Farmakomikrobiomik
Pharmacomicrobiomics , som först föreslogs av prof. Marco Candela för ERC-2009-StG-projektutlysningen (förslag nr 242860, med titeln "PharmacoMICROBIOMICS, study of the microbiome determinants of the different drug responses between individuals") och som senare användes offentligt 2010, är definieras som effekten av mikrobiomvariationer på läkemedelsdisposition, verkan och toxicitet. Farmakomikrobiomik handlar om interaktionen mellan xenobiotika , eller främmande föreningar, och tarmmikrobiomet . Det uppskattas att över 100 biljoner prokaryoter som representerar mer än 1000 arter finns i tarmen. Inom tarmen hjälper mikrober till att modulera utvecklings-, immunologiska och näringsvärdens funktioner. Mikrobernas samlade genom utökar människans metaboliska förmåga, vilket gör att de kan fånga upp näringsämnen från olika källor. Nämligen, genom utsöndring av enzymer som hjälper till med metabolismen av kemikalier främmande för kroppen, modifiering av lever- och tarminnzymer och modulering av uttrycket av mänskliga metaboliska gener, kan mikrober avsevärt påverka intaget av främlingsfientliga läkemedel.
Ansträngningar för att förstå interaktionen mellan specifika främlingsfientliga läkemedel och mikrobiomet har traditionellt involverat användningen av såväl in vivo- som in vitro- modeller. Nyligen har nästa generations sekvensering av genomiskt DNA erhållet från en gemenskap av mikrober använts för att identifiera organismer inom mikrobiella samhällen, vilket möjliggör noggranna profiler av sammansättningen av mikrober i en miljö. Initiativ som Human Microbiome Project (HMP) har syftat till att karakterisera den mikrobiella sammansättningen i mun-, tarm-, vaginal-, hud- och nasala miljöer. Detta och andra mikrobiomkarakteriseringsprojekt har påskyndat studiet av farmakomikrobiomik. En omfattande förståelse av mikrobiomet i människokroppen kan leda till utvecklingen av nya terapier och personliga läkemedelsbehandlingar som inte förstärks eller aktiveras av processer som utförs av mikrobiomet.
Historia
I en tidning från 1973 konstaterade Ronald Scheline att den gastrointestinala mikrobiomet har förmågan att fungera som ett organ med metabolisk potential som är minst lika med levern. Sedan dess har det mänskliga mikrobiomets betydelse för att förmedla hälsa och sjukdom erkänts, och specifika interaktioner mellan främlingsfientliga läkemedel och mikrober har karakteriserats med in vitro- eller in vivo- metoder. Men få studier har tagit hänsyn till den fullständiga metaboliska profilen, vilket leder till att vissa säger att mikrobiomens kumulativa roll i främlingsfientlig metabolism och toxikologi till stor del har förblivit outforskad. Det rapporteras att 84 % av de mest sålda läkemedlen i USA och Europa administreras oralt, vilket gör det till det vanligaste sättet att administrera läkemedel. Innebörden av detta är att en stor del av läkemedel, särskilt de som är låglösliga och permeabla, möter mikrobiomet och utsätts för reduktiva och hydrolytiska reaktioner.
Sekvenseringsteknologier som 16S rRNA shotgun metagenomisk sekvensering har underlättat den snabba expansionen av farmakomikrobiomikområdet genom att fånga organismernas mångfald i mikrobiella samhällen. Human Microbiome Project och METAgenomics of the Human Intestinal Tract (MetaHIT), som inrättades 2007 respektive 2008, syftade till att karakterisera variationen i mänskliga mikrobiomer. Dessa storskaliga projekt är grundläggande för farmakomikrobiotiska studier, eftersom de möjliggör generering av statistiska modeller som kan ta hänsyn till variation i mikrobiell sammansättning mellan individer.
Metoder för att belysa mikrobiomsammansättning
Djurmodeller
Interaktioner mellan xenobiotika och värdmikrobiomet har i första hand utvärderats genom användning av in vivo djurmodeller, eftersom det är svårt att modellera den naturliga mänskliga tarmen. Generellt sett är mönstret för bakteriell kolonisering detsamma hos olika djur, med både pH och antalet mikroorganismer som gradvis ökar från tunntarmen mot tjocktarmens ileo-caecal-övergång. Bakteriefria råttor koloniserade med mänskliga fekalier anses allmänt vara guldstandarden i djurmodellering av tarmmikrobiella miljöer. Emellertid kan enzymaktiviteten variera mycket mellan organismer.
In vitro -modeller
Mikrober som finns i mänskliga fekala prover är ganska representativa för tarmmikrobiomet och används ofta i in vitro- kulturer. En mängd olika mikrobiella modelleringstekniker in vitro har också utvecklats. Statisk satsodling består av att plätering av bakterier utan att fylla på media med jämna mellanrum. Semi-kontinuerliga odlingssystem tillåter tillsats av medium utan att störa bakterietillväxten och inkluderar pH-kontroll. Det kontinuerliga odlingssystemet liknar mer det i tarmen, eftersom det kontinuerligt fyller på och tar bort odlingsmedium. Simulatorn för det mänskliga tarmmikrobiella systemet (SHIME) modellerar tunntarmen och tjocktarmen genom användning av en femstegsreaktor, och inkluderar ett flertal portar för kontinuerlig övervakning av pH och volym. Senast har forskare förbättrat SHIME genom att inkludera en datorstyrd peristaltisk våg för att cirkulera chym genom hela apparaten. Dessa teknologier har gett forskare nära kontroll över odlingsmiljön, vilket underlättar upptäckten av interaktioner mellan främlingsfientliga läkemedel och mikrober.
Sekvensering med hög genomströmning
16S rRNA-sekvensering
16S ribosomalt RNA är den vanligaste hushållningsgenetiska markören för att klassificera och identifiera bakteriearter, eftersom den finns i alla bakteriearter, har en identisk funktion i de flesta organismer och är tillräckligt stor (~1 500 bp) för att fånga tillräcklig variation för att särskilja bakterier . Sekvensen av 16S rRNA består av höggradigt konserverade sekvenser som alternerar med nio fönster av "hypervariabla regioner". Detta gör att universella primrar kan användas för att sekvensera många arter åt gången, och ger möjligheten att särskilja bakterier endast givet de variabla regionerna. Många artiklar tyder på att 16S rRNA-gensekvensering ger släktidentifiering i >90% av fallen, men identifiering av artnivå i ungefär ~65 till 83% av fallen. Databaserna Ribosomal Database Project (RDP) och SILVA innehåller sekvensinformation för rRNA i bakterier, eukarya och archaea.
Hagelgevärssekvensering
Framsteg inom high-throughput-sekvensering har underlättat shotgun-metagenom-sekvensering (SMS), en teknologi som ger en bredare karakterisering av mikrobiella prover genom att sekvensera ett större antal gener i varje organism. SMS involverar insamling av mikrobiella prover från omgivningen, isolering av DNA, klippning av DNA:t i små fragment och sedan utförandet av helgenomsekvensering (WGS). Läsningar kan sättas ihop de novo eller med hjälp av referensgenom. SMS är dock inte utan begränsningar. Avläsningar kan överlappa och förhindra korrekt anpassning till referensgenom. Dessutom kan avläsningar vara kontaminerade av mänskliga DNA-sekvenser, vilket förvirrande resultat. I referensbaserad sammansättning kan läsningar också vara partiska mot arter som har allmänt tillgängliga referensgenom.
Sammansättningen av mikrobiomet
Individuella mikrobiomer
Mage
Inuti tarmarna kan majoriteten av mikroberna hittas i tjocktarmen, där pH är högre och mer gynnsam för överlevnad. Dessa bakterier är ofta mer effektiva än våra egna matsmältningsenzymer och fungerar för att smälta protein och kolhydrater. Resultaten av över 690 mänskliga mikrobiomer har visat att majoriteten av bakterierna i tarmmikrobiomet tillhör fyra phyla: Bacillota, Bacteroidota, Actinomycetota och Pseudomonadota.
Vagina
Slidan har över 200 fylotyper, den mest dominerande tillhörande phyla Bacillota , Bacteroidota , Actinomycetota och Fusobacteriota . Utsöndringen av mjölksyra och väteperoxid av Lactobacillus sp. kan sänka pH, vilket ökar koncentrationen av bakterier som orsakar bakteriell vaginos.
Placenta
Den första profilen av mikrober i friska terminsgraviditeter identifierade icke-patogen kommensal mikrobiota från Firmicutes, Tenericutes, Proteobacteria, Bacteroidetes och Fusobacteria phyla.
Munhålan
Genom HMP undersöktes nio intraorala ställen och visade sig vara berikade i över 300 släkten som tillhör mer än 20 bakteriefyla.
Human Microbiome Project
Human Microbiome Project (HMP) inrättades 2008 av US National Institutes of Health (NIH). Det övergripande målet är att etablera en omfattande karakterisering av den mänskliga mikrobiotan och dess roll i människors hälsa och sjukdomar, samt att utveckla datauppsättningar och verktyg som forskare kan använda för att studera mikrobiella populationer. De specifika initiativen är följande:
- Utveckla en referensuppsättning av mikrobiella genomsekvenser för en initial karakterisering av det mänskliga mikrobiomet.
- Belysa sambandet mellan sjukdom och förändringar i den mänskliga mikrobiomet.
- Utveckla teknologier för beräkningsanalys, nämligen metoder för att sekvensera enskilda mikrober eller alla medlemmar av komplexa populationer samtidigt.
- Etablera ett dataanalys- och koordineringscenter för att tillhandahålla allmänt tillgänglig information om projektet, resultat och rådata.
- Etablera forskningslager för att lagra material och reagens som används i HMP. Detta inkluderar odlade organismer och metagenomiska DNA-prover.
- Undersök etiska, juridiska och sociala konsekvenser av HMP-forskning.
Det primära sättet att karakterisera är genom 16S rRNA-sekvensering och shotgun-metagenomisk sekvensering. Kroppsställen som provtas inkluderar hud, munhåla, tarm, vagina och näshåla. HMP-webbplatsen innehåller sekvensdata, metabolisk rekonstruktion och gemenskapsprofildata. Dessa datauppsättningar har använts för att associera vissa kliniska variabler med mikrobiomsammansättning
Kända läkemedelsinteraktioner
Mikrobiota-medierad interferens i xenobiotisk aktivitet
Mikrobiomet kan avsevärt påverka styrkan hos ett farmaceutiskt läkemedel. Även om de flesta läkemedel tas upp i den övre delen av tjocktarmen, kan långtidsverkande läkemedel som exponeras för det mikroberrika området i nedre tarmen påverkas av mikrobiell metabolism. Till exempel kan kloramfenikol orsaka benmärgsaplasi efter oral administrering, på grund av närvaron av koliformer som omvandlar kloramfenikol till dess toxiska form, känd som p-aminofenyl-2-amin-1,2-propandiol. Dessutom har förändrade förekomster av Eggerthella lenta mellan populationer visat sig påverka metabolismen av digoxin, vilket förstärker både dess aktivitet och toxicitet. En icke uttömmande lista över läkemedel och mikrobiotans roll för att potentiera/öka deras effekt ges nedan.
| Läkemedel | Farmakologisk effekt | Effekt av mikrobiota på kliniskt resultat | Referens |
|---|---|---|---|
| Acetaminophen | Smärtstillande och febernedsättande | Ökad klinisk effekt och toxicitet | |
| Kloramfenikol | Antibiotikum | Öka toxiciteten | |
| Digoxin | Cardiotonic | Minska toxicitet och aktivitet | |
| Flucytosin | Antimykotika | Minska effekten | |
| Metronidazol | Antibiotikum | Ger resistens mot den antimikrobiella/svampdrivande effekten. Sänker också effekten genom att stimulera ämnesomsättningen. | |
| Sulfinpyrazon | Antibiotikum | Aktivera läkemedlet | |
| Sulindac | Icke-steroid antiinflammatoriskt läkemedel | Aktivera läkemedlet |
Xenobiotisk medierad interferens i mikrobiomsammansättning
Även om farmakomikrobiomik ofta tolkas som den påverkan mikrobiomet har på den främlingsfientliga metabolismen, kan termen också omfatta effekterna av främlingsfientliga medel på mikrobiomen och mikrobiella gener. Effekten av antibiotika på det mänskliga mikrobiomet har studerats väl. Det har visat sig att antibiotikabehandlingar inte bara är inriktade på en specifik patogen, utan också mot de invånare som finns i en värd. Bevis tyder på att kommensala bakterienivåer i vissa fall inte normaliseras efter antibiotikabehandling, och i själva verket kan påverkas negativt under längre perioder. En studie som utvärderade orala och tarmmikrober före, omedelbart efter och upp till 12 månader efter exponering för antibiotika, fann att mikrobiomet kan förändras i över 12 månader. Eftersom mikrobiomsammansättningen kan förändras av antibiotika, innebär detta positivt urval för resistenta opportunistiska patogener, som kan orsaka akut sjukdom.
PharmacoMicrobiomics webbportal
PharmacoMicrobiomics webbportal är ett studentlett initiativ för att utforska hur mikrober modulerar läkemedel som är avsett för bioinformatiker, mikrobiella genetiker och läkemedelsutvecklare. Målet med projektet är att bryta litteraturdata och extrahera mikrob-läkemedelsinteraktioner, inklusive information om läkemedelsklasser, mikrobiella familjer och kroppssystem. Dessutom innehåller portalen en relationsdatabas med information om mikrobiell sammansättning på olika kroppsställen och deras specifika effekter på läkemedels farmakokinetik och farmakodynamiska egenskaper.
Personlig medicin
Personlig medicin i samband med farmakomikrobiomik hänvisar till förmågan att förutsäga en individs svar på ett främlingsfientligt medel baserat på sammansättningen av deras tarmmikrobiom. Men nuvarande omics-metoder för att undersöka mikrobiomsammansättning med hjälp av metagenomisk sekvensering efter xenobiotisk behandling är sparsamma. Istället har forskningsinsatserna främst fokuserat på att modellera förändringar i mikrobiell sammansättning i olika sjukdomstillstånd. Framtida forskningsinsatser bör kombinera kunskap om vilka mikrober som preferentiellt metaboliserar vissa föreningar (från in vitro -studier) med identifiering av artöverflöd för att förutsäga läkemedelstolerans hos patienter. Men att modellera en mikrobs interaktion med en viss främlingsfientliga substans kanske inte stabilt förutsäger interaktioner, eftersom mikrobernas genom kontinuerligt blandas om genom horisontell genöverföring . Med tanke på detta kommer tillvägagångssätt som riktar sig mot individuella gen-/transkript-/proteinsignaturer snarare än individuella mikrober att leda till mer allmänt tillämpliga personliga tillvägagångssätt.
Begränsningar
Begränsningarna för farmakomikrobiomik beror främst på den osäkerhet som är förknippad med metagenomisk profilering. Korta avläsningar som erhålls genom hagelgevärssekvensering kan nämligen vara svåra att anpassa till referensgenom eftersom många organismer har homologa sekvenser. Dessutom kan 16S rRNA-sekvensering inte konsekvent lösa artidentitet, ett fynd som ställer tvivel om artidentiteter i metagenomiska prover. Begränsningar uppstår också från olika studiedesigner, eftersom unika tillvägagångssätt för att identifiera arten av xenobiotiska-mikrobiom-interaktioner ofta används. Till exempel, eftersom farmakomikrobiomik mycket brett betecknar sambandet mellan främlingsfientliga läkemedel och mikrobiomet, kan i vilken utsträckning studier profilerar mikrobiomens genetik variera avsevärt. Studier som syftar till att karakterisera organismidentitet, men inte genidentitet eller kopianummer, kan välja att använda 16S hagelgevärssekvensering i motsats till SMS. Omvänt kan studier som syftar till att identifiera gener och deras produkter snarare än organismidentitet välja WMGS i kombination med transkriptomisk analys. Inledningsvis kan dessa skillnader innebära att forskare som vill undersöka offentligt tillgänglig data kan behöva rikta in sina forskningsfrågor för att passa data till hands.