Bağırsak Mikrobiyom Analizlerinde Moleküler Genetik Yöntemler – 24.01.2019

“İnsan Mikrobiyom Projesi” (Human Microbiome Project) ile insan sağlığında çok önemli bir rolü olan mikrobiyal flora detaylı olarak incelenmiş ve karakterize edilmiştir. Günümüzde artık geleneksel dışkı testlerini gelişmiş moleküler genetik yöntemlerle tamamlamak ve bu sayede bağırsak mikrobiyotasının ileri analizini yapmak mümkün olabilmektedir.

Son yıllarda geliştirilen dizileme teknolojileri ile okyanuslar, atık sular, insan vücudu vb. ortamlardaki mikrobiyolojik toplulukları kapsamlı bir şekilde araştırmak mümkün olmuştur. Dünya üzerinde yaklaşık 1030 mikrobiyal hücre topluluğu olduğu tahmin edilmektedir. İnsan vücudunda ise yaklaşık 100 trilyon mikroorganizma konaklamaktadır (1). Çoğunluğunu bakterilerin oluşturduğu mantar, virüs ve protozoaları içeren bu populasyon insan hücrelerinden 1O kat fazla mikrobiyal hücre ve insan genomundan 150 kat fazla gen içerir. Bedenimizi paylaşan kommensal, simbiyotik ve patojenik mikroorganizmaların oluşturduğu bu ekolojik topluluğa “mikrobiyota” denmektedir. “Mikrobiyom” ise bu çevrede yaşayan mikroorganizmaların toplam genomu olarak tanımlanmaktadır (2).

Bakterilerin fonksiyonları ve karakteristik özellikleri genomlarında kodlanmıştır. Günümüzde geleneksel dışkı testlerini, gelişmiş moleküler genetik analizlerle tamamlayarak, bağırsak mikrobiyotasındaki çok sayıda aerop ve anaerop bakterinin özelliklerini ve metabolik ilişkili gruplarını tanımlamak mümkün olabilmektedir (3).

“İnsan Genom Projesi”nin (Human Genome Project) devamı olan “İnsan Mikrobiyom Projesi” (Human Microbiome Project) çalışması 2007 yılında başlatılmıştır. Bu proje ile hem sağlıklı hem de hasta insanların mikrofloralarındaki mikroorganizmaların tespit edilmesi ve özelliklerinin belirlenmesi amaçlanmıştır. 2008 yılında insan mikrobiyomu tanımlanmış, dökümente edilmiş ve moleküler seviyede referans veritabanı oluşturulmuştur (4).

İnsan mikrobiyotası deri, genitoüriner sistem, solunum sistemi ve en çok da gastrointestinal sistemde kolonize olmuştur. Gastrointestinal sistem yaklaşık 200m² yüzey alanı ve mikroorganizmalar için zengin besin öğeleri içermesi sebebi ile vücudumuzdaki en zengin mikroorganizma topluluğunu barındırmaktadır. Mikrobiyom analizleri bağırsak florası birleşiminin sekans karşılaştırmalarının yapılmasını sağlamış, sağlıklı kişilerde olması gereken bakteri türleri belirlenmiştir (5).

E.coli, Enterococcus, Bifidobacterium ve Lactobacilli türleri bağırsak mikrobiyotasının önemli bir kısmını kapsamakta ve rutin kültür yöntemleriyle tanımlanabilmektedir. Ancak mikrobiyotada var olduğunu bildiğimiz geniş bir anaerop bakteri grubunu kültürle saptamak, oldukça zahmetli yöntemler gerektirmekte, çoğu zaman mümkün olmamaktadır. Faecalibacterium prausnitzii, Akkermansia muciniphila gibi anaerop bakteriler, konvansiyonel yöntemlerle saptanamadığı halde mikrobiyotanın en geniş populasyonunu oluşturan ve temel metabolik yeteneklerden sorumlu olan türlerdir.

Moleküler-genetik bir teknik olan DNA dizileme yöntemi ile klinik örneklerdeki bakteri genomları saptanabilir. Proses boyunca, özellikle bakterilerden gelen sinyaller kaydedilir. Elimizdeki örnekte kaç farklı bakteri genomu olduğu ise 16S rRNA sekanslamayla gösterilir. Böylece bakteriyel biyoçeşitlilik analiz edilir (3). Resim 2. de test prosedürü görülmektedir.

 

 

Resim 2 . (Keller ve ark. ) Mikrobiyom analizinde 16S rRNA dizileme yöntemi. (Dışkı örneklerinden mikrobiyom DNA’sı izole edilir ve PCR ile çoğaltılır. Daha sonra, DNA dizileme işlemi gerçekleştirilir. Elde edilen çok sayıda veri özelleşmiş bilgisayar programları aracılığıyla değerlendirilir. Gen dizilemeleri referans genomlarla karşılaştırılarak  bakteriler  doğru  olarak tanımlanır.)

“İnsan Mikrobiyom Projesi’ veri tabanına  dayanarak yapılan gastrointestinal mikrobiyom analizi 250 parametre içermektedir. Tüm doğrulanabilir türler ve  jenerik grupların sonuçları dikkate alınarak bakteri çeşitliliği belirlenir. Bakteri çeşitliliğinin çokluğu sağlıklı kişilerde endojen enfeksiyonlara karşı koruyucu kabul edilir. Ancak genellikle tekrarlayan antibiyotik kullanımı sonrası ya da çeşitli hastalıklara bağlı olarak bu çeşitlilik azalır. Bu tür durumlarda patojen bakteri, virüs, mantar gibi fırsatçı organizmalar kolayca çoğalabilir (4).

ENTEROTİP KLASİFİKASYONU

İntestinal mikrobiyom analizleri  sonucunda  insan bağırsak florasında yerleşik 3 ana enterotip belirlenmiştir. Enterotipler beslenme alışkanlıklarına bağlı değişmekle birlikte baskın olarak Bacteriodes, Prevotella ve Ruminococcus türlerinden oluşmaktadır. Tipik metabolik özelliklere göre enterotipin hangi bakteri grubunu içerdiği ayırt edilebilmektedir.

Enterotip 1 Bacteriodes,

Enterotip 2 Prevotella,

Enterotip 3 ise Ruminococcus populasyonlarının baskınlığı ile karakterizedir (6).

BAKTERİ KANTİTASYONU

Kişisel farklılıkları göstermek ve klasik kültür yöntemlerini desteklemek amacıyla kantitatif PCR yöntemi  kullanılır. Bu yöntem spesifik problar aracılığı ile kişilerin intestinal mikrobiyatasındaki bakterileri tür ve miktar olarak saptar. Böylelikle standart data verileri referans alınarak, farklılıkları belirlemek ve teropatik önlemler için bireysel tavsiyelerde bulunmak mümkün olabilir. Mikrobiyom analizinde, filum cinsi bakteriler  olan  Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes, Akkermansia muciniphila, nadiren Fusobacterium’ ların kompozisyonu dikkate alınır. Bu taksonomik sınıflandırmaya göre tipik klinik paternler tanımlanır. Örneğin Firmicutes/Bacteroidetes oranı artması ya da Proteobacterium’ların dominant olması çeşitli klinik farklılıklar yaratır (7).

Sık rastlanan, önemli türlerin baskınlığına bağlı olarak değişen metabolik özellikler Tablo 1. de tanımlanmıştır.

Dışkıdaki moleküler-genetik analizler intestinal mikrobiyom çeşitliliklerini saptamayı ve probiyotik ve prebiyotik tedavilerinin temellerini belirlemeyi mümkün kılmıştır. Bu yeni yöntemle intestinal mikrofloranın kişilere göre değişiklikleri saptanabilir, kişilerin ihtiyaç duyduğu özelleşmiş terapiler belirlenebilir. Crohn hastalığı, ülseratif kolit gibi intestinal inflamatuar hastalığı olanlara, ya da antibiyotiğe bağlı diare gelişen kişilere başarıyla yardımcı olabilen prebiyotik-probiyotik kombinasyonları geliştirilmiştir (8).

 

Tablo 1 . İntestinal mikrobiyotada sık rastlanan bakteriler ve değişken metabolik özellikler . *Butirik asit üreten bakteriler * *Musin üreten bakteriler

Günümüzde çok gelişmiş olan dizileme yöntemi ile kişisel intestinal mikrobiyota hakkında geniş bir moleküler genetik analiz yapılmakta, ayrıca pankreatik  elastaz,  safra  asitleri,  kalprotektin, alfa 1 antitripsin ve slgA gibi parametreler iredelenmektedir.

Sonuç olarak, kolay ve ekonomik yollarla bağırsak mikrobiyomu tayin edilebilmektedir. Kişisel bağırsak mikrobiyatasının tanımlanması ile birlikte ise kişiye özel tavsiye ve tedavi yaklaşımları mümkün olmaktadır (3, 7).

Kaynaklar:

  1. The Human Microbiome Project Consortium. A framework for human microbiome research. Natur.2012;486(7402):215-21.
  2. Turnbaugh, P.J.; Ley, R.E.; Hamady, M.; Fraser- Liggett, C.M.; Knight, R.; Gordon, J.I. (2007). “The Human Microbiome Project”. Nature 449: 804–810.
  3. Mandal, S. et al.: Analysis of composition of microbiomes: a novel method for studying microbial composition. In: MEHD 26, S. 27663-27670, 2015
  4. The NIH HMP Working Group et al: The NIH Human Microbiome Project. In: Genome Res. 19, S.2317-2323, 2009.
  5. Bull M.J., Plummer N.T.. Part 1: The Human Gut Microbiome in Health and Disease. In: IntegrativeMedicine: A Clinician’s Journal 13(6), S. 17-22, 2014
  6. Arumugam, M. et al.: Enterotypes of the human gut microbiome. In: Nature 473(7346), S. 174-180,2011
  7. 19. Keller, P.M. et al.: 16S-rRNA-Gen-basierte Identifikation bakterieller Infektionen. BIOspektrum S.755- 759, 2010
  8. 20. Scott, K. P. et al. Manipulating the gut microbiota to maintain health and treat disease. In: Microbial Ecology in Health and Disease, 26, S. 25877-25977, 2015