompok penerima NorChol dan dua HiChol tidak mengelompok bersama. Kami kemudian mencari ASV yang secara khusus lebih atau kurang terwakili di kedua kelompok NorChol dibandingkan dengan kedua kelompok HiChol, dan tidak ada filum tertentu yang terwakili secara berbeda pada tikus penerima NorChol dan HiChol (Gbr. 6b dan File tambahan 11: Gambar S6). Setelah penugasan ke tingkat taksonomi yang lebih rendah dan konstruksi kladogram menggunakan GraPhlAn [38], kami menemukan bahwa Betaproteobakteri kelas secara signifikan lebih berlimpah di kedua kelompok tikus penerima HiChol daripada di kedua kelompok tikus penerima NorChol (Gbr. 6b dan File tambahan 11: Gambar S6). Hal ini terutama disebabkan oleh proporsi yang lebih tinggi dari unclassified Betaproteobakteri (Gbr. 6b dan File tambahan 12: Gambar S7). Firmicutes yang tidak terklasifikasi juga ditemukan dalam proporsi yang lebih tinggi dalam mikrobiota tikus penerima HiChol (Gbr. 6a, c, d, dan File tambahan 12: Gambar S7 A dan B). Sepuluh ASV yang sesuai dengan 6 kelompok taksonomi ditemukan lebih berlimpah dalam mikrobiota penerima HiChol (Gbr. 6c). Tiga anggota kelas Bacteroidales S24-7 lebih banyak pada penerima HiChol daripada di penerima NorChol, serta satu ASV terkait dengan Bacteroides genus, satu terkait dengan Alistipe genus dan Barnesiella genus (Gbr. 6c). Selain itu, 3 ASV milik unclassified Betaproteobakteri dan satu untuk Firmicutes yang tidak diklasifikasikan secara khusus dikaitkan dengan penerima HiChol.

Tikus yang dikolonisasi oleh mikrobiota donor manusia normokolesterolemia dan kolesterol tinggi mengandung komposisi mikrobiota usus tertentu. A Analisis komponen utama antar kelas dilakukan berdasarkan ASVsabundance. Mikrobiota tikus dikelompokkan dan pusat gravitasi dihitung untuk setiap kelompok. NS P nilai hubungan antara kelompok penerima dan kelimpahan ASV dihitung menggunakan uji Monte Carlo (999 ulangan). B Kladogram yang dihasilkan menggunakan GraPhlAn [38] mewakili mikrobiota penerima dengan penanda clade cyan yang menyoroti kelompok bakteri secara signifikan lebih banyak pada penerima NorChol dan penanda clade merah yang menyoroti kelompok bakteri secara signifikan lebih banyak pada penerima HiChol sebagaimana dinilai dengan uji Kruskal-Wallis diikuti oleh Dunn's pairwise prosedur perbandingan ganda. Peta panas melingkar mewakili kelimpahan yang dinormalisasi dari semua ASV di setiap kelompok penerima, dengan warna paling gelap sesuai dengan kelompok yang memiliki persentase tertinggi dari ASV yang diberikan. Bilah hitam mewakili kelimpahan rata-rata ASV di seluruh kumpulan data. C ASV bakteri secara statistik lebih berlimpah di kedua kelompok penerima HiChol daripada di kedua kelompok penerima NorChol. n = 9–12 tikus/kelompok. D Korelasi Spearman antara populasi mikroba tingkat ASV dan parameter terkait metabolisme kolesterol. Korelasi yang kuat ditunjukkan oleh lingkaran besar, sedangkan korelasi yang lebih lemah ditunjukkan oleh lingkaran kecil. Warna lingkaran menunjukkan sifat korelasi dengan biru tua menunjukkan korelasi positif yang kuat dan merah tua menunjukkan korelasi negatif yang kuat. ¤ Q < 0,05, ¤¤ Q < 0,01, ¤¤¤ Q < 0,001 setelah koreksi FDR

Taksa mikrobiota terkait HiChol berkorelasi dengan kadar kolesterol plasma

Untuk mengkonfirmasi apakah satu atau beberapa bakteri usus tertentu terlibat dalam regulasi jalur metabolisme kolesterol utama, kami melakukan beberapa analisis korelasi antara ASV yang diidentifikasi sebelumnya dan tingkat kolesterol plasma serta parameter yang terkait dengan sintesis kolesterol hati, penyerapan lipoprotein oleh hati, sintesis asam empedu, dan penyerapan usus (Gbr. 6d). Enam dari sepuluh ASV terkait penerima HiChol secara signifikan dan positif berkorelasi dengan kadar kolesterol plasma. Lima dari ASV ini berkorelasi negatif dengan penanda sintesis kolesterol hati seperti: HmgcoAr ekspresi dan konsentrasi lathosterol di hati. ASV ini juga berkorelasi positif dengan penanda penyerapan usus seperti Npcl1 dan Mttp ekspresi di jejunum. NS Fgf15 ekspresi di ileum dan LDLr ekspresi di hati juga berkorelasi dengan ASV ini namun, signifikansi statistik tidak tercapai, menunjukkan bahwa parameter metabolisme kolesterol ini kurang diatur oleh mikrobiota daripada parameter lainnya. Urutan tujuh dari sepuluh ASV ini tidak ditetapkan ke tingkat genus oleh pipa Qiime2 namun, BLAST manual terhadap basis data EzBioCloud 16S (pembaruan 06 agustus 2019) [48] menunjukkan bahwa ASV 1 milik Sutterellaceae keluarga, ASV 3 dan ASV 8 milik Turicimonas genus, dan ASV 4 ke Erysipelotrichaceae keluarga.


Bakteri usus dipengaruhi oleh obat antidiabetes, menunjukkan penelitian

Bakteri usus mengubah komposisi dan fungsinya ketika pasien diabetes diobati dengan obat metformin.

Sebagian besar dari sekitar 100 triliun bakteri yang hidup bersembunyi di usus kita -- mikrobiota usus -- sulit tumbuh menggunakan metode tradisional, karena mereka tidak mentolerir oksigen atmosfer. Dalam beberapa tahun terakhir, penelitian baru berdasarkan teknologi gen dan bioinformatika canggih telah memungkinkan untuk menganalisis komposisi dan fungsi bakteri usus dari DNA mereka. Bakteri menghasilkan berbagai jenis zat yang mempengaruhi fisiologi dan kesehatan kita dengan berbagai cara.

Di bidang penelitian penyakit, perubahan komposisi dan fungsi komunitas bakteri usus yang kompleks -- yang disebut dysbiosis -- telah menjadi area fokus. Namun, kelemahan dari penelitian ini adalah para peneliti tidak memperhitungkan efek potensial obat pada bakteri usus pasien.

Oleh karena itu, tidak mungkin untuk menentukan disbiosis mana yang terkait dengan penyakit tertentu dan perubahan bakteri usus mana yang terkait dengan perawatan medis. Pada saat yang sama, hasil yang bertentangan dari penelitian pada bakteri usus dilaporkan untuk penyakit yang sama. Mungkin karena fakta bahwa efek obat pada komposisi dan fungsi mikrobiota usus belum diperhitungkan.

Metformin membuat bakteri usus menghasilkan asam lemak

Peneliti Eropa dan Cina di konsorsium MetaHIT yang didanai Uni Eropa telah mempelajari komunitas bakteri usus dari pasien Denmark, Swedia dan Cina dengan diabetes tipe 2 serta dari individu sehat total 784 orang dipelajari. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk memisahkan perubahan mikrobiota usus yang terkait dengan penyakit dari perubahan yang mungkin terkait dengan asupan jenis obat tertentu. Temuan ini baru-baru ini dipublikasikan di jurnal internasional Alam.

Studi menunjukkan bahwa obat yang paling sering digunakan untuk pengobatan kadar glukosa darah tinggi, metformin, menyebabkan perubahan yang menguntungkan pada mikrobiota usus pada pasien dengan diabetes tipe 2. Ini meningkatkan kemampuan bakteri untuk menghasilkan jenis asam lemak rantai pendek tertentu, seperti asam butirat dan asam propionat. Asam lemak ini dapat menurunkan kadar glukosa darah dengan berbagai cara. Metformin, bagaimanapun, juga dikenal memiliki efek buruk pada saluran pencernaan, misalnya kembung dan peningkatan perut kembung. Studi ini telah memberikan para peneliti penjelasan yang mungkin, karena pasien yang diobati dengan metformin memiliki lebih banyak bakteri coliform di usus mereka, yang mungkin menjadi salah satu penyebab ketidaknyamanan.

“Kami tidak dapat menunjukkan bahwa jenis obat antidiabetes lain memiliki dampak nyata pada mikrobiota usus. Ketika mempelajari pasien diabetes tipe 2 yang tidak diobati dengan metformin, kami menemukan bahwa mereka – terlepas dari apakah mereka dari Denmark, Cina atau Swedia -- memiliki lebih sedikit bakteri yang menghasilkan asam lemak rantai pendek yang meningkatkan kesehatan Apakah kurangnya kombinasi tertentu dari spesies bakteri usus penghasil asam lemak merupakan salah satu faktor yang berkontribusi terhadap diabetes tipe 2 saat ini sedang diselidiki," kata Profesor Oluf Borbye Pedersen dari Novo Nordisk Foundation Center for Basic Metabolic Research di University of Copenhagen, yang merupakan penulis senior di Alam laporan.


Abstrak

Hipoksia merupakan salah satu stresor yang paling sering muncul dalam budidaya. Hipoksia menyebabkan kerugian finansial yang besar dan degradasi sumber daya. Namun, respon dari cobia (Rachycentron canadum) untuk stres hipoksia tidak sepenuhnya dipahami. Dalam penelitian ini, efek hipoksia pada mikroflora usus kobia remaja diselidiki. Keragaman dan struktur mikroflora setelah 4 minggu stres hipoksia dianalisis menggunakan teknologi sekuensing throughput tinggi. Sebanyak 210 ekor ikan dibagi menjadi dua kelompok perlakuan yaitu kelompok kontrol stres hipoksia dan kelompok kontrol normoksik, dengan 3 ulangan per kelompok dan 35 ekor per ulangan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kekayaan dan keragaman mikroflora usus meningkat secara signifikan pertama dan kemudian menurun secara signifikan setelah undangan stres hipoksia (P < 0,05). Analisis koordinat utama (PCoA) menunjukkan bahwa hipoksia mengubah struktur mikroflora usus. Pada tingkat filum, Proteobacteria, Firmicutes, Spirochaetes, Tenericutes, dan Bacteroidetes merupakan bakteri yang dominan. Dibandingkan dengan kelompok kontrol, kelimpahan relatif Proteobacteria meningkat secara signifikan (P < 0,05) pada kelompok H7, H14, dan H28, yang berlawanan dengan kelompok Tenericutes. Kelimpahan Firmicutes dan Tenericutes keduanya meningkat secara signifikan (P < 0,05) pada kelompok H14. Pada tingkat genus, kelimpahan relatif bakteri foto meningkat secara signifikan (P < 0,05) pada kelompok H7, H14, dan H28, sedangkan pada Brevinema menurun secara signifikan (P < 0,05) pada kelompok H1 dan H7. mikoplasma menurun secara signifikan (P < 0,05) pada semua titik waktu hipoksia, sedangkan Methylobacterium menurun secara signifikan (P < 0,05) pada kelompok H7 dan H28. Selain itu, hasil analisis ukuran efek (LefSe) analisis diskriminan linier (LDA) menunjukkan bahwa hipoksia menyebabkan peningkatan yang signifikan dalam kelimpahan relatif Actinomyces, Pseudoalteromonas, Stafilokokus, -Proteobacteria, Vibrionaceae, dan Pseudomonadales, yang merupakan biomarker kelompok hipoksia. Hasil ini memberikan pemahaman tentang efek stres hipoksia pada mikroflora usus kobia remaja.


Mikrobiota usus terdiri dari organisme luar biasa yang hidup di usus manusia, termasuk bakteri, archaea, virus, dan jamur, yang berperan penting dalam metabolisme inang dan dianggap sebagai sumber potensial terapi baru. Beberapa penyakit sekarang diperkirakan dipengaruhi oleh proses dalam mikrobioma usus. Itu termasuk kanker, gangguan autoimun seperti multiple sclerosis dan gangguan spektrum autisme. Mikrobioma usus juga sangat berinteraksi dengan obat-obatan tertentu, termasuk beberapa terapi kesehatan mental, dan mempengaruhi efeknya.

Arah Penelitian Potensi Analisis Mikrobiota Usus

• Jelajahi perbedaan komposisi dan kandungan flora usus antara keadaan sehat dan berbagai keadaan penyakit
• Jelajahi perbedaan komposisi dan kandungan flora usus selama perkembangan penyakit tertentu untuk mencari biomarker terkait penyakit
• Jelajahi perbedaan komposisi dan kandungan flora usus pada berbagai tahap intervensi obat atau diet
• Jelajahi perbedaan komposisi dan kandungan flora usus pada berbagai tahap perkembangan individu yang sama
• Jelajahi perbedaan komposisi dan kandungan flora usus pada bagian tubuh yang berbeda dari individu yang sama

Platform Teknis

Dengan teknologi sekuensing (NGS) generasi berikutnya, sekuensing PacBio SMRT, dan platform sekuensing Nanopore, kami memiliki alat untuk mengidentifikasi, mengukur, dan menganalisis mikrobiota usus. Dengan teknologi throughput tinggi ini, kami dapat melakukan studi metagenomik lengkap yang mampu mensurvei genom seluruh komunitas, termasuk organisme yang tidak dapat dikultur.

Illumina HiseqIllumina MiseqPGM ionSistem PacBio SMRT
Sistem nanoporiPCR-DGGEqPCR waktu nyataPerpustakaan kloning

Apa yang Dapat Dilakukan Biogene Kreatif?

Biogen Kreatif menawarkan solusi lengkap untuk pembuatan profil mikrobioma yang tidak memihak tidak hanya mencakup konsultasi, desain studi, solusi pengambilan sampel dan pengurutan, tetapi juga analisis bioinformatika dan biostatistik hilir.

Alur Kerja Proyek

Gbr.1 Proses analisis sekuensing throughput tinggi

Gbr.2 Proses analisis PCR-DGGE

Spesifikasi Layanan

• Persyaratan kualitas: 300 ng, 10 ng/μL, OD260/280=1,8-2,0, non-degradatif
• Pengiriman: Es kering atau paket es
• Siklus beku-cair berulang harus dihindari

• Persyaratan kualitas: 1g
• Penyimpanan: -80℃
• Pengiriman: Es kering
• Siklus beku-cair berulang harus dihindari

Objek yang Dapat Dideteksi
Manusia, tikus, tikus, monyet, ayam, domba, ikan, kuda, keledai, panda, trenggiling, dan hewan lainnya.

• Pemfilteran dan Pemangkasan Urutan
• Distribusi Panjang Urutan
• Pengelompokan OTU dan Anotasi Spesies
• Indeks Keanekaragaman
• Kurva Shannon-Wiener
• Kurva Peringkat-Kelimpahan
• Kurva refraksi
• Kontras Ganda
• Peta Panas
• Analisis Komponen Utama (PCA)

• Peta Panas
• VENN
• Analisis Komponen Utama (PCA)
• Analisis Struktur Komunitas Mikroba
• Analisis Indeks Keanekaragaman
• Analisis Matastat
• Tes Unifrac tertimbang
• Analisis CCA/RDA

Analisis data tingkat lanjut

• Pohon Filogenetik
• Ukuran Efek LDA (LEfSe)
• Analisis Jaringan
• Analisis korelasi

Referensi
1. Fuhrman JA. 2009. Struktur komunitas mikroba dan implikasi fungsionalnya. Alam 459:193–199.
2. Zhou, J. , He, Z. , Yang, Y. , Deng, Y. , & Alvarez-Cohen, L. . (2015).Teknologi metagenomic throughput tinggi untuk analisis komunitas mikroba kompleks: format terbuka dan tertutup. mBio, 6(1).
3. Blandino, G., Inturri, R., Lazzara, F., Rosa, M.D., & Malaguarnera, L. (2016). Dampak mikrobiota usus pada diabetes mellitus. Diabetes & metabolisme, 42 5, 303-315.


Menuju pemahaman mekanistik interaksi obat-mikrobioma timbal balik

Antibiotik spektrum luas menargetkan beberapa bakteri gram positif dan gram negatif, dan secara kolateral dapat merusak mikrobiota usus. Namun, pengetahuan kita tentang tingkat kerusakan, spektrum aktivitas antibiotik, dan mekanisme resistensi mikroba usus masih jarang. Ini membatasi kemampuan kita untuk mengurangi penyebaran resistensi antibiotik yang difasilitasi mikrobioma. Selain antibiotik, obat non-antibiotik mempengaruhi mikrobioma manusia, seperti yang ditunjukkan oleh metagenomik serta in vitro studi. Interaksi mikrobioma-obat bersifat dua arah, karena mikroba juga dapat memodulasi obat. Modifikasi kimia antibiotik sebagian besar berfungsi sebagai mekanisme resistensi antimikroba, sedangkan metabolisme non-antibiotik juga dapat mengubah sifat farmakodinamik, farmakokinetik, dan toksik obat. Studi terbaru telah mulai mengungkap kapasitas luas mikroba usus untuk memetabolisme obat, mekanisme, dan relevansi peristiwa tersebut untuk pengobatan obat. Temuan ini menimbulkan pertanyaan apakah dan sejauh mana interaksi obat-mikrobioma timbal balik ini akan berbeda antar individu, dan bagaimana mempertimbangkannya dalam penemuan obat dan pengobatan presisi. Tinjauan ini menjelaskan perkembangan terkini di lapangan dan membahas bidang studi masa depan yang akan mendapat manfaat dari pendekatan biologi sistem untuk lebih memahami peran mekanistik mikrobiota usus manusia dalam aksi obat.

Pengantar

Pemahaman kami tentang bagaimana mikrobiota usus manusia berkontribusi terhadap kesehatan dan penyakit, dan bagaimana hal itu berubah seiring waktu, tahapan kehidupan, wilayah geografis yang berbeda, dan sebagai respons terhadap faktor lingkungan telah meningkat secara dramatis selama dekade terakhir (The Integrative HMP (iHMP) Research Network Konsorsium, 2019 Pasolli dkk, 2019 Nayfach dkk, 2019 Falony dkk, 2016 ). Konsensus saat ini adalah bahwa mikrobioma usus memiliki komposisi yang sangat individual, terutama pada tingkat strain bakteri (Franzosa dkk, 2015 ). Selanjutnya, individu yang sehat mempertahankan komposisi mikrobiota yang sebagian besar stabil untuk sebagian besar masa dewasa mereka (Sommer dkk, 2017 dkk, 2018 ). Komposisi ini terbentuk pada tahap awal kehidupan (Bäckhed dkk, 2015 Wampach dkk, 2017 ) dan lebih bergantung pada lingkungan daripada genetika inang (Rothschild dkk, 2018 ). Oleh karena itu gangguan yang kuat, seperti perubahan pola makan dan konsumsi antibiotik, dapat menyebabkan ketidakseimbangan stabilitas mikrobioma, dengan pemulihan yang sejauh ini tidak dapat diprediksi. dkk, 2011 Falony dkk, 2016 Lynn dkk, 2018 ). Di sisi lain, modifikasi kimia senyawa terapeutik oleh bakteri usus dapat mempengaruhi efek terapeutik obat (Gambar 1). Kami baru saja mulai mengeksplorasi interaksi dua arah yang kompleks ini antara mikroba dan obat-obatan yang ada di tempat kami. Dalam ulasan ini, kami memberikan ikhtisar tentang berbagai pendekatan tingkat sistem yang dapat digunakan untuk mendapatkan wawasan tentang triad obat-mikrobioma-host (Gbr 2). Pemahaman yang lebih baik dan lebih sistematis tentang interaksi ini dan konstituen molekuler yang mendasarinya dapat menjadi instrumen untuk aplikasi diagnostik, prognostik, dan akhirnya, terapeutik.

Gambar 1. Tinjauan tentang triad obat-mikrobioma-host dan interaksinya

Kiri: Asupan obat-obatan dapat memiliki pengaruh langsung pada masing-masing anggota mikrobioma usus (contoh klasik: antibiotik) tetapi juga dapat mengubah komposisi dan fungsi mikrobioma melalui cara tidak langsung yang dimediasi oleh inang (contoh: penghambat pompa proton, yang mungkin mengubah komposisi mikrobioma dengan meningkatkan pH lambung). Kanan: Bakteri usus dapat memodifikasi dan memetabolisme obat. Selain itu, mikrobioma secara tidak langsung dapat memodulasi metabolisme xenobiotik inang di hati. Selanjutnya, ada crosstalk antara semua interaksi ini. Pada akhirnya, interaksi kompleks ini mungkin memiliki konsekuensi kesehatan yang negatif dan menyebabkan perbedaan antarpribadi dalam hasil pengobatan.

Gambar 2. Pendekatan sistem untuk mempelajari interaksi obat-mikrobioma-host

Kiri: Berbagai macam sistem model dapat digunakan untuk mempelajari interaksi obat-mikrobioma-host. Di sisi mikroba, (mungkin dimodifikasi secara genetik) isolat dalam kultur murni atau komunitas mikroba sintetik atau yang berasal dari tinja diterapkan. Di sisi inang, sistem kultur sel sederhana, organoid usus tetapi juga model hewan yang berbeda dapat digunakan. Kanan: Beragam teknologi membantu menguraikan interaksi obat-mikrobioma-inang. Pendekatan dapat secara luas dibagi menjadi karakterisasi fenotipik, pendekatan OMIC, dan prediksi berbasis model. Tergantung pada pertanyaan penelitian, sistem model yang sesuai dan teknologi yang sesuai dapat digabungkan. TPP: profil proteom termal, LiP-MS: spektrometri massa gabungan proteolisis terbatas.

Obat terapeutik mengubah komposisi mikrobioma usus

Bukti dari kohort berbasis metagenomik dan studi klinis—pendekatan top-down

Menjelajahi faktor-faktor yang menjelaskan perbedaan antar individu dalam komposisi mikrobioma usus di seluruh kelompok populasi besar telah berulang kali mengidentifikasi obat sebagai kontributor utama (Falony dkk, 2016 Ticinesi dkk, 2017 Jackson dkk, 2018 Vich Vila dkk, 2020 ). Meskipun penelitian semacam itu telah berwawasan luas dan telah mengungkapkan dampak kumulatif dan dramatis obat pada komposisi mikrobioma usus, mereka masih kurang bertenaga untuk memisahkan efek dari kelas obat individu. Untuk memulai stratifikasi efek ini, seseorang dapat secara luas memisahkan obat menjadi antimikroba, yang dikembangkan untuk menargetkan mikroba, dan untuk obat yang dirancang untuk berinteraksi dengan target manusia/inang, di sini disebut sebagai obat yang ditargetkan pada manusia.

Obat antimikroba terdiri dari antibiotik, antijamur, antiprotozoal, antivirus, dan anti-archaeals. Senyawa ini menargetkan protein yang biasanya tidak ada di inang atau dapat dibedakan dengan jelas dari homolog manusianya, namun mereka sering hadir dalam mikroba komensal yang menjajah tubuh manusia. Sebagai akibatnya, antimikroba dapat “secara kolateral merusak” mikrobioma dan dengan demikian memiliki efek samping ringan hingga berat bagi pasien (Kuhn dkk, 2016 ). Ini telah dipelajari paling baik untuk antibiotik, dengan studi klinis dan hewan yang menggambarkan perubahan komposisi mikrobioma usus dan parameter host fisiologis, seperti fungsi metabolisme, kognitif, dan kekebalan (Cho dkk, 2012 Cox dkk, 2014 Hwang dkk, 2015 Fröhlich dkk, 2016 Hagan dkk, 2019 ). Data awal menunjukkan bahwa mikrobiota pasien yang sehat sebagian dapat pulih kembali setelah pengobatan antibiotik (Rashid dkk, 2015 Palleja dkk, 2018 ). Namun, masih belum jelas apakah ini benar untuk populasi yang lebih luas dan/atau lebih beragam, dan apa hubungannya dengan kelas antibiotik, komposisi mikrobioma awal, dan durasi pengobatan. Demikian pula, pengetahuan kita tentang spektrum target, cara kerja, dan mekanisme resistensi dari berbagai kelas antibiotik dan efek spesifiknya pada spesies bakteri komensal usus langka (pracetak: Maier dkk, 2020 ). Untuk mendapatkan wawasan mekanistik tentang masalah ini, pengujian, alat, dan sistem uji dari beberapa dekade penelitian antibiotik pada patogen dapat dikapitalisasi dan diadaptasi untuk mempelajari spesies komensal usus dalam kultur murni, dalam komunitas mikroba dan di dalam inang, terutama pada tingkat yang sistematis ( Gambar 2) (Maier & Typas, 2017). Pengetahuan mekanistik terperinci semacam itu dapat membantu merancang strategi yang lebih baik dan lebih tepat untuk mencegah atau mengembalikan "kerusakan tambahan" yang disebabkan oleh antibiotik, yang pada saat ini didasarkan pada proses generik dengan keberhasilan terbatas dan/atau hasil yang merugikan, seperti transplantasi tinja atau pemberian probiotik. (Zmora dkk, 2018 Suez dkk, 2018 DeFilipp dkk, 2019 ) (Kotak 2).

Untuk obat yang ditargetkan pada inang, semakin banyak bukti menunjukkan bahwa mereka terkait dengan pergeseran komposisi mikrobioma usus. Contoh yang diketahui mencakup berbagai kelas terapi dan termasuk metformin antidiabetes, inhibitor pompa proton, antipsikotik, obat antiinflamasi nonsteroid, parasetamol, opioid, inhibitor reuptake serotonin selektif, pencahar, dan statin (Le Bastard dkk, 2018 Jackson dkk, 2018 Kummen dkk, Konsorsium MetaCardis 2020 dkk, 2020 ). Pergeseran ini tidak selalu tidak menguntungkan bagi tuan rumah. Dalam kasus tertentu, obat yang ditargetkan pada inang dapat mendiversifikasi mikrobioma usus (MetaCardis Consortium). dkk, 2020 )—fitur yang umumnya terkait dengan mikrobioma yang sehat. Namun, implikasi fungsional dari pergeseran taksonomi ini, misalnya dalam hal kapasitas metabolisme yang berubah dan/atau repertoar resistensi antibiotik, perlu dinilai secara terpisah untuk setiap senyawa (Vich Vila dkk, 2020 ).

Studi klinis saat ini tentang efek obat pada mikrobioma usus sebagian besar bersifat cross-sectional, sementara pendekatan intervensi atau longitudinal dan perbandingan dengan kelompok kontrol yang naif pengobatan tetapi berpenyakit sering hilang. Akibatnya, sulit untuk membedakan antara efek yang dimediasi penyakit dan terkait obat. Masalah ini dicontohkan oleh metformin obat antidiabetes. Obat menunjukkan bioavailabilitas oral yang terbatas, menghasilkan konsentrasi obat usus yang tinggi. Itu adalah salah satu obat non-antibiotik pertama yang terbukti mempengaruhi komposisi mikrobioma usus (Napolitano dkk, 2014 ) dan mengungkapkan perlunya stratifikasi untuk pengobatan saat menafsirkan tanda tangan mikrobioma (Forslund dkk, 2015 ). Pada saat yang sama, temuan ini merangsang studi kausal yang secara langsung menghubungkan pergeseran komposisi dengan peningkatan disfungsi metabolik dan hiperglikemia (Wu dkk, 2017 ). Salah satu mekanisme yang diusulkan melibatkan metformin yang mengurangi kelimpahan relatif Bacteroides fragilis dan menurunkan regulasi terkait aktivitas hidrolase garam empedu. Hal ini menyebabkan akumulasi asam glikoursodeoksikolat, yang menghambat sinyal reseptor farnesoid X usus (FXT) dan dengan demikian meningkatkan berbagai hasil metabolisme pada tikus, termasuk hiperglikemia (Sun dkk, 2018 ). Mekanisme lain yang diusulkan untuk menjelaskan efek hipoglikemik yang dimediasi mikrobioma dari metformin termasuk produksi mikroba asam lemak rantai pendek, promosi integritas penghalang usus dan peningkatan sekresi hormon usus seperti peptida 1 dan peptida seperti glukagon YY (PYY) (diulas). di Pryor dkk, 2020 ). Hebatnya, beberapa sistem model seperti Caenorhabditis elegans (Cabreiro dkk, 2013 ), tikus (Shin dkk, 2014 ), dan tikus (Bauer dkk, 2018 ) berperan penting dalam menjelaskan interaksi metformin-mikrobioma-host ini, menyoroti terjemahan fenomena ini antara organisme yang jauh secara evolusioner dan menunjukkan kegunaan organisme model yang berbeda untuk mempelajari interaksi ini. Berbeda dengan metformin, kita masih jauh dari membedah interaksi sebagian besar obat yang ditargetkan inang dengan mikroba usus. Masih belum jelas apakah obat-obatan ini bekerja langsung pada mikroba, apa spektrumnya dan interaksi molekuler yang mendasarinya, dan apa dampaknya terhadap mikrobioma secara keseluruhan, pada tindakan terapeutik obat dan pada inang. Untuk menutup kesenjangan pengetahuan ini dan mengoptimalkan terapi obat, diperlukan studi klinis lebih lanjut yang dirancang dengan baik, yang harus dikoordinasikan dengan baik dengan pendekatan bottom-up (Gambar 2).

Studi ex vivo—mempercepat pemahaman mekanistik tentang interaksi obat-mikrobioma dengan mengurangi kompleksitas dan meningkatkan throughput—pendekatan bottom-up

Sementara studi klinis memberikan gambaran global yang sangat baik tentang efek obat pada mikrobioma, ex vivo pendekatan memungkinkan untuk diseksi sistematis, terkontrol, dan pertanyaan-spesifik dari interaksi ini pada berbagai skala mulai dari molekul hingga interaksi antar-organisme. Kemajuan terbaru dalam pendekatan throughput tinggi untuk budidaya anaerob rewel (Kotak 1) memungkinkan studi sistematis pertama tentang efek obat pada mikroba usus. skala besar in vitro skrining 1.200 obat yang dipasarkan menunjukkan dampak langsung pada pertumbuhan setidaknya satu dari empat puluh spesies komensal usus manusia yang diuji untuk 78% obat antibakteri, 53% antimikroba lain, dan 24% obat yang ditargetkan pada manusia (Maier dkk, 2018 ). Meskipun obat di semua kelas terapi memiliki dampak langsung pada spesies komensal usus, efeknya paling menonjol untuk antimetabolit, antipsikotik, dan penghambat saluran kalsium. Beberapa senyawa ini, seperti antimetabolit, menargetkan enzim dan jalur yang dilestarikan pada prokariota dan eukariota dan dengan demikian, kemungkinan memiliki cara kerja yang sama dalam komensal usus seperti pada sel inang. Namun, untuk sebagian besar obat yang ditargetkan pada manusia dengan aktivitas melawan bakteri usus, target bakterinya tetap tidak jelas. Mengidentifikasi target mikroba untuk obat ini akan membuka kemungkinan baru untuk menggunakannya kembali sebagai antibakteri dan/atau untuk mengurangi kerusakan kolateral mereka pada bakteri usus. Menariknya, obat yang ditargetkan pada manusia berdampak pada mikroba in vitro menyerupai antibiotik sehubungan dengan efek samping yang dilaporkan di klinik, memberikan bukti awal bahwa mereka juga berdampak pada usus in vivo. Selain itu, mikroba resisten antibiotik secara umum juga lebih resisten terhadap obat yang ditargetkan pada manusia, menunjukkan bahwa mekanisme resistensi terhadap antibiotik dan non-antibiotik setidaknya sebagian tumpang tindih. Profil awal dari mekanisme resistensi umum ini mengungkapkan pompa penghabisan, pengangkut dan mekanisme detoksifikasi. Aktivitas lain, seperti sifat selubung sel, respons stres, dan modifikasi target juga kemungkinan terlibat. Secara tepat memetakan tingkat resistensi silang dan sensitivitas kolateral ini (yaitu., resistensi terhadap satu obat yang memberikan kepekaan terhadap obat lain) sangat penting untuk mengurangi risiko yang mungkin ditimbulkan oleh obat yang ditargetkan pada manusia untuk resistensi antibiotik dan untuk memanfaatkan peluang sensitivitas kolateral untuk menunda, mencegah atau mengembalikan resistensi antibiotik (Pál dkk, 2015 Baym dkk, 2016 ). Untuk tujuan ini, sejumlah pendekatan sistem yang mapan dapat secara khusus diarahkan untuk menguraikan target obat dan mengungkapkan mekanisme resistensi, seperti yang ditunjukkan untuk genetika kimia (Cacace dkk, 2017 Kintses dkk, 2019 ), proteomik (pemrofilan proteom termal (Mateus dkk, 2020 ), spektrometri massa gabungan proteolisis terbatas (Schopper dkk, 2017 ), dan metabolomik (Zampieri dkk, 2018 ) (Gbr 2).

Kotak 1. Mikroba dan mikrobioma representatif

A: Mikroba representatif

Pentingnya pemetaan sistemik interaksi obat-mikrobioma meningkat dengan jumlah mikroba representatif yang diuji. Akibatnya, spesies yang komprehensif dan koleksi strain sangat penting. Manfaat koleksi tersebut semakin meningkat, semakin baik isolat dikarakterisasi (misalnya., urutan genom), dan informasi metadata yang lebih rinci disediakan (misalnya., status kesehatan tuan rumah).

Koleksi isolat mikrobioma usus

Kompilasi koleksi semacam itu biasanya mengikuti kriteria seleksi tertentu — seperti mewakili mikrobioma usus individu yang sehat — dan berfokus pada jenis strain, yang diperoleh dari koleksi strain yang tersedia untuk umum seperti DSMZ, ATCC/BEI Resources, dll. (www.dsmz.de, http://www.atcc.org, www.beiresources.org) (mis., Tramontano dkk, 2018 ). Koleksi lebih lanjut diperlukan yang mewakili situs tubuh lain, penyakit tertentu, kelompok usia, etnis, preferensi makanan, dll. Sementara sebagian besar berkonsentrasi pada memaksimalkan keragaman filogenetik dari spesies yang lazim dan melimpah, untuk gambaran global juga penting untuk ditangkap spesies langka dan keanekaragaman spesies (yaitu., variasi tingkat regangan).

Variasi tingkat regangan

Studi saat ini hanya fenotipe satu atau beberapa galur per spesies, biasanya dimulai dengan galur tipe. Untuk sebagian besar spesies yang diuji, tidak diketahui seberapa representatifnya mereka. Meskipun pangenom dapat diperkirakan untuk banyak spesies usus (Zou dkk, 2019 ), tidak jelas bagaimana ini diterjemahkan ke dalam variasi fenotipik. Namun, pekerjaan sebelumnya menunjukkan bahwa metabolisme obat dan sensitivitas obat adalah sifat spesifik strain (Koppel dkk, 2018 pracetak: Maier dkk, 2020 ) dan bahwa perbedaan regangan fungsional dapat berdampak pada kesehatan manusia. Pengamatan tersebut menggarisbawahi pentingnya pengambilan sampel banyak strain per spesies bakteri. Beberapa upaya baru-baru ini dilakukan untuk tujuan ini dengan mengumpulkan ratusan isolat bakteri usus manusia. Di masa depan, koleksi semacam itu perlu terus diperluas untuk mencakup strain dan keanekaragaman spesies — misalnya, banyak spesies yang tidak diketahui diprediksi dari genom rakitan metagenom (Almeida dkk, 2019 Pasoli dkk, 2019 Nayfach dkk, 2019 ).

  1. Broad Institute-OpenBiome Microbiome Library (Poyet dkk, 2019 ).
  2. Koleksi Referensi Genom yang Dapat Dibudidayakan (CGR) (Zou dkk, 2019 ).
  3. Koleksi Kultur Bakteri Gastrointestinal Manusia (HBC) (Forster dkk, 2019 ).
  4. Konservasi Mikrobioma Global (http://microbiomeconservancy.org).

Kumpulan isolat yang hidup berdampingan dari inang yang sama

Alih-alih mengumpulkan dan membuat fenotip galur dari sejumlah besar individu yang berbeda, koleksi galur dapat berasal dari satu orang (Goodman dkk, 2011 Coyne dkk, 2014 ). Karena strain co-resident ini dikumpulkan dari inang manusia yang sama, mereka menangkap keragaman tingkat strain yang berevolusi bersama dan hidup berdampingan dalam satu individu. Koleksi yang dipersonalisasi memiliki nilai khusus untuk penyelidikan perbedaan antar individu dalam interaksi obat-mikrobioma.

B: Mikrobioma

Jumlah komposisi komunitas yang berbeda untuk diperiksa skalanya hampir tak terbatas. Untuk mengatasi tantangan ini, dua pendekatan yang berbeda secara mendasar dapat dilakukan: komunitas sintetis dapat dirakit mulai dari kultur bakteri axenic (pendekatan bottom-up) atau komunitas alami yang dirakit sendiri, misalnya., yang berasal dari tinja manusia dapat dimanfaatkan (pendekatan top-down).

Komunitas sintetis

Konsorsium reduksionis organisme terdefinisi dirakit dengan cara modular, baik spesifik donor atau gabungan. Anggota komunitas individu biasanya memiliki karakter yang baik dan idealnya dapat diatur secara genetik.Manipulasi sistematis dari strain dan komposisi genetik komunitas sintetik memungkinkan identifikasi hubungan sebab akibat antara komposisi dan fenotipe komunitas yang diamati (Shetty dkk, 2019 ).

Bank bangku

Sampel tinja memberikan titik awal non-invasif untuk mempelajari mikrobioma manusia yang kompleks dan dirakit sendiri (Bolan dkk, 2016 ) dan dapat diinkubasi dengan obat-obatan ex vivo (Maurice dkk, 2013 van de Steeg dkk, 2018 ). Baru-baru ini, apa yang disebut "stoolbanks" menjadi lebih canggih untuk mempromosikan aksesibilitas transplantasi mikrobiota tinja dalam praktik klinis (Cammarota dkk, 2019 ). Tetapi mereka juga dapat digunakan untuk tujuan penelitian, terutama jika mereka adalah akses terbuka dan nirlaba, seperti OpenBiome. Upaya pelestarian mikrobioma selanjutnya bertujuan untuk penyimpanan jangka panjang: misalnya, "The Microbiota Vault" (www.microbiotavault.org) adalah proyek untuk melestarikan keanekaragaman mikroba yang terkait dengan tubuh dan lingkungan kita untuk generasi mendatang.

Dalam kedua pengaturan, profil fungsional dan komposisi utama mikrobiota usus perlu dipertahankan, misalnya dalam sistem bioreaktor aliran kontinu atau model usus mikrofluida (Guzman-Rodriguez dkk, 2018 ). Karena sistem yang sulit secara teknis ini menantang untuk beradaptasi dengan alur kerja throughput tinggi, kultur batch pengenceran berkelanjutan dalam format multi-sumur telah berhasil diterapkan untuk menyaring efek obat pada komunitas mikroba (Venturelli dkk, 2018 Li dkk, 2019 ).

Berbagai interaksi yang diamati antara obat yang ditargetkan pada manusia dan mikroba usus in vitro mengajukan pertanyaan apakah mereka relevan in vivo. Sebagai contoh, tidak jelas apakah hanya mikroba yang memberikan respons yang sama terhadap obat seperti ketika menjadi bagian dari komunitas, dan bagaimana lingkungan usus yang terstruktur secara spasial dan gradien konsentrasi obat di dalam pejamu memengaruhi respons obat. Salah satu cara untuk meningkatkan interaksi obat-mikrobioma ke tingkat komunitas adalah dengan menguji komunitas yang dirakit (“sintetis”) (Kotak 1). Mikroba dapat berperilaku sama dalam komunitas seperti dalam budaya axenic (obat menjadi efektif melawan mereka) atau dapat memiliki sifat komunal yang muncul: lebih terlindungi (perlindungan silang) atau peka (sensitisasi silang) terhadap obat. Saat ini tidak jelas seberapa sering properti komunal yang muncul seperti itu terjadi dan/atau apa yang mendorongnya. Modifikasi kimia obat dapat menyebabkan proteksi silang (Vega & Gore, 2014 ) dan sensitisasi silang (Roemhild dkk, 2020 ), tetapi juga efek kurang langsung lainnya dapat menghasilkan hasil yang serupa: perubahan tahap fisiologis sel bakteri (misalnya., respons stres dan pengangkut yang diinduksi di tingkat komunitas), perubahan lingkungan (yaitu., perubahan pH (Ratzke & Gore, 2018 )), atau pembukaan ceruk di lingkungan yang kompetitif. Untuk menyelidiki respons semacam itu secara sistematis, diperlukan cara-cara throughput tinggi yang kuat untuk menumbuhkan komunitas (Kotak 1) dan untuk mengikuti kelimpahan spesies, idealnya pada tingkat kuantifikasi absolut (misalnya., oleh metaproteomik (Li dkk, 2020 ), Gambar 2). Memahami frekuensi dan pendorong molekuler dari interaksi tersebut akan menjadi sangat penting untuk mengeksploitasi atau mengurangi efek obat yang dimediasi mikrobioma di klinik (Gambar 3).

Gambar 3. Aplikasi perolehan pengetahuan dari mempelajari interaksi obat-mikrobioma-host

Diagnostik dan Prognostik: Biomarker turunan mikrobioma (makromolekul, metabolit, dan komposisi) dapat digunakan untuk mendiagnosis penyakit, tetapi juga untuk prognosis perjalanan penyakit atau untuk memprediksi keberhasilan pengobatan. Perlindungan dan Pencegahan: Berbagai tindakan dapat diterapkan untuk mengurangi efek obat yang tidak diinginkan pada mikrobioma atau untuk menekan modifikasi obat kimia oleh bakteri usus. Dengan pemahaman yang lebih baik tentang triad obat-mikrobioma-host, intervensi peningkatan spesifisitas dapat digunakan (yaitu, dari transplantasi tinja hingga terapi restorasi yang ditentukan). Intervensi dan Modulasi: Ada pendekatan abiotik dan biotik untuk mempengaruhi mikrobioma, keluaran fungsionalnya dan akibatnya interaksi obat-mikrobioma-inang. Untuk penjelasan lebih rinci, lihat Kotak 2.

Efek mikrobioma pada obat-obatan

Mikroba mengubah kimia obat dan metabolit obat

Mengingat kesamaan struktural antara obat molekul kecil dan metabolit endogen, fakta bahwa banyak obat yang berasal dari produk alami, dan potensi enzimatik yang besar dari mikrobioma, metabolisme obat mikroba diharapkan. Memang, sudah di awal abad ke-20 obat prontosil ditemukan membutuhkan konversi bakteri untuk membuka efek antibiotiknya (Fuller, 1937 ). Sejak itu, akumulasi bukti menunjukkan bahwa modifikasi mikroba obat dan metabolit obat tampaknya menjadi aturan daripada pengecualian. Metabolisme obat mikroba tersebut dapat menghasilkan produk kimia yang sama atau berbeda dengan enzim metabolisme manusia, yang menyebabkan aktivasi obat.misalnya., sulfasalazine, Sousa dkk, 2014 ), inaktivasi (misalnya., L-dopa dan digoksin (Lindenbaum dkk, 1981 Haiser dkk, 2013 Maini Rekdal dkk, 2019 )) atau toksisitas (misalnya., sorivudine dan brivudine, (Zimmermann dkk, 2019a Nakayama dkk, 1997 ). Selain molekul obat, metabolit obat juga mengalami metabolisme mikroba. Metabolit obat fase II (diproduksi oleh reaksi konjugasi) telah ditemukan terdekonjugasi menjadi molekul prekursornya (yaitu., metabolit fase I (Wallace dkk, 2010 ) atau molekul obat asli (Taylor dkk, 2019 )) oleh mikroba. Lebih penting lagi, jenis metabolisme mikroba ini dapat memengaruhi farmakokinetik, khususnya kelimpahan obat dan metabolit obat di usus, dan dengan demikian mengubah respons dan toksisitas obat (Wallace dkk, 2010 Taylor dkk, 2019 ). Karena perbedaan isi genetik yang dikodekan mikrobioma jauh melebihi perbedaan genetik antara individu manusia, sangat mungkin bahwa komposisi mikrobiota mungkin berada di belakang sebagian besar variasi orang-ke-orang dalam respon obat, terutama dalam hal efek samping obat. Dalam paragraf berikut, kita akan membahas berbagai pendekatan untuk menyelidiki metabolisme obat mikrobioma, dampaknya terhadap respon obat dan jalan potensial untuk memanfaatkan metabolisme obat mikrobioma untuk meningkatkan intervensi obat terapeutik. Yang terakhir tidak diragukan lagi akan menghadirkan peluang bagi industri farmasi dan aplikasi obat presisi di klinik.

Studi sistematis mengungkapkan metabolisme obat mikroba yang luas

Metabolisme suatu senyawa dalam tubuh manusia merupakan faktor penentu keberhasilannya selama pengembangan obat praklinis dan klinis. Untuk menilai metabolisme obat di awal jalur penemuan obat, banyak in vitro dan dalam silikon protokol telah dikembangkan dan distandarisasi. Teknologi baru, seperti layar mikrofluida dan prediksi pembelajaran mesin baru-baru ini dimasukkan ke dalam saluran tersebut (Kirchmair dkk, 2015 Eribol dkk, 2016 ). Penggunaan persiapan enzim seluler atau bebas sel (misalnya., isolasi sitosol dan mikrosom) memungkinkan sistematik ex vivo layar throughput tinggi untuk metabolisme ratusan senyawa secara paralel (Williamson dkk, 2017 Underhill & Khetani, 2018 ). Hasil tes sistematis tersebut, bersama dengan wawasan dari in vivo metabolisme obat, adalah dasar untuk metode komputasi berbasis aturan dan pembelajaran mesin untuk memprediksi metabolisme xenobiotik (Djoumbou-Feunang dkk, 2019 de Bruyn Kops dkk, 2019 ).

Berbeda dengan metabolisme obat manusia, set data skala besar yang sebanding untuk metabolisme obat mikrobioma sebagian besar kurang, membatasi informasi yang tersedia untuk membangun model prediktif modifikasi obat mikroba. Untuk menghindari keterbatasan ini, beberapa kelompok penelitian telah menggunakan informasi tentang metabolisme primer dan sekunder untuk menyimpulkan reaksi modifikasi obat potensial berdasarkan reaksi biokimia dan struktur substrat (Klünemann dkk, 2014 Guthrie dkk, 2019 ). Meskipun pendekatan ini konsisten dengan kesamaan kimiawi antara obat-obatan dan senyawa endogen, pendekatan ini menderita karena fakta bahwa gen, biokimia, dan gaya hidup sebagian besar anggota mikrobioma usus dicirikan dengan buruk (Almeida dkk, 2019 ). Ini membuatnya juga menantang untuk mendefinisikan satu set (standar) spesies/strain/enzim turunan mikrobioma untuk menguji aktivitas mereka terhadap molekul obat, seperti yang ada untuk enzim metabolisme obat manusia. Sebagai solusinya, dua penelitian terbaru telah membiakkan komunitas feses manusia lengkap untuk menguji kapasitas metabolisme obat mereka ex vivo dengan panel hingga 438 senyawa berbeda (van de Steeg dkk, 2018 Jawa Barat dkk, 2020 ). Pengaturan eksperimental ini memiliki keuntungan bahwa anggota komunitas mikroba tidak harus dipilih sebuah prioritas dan mencakup interaksi mikroba yang dapat memengaruhi metabolisme obat, seperti yang ditunjukkan untuk metabolisme L-dopa berurutan oleh dua spesies berbeda (Maini Rekdal dkk, 2019 ). Tantangan dari pendekatan ini adalah distribusi strain yang tidak merata dalam komunitas mikroba yang terisolasi, yang dapat menutupi dan meremehkan potensi metabolisme mikroba yang ditemukan pada kelimpahan rendah. ex vivo, tetapi mungkin sangat aktif dan relevan in vivo. Sebanding dengan pendekatan bottom-up sistematis yang dijelaskan untuk menguji aktivitas obat pada panel perwakilan bakteri dalam isolasi (Maier dkk, 2018 ), upaya serupa telah digunakan untuk menyimpulkan aktivitas metabolisme mereka terhadap panel besar obat (Zimmermann dkk, 2019b ). Menguji komunitas mikroba atau strain bakteri tunggal, hingga 65% obat yang diuji dimetabolisme, menunjukkan bahwa metabolisme obat mikroba adalah fenomena yang jauh lebih umum daripada beberapa contoh anekdot yang dikumpulkan selama beberapa dekade terakhir (ditinjau dalam Wilson & Nicholson, 2017 ).

Mendapatkan wawasan molekuler tentang metabolisme obat mikroba

ex vivo uji transformasi obat dengan komunitas tinja yang diisolasi dari individu yang berbeda telah menunjukkan perbedaan antarpribadi yang luas dalam kapasitas metabolisme obat masyarakat (Zimmermann dkk, 2019b ) (Gambar 2), yang dikuatkan oleh perbedaan potensi metabolisme obat untuk spesies dan strain bakteri yang berbeda (Lindenbaum dkk, 1981 Haiser dkk, 2013 Zimmermann dkk, 2019b ). Temuan ini menunjukkan bahwa mekanisme molekuler transformasi obat mikroba perlu diidentifikasi untuk memprediksi kapasitas metabolisme obat dari mikrobioma individu. Untuk mengidentifikasi enzim mikroba dan jalur yang bertanggung jawab untuk konversi obat, beberapa pendekatan sistem telah diterapkan. Berdasarkan asumsi bahwa jalur metabolisme sering kali diinduksi secara transkripsi oleh substratnya, perbandingan transkripsi ada dan tidak adanya obat yang diberikan dapat dilakukan. Pendekatan ini berhasil diterapkan untuk mengidentifikasi enzim dari Eggerthella lenta (DSM 2243) dan Escherichia coli (K12) yang memetabolisme digoxin (Haiser dkk, 2013 ) dan 5-fluoruracil (pracetak: Spanogiannopoulos dkk, 2019 ), masing-masing. Layar genetik keuntungan dan hilangnya fungsi telah digabungkan dengan analisis berbasis spektrometri massa untuk secara sistematis mengidentifikasi gen yang terlibat dalam metabolisme obat mikroba (Zimmermann dkk, 2019a , 2019b ) (Gbr 2). Penyelidikan kimia spesifik obat juga telah digunakan untuk menyelidiki aktivitas enzim dan untuk menarik enzim yang membawa konversi obat yang diinginkan, seperti yang diterapkan secara elegan untuk identifikasi beta-glucuronidases (Jariwala dkk, 2020 ). Akhirnya, pendekatan komputasi berdasarkan jaringan reaksi metabolik, genomik komparatif dari isolat bakteri, atau komposisi mikrobioma telah digunakan untuk mengidentifikasi kemungkinan faktor genetik yang bertanggung jawab untuk metabolisme obat (Klünemann dkk, 2014 Mallory dkk, 2018 Guthrie dkk, 2019 ). Setelah diidentifikasi, gen mikroba yang terlibat dalam metabolisme obat dapat berfungsi sebagai biomarker potensial untuk memprediksi secara kuantitatif kapasitas metabolisme obat dari komunitas mikroba tertentu (Zimmermann dkk, 2019b ) (Gambar 3), membuka jalur baru untuk memahami dampak metabolisme obat mikroba pada inang dan akhirnya perannya dalam variabilitas interpersonal dalam respons obat.

Peran tuan rumah

Interaksi antara obat dan mikroba diidentifikasi in vitro perlu divalidasi dalam konteks inang, untuk menetapkan bahwa mikroba dan obat bertemu pada konsentrasi yang relevan dan di lokasi yang sama. Interaksi tambahan yang biasanya tidak cukup tercermin oleh in vitro sistem tetapi relevan dalam konteks host termasuk interaksi diet, metabolisme obat host, respon imun, dan kehadiran molekul host endogen. Mencoba memahami mekanisme molekuler yang mengatur interaksi timbal balik antara mikrobioma dan inang dan mencoba menjelaskan adaptasi komposisi komunitas mikroba dan perubahan fisiologi inang adalah inti dari penelitian mikrobioma. Faktor lingkungan dan inang mana yang membentuk komposisi dan keluaran fungsional mikrobioma? Bagaimana komposisi dan fungsi mikrobioma yang berubah memengaruhi inang? Secara keseluruhan, konsekuensi dari interaksi mikrobioma-obat-inang perlu dipahami pada tingkat molekuler untuk memungkinkan pemanfaatannya dan penerapannya untuk meningkatkan terapi (Gambar 3). Di bawah ini, kami membahas pendekatan yang sesuai untuk mempelajari interaksi mikrobioma-obat-inang (Gambar 2).

Pendekatan in vitro

Komunitas mikroba dapat berinteraksi dengan dan mempengaruhi inang dengan peptida/protein (Gil-Cruz dkk, 2019 ), RNA (Liu dkk, 2016 ), dan metabolit (Uchimura dkk, 2018 Koh & Bäckhed, 2020 ). Dalam konteks interaksi mikrobioma-obat-inang, khususnya dalam kasus obat molekul kecil, interaksi berbasis metabolit tampak alami. Beberapa dekade penelitian farmakologis telah menyebabkan pengembangan in vitro pendekatan sistematis untuk menyaring molekul dengan efek potensial pada inang. Beberapa di antaranya juga telah berhasil diterapkan untuk mempelajari interaksi mikrobioma-inang metabolik. Membran-terikat G-protein-coupled receptor (GPCR) adalah target utama untuk intervensi farmakologis, saat ini mewakili lebih dari sepertiga dari target untuk obat yang diresepkan (Rask-Andersen dkk, 2011 ). Sensor molekuler ini ada di mana-mana pada inang mamalia, mengikat ligan dari lingkungannya, dan mentransduksi sinyal melalui kaskade molekuler untuk mengubah fisiologi sel. Beberapa penelitian baru-baru ini telah diterbitkan menggunakan uji aktivasi GPCR throughput tinggi untuk menyaring ligan GPCR yang diproduksi mikrobioma (Cohen dkk, 2017 Colosimo dkk, 2019 Chen dkk, 2019 ). Masing-masing studi ini dimulai dengan metabolit yang diekstraksi dari kultur mikroba, yang kemudian diuji pada garis sel reporter GPCR yang direkayasa untuk menentukan aktivasi reseptor. Yang mengejutkan, penelitian ini mengidentifikasi ligan turunan mikrobioma untuk yang belum dikarakterisasi, yang disebut GPCR yatim piatu, yang menarik untuk berpotensi memperluas ruang target obat. Mengikuti prinsip yang sama, garis sel reporter untuk aktivasi reseptor nuklir, kelas target utama lain dari target obat, telah digunakan untuk mengidentifikasi ligan turunan mikrobioma dari reseptor manusia (Estrela dkk, 2019 ). Studi-studi ini menggambarkan penerapan dan kekuatan layar sistematis berdasarkan garis sel manusia, yang awalnya dikembangkan dalam jalur penemuan obat, untuk memetakan interaksi kimia antara mikrobioma dan inang. Mengikuti contoh-contoh ini, pendekatan penyaringan serupa dapat diterapkan pada analisis kelas reseptor yang berbeda, aktivitas metabolisme, dan spesifisitas transporter. Kekuatan yang jelas dari pengujian ini termasuk karakter reduksionisnya, wawasan mekanistik, dan kapasitas throughput yang tinggi, sedangkan kurangnya konteks jaringan dan relevansi fisiologis mewakili keterbatasan yang jelas.

Enteroid usus dan organoid mengatasi keterbatasan ini melalui diferensiasi sel punca menjadi tipe sel usus tertentu, seperti enterosit dan sel piala, membentuk struktur makro kripta, dan mencakup sifat usus, seperti fungsi penghalang (Sato dkk, 2009 Yin dkk, 2014 Pearce dkk, 2018 ). Sistem kultur organ tersebut telah digunakan untuk mempelajari interaksi jaringan enterik manusia dengan bakteri patogen dan komensal (Lukovac dkk, 2014 Pleguezuelos-Manzano dkk, 2020 ). Selanjutnya, sistem ini telah berhasil digunakan untuk mempelajari efek permukaan bakteri atau molekul yang disekresikan, seperti lipopolisakarida dan muramyl-dipeptida (Nigro dkk, 2014 Naito dkk, 2017 ), dan molekul kecil turunan mikrobioma, seperti asam lemak rantai pendek dan asam indolacrylic (Park dkk, 2016 Wlodarska dkk, 2017 Pleguezuelos-Manzano dkk, 2020 ). Dipasangkan dengan teknologi mikofluida, pengujian mikroba kultur bersama dengan jaringan inang telah dikembangkan untuk membuat sistem usus buatan pada sebuah chip, memungkinkan pengukuran sistematis dalam kondisi yang terkendali, sambil secara maksimal meniru antarmuka mikrobioma-inang (Jalili-Firoozinezhad dkk, 2019 ). Seperti in vitro pendekatan yang mensimulasikan interaksi inang mikrobioma di masa depan dapat mendorong pemahaman mekanistik kita tentang interaksi inang obat-mikrobioma.

Sama sekali, in vitro pendekatan penyaringan yang diadaptasi dari penelitian farmasi dan platform yang digerakkan oleh teknologi baru dapat memfasilitasi studi sistematis tentang interaksi obat-mikrobioma-inang. Seperti yang ditunjukkan untuk GPCR, pendekatan semacam itu dapat memberikan wawasan fungsional ke dalam interaksi molekuler antara mikroba dan inang, yang disebabkan oleh pemberian obat. Pembedahan sistematis dari interaksi yang mendasarinya akan membuka jalan untuk masa depan in vivo studi pada model hewan dan pengaturan klinis.

Model hewan

Pada akhirnya, kami bertujuan untuk memahami efek dari asupan obat pada seluruh organisme. Untuk tujuan ini, model invertebrata dapat mewakili model kuat yang menjembatani sistem kultur sel dengan organisme model kompleks dan studi kohort. Kedua lalat buah Drosophila melanogaster dan cacing nematoda C. elegan, dua organisme model dengan sumber daya genetik dan genomik yang mapan, sering diabaikan dalam penelitian mikrobioma (Norvaisas & Cabreiro, 2018). Ini berasal dari fakta bahwa mikroba terkait mereka kurang mencerminkan keragaman taksonomi dan fungsional mikrobioma manusia dan bahwa dalam kasus C. elegan, dampak mikroba pada inang lebih bersifat nutrisi daripada sifat simbiosis (Trinder dkk, 2017 Douglas, 2019 Zimmermann dkk, 2020 ). Kedua organisme memiliki tradisi lama penyaringan throughput tinggi dan memungkinkan berbagai pembacaan biomedis yang berbeda mulai dari reporter fluoresensi fungsi gen hingga umur, kesuburan, dan penyelidikan perilaku. Selain itu, keduanya memberikan keuntungan berharga untuk studi mikrobioma, seperti produksi skala besar yang mudah dari hewan bebas kuman atau gnotobiotik dan manipulasi genetik yang mudah, memungkinkan studi yang skalabel, hemat biaya dan waktu dari antarmuka host-obat-mikrobioma. bodoh dkk, 2018 Douglas, 2018 ). Kedua model invertebrata ini telah membuktikan nilainya untuk penelitian penemuan obat (Pandey & Nichols, 2011 O'Reilly dkk, 2014 Fernández-Hernández dkk, 2016 ) dan akhir-akhir ini telah berhasil digunakan untuk mempelajari interaksi di triad obat-microbiome-host.

Mikrobioma usus keragaman rendah dari Drosophila melanogaster baru-baru ini menguntungkan dalam mengungkapkan prinsip-prinsip umum toleransi antibiotik yang dimediasi oleh interaksi antarspesies metabolik (Aranda-Díaz dkk, 2020 ). Dalam serangkaian studi elegan, C. elegan model diizinkan untuk mengidentifikasi gen metabolisme nukleotida bakteri yang mempengaruhi kemanjuran kemoterapi pada inang (Scott dkk, 2017 García-González dkk, 2017 ) atau untuk memahami bagaimana diet dapat mempengaruhi efek positif metformin pada umur oleh mikroba usus (Pryor dkk, 2019 ). Ringkasnya, model-model invertebrata dapat berperan penting dalam pra-pemilihan yang paling relevan dari banyak kemungkinan kombinasi obat-mikroba untuk pertanyaan yang diberikan.

Berbeda dengan model invertebrata, model hewan pengerat telah menjadi standar untuk penelitian farmasi dan mikrobioma selama beberapa dekade (Nguyen dkk, 2015 ). Mereka cocok untuk studi farmakokinetik, memungkinkan menggunakan model penyakit mapan dan lebih relevan dengan fisiologi inang manusia dan bio-geografi mikrobiota. Di bidang mikrobioma, model hewan pengerat dihargai untuk manipulasi eksperimental terkontrol dari inang (KO), mikrobioma (gnotobiologi), dan lingkungan (misalnya., diet) dan keterkaitan genetik, anatomi, dan fisiologisnya dengan manusia. Ini adalah titik awal yang ideal untuk menjawab pertanyaan tentang interaksi obat-mikrobioma-host. Secara historis, metabolisme obat yang dimediasi mikrobioma pertama kali ditemukan pada tikus: sementara obat anti-inflamasi, salicylazosulfapyridine dimetabolisme pada hewan konvensional, senyawa induknya tetap tidak berubah pada tikus aseptik (diperlakukan antibiotik) (Peppercorn & Goldman, 1972). Ini adalah titik awal untuk studi analog dengan obat lain dengan asumsi fungsi metabolisme yang sebanding antara mikroba terkait hewan pengerat dan manusia. Demikian juga, beberapa dekade kemudian, kombinasi komensal usus rekayasa genetika dan tikus gnotobiotik menyediakan sistem untuk secara kuantitatif memisahkan host dan kontribusi mikrobioma untuk metabolisme obat bersama dan menilai peran enzim mikroba tunggal dalam interaksi ini (Zimmermann dkk, 2019a). Peneliti lain menggunakan terapi kombinatorial, yaitu antibiotik yang dikombinasikan dengan obat yang sedang diselidiki untuk mengungkap pengaruh mikrobioma pada parameter farmakokinetik obat (Malfatti dkk, 2020 ). Selain itu, model hewan pengerat sangat membantu untuk menyelidiki kemungkinan strategi terapeutik untuk mengurangi toksisitas obat yang diinduksi mikrobioma, seperti penghambat enzim beta-glucuronidase bakteri (Wallace dkk, 2010 Bhatt dkk, 2020 ).

Ada banyak penelitian pada hewan pengerat tentang perubahan mikrobioma komposisi yang dimediasi obat dan konsekuensinya pada fisiologi inang. Sejumlah telah meneliti efek jangka pendek dan jangka panjang dari antibiotik (misalnya., Cox dkk, 2014 Cho dkk, Nobel 2012 dkk, 2015 Ruiz dkk, 2017 ). Semakin banyak, penelitian tersebut juga menyelidiki efek obat non-antibiotik dan diet pada kerentanan dan pemulihan obat (Ng dkk, 2019 Cabral dkk, 2019 Karangan Bunga dkk, 2020 ). Sementara tikus yang dimanusiakan (dijajah dengan mikrobiota manusia) telah menjadi model landasan untuk menunjukkan kausalitas antara komposisi mikrobioma yang berubah dan fenotipe inang dalam berbagai penyakit, strategi ini sejauh ini tidak banyak digunakan untuk menilai apakah efek terapeutik obat dimediasi melalui mikrobioma. Satu pengecualian lagi adalah obat antidiabetes metformin, di mana transplantasi tinja pasien yang diobati dengan metformin ke tikus bebas kuman terbukti cukup untuk meningkatkan toleransi glukosa tikus penerima (Wu dkk, 2017 ). Pendekatan ini menyediakan alat yang ampuh untuk menyelidiki pensinyalan di sepanjang sumbu obat-mikrobioma-host dengan banyak cara yang mungkin untuk perbaikan (misalnya., langkah-langkah pengayaan dan pemurnian, konsorsium mikroba yang ditentukan, ex vivo inkubasi obat dan mikroba) (Walter dkk, 2020 ). Model hewan pengerat lebih lanjut berkontribusi pada pemahaman kita tentang bagaimana mikrobioma usus berdampak pada imunoterapi antikanker oleh PD-1 (Tanoue dkk, 2019 ), penyumbatan CTLA-4 (Vétizou dkk, 2015 Sivan dkk, 2015 Mager dkk, 2020 ) atau dalam terapi siklofosfamid (Viaud dkk, 2013 ), semua menghasilkan temuan transferabilitas tinggi ke manusia (diulas dalam (Zitvogel dkk, 2018 ).

Analisis komparatif tingkat sistem gnotobiotik dan tikus yang dibesarkan secara konvensional memungkinkan untuk memetakan efek kolonisasi mikroba pada skala organisme (Mills dkk, 2020 ). Pendekatan semacam itu telah mengungkapkan bahwa banyak gen pemrosesan xenobiotik inang, yaitu., P450 cytochromes (CYPs), enzim fase II dan transporter dipengaruhi oleh mikrobioma, baik pada tingkat RNA dan protein dan di berbagai situs tubuh (Selwyn dkk, 2016 Kuno dkk, 2016 , 2019 Fu dkk, 2017 ). Oleh karena itu, mikrobioma juga dapat memiliki dampak tidak langsung pada farmakokinetik obat dengan memodulasi metabolisme xenobiotik inang (Dempsey & Cui, 2019).

Pendekatan yang dirancang dengan baik yang memungkinkan paralelisasi analisis yang dilakukan dan dengan demikian mengurangi jumlah hewan percobaan akan sangat mempercepat pemahaman kita tentang interaksi obat-mikrobioma-inang di kedua arah, yaitu obat-obatan pada mikroba serta mikroba pada obat.

Terjemahan ke manusia

Pemahaman mekanistik yang lebih baik tentang interaksi obat-mikrobioma-inang membuka kemungkinan translasi untuk memanfaatkan mikrobioma dan variabilitas interpersonalnya dalam komposisi untuk meningkatkan perawatan obat baik secara umum maupun pribadi. Perawatan berbasis mikrobioma tersebut dapat mencakup berbagai aplikasi yang berbeda (Gambar 3). Analog dengan penanda genetik manusia yang memandu dosis obat dan potensi risiko interaksi obat-obat, biomarker mikrobioma dapat digunakan untuk memprediksi respons obat dan memandu rejimen pengobatan, seperti yang ditunjukkan untuk digoxin (Haiser dkk, 2013 ). Identifikasi enzim yang dikodekan mikrobioma yang berdampak negatif terhadap respons obat adalah dasar untuk pengembangan inhibitor spesifik yang menargetkan proses mikroba ini. Inhibitor tersebut telah dikembangkan untuk menghambat metabolisme mikroba L-dopa dan deglucuronidation metabolit obat (Wallace dkk, 2010 Maini Rekdal dkk, 2019 ). Meskipun secara konseptual menarik, menambahkan senyawa bioaktif tambahan ke formulasi obat yang diberikan datang dengan tantangan baru, seperti rintangan regulasi, peningkatan polifarmasi, dan target pengiriman ke mikrobioma. Lebih jauh, penargetan enzim mikroba menanggung risiko bawaan mengubah komposisi mikrobioma dan berpotensi berfungsi. Namun, risiko ini juga menghadirkan peluang. Berbeda dengan genom manusia, mikrobioma usus dapat dengan cepat dimodifikasi, secara unik memungkinkan kedua sisi interaksi pasien-obat dioptimalkan untuk manfaat terapeutik maksimum (Taylor dkk, 2019 ). Intervensi seperti perubahan pola makan, pemberian antibiotik, atau transplantasi mikrobiota tinja (FMT), menginduksi perubahan umum dalam komposisi mikrobioma sedangkan terapi prebiotik, probiotik, dan fag berpotensi memperkenalkan perubahan yang ditargetkan pada mikrobioma (Kotak 2). Selain intervensi yang bertujuan mengubah komposisi mikrobioma secara lebih permanen, pendekatan untuk sementara mengubah keluaran fungsional mikrobioma juga telah direncanakan. Perubahan sementara tersebut dapat dicapai melalui pemberian probiotik yang tidak secara stabil menjajah usus, tetapi yang mengubah fisiologi usus selama perjalanan usus mereka. Cara lain yang menjanjikan adalah penggunaan postbiotik, yang merupakan keluaran fungsional dari mikroba yang menguntungkan, seperti metabolit, yang diberikan secara abiotik.

Kotak 2. Modulasi mikrobioma

Mikrobioma telah menjadi target terapi utama, dengan banyak uji klinis yang sedang berlangsung untuk berbagai indikasi medis. Studi-studi ini biasanya bertujuan untuk memodulasi mikrobioma menuju keadaan yang meningkatkan kesehatan untuk inang manusianya (misalnya., untuk kanker kolorektal (Fong dkk, 2020 ), untuk aterosklerosis (Chen dkk, 2020 )). Cara untuk melakukannya sangat bervariasi dan mencakup berbagai intervensi yang dapat dipisahkan dalam agen biotik dan abiotik yang mengarah pada perubahan komposisi mikrobioma global atau yang ditargetkan. Selain itu, beberapa terapi yang ditargetkan mikrobioma ini bertujuan untuk mengubah mikrobioma secara permanen, sedangkan yang lain bertujuan untuk efek sementara. Semua intervensi ini memiliki kesamaan bahwa mereka mengubah keluaran fungsional komunitas mikroba dan karenanya interaksi mikrobioma-inang. Meskipun, modulasi mikrobioma belum dieksplorasi secara ekstensif untuk mengubah interaksi mikrobioma-obat-inang untuk meningkatkan respons obat dan mengurangi efek samping, kami memberikan gambaran tentang cara potensial untuk melakukannya (lihat juga Gambar 3).

Intervensi abiotik terdiri dari perubahan pola makan yang menggeser komposisi mikrobioma dan prebiotik, yang merupakan senyawa spesifik, seperti gula tertentu, yang disukai oleh subpopulasi mikrobioma yang mengarah pada peningkatan kelimpahannya. Agen abiotik tambahan termasuk peptida, obat-obatan, dan xenobiotik lainnya, di mana antibiotik merupakan pengubah mikrobioma intuitif. Baru-baru ini, postbiotik telah mendapatkan perhatian yang meningkat (Wegh dkk, 2019 ). Istilah ini merangkum berbagai produk fermentasi bioaktif yang berbeda seperti asam lemak rantai pendek atau asam empedu sekunder. Berbeda dengan agen lain, postbiotik tidak bertindak melalui perubahan mikrobioma komposisi tetapi secara langsung meniru keluaran mikrobioma fungsional yang diubah.

Intervensi biotik didasarkan pada agen biologis, seperti seluruh komunitas usus atau mikroba tertentu untuk memodifikasi fungsi mikrobiota seseorang. Transplantasi mikrobiota tinja (FMT) mentransfer seluruh komunitas usus mikroba dari satu orang ke orang lain. Karena tantangan untuk membakukan dan mengatur bahan tinja (Giles dkk, 2019 ), banyak upaya bertujuan untuk merekayasa komunitas sintetis dengan kualitas dan sifat tertentu yang dapat ditransplantasikan. Probiotik menggambarkan strain bakteri tertentu yang ditujukan untuk tujuan terapeutik (Suez dkk, 2019 ). Mereka bersertifikat GRAS (umumnya dianggap aman) oleh Food and Drug Administration dan termasuk mikroba dari berbagai filum seperti Lactobacillus reuteri dan Bifidobacterium casei. Selanjutnya, bakteri probiotik dapat dimodifikasi secara genetik untuk mengekspresikan sifat terapeutik tertentu.misalnya., protein terapeutik (Gurbatri dkk, 2020 )), sedangkan probiotik generasi berikutnya didasarkan pada isolat mikroba dari mikrobiota usus yang dimasukkan kembali, mungkin setelah in vitro modifikasi (O'Toole dkk, 2017 ). Penemuan peningkatan jumlah bakteriofag terkait mikrobioma membuka peluang untuk menerapkan terapi fag untuk menghilangkan spesies dan strain bakteri yang tidak diinginkan dari komunitas mikroba dengan cara yang sangat spesifik (Sausset dkk, 2020 ). Dalam model praklinis kanker kolorektal, fag dari tumor terkait Fusobacterium nucleatum bahkan telah digunakan untuk pengiriman obat yang ditargetkan (Zheng dkk, 2019 ).

Intervensi penargetan mikrobioma juga dapat digunakan untuk melawan pergeseran komposisi yang diperkenalkan oleh perawatan obat obat. Transplantasi mikrobiota tinja autologus (auto-FMT) telah meningkatkan hasil pengobatan pasien yang menjalani transplantasi sel induk hematopoietik alogenik untuk menyusun kembali mikrobioma mereka setelah rejimen antibiotik selama penggantian sel induk hematopoietik (Taur dkk, 2018 ). Pendekatan serupa dapat diterapkan untuk mengobati disbiosis yang disebabkan oleh perawatan obat yang ditargetkan pada manusia. Dua penelitian baru-baru ini memberikan obat molekul kecil bersama dengan antibiotik untuk mengurangi efek antibiotik pada komensal usus (pracetak: Maier dkk, 2020 Karangan Bunga dkk, 2020 ), memberikan cara baru untuk menghindari atau mengembalikan kerusakan jaminan pengobatan obat pada mikrobioma yang sehat.

Terlepas dari interaksi obat-mikrobioma langsung, efek tidak langsung juga dapat mempengaruhi fungsi dan interaksi mikrobioma dan inang. Misalnya, inhibitor pompa proton (PPI) adalah salah satu obat dengan efek paling menonjol pada komposisi mikrobioma usus (Imhann dkk, 2016 ). Diperkirakan bahwa perubahan fisiologis usus yang diinduksi obat, seperti peningkatan pH lambung, berkontribusi terhadap efek ini. Secara analog, obat-obatan yang mengubah motilitas usus juga telah terbukti mempengaruhi komposisi mikrobioma (Vich Vila dkk, 2020 ). Mikrobioma juga dapat secara tidak langsung mempengaruhi metabolisme obat manusia dan mempengaruhi farmakokinetik melalui regulasi atau penghambatan enzim manusia. Misalnya, metabolit p-cresol yang diproduksi mikrobioma telah terbukti secara kompetitif menghambat enzim sulfonasi O di hati, yang mengganggu pembersihan asetaminofen (Clayton dkk, 2009). Mengingat kompleksitas efek tidak langsung ini dan kurangnya pemahaman kita saat ini, pendekatan sistematis diperlukan untuk memetakan interaksi ini secara komprehensif pada tingkat molekuler.

Saat menerjemahkan temuan laboratorium, khususnya dari throughput tinggi in vitro layar, untuk penelitian pada manusia, penting untuk mempertimbangkan prinsip-prinsip farmakokinetik. Misalnya, obat oral, yang masih merupakan bentuk utama dari formulasi yang digunakan, biasanya diserap di usus kecil di mana kepadatan bakteri agak rendah. Sebaliknya, usus besar menampung komunitas mikroba yang paling padat dan beragam dari tubuh manusia, tetapi kapasitas penyerapan usus besar terbatas karena berkurangnya luas permukaan dan jumlah protein transpor. Hal ini menimbulkan pertanyaan tentang interaksi bakteri-obat mana yang sebenarnya relevan dengan farmakokinetik obat.

Untuk mengatasi keterbatasan ini, model farmakokinetik berbasis fisiologi (PBPK) yang memperhitungkan interaksi mikrobioma-obat untuk farmakokinetik telah dikembangkan baru-baru ini (Zimmermann dkk, 2019a Zimmermann-Kogadeeva dkk, 2020 ). Ketersediaan hayati yang terbatas, perubahan transit usus dan formulasi obat lepas lambat secara langsung mempengaruhi konsentrasi obat di usus besar, yang dapat mempengaruhi efek timbal balik antara obat dan mikrobioma. Untuk mempengaruhi farmakokinetik obat secara langsung, metabolisme mikroba dan/atau bioakumulasi harus terjadi di dalam saluran usus, di mana penyerapan obat atau metabolitnya juga terjadi. Contoh persaingan langsung antara metabolisme obat mikroba dan penyerapan usus ditunjukkan untuk L-dopa di usus kecil, yang mengurangi obat yang diserap dengan cara yang bergantung pada mikrobioma (Maini Rekdal dkk, 2019 ). Contoh lain adalah konversi mikroba sorivudine dan brivudine menjadi metabolit toksik hati bromovinyluracil di usus besar, yang menyebabkan peningkatan kadar serum dan toksisitas hati setelah penyerapan usus besar (Zimmermann dkk, 2019a). Model PBPK spesifik mikrobioma lebih lanjut memprediksi bahwa ekskresi obat dan metabolit obat yang ekstensif dapat menyebabkan akumulasinya di usus dan karenanya menghasilkan interaksi obat-mikrobioma yang ditingkatkan. Ini memberikan rute dan penjelasan untuk obat yang tidak diberikan secara oral untuk berinteraksi dengan mikrobioma usus, seperti yang ditunjukkan untuk obat antikanker irinotecan (CPT-11) yang diberikan secara intravena, di mana efek samping yang disebabkan oleh mikrobioma membatasi dosis dan pengobatan (Wallace dkk, 2010 ). CPT-11 adalah prodrug yang diubah menjadi senyawa aktifnya SN-38 oleh enzim manusia, sebelum reaksi hati fase II (yaitu., glukuronidasi) menonaktifkan senyawa sebelum sekresi bilier ke dalam usus. Mikrobioma usus manusia mengkodekan ratusan beta-glucuronidases berbeda yang menghilangkan glukuronat dari metabolit (obat) yang diturunkan dari hati (Pollet dkk, 2017 ). Dalam kasus SN38, ini menyebabkan akumulasi lokal senyawa sitotoksik yang mengakibatkan komplikasi usus, seperti diare parah. Dalam kasus lain, produk deglucuronidation yang diproduksi mikrobioma dapat secara langsung atau mengikuti konversi mikroba tambahan yang diserap kembali dari usus yang berdampak pada paparan obat sistemik atau metabolit obat, seperti yang ditunjukkan masing-masing untuk mikofenolat dan klonazepam (Elmer & Remmel, 1984 Ishizaki dkk, 2012 Zimmermann dkk, 2019a). Meskipun, pendekatan sistematis diperlukan untuk secara komprehensif memetakan kemungkinan interaksi obat-mikrobioma-host pada tingkat molekuler, contoh-contoh ini menekankan pentingnya menjaga pandangan organisme pada hasil dan mengevaluasi relevansinya untuk diterjemahkan ke klinik.

Kesimpulan dan perspektif masa depan

Pendekatan sistematis telah mulai memberikan wawasan baru tentang interaksi obat-mikrobioma-host. Pemahaman molekuler dari triad obat-mikrobioma-host akan membuka strategi untuk menyempurnakan perawatan obat klinis yang ada, meningkatkan kemanjuran obat dan mengurangi efek samping. Strategi semacam itu dapat mencakup modifikasi senyawa yang diilhami mikrobioma dan modulasi komposisi mikrobioma. Dapat dibayangkan bahwa pendekatan yang diarahkan pada penilaian sistematis interaksi obat-mikrobioma akan menjadi bagian dari pengembangan obat praklinis, melengkapi saat ini in vitro tes dan dalam silikon pemodelan untuk memprediksi metabolisme obat manusia dan toksisitas. Selain kebutuhan untuk mempertimbangkan interaksi obat-mikrobioma-host untuk persyaratan peraturan baru, pengetahuan tersebut dapat menjadi kunci pada tahap pengembangan obat praklinis. Ini dapat meningkatkan triase senyawa awal dan studi target pada kelompok pasien tertentu, meramalkan komplikasi yang mungkin timbul pada fase klinis karena perbedaan mikrobioma interpersonal.

Pemahaman mekanistik yang lebih baik tentang interaksi obat-mikrobioma timbal balik juga akan menjelaskan peran potensial mikrobioma dalam interaksi obat-obat, yang sering diamati dalam polifarmasi. Lebih luas lagi, senyawa non-obat, seperti xenobiotik lain, nutrisi, eksipien, dan bahkan metabolit endogen, kemungkinan juga mempengaruhi interaksi obat-mikrobioma-inang. Oleh karena itu, pertama-tama kita perlu memetakan interaksi ini secara sistematis dan kemudian memahami basis mekanistiknya untuk memberdayakan perawatan di masa depan (dipersonalisasi). Sebagian besar masa depan penemuan obat terletak pada pemanfaatan komposisi dan fungsi mikrobioma pasien untuk hasil terapi yang lebih baik.


Bagaimana flora usus bisa tidak seimbang?

Ini dapat memiliki penyebab yang sangat berbeda. Penggunaan yang berlebihan dari antibiotik terbukti menjadi masalah utama saat ini. Mereka melawan bakteri dan tidak membedakan antara yang berguna dan berbahaya. Selain itu, ada bahaya bahwa resistensi akan berkembang selama penggunaan terus menerus. Dalam kasus terburuk, mikroorganisme yang seharusnya dilawan oleh antibiotik justru bertahan – sementara strain bakteri yang berguna di usus Anda terpengaruh. Selain itu, banyak hewan ternak menerima antibiotik. Antibiotik pada gilirannya memasuki organisme kita melalui daging hewan.

Pemakaian rutin pencahar juga dapat mengganggu keseimbangan yang rapuh, karena ada risiko terlalu banyak bakteri usus yang menguntungkan akan hilang. Juga, penyakit usus dengan diare dan perubahan jaringan inflamasi dapat mengganggu flora usus.

Secara umum, nutrisi merupakan faktor penting untuk kesehatan usus. Dengan suplemen makanan probiotik Anda dapat mendukung mikrobioma Anda.


Tonton videonya: Հայկական ԴՆԹ-ի ուշագրավ հետազոտություն (Februari 2023).