מיקרוביום

الميكروبيوم – العلاقة المعقدة مع البكتيريا في أجسامنا

50 إلى 70 في المائة من الخلايا في أجسامنا ليست بشرية. هذه خلايا الكائنات الحية الدقيقة والبكتيريا التي تعيش في أجسامنا – في الجلد، والجهاز التنفسي، وخاصة في الأمعاء. في العقد الماضي، تطور بحثنا ومعرفتنا في مجال الميكروبيوم في الأمعاء بشكل لا يصدق. يشير مصطلح “الميكروبيوم” إلى العدد الإجمالي للكائنات الحية الدقيقة ومادتها الجينية. في حين أن جينومنا يحتوي فقط على حوالي 22000 جين، فإن عدد الجينات المشفرة للبروتينات ذات الوظائف المختلفة في البكتيريا هو 3.3 مليون، أي أن نسبتها إلى العدد الإجمالي للجينات البشرية حوالي 150 إلى واحد.

ما هي العلاقة بالضبط بين الكائنات الحية الدقيقة والبشر؟

نحن فقط نبدأ في فهم هذه العلاقة العميقة وتأثيرها الهائل على صحتنا. تعاون البشر مع الكائنات الحية الدقيقة منذ فجر وجودهم، و “استعارة” الجينات الميكروبية تعمل كاختصار تطوري لتطوير قدرات جديدة. لكن ما هي العلاقة بين الميكروبيوم في الأمعاء والتغذية والصحة؟ تشفر الجينات الميكروبية للإنزيمات التي تساعدنا في هضم الطعام الذي لا نستطيع هضمه بأنفسنا. بعد ذلك، تقوم الكائنات الحية الدقيقة في الأمعاء الغليظة بتصنيع كميات صغيرة من فيتامينات معينة، مثل فيتامين K وفيتامينات مجموعة B. هناك كائنات دقيقة تنتج أيضًا جزيئات تحارب البكتيريا الممرضة.

كيف تتواصل بكتيريا الأمعاء مع الدماغ؟

تدخل الجزيئات الميكروبية في مجرى الدم وتؤثر على أيضنا. فهي تؤثر على الطريقة التي يخزن بها الكبد وخلايا العضلات المغذيات وتعالج الجلوكوز، وتشير إليها بتخزين المغذيات كدهون أو جليكوجين، وتؤثر على استجابتها للأنسولين. تنظم المركبات البكتيرية أيضًا الشهية والوزن وتؤثر على الهرمونات والناقلات العصبية، وبالتالي تتحكم في مزاجنا ومستويات طاقتنا ووظائف الدماغ. قد يقدم الميكروبيوم تلميحات حول كيفية عمل محور الأمعاء والدماغ. وجدت الدراسات تفاعلًا ثنائي الاتجاه على هذا المحور: تتواصل بكتيريا الأمعاء مع الدماغ من خلال آليات الإشارات العصبية والصماء والمناعية، ويستخدم الدماغ الجهاز العصبي اللاإرادي لتنظيم حركة الأمعاء وإفرازاتها ونفاذيتها وإفراز الهرمونات، وهذه تؤثر بشكل مباشر على الميكروبيوم وتعبير الجينات الخاصة به. يبدو أن التغيرات في التواصل بين الدماغ والأمعاء والميكروبيوم تشارك في الفيزيولوجيا المرضية لمتلازمة القولون العصبي والسمنة والاضطرابات النفسية والعصبية.

كيف يمكن للطعام تحسين الميكروبيوم وصحتنا؟

الطعام الذي نأكله يغذي أيضًا بكتيريا الأمعاء لدينا، وتحدد نوعية طعامنا أنواع البكتيريا التي ستعيش فيها. لهذا تأثير كبير على أيضنا وفسيولوجيتنا.

العديد من الأشياء تؤثر على تكوين بكتيريا الأمعاء لكل شخص. على سبيل المثال: طريقة تغذيته في مرحلة الرضاعة، العوامل الجغرافية، الأدوية، الإجهاد والشيخوخة. لكن أحد أهم المعايير هو النظام الغذائي. تعزى التغيرات الكبيرة في تكوين بكتيريا الأمعاء إلى التغييرات في النظام الغذائي، وخاصة استهلاك الألياف الغذائية من الفواكه والخضروات والحبوب.

يختلف تكوين بكتيريا الأمعاء اختلافًا كبيرًا بين السكان والثقافات المختلفة. كشفت مقارنة بين بكتيريا الأمعاء لدى الأطفال من قرية في إفريقيا مع تلك الموجودة لدى الأطفال من غرب أوروبا أن تكوين البكتيريا لدى الأطفال الأفارقة كان غنيًا بالبكتيرويدات وفقيرًا بالفيرميكوتات، وتضمن وفرة فريدة من البكتيريا التي تحلل السليلوز والزيلان والتي لم توجد تقريبًا في الأطفال الأوروبيين. بالإضافة إلى ذلك، وجدت البكتيريا المعوية (شيغيلا وإيشيريشيا) بكميات قليلة جدًا في الأطفال الأفارقة مقارنة بالأوروبيين. نتيجة لذلك، ظهرت فرضية أن بكتيريا الأمعاء خضعت لتطور مشترك وفقًا للنظام الغذائي الأفريقي الذي يعتمد بشكل أساسي على النباتات والغني بالنشا والسكريات المتعددة من مصادر نباتية والألياف، مما يسمح بإنتاج أقصى قدر من الطاقة من الألياف، إلى جانب الحماية من الالتهابات وأمراض الأمعاء غير المعدية.

חיידקי מעי - מיקרוביום
الاختلافات في تكوين بكتيريا الأمعاء بين الأطفال الأفارقة (الرسم البياني الأيسر) والأطفال من غرب أوروبا (الرسم البياني الأيمن). على ما يبدو، يسمح التكوين المختلف للأطفال الأفارقة باستخراج المزيد من الطاقة من الألياف وكذلك يوفر بعض الحماية من أمراض الأمعاء غير المعدية. الرسوم البيانية من: (De Filippo C. (2010

في المقابل، أدى النظام الغذائي الأوروبي الغني بالبروتين الحيواني والسكر والنشا والدهون والفقير بالألياف إلى نقص في الأحماض الدهنية قصيرة السلسلة (SCFA) في الأمعاء، والتي تنتجها بكتيريا الأمعاء التي تخمر الألياف. هذه الأحماض مهمة لصحة الأمعاء لأنها توفر الطاقة للبكتيريا المعوية، ووجد أيضًا أنها ذات خصائص قد تساهم في منع فرط تكاثر الخلايا وآليات موت الخلايا المبرمج وتمايز الخلايا. قد تؤثر أيضًا بشكل مباشر على التمثيل الغذائي، على سبيل المثال من خلال تنظيم وزن الجسم والسكري عن طريق وراثة الجينات. قد يلعب الاختلاف في نسبة بكتيريا الأمعاء التي تنتج SCFA عن طريق تحلل السكريات المتعددة دورًا رئيسيًا في الوقاية من سرطان القولون والمستقيم. كشفت المقارنة بين النبيت البرازي لمجموعة كبيرة من المتطوعين الأصحاء الذين يتبعون نظامًا غذائيًا نباتيًا أو نباتيًا صرفًا، مع أولئك الذين تتطابق أعمارهم وجنسهم ويتبعون نظامًا غذائيًا شاملاً، عن اختلافات كبيرة مماثلة لتلك الموجودة لدى الأطفال الأفارقة. قد تؤثر المستقلبات التي تنتجها بكتيريا الأمعاء والتي تدخل مجرى الدم عن طريق الامتصاص والدوران المعوي الكبدي على الجسم المضيف، على سبيل المثال في منع الالتهابات والنشاط المضاد للأكسدة وتنظيم وظيفة الحاجز المعوي الدموي وإنتاج الفيتامينات ومصادر الطاقة. قد يكون أيضًا للفيتامينات القابلة للذوبان في الماء التي تنتجها بكتيريا الأمعاء – B1 و B2 و B6 و B12 وحمض الفوليك، تأثير على نتائج العدوى. على سبيل المثال، في مقال لـ Kjer-Nielsen et al، ذُكر أن المستقلبات البكتيرية لفيتامين B2 وحمض الفوليك تنشط خلايا مناعية خاصة (خلايا T من نوع MAIT)، مما يعزز إطلاق السيتوكينات التي تلعب دورًا مهمًا في المناعة المضادة للميكروبات. أظهر المقال أيضًا أن فيتامين B12 الذي تنتجه بكتيريا الأمعاء تسمى B. thetaiotaomicron يقلل من نشاط سم خطير تفرزه بكتيريا الإشريكية القولونية (Shiga toxin 2). تشير هذه البيانات إلى أن تخليق الفيتامينات القابلة للذوبان في الماء قد يساهم في التأثير على نتائج العدوى.

توضيح لبعض الطرق التي تتواصل بها البكتيريا وخلايا المناعة وخلايا الأمعاء مع الدماغ. يستند الرسم التوضيحي إلى . The Tantalizing Links between Gut Microbes and the Brain. (2015) Smith PA, Nature News

ما هوالإنتيروتايب لديك؟

ناك أدلة على أنه يمكن تقسيم بكتيريا الأمعاء إلى ثلاثة “إنتيروتايبات” (Enterotype)، مجموعات ذات خصائص وظيفية مختلفة. بعض هذه الخصائص، مثل الإنزيمات التي تحلل النشا، مرتبطة بالعمر ومؤشر كتلة الجسم. قد تتأثر هذه الإنتيروتايبات بأنماط النظام الغذائي على المدى الطويل. حتى الانتقال لفترة قصيرة إلى نظام غذائي يشمل منتجات حيوانية أو نظام غذائي نباتي، يغير تكوين بكتيريا الأمعاء في غضون 24 ساعة. على سبيل المثال، النظام الغذائي القائم على الطعام الحيواني يقلل من عدد الفيرميكوتات ويزيد من البكتيرويدات.

ومع ذلك، تظهر الدراسات أن الإنتيروتايبات نفسها تظل مستقرة بمرور الوقت، وأن احتمالية حدوث تغيير جذري منخفضة جدًا، حتى بعد تغيير النظام الغذائي.

  • الإنتيروتايب 1 غني بالبكتيرويدات وشائع بين الأشخاص الذين يتبعون نظامًا غذائيًا غنيًا بالبروتين والأحماض الدهنية.
  • يظهر الإنتيروتايب 2 في النظام الغذائي الذي تكون فيه الكربوهيدرات هي المصدر الرئيسي للطاقة. إنه غني ببكتيريا البريفوتيلا.(
  • الإنتيروتايب 3 غني ببكتيريا الرومونوكوكاس، التي تحلل السكر وبروتين الموسين.

قد تساعدنا الخصائص الوظيفية للإنتيروتايبات المختلفة في تشخيص وتنبؤ بعض الأمراض، مثل سرطان القولون والمستقيم أو حتى المتلازمات الأيضية.

ومع ذلك، يشكك البعض في فكرة الإنتيروتايبات، لأنه تم العثور على أدلة على أنه ليس من الممكن دائمًا تقسيمها إلى ثلاث مجموعات عامة.

لذلك، هناك نهج معقول آخر وهو التصنيف إلى فئات من بكتيريا الأمعاء لمجموعات سكانية مختلفة حسب تنوعها. على سبيل المثال، قد يشكل التنوع المحدود للبكتيريا عامل خطر لحالات مرضية مثل السمنة، مقاومة الأنسولين أو حالة مزمنة من الالتهاب المنخفض المستوى.

الرسوم البيانية من: Wu GD. et al. (2016) Comparative metabolomics in vegans and omnivores reveal constraints on diet-dependent gut microbiota metabolite production. Gut.

الميكروبيوم والوراثة فوق الجينية

كان مشروع الجينوم البشري الذي أطلق في عام 1990 يحمل آمالاً كبيرة بأننا سنكتشف الأساس الجيني للأمراض ونطور أدوية قائمة على الجينات من خلال تسلسل الحمض النووي الخاص بنا. كان التقدير أن الجينوم البشري يتضمن حوالي 100,000 جين، ولكن بشكل غير متوقع، تم العثور على حوالي 20,000 فقط. ومع ذلك، يستضيف جسمنا جينومًا إضافيًا: المادة الجينية للميكروبيوم الخاص بنا. وفقًا للمعلومات المتراكمة حتى الآن، هناك 10 ملايين جين ميكروبي فريد.

هذا يأخذنا خطوة إلى الأمام: نظامنا الغذائي لا يؤثر فقط على جيناتنا، ولكن أيضًا على جينات الكائنات الحية الدقيقة في أمعائنا. على الرغم من أن جينومنا ثابت طوال حياتنا (باستثناء التعديلات فوق الجينية)، إلا أن الميكروبيوم الخاص بنا يتغير بشكل كبير بمرور الوقت، ولديه القدرة على التأثير على جيناتنا من خلال آليات فوق جينية. رأينا أن بعض البكتيريا تنتج الأحماض الدهنية قصيرة السلسلة (SCFA)، وبالتالي قد تؤثر على الأيض بشكل مباشر من خلال التنظيم فوق الجيني.

ما هي التوقعات؟

من المحتمل أننا سندرك في المستقبل أن الميكروبيوم هو الحلقة الأهم التي تربط بين التغذية والصحة. تُظهر الأبحاث الحالية تواصلاً تكافليًا بين أجسامنا والكائنات الحية الدقيقة التي لم نفهم تفاصيلها بالكامل بعد. لذلك، يعد الميكروبيوم أحد أكثر مواضيع البحث إثارة للاهتمام.

توفر المستقلبات التي تنتجها بكتيريا الأمعاء فرصة واعدة أخرى لدراسة تأثير النظام الغذائي على تطور الأمراض. قد يتم اكتشاف رؤى إضافية حول الوقاية والتشخيص والعلاج والتنبؤ ببعض الأمراض. على سبيل المثال، قد يشير التكوين الميكروبي إلى مستوى الخطر أو تقدم المرض، وقد تكون التوصيات الغذائية الفردية القائمة على ملف تعريف شخصي لتكوين بكتيريا الأمعاء في المستقبل طريقة علاجية فعالة وحتى تستخدم كطب وقائي.

  • يشير مصطلح الميكروبيوم إلى الجينوم الخاص بمجموعات الكائنات الحية الدقيقة (بما في ذلك البكتيريا) في جسم الإنسان. يشير مصطلح الميكروبيوتا إلى الكائنات الحية الدقيقة نفسها. غالبًا ما يُنظر إلى المصطلحين على أنهما مترادفان، لكن هذا ليس هو الحال. في المقالة، استخدمنا مصطلح “ميكروبيوم”، وهو الأكثر شهرة وشيوعًا، بينما في الواقع، الإشارة الدقيقة في هذه الحالة هي إلى الميكروبيوتا.

المصادر

  1. Sender R, Fuchs S, Milo R. Revised Estimates for the Number of Human and Bacteria Cells in the Body. PLoS Biol. 2016;14(8). doi:10.1371/journal.pbio.1002533
  2. Consortium IHGS. Finishing the euchromatic sequence of the human genome. Nature. 2004;431:931–945.
  3. Qin J, Li R, Raes J, Arumugam M, Burgdorf KS, Manichanh C, Nielsen T, Pons N, Levenez F, Yamada T, et al. A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing. Nature. 2010;464:59–65
  4. Wang B, Yao M, Lv L, Ling Z, Li L. The Human Microbiota in Health and Disease. Engineering. 2017;3(1):71-82. doi:10.1016/J.ENG.2017.01.008
  5. Belkaid Y, Harrison OJ. Homeostatic Immunity and the Microbiota. Immunity. 2017;46(4):562-576. doi:10.1016/j.immuni.2017.04.008
  6. Caricilli AM, Saad MJA. The Role of Gut Microbiota on Insulin Resistance. Nutrients. 2013;5(3):829-851. doi:10.3390/nu5030829
  7. van de Wouw M, Schellekens H, Dinan TG, Cryan JF. Microbiota-Gut-Brain Axis: Modulator of Host Metabolism and Appetite. J Nutr. 2017;147(5):727-745. doi:10.3945/jn.116.240481
  8. Martin CR, Osadchiy V, Kalani A, Mayer EA. (2018): The Brain-Gut-Microbiome Axis. Cell Mol Gastroenterol Hepatol. 6(2):133-148.
  9. Labus JS, Hollister EB, Jacobs J, Kirbach K, Oezguen N, Gupta A, Acosta J, Luna R, Aagaard K, Versalovic J, Savidge T, Hsiao E, Tillisch K, Mayer EA. (2017): Differences in gut microbial composition correlate with regional brain volumes in irritable bowel syndrome. Microbiome. 5(1):49.
  10. Cresci, Gail A.; Bawden, Emmy (2015): Gut Microbiome. What We Do and Don’t Know. In: Nutrition in clinical practice: official publication of the American Society for Parenteral and Enteral Nutrition 30 (6), S. 734–746.
  11. De Filippo C, Cavalieri D, Di Paola M, Ramazzotti M, Poullet JB, Massart S, Collini S, Pieraccini G, Lionetti P. (2010): Impact of diet in shaping gut microbiota revealed by a comparative study in children from Europe and rural Africa. Proc Natl Acad Sci USA. 107(33):14691-6.
  12. Remely M, Aumueller E, Merold C, Dworzak S, Hippe B, Zanner J, Pointner A, Brath H, Haslberger AG. (2014): Effects of short chain fatty acid producing bacteria on epigenetic regulation of FFAR3 in type 2 diabetes and obesity. Gene. 537(1):85-92.)
  13. Hinnebusch BF, Meng S, Wu JT, Archer SY, Hodin RA. (2002): The effects of short-chain fatty acids on human colon cancer cell phenotype are associated with histone hyperacetylation. J Nutr. 132(5):1012-7.
  14. Zimmer J, Lange B, Frick JS, Sauer H, Zimmermann K, Schwiertz A, Rusch K, Klosterhalfen S, Enck P. (2012): A vegan or vegetarian diet substantially alters the human colonic faecal microbiota. Eur J Clin Nutr. 66(1):53-60.
  15. Bäckhed, Fredrik; Fraser, Claire M.; Ringel, Yehuda; Sanders, Mary Ellen; Sartor, R. Balfour; Sherman, Philip M. et al. (2012): Defining a healthy human gut microbiome. Current concepts, future directions, and clinical applications. In: Cell host & microbe 12 (5), S. 611–622.
  16. Kjer-Nielsen L, Patel O, Corbett AJ, Le Nours J, Meehan B, Liu L, Bhati M, Chen Z, Kostenko L, Reantragoon R, Williamson NA, Purcell AW, Dudek NL, McConville MJ, O’Hair RA, Khairallah GN, Godfrey DI, Fairlie DP, Rossjohn J, McCluskey J. (2012): MR1 presents microbial vitamin B metabolites to MAIT cells. Nature. 2012 Nov 29;491(7426):717-23. 
  17. Cordonnier, Charlotte; Le Bihan, Guillaume; Emond-Rheault, Jean-Guillaume; Garrivier, Annie; Harel, Josée; Jubelin, Grégory (2016): Vitamin B12 Uptake by the Gut Commensal Bacteria Bacteroides thetaiotaomicron Limits the Production of Shiga Toxin by Enterohemorrhagic Escherichia coli. In: Toxins 8 (1). 
  18. Arumugam, Manimozhiyan; Raes, Jeroen; Pelletier, Eric; Le Paslier, Denis; Yamada, Takuji; Mende, Daniel R. et al. (2011): Enterotypes of the human gut microbiome. In: Nature 473 (7346), S. 174–180. DOI: 10.1038/nature09944.
  19. Wu, Gary D.; Chen, Jun; Hoffmann, Christian; Bittinger, Kyle; Chen, Ying-Yu; Keilbaugh, Sue A. et al. (2011): Linking Long-Term Dietary Patterns with Gut Microbial Enterotypes. In: Science (New York, N.y.) 334 (6052), S. 105–108. DOI: 10.1126/science.1208344.
  20. David, Lawrence A.; Maurice, Corinne F.; Carmody, Rachel N.; Gootenberg, David B.; Button, Julie E.; Wolfe, Benjamin E. et al. (2014): Diet rapidly and reproducibly alters the human gut microbiome. In: Nature 505 (7484), S. 559–563. DOI: 10.1038/nature12820.
  21. Lim, Mi Young; Rho, Mina; Song, Yun-Mi; Lee, Kayoung; Sung, Joohon; Ko, GwangPyo (2014): Stability of gut enterotypes in Korean monozygotic twins and their association with biomarkers and diet. In: Scientific reports 4, S. 7348. DOI: 10.1038/srep07348.
  22. Roager, Henrik M.; Licht, Tine R.; Poulsen, Sanne K.; Larsen, Thomas M.; Bahl, Martin I. (2014): Microbial enterotypes, inferred by the prevotella-to-bacteroides ratio, remained stable during a 6-month randomized controlled diet intervention with the new nordic diet. In: Applied and environmental microbiology 80 (3), S. 1142–1149. DOI: 10.1128/AEM.03549-13.
  23. Huse, Susan M.; Ye, Yuzhen; Zhou, Yanjiao; Fodor, Anthony A. (2012): A core human microbiome as viewed through 16S rRNA sequence clusters. In: PloS one 7 (6), e34242. DOI: 10.1371/journal.pone.0034242.
  24. Claesson, Marcus J.; Jeffery, Ian B.; Conde, Susana; Power, Susan E.; O’Connor, Eibhlis M.; Cusack, Siobhan et al. (2012): Gut microbiota composition correlates with diet and health in the elderly. In: Nature 488 (7410), S. 178–184. DOI: 10.1038/nature11319.
  25. Le Chatelier, Emmanuelle; Nielsen, Trine; Qin, Junjie; Prifti, Edi; Hildebrand, Falk; Falony, Gwen et al. (2013): Richness of human gut microbiome correlates with metabolic markers. In: Nature 500 (7464), S. 541–546. DOI: 10.1038/nature12506.
  26. Wu, Gary D.; Compher, Charlene; Chen, Eric Z.; Smith, Sarah A.; Shah, Rachana D.; Bittinger, Kyle et al. (2016): Comparative metabolomics in vegans and omnivores reveal constraints on diet-dependent gut microbiota metabolite production. In: Gut 65 (1), S. 63–72. DOI: 10.1136/gutjnl-2014-308209.
  27. Li, Junhua; Jia, Huijue; Cai, Xianghang; Zhong, Huanzi; Feng, Qiang; Sunagawa, Shinichi et al. (2014): An integrated catalog of reference genes in the human gut microbiome. In: Nature biotechnology 32 (8), S. 834–841. DOI: 10.1038/nbt.2942.

تمت ترجمة المقال بواسطة أديم رابي من سلسلة مقالات “قوة التغذية” (The Power of Nutrition) على موقع المنظمة الدولية PAN International. للمقال الأصلي.

התוכן עניין אתכם? שלחו לחברים ולקולגות בוואטסאפ