Войти
Диаграмма Венна, показывающая фармакомикробиомику как суб-область геномики, микробиологии и фармакологии. Фармакомикробиомика, впервые использованная в 2010, определяется как влияние вариаций микробиома на расположение, действие и токсичность лекарств. Фармакомикробиомика изучает взаимодействие между ксенобиотиками или чужеродными соединениями и микробиомом кишечника . По оценкам, в кишечнике обитает более 100 триллионов прокариот, представляющих более 1000 видов. Внутри кишечника микробы помогают регулировать функции хозяина, связанные с развитием, иммунологией и питанием. Совокупный геном микробов расширяет метаболические возможности человека, позволяя им захватывать питательные вещества из различных источников. А именно, за счет секреции ферментов, которые способствуют метаболизму чужеродных для организма химических веществ, модификации ферментов печени и кишечника и модуляции экспрессии метаболических генов человека, микробы могут значительно повлиять на прием ксенобиотиков.
Попытки понять взаимодействие между конкретными ксенобиотиками и микробиомом традиционно включают использование моделей in vivo, а также in vitro. Недавно секвенирование следующего поколения геномной ДНК, полученной от сообщества микробов, было использовано для идентификации организмов в микробных сообществах, что позволило получить точные профили состава микробов в окружающей среде. Такие инициативы, как Проект микробиома человека (HMP), были нацелены на определение микробного состава среды полости рта, кишечника, влагалища, кожи и носа. Этот и другие проекты по характеристике микробиома ускорили изучение фармакомикробиомики. Обширное понимание микробиома в организме человека может привести к разработке новых терапевтических средств и персонализированных лекарственных препаратов, которые не усиливаются и не активируются процессами, осуществляемыми микробиомом.
В статье 1973 года Рональд Шелайн заявил, что микробиом желудочно-кишечного тракта обладает способностью действовать как орган с метаболическим потенциалом, по крайней мере, равным печени. С тех пор важность человеческого микробиома в опосредовании здоровья и болезней была признана, и с помощью методов in vitro или in vivo были охарактеризованы конкретные взаимодействия между ксенобиотиками и микробами. Тем не менее, несколько исследований принимали во внимание полный метаболический профиль, что заставляет некоторых говорить, что кумулятивная роль микробиома в метаболизме и токсикологии ксенобиотиков в значительной степени остается неизученной. Сообщается, что 84% самых продаваемых фармацевтических препаратов в США и Европе вводятся перорально, что делает его наиболее распространенным способом введения лекарств. Следствием этого является то, что значительная часть лекарств, особенно плохо растворимых и проницаемых, попадает в микробиом и подвергается восстановительным и гидролитическим реакциям.
Технологии секвенирования, такие как 16S рРНК Метагеномное секвенирование с дробовиком способствовало быстрому расширению области фармакомикробиомики за счет выявления разнообразия организмов в микробных сообществах. Проект «Микробиом человека» и «МЕТАгеномика кишечного тракта человека» (MetaHIT), учрежденные в 2007 и 2008 годах, соответственно, были нацелены на характеристику изменчивости микробиомов человека. Эти крупномасштабные проекты лежат в основе фармакомикробиомических исследований, поскольку они позволяют создавать статистические модели, которые могут учитывать различия в микробном составе у разных людей.
В типичном фармакобиомическом конвейере ДНК из микробного образца выделяют, секвенируют и затем выравнивают с базами данных микробных последовательностей. На основе состава образца можно определить соответствующие рецепты ксенобиотиков на основе известных взаимодействий. Взаимодействия между ксенобиотиками и микробиомом хозяина в первую очередь оценивались с использованием моделей животных in vivo, как трудно смоделировать естественный кишечник человека. В целом картина бактериальной колонизации одинакова у разных животных, при этом как pH, так и количество микроорганизмов постепенно увеличиваются от тонкой кишки к подвздошно-слепому переходу толстой кишки. Бесплодные крысы, колонизированные человеческими фекалиями, обычно считаются золотым стандартом при моделировании микробной среды кишечника на животных. Однако активность ферментов может сильно различаться у разных организмов.
Микробы, обнаруженные в образцах фекалий человека, достаточно репрезентативны для микробиома кишечника и часто используются в культурах in vitro. Также были разработаны различные методы микробного моделирования in vitro. Статическое периодическое культивирование заключается в посеве бактерий без регулярного пополнения среды. Системы полунепрерывного культивирования позволяют добавлять среду без нарушения роста бактерий и включают возможность контроля pH. Система непрерывного культивирования больше напоминает систему кишечника, поскольку она постоянно пополняет и удаляет питательную среду. Имитатор микробной системы кишечника человека (SHIME) моделирует тонкую и толстую кишку с помощью пятиступенчатого реактора и включает в себя многочисленные порты для непрерывного мониторинга pH и объема. Совсем недавно исследователи улучшили SHIME, включив перистальтическую волну, управляемую компьютером, для циркуляции химуса по всему аппарату. Эти технологии дали исследователям возможность полностью контролировать среду культивирования, облегчая обнаружение взаимодействий между ксенобиотиками и микробами.
16S рибосомная РНК является наиболее распространенным домашним генетическим маркером для классификации и идентификации видов бактерий. присутствует у всех видов бактерий, выполняет идентичную функцию у большинства организмов и достаточно велик (~ 1500 п.н.), чтобы улавливать достаточные вариации для различения бактерий. Последовательность 16S рРНК состоит из высококонсервативных последовательностей, которые чередуются с девятью окнами «гипервариабельных областей». Это позволяет использовать универсальные праймеры для секвенирования многих видов одновременно и дает возможность различать бактерии только по вариабельным областям. Многие статьи предполагают, что секвенирование гена 16S рРНК обеспечивает идентификацию рода в>90% случаев, но идентификацию на уровне видов примерно в ~ 65-83% случаев. Базы данных Ribosomal Database Project (RDP) и SILVA содержат информацию о последовательностях рРНК в бактериях, эукариях и архее.
Достижения в области высокопроизводительного секвенирования (SMS), технологии это обеспечивает более широкую характеристику микробных образцов путем секвенирования большего количества генов в каждом организме. SMS включает в себя сбор образцов микробов из окружающей среды, выделение ДНК, разрезание ДНК на мелкие фрагменты, а затем выполнение полногеномного секвенирования (WGS). Риды могут быть собраны de novo или с использованием эталонных геномов. Однако SMS не без ограничений. Считывания могут перекрываться и мешать точному сопоставлению с эталонными геномами. Кроме того, считываемые данные могут быть загрязнены последовательностью ДНК человека, что противоречит результатам. При сборке на основе ссылок чтение также может быть смещено в сторону видов, которые имеют общедоступные эталонные геномы.
В кишечнике большинство микробов можно найти в толстом кишечнике, где pH выше и больше способствует выживанию. Эти бактерии часто более эффективны, чем наши собственные пищеварительные ферменты, и переваривают белки и углеводы. Результаты исследования более 690 микробиомов человека показали, что большинство бактерий микробиома кишечника принадлежит к четырем типам: Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria и Proteobacteria.
Влагалище содержит более 200 филотипы, наиболее распространенные из которых принадлежат к типам Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria и Fusobacteria. Секреция молочной кислоты и перекиси водорода Lactobacillus sp. может снизить pH, увеличивая концентрацию бактерий, вызывающих бактериальный вагиноз.
Первый профиль микробов при здоровых доношенных беременностях выявил непатогенную комменсальную микробиоту типов Firmicutes, Tenericutes, Proteobacteria, Bacteroidetes и Fusobacteria.
С помощью HMP были исследованы девять внутриротовых участков, и было обнаружено, что они обогащены более чем 300 родами, принадлежащими более чем 20 бактериальным типам.
Проект микробиома человека (HMP) был основан в 2008 году Национальным институтом здравоохранения США (NIH). Общая цель состоит в том, чтобы всесторонне охарактеризовать микробиоту человека и ее роль в здоровье человека и болезнях, а также разработать наборы данных и инструменты, которые ученые могут использовать для изучения микробных популяций. Конкретные инициативы заключаются в следующем:
Основные средства характеристики - секвенирование 16S рРНК и метагеномное секвенирование дробовика. Отбираемые участки тела включают кожу, ротовую полость, кишечник, влагалище и носовую полость. Веб-сайт HMP содержит данные о последовательности, метаболической реконструкции и профиле сообщества. Эти наборы данных использовались, чтобы связать определенные клинические переменные с составом микробиома
Микробиом может существенно повлиять на эффективность действия фармацевтический препарат. Несмотря на то, что большинство лекарств всасываются в верхней части толстой кишки, на лекарства длительного действия, которые подвергаются воздействию микробов в области нижней части кишечника, может влиять микробный метаболизм. Например, хлорамфеникол может вызывать аплазию костного мозга после перорального приема из-за наличия колиформных бактерий, которые превращают хлорамфеникал в его токсичную форму, известную как пара-аминофенил-2-амин-1,2-пропандиол. Кроме того, было обнаружено, что изменение численности Eggerthella lenta между популяциями влияет на метаболизм дигоксина, усиливая его активность и токсичность. Неисчерпывающий список лекарств и роль микробиоты в потенцировании / усилении их действия приводится ниже.
| Лекарство | Фармакологическое действие | Влияние микробиоты на клинический исход | Ссылка |
|---|---|---|---|
| Ацетаминофен | Анальгетик и жаропонижающий | Повышение клинического эффекта и токсичности | |
| Хлорамфеникол | Антибиотик | Повышение токсичности | |
| Дигоксин | Кардиотоник | Уменьшение токсичности и активности | |
| Флуцитозин | Противогрибковый | Уменьшение эффекта | |
| Метронидазол | Антибиотик | Обеспечивает устойчивость к антимикробному / противогрибковому эффекту. Также снижает эффект за счет стимуляции метаболизма. | |
| Сульфинпиразон | Антибиотик | Активировать лекарство | |
| Сулиндак | Нестероидный противовоспалительный препарат | Активировать лекарство |
Хотя фармакомикробиомика часто интерпретируется как влияние микробиома на метаболизм ксенобиотиков, этот термин также может охватывать эффекты ксенобиотиков на микробиом и микробные гены. Влияние антибиотиков на микробиом человека хорошо изучено. Было показано, что терапия антибиотиками нацелена не только на конкретный патоген, но и на комменсальных обитателей хозяина. Данные свидетельствуют о том, что уровни комменсальных бактерий в некоторых случаях не нормализуются после лечения антибиотиками и на самом деле могут отрицательно влиять на них в течение продолжительных периодов времени. Исследование, в ходе которого оценивались микробы ротовой полости и кишечника до, сразу после и до 12 месяцев после воздействия антибиотиков, показало, что микробиом может изменяться в течение более 12 месяцев. Поскольку состав микробиома может быть изменен антибиотиками, это подразумевает положительный отбор устойчивых условно-патогенных микроорганизмов, которые могут вызывать острые заболевания.
Веб-портал PharmacoMicrobiomics - это инициатива студентов по изучению того, как микробы воздействуют на лекарства, предназначенная для биоинформатиков, микробных генетиков и разработчиков лекарств. Целью проекта является сбор литературных данных и выявление взаимодействий между микробами и лекарствами, включая информацию о классах лекарств, микробных семьях и системах организма. Кроме того, портал включает в себя реляционную базу данных с информацией о микробном составе в различных частях тела и их специфическом влиянии на фармакокинетику и фармакодинамические свойства лекарств.
Персонализированная медицина в контексте фармакомикробиомики означает способность прогнозировать реакцию человека на ксенобиотик на основе состава микробиома кишечника. Однако современные методы исследования состава микробиома с использованием метагеномного секвенирования после лечения ксенобиотиками немногочисленны. Вместо этого исследовательские усилия были сосредоточены преимущественно на моделировании изменений микробного состава при различных болезненных состояниях. Дальнейшие исследования должны объединить знания о том, какие микробы предпочтительно метаболизируют определенные соединения (полученные в результате исследований in vitro), с идентификацией численности видов для прогнозирования переносимости лекарств у пациентов. Однако моделирование взаимодействия микроба с конкретным ксенобиотиком не может стабильно предсказывать взаимодействия, поскольку геномы микробов постоянно перетасовываются посредством горизонтального переноса генов. Учитывая это, подходы, нацеленные на отдельные сигнатуры гена / транскрипта / белка, а не на отдельные микробы, вероятно, приведут к более широко применимым персонализированным подходам.
Ограничения фармакомикробиомики в первую очередь возникают из-за связанной с этим неопределенности с метагеномным профилированием. А именно, короткие считывания, полученные с помощью дробного секвенирования, может быть трудно сопоставить с эталонными геномами, поскольку многие организмы имеют гомологичные последовательности. Кроме того, секвенирование 16S рРНК не может однозначно разрешить видовую идентичность - открытие, которое ставит под сомнение видовую идентичность в метагеномных образцах. Ограничения также возникают из-за различий в дизайне исследований, поскольку часто используются уникальные подходы к определению природы взаимодействий ксенобиотиков и микробиома. Например, поскольку фармакомикробиомика очень широко обозначает связь между ксенобиотиками и микробиомом, степень, в которой исследования профилируют генетику микробиома, может значительно варьироваться. В исследованиях, направленных на определение идентичности организма, но не на идентичность генов или количество копий, может быть принято решение использовать секвенирование дробовика 16S вместо SMS. И наоборот, исследования, направленные на идентификацию генов и их продуктов, а не на идентичность организмов, могут выбрать WMGS в сочетании с транскриптомным анализом. Первоначально эти различия могут означать, что исследователям, желающим исследовать общедоступные данные, возможно, придется нацеливать свои исследовательские вопросы на соответствие имеющимся данным.
