Slovo mikrobiota představuje soubor mikroorganismů, které se zdržují v předem stanoveném prostředí. Lidé mají shluky bakterií v různých částech těla, například v povrchových nebo hlubokých vrstvách kůže (kožní mikrobiota), v ústech (ústní mikrobiota), ve vagíně (vaginální mikrobiota) atd. Střevní mikrobiota je dnes označení pro populaci mikrobů žijících v našem střevě (obrázek 2). Vývoj střevní mikrobioty začíná narozením a vyvíjí se po celý náš život, od narození až do stáří, a je výsledkem různých vlivů prostředí. Obdobím, kdy je lidský hostitel nejvíce ovlivňován mikrobiotou, je postnatální období, během něhož se bezbakteriální novorozenec přesouvá ze sterilního prostředí matčiny dělohy do světa plného mikroorganismů a během něhož se postupně kolonizují slizniční a kožní povrchy novorozence (Bartová). Složení bakteriálních populací se obvykle stabilizuje až po několika prvních letech života; během tohoto období mikrobiota postupně kolonizuje slizniční a kožní povrchy novorozence a působí na vývoj imunitního systému. Existují důkazy, které svědčí pro myšlenku, že lidská mikrobiální společenstva hrají roli v patogenezi tak rozmanitých onemocnění, jako je astma, ekzém, zánětlivé onemocnění střev, obezita, inzulinová rezistence a neoplazie. Vědci uvádějí, že u kojených dětí je nižší výskyt infekcí, cukrovky a obezity v raném dětství ve srovnání se složením střevní mikroflóry u dětí krmených umělou výživou (Moore). U kojených dětí se převažující skupinou organismů staly bifidobakterie, zatímco u kojenců krmených umělou výživou se vyvíjí jiné mikrobiální společenství složené z některých bifidobakterií a velkého podílu jiných potenciálně patogenních organismů, mezi něž patří například stafylokoky, enterobakterie a klostridie. Bifidobakterie jsou grampozitivní, nepohyblivé, anaerobní bakterie (obrázek 3). Tato forma bakterií obývá trávicí trakt, pochvu a ústa savců včetně člověka; prokazatelně se nachází v jogurtu Activia. Různé druhy nebo kmeny těchto bakterií mohou mít řadu zdraví prospěšných účinků, včetně regulace střevní mikrobiální homeostázy, inhibice patogenů a škodlivých bakterií, které kolonizují nebo infikují střevní sliznici, potlačení prokarcinogenních enzymatických aktivit v rámci mikrobioty a produkce vitaminů (Moore). Bifidobacterium zlepšuje bariéru střevní sliznice a snižuje hladinu lipopolysacharidu ve střevě a odrazuje růst gramnegativních patogenů u kojenců. Mateřské mléko obvykle obsahuje vysoké koncentrace laktózy a nižší množství fosfátů, které jsou pH pufrem. Proto když je mateřské mléko fermentováno bakteriemi mléčného kvašení, mezi které patří i bifidobakterie v trávicím traktu kojence, může dojít ke snížení pH ve stolici, což ztěžuje růst gramnegativních bakterií u kojených dětí. Pokud dojde ke snížení počtu bifidobakterií ve střevní mikroflóře, dojde v kojeneckém věku k nárůstu další střevní flóry, která je spojena s onemocněními vznikajícími v pozdějším věku, jako je například zvýšený počet E.coli spojený s rozvojem atopických onemocnění, jako je astma a ekzémy (Oh), zatímco snížení počtu bifidobakterií a zvýšení počtu S. aureus je spojeno s nadváhou matek a zvýšeným rizikem, že kojenec bude mít v dětství nadváhu (Bourboulis). Údaje ukázaly, že pochopení interakcí mezi mikrobiálními společenstvy a jejich lidskými hostiteli může osvětlit patogenezi komplexních lidských onemocnění, jako je obezita, atopické onemocnění a autoimunitní poruchy. Hlavními charakteristikami autoimunitních onemocnění jsou destrukce tkání a funkční poruchy způsobené imunologicky zprostředkovanými mechanismy, které jsou v zásadě stejné jako mechanismy fungující proti patogenním infekcím; za mnohé z těchto imunomodulačních mechanismů jsou zjevně odpovědné živé bakterie i jejich složky (Bartová). Imunomodulační mechanismy mají schopnost měnit nebo regulovat jeden nebo více imunitních faktorů. Tyto poruchy navíc představují významný medicínský problém, protože mají devastující dopad na kvalitu života a vyžadují dlouhodobou lékařskou péči. Pochopení těchto interakcí poskytlo zdroj pro terapeutické přístupy, způsob, jak snížit patogenezi. Jednou z použitých metod bylo sondování specifických genů pomocí PCR (polymerázová řetězová reakce) a chemické profilování mikrobiálních metabolitů. PCR je technologie v molekulární biologii používaná k amplifikaci jedné kopie nebo několika kopií části DNA v rozsahu několika řádů, čímž vznikají tisíce až miliony kopií určité sekvence DNA. Tyto přístupy prokázaly změněné metabolické profily u lidí se zánětlivým střevním onemocněním, rozdíly ve složení střevní mikrobioty s lidskou stravou a funkční rozdíly ve střevní mikrobiotě související s tělesným habitusem hostitele, vývojové změny ve složení gastrointestinální mikrobioty během kojeneckého a dětského věku a konečně genetickou epidemiologii rezistence střevní mikrobioty vůči antibiotikům (Moore). Specifické odchylky ve složení gastrointestinálního mikrobiálního společenství jsou spojeny s důležitou oblastí lidského zdraví a nemoci. Díky výzkumu došlo v poslední době k pokroku v pochopení interakcí mezi metabolity bakterií i buněčným mechanismem hostitele, což začalo osvětlovat fyziologický základ příspěvku mikrobů k lidské patologii; což znamená studium lidských onemocnění. Funkční metagenomické screeny mohou také osvětlit genetické determinanty mikrobiálních interakcí s hostitelskými buňkami. Funkční metagenomika je jednou z technik nezávislých na kultuře, která byla po desetiletí používána ke studiu mikroorganismů v životním prostředí. Teprve nedávno byla tato metoda použita ke studiu lidské komenzální mikrobioty. Metagenomické funkční screeny charakterizují funkční kapacitu mikrobiálního společenství nezávisle na identitě ke známým genům tím, že metagenom podrobí funkčním testům v genetickém hostiteli. Pomocí screeningové metody lze identifikovat specifické bakteriální genové produkty, které přímo ovlivňují osud lidských buněk. Stejné screeny mohou být navrženy také ke zkoumání imunomodulační schopnosti gastrointestinální mikrobioty. Tyto studie společně ukazují potenciál funkčních metagenomických obrazovek k objasnění genetických mechanismů podílu mikrobiálního společenstva na vývoji lidského imunitního systému a patogenezi atopických, autoimunitních a nádorových onemocnění, což může poskytnout nové terapeutické cíle pro tyto stavy (Moore). Kromě interakce s buňkami, které se nacházejí u člověka, mohou komenzální bakterie, jako je střevní mikrobiota a další organismy, využívat k přenosu signálů na větší vzdálenosti a ke koordinaci genové exprese komunity také kvorum-sensing. Kvorum sensing je systém stimulace a reakce korelující s hustotou populace. Mnoho druhů bakterií využívá quorum sensing ke koordinaci genové exprese podle hustoty své místní populace. Každá předložená technika a potlačená lidská nemoc podává důkaz, že lidská mikrobiální společenství hrají roli v patogenezi nemocí.
Močová a rektální Escherichia coli
Escherichia coli (E. coli) je gramnegativní, fakultativně anaerobní tyčinkovitá bakterie, která se běžně vyskytuje v dolní části střeva teplokrevných organismů. Většina kmenů je neškodná a v klidu si žije v našich střevech, chroupe kousky potravy a nezpůsobuje hostiteli žádnou škodu, nebo mu dokonce prospívá tím, že mu pomáhá s trávením, ale některé typy mohou u svých hostitelů způsobit vážnou otravu jídlem a vyvolat u lidí zvracení, průjem a úplavici; ve vzácných případech může bakterie vést k selhání ledvin nebo dokonce ke smrti. Tyto škodlivé E. coli jsou občas zodpovědné za stahování výrobků z trhu kvůli kontaminaci potravin; mohou také způsobovat různá onemocnění, a to jak střevní, tak mimostřevní. E.coli je komenzál člověka a dalších teplokrevných živočichů. Může být také virulentním organismem; faktory virulence bakterií závisí na rozdílech v genetickém pozadí. Fylogenetické studie ukázaly, že E. coli lze rozdělit do čtyř hlavních fylogenetických skupin: A, B1, B2 a D (Foxman). Tyto skupiny umožňují lépe charakterizovat, jak se z komenzálních bakterií nebo komenzálních E. coli může stát škodlivý patogen. Skupiny A a B1 jsou sesterské skupiny, zatímco skupina B2 je zařazena do ancestrální větve. Tyto fylo-skupiny se zřejmě liší svými ekologickými nikami, životní historií a některými vlastnostmi, jako je schopnost využívat různé zdroje cukrů, profil rezistence vůči antibiotikům a rychlost růstu (Amaral). Většina kmenů E. coli, které žijí a prosperují v životním prostředí, patří do fylogenetické skupiny B1. Velikost genomu hraje roli i mezi fylogenetickými skupinami, skupina A a B1 má menší genomy než B2 a D; tyto dvě skupiny obsahovaly více faktorů virulence než kmeny ze skupin A a B1. Je však prokázáno, že většina kmenů E. coli ze skupiny B2 je zodpovědná za infekce močových cest (UTI) a další mimostřevní infekce; tato skupina také často nese determinanty virulence. Střevní flóra neboli rektální E. coli je považována za přirozený rezervoár patogenních kmenů u mimostřevních infekcí, a proto je považována mimo populaci komenzálních kmenů. Fylogenetické rozložení komenzálních izolátů E. coli ze zdravých lidí by mohlo poskytnout důležité srovnání a náhled na šíření potenciální patogenní linie (Foxman). U komenzálních organismů obvykle převažují kmeny skupin A a B1, kmenů B2 je málo. Pozorováním však byl na základě porovnání fekálních a močových izolátů z různých populací hostitelů zjištěn rozdíl v distribuci fylogenetických skupin E. coli mezi patogenními a komenzálními populacemi E. coli. Amaralová a její kolegové identifikovali fylogenetické skupiny izolátů E. coli od vysokoškolsky vzdělaných žen a porovnali jejich distribuci mezi sbírkami, aby mohli lépe porovnat genetické vztahy mezi patogenními a komenzálními populacemi E. coli. Vědci popsali distribuci 93 uropatogenních kmenů a 88 komenzálních rektálních kmenů od zdravých žen mezi čtyři hlavní fylogenetické skupiny E. coli (Foxman). Výsledky ukázaly, že kmeny ze skupiny B2 dominovaly při odběru vzorků UTI a méně často při odběru vzorků rekta a byly také nejčastější skupinou mezi všemi výsledky od studovaných žen. Zkoumali také genetickou variabilitu v rámci jednotlivých fylogenetických skupin pomocí typizace ERIC a ukázali, že kmeny skupiny B2 a D pocházející z UTI byly geneticky méně rozmanité než kmeny rektálního původu. ERIC-PCR, což je zkratka pro enterobakteriální repetitivní intergenovou konsenzuální PCR analýzu, byla použita za účelem dalšího zkoumání genetické diverzity kmenů v rámci jednotlivých fylogenetických skupin z každého souboru, jak je uvedeno ve výše uvedených výsledcích. Na základě všech uvedených informací lze s jistotou říci nebo odhadnout, že kmeny B2 představují velkou část všech extraintestinálních infekcí E. coli, tvořily pouze malé procento zkoumaných komenzálních lidských kmenů. Jelikož se skupina B2 vyskytuje jak v patogenních, tak v komenzálních skupinách, dokazuje to, že existuje genetická rozmanitost. Je možné, že zdravá lidská populace může mít vysokou míru výskytu kmene B2, ale může být také méně virulentní. Tyto údaje ukazují, že bakterie nebo E. coli se mohou přizpůsobovat různým nikám a přecházet a vyvíjet se od komenzálního způsobu života k patogennímu. Potenciálně evoluce takových organismů z jejich komenzálního předka vyžaduje nejen zisk dalších genů, například těch, které kódují determinanty virulence, ale také modifikaci stávajících funkcí. Jedním z příkladů způsobu, jakým patogeny využívají svou genetickou variabilitu k tomu, aby unikly imunitnímu dohledu a farmakoterapii, je HIV-1 rezistentní vůči 3TC; to znamená, že HIV je rezistentní vůči 3TC, což je lamivudin, silný nukleosid, který se používá k léčbě chronické hepatitidy B. HIV může rychle vyvinout rezistenci vůči 3TC, pokud není virová zátěž potlačena pod hranici detekce, což znamená, že léčba nebude fungovat.
Závěr
Porfyriny jsou přirozeně syntetizovány v lidských buňkách a jsou také produkovány lidskými komenzálními bakteriemi, například P. acnes v lidské kůži. Jako komenzální bakterie je P. acnes součástí každého člověka; její stálá a konzistentní přítomnost na lidské kůži z ní může dělat vynikající endogenní radiační biochemii. Mikrobiota představuje soubor mikroorganismů, které sídlí v předem vytvořeném prostředí, a vývoj střevní mikrobioty začíná narozením a vyvíjí se po celý náš život, od narození až do stáří, a je výsledkem různých vlivů prostředí. Příkladem je bifidobakterie, která zlepšuje bariéru střevní sliznice a snižuje hladinu lipopolysacharidu ve střevě a odrazuje od růstu gramnegativních patogenů u kojenců. Mateřské mléko obvykle obsahuje vysoké koncentrace laktózy a nižší množství fosfátů, které jsou pufrem pH. Proto když je mateřské mléko fermentováno bakteriemi mléčného kvašení, mezi které patří i bifidobakterie v trávicím traktu kojence, může dojít ke snížení pH ve stolici, což ztěžuje růst gramnegativních bakterií u kojených dětí. E. coli jsou ve většině kmenů neškodné a pokojně si žijí v našich střevech, chroupají kousky potravy a nezpůsobují hostiteli žádnou škodu, nebo dokonce vytvářejí pro hostitele výhody tím, že pomáhají při trávení, ale některé typy mohou u svých hostitelů způsobit vážnou otravu jídlem a způsobit lidem zvracení, průjem a úplavici; a ve vzácných případech mohou bakterie vést k selhání ledvin nebo dokonce ke smrti. E. coli lze rozdělit do čtyř hlavních fylogenetických skupin: A, B1, B2 a D. Tyto skupiny umožňují lépe charakterizovat, jak se z komenzálních bakterií nebo komenzálních E. coli může stát škodlivý patogen. Každý z těchto tří organismů ukazuje, jak komenzální organismy svou rozmanitostí pomáhají osvětlit lidskou fylogenetiku. Každý z nich pomáhá organismu jiným způsobem a některé z nich nakonec v průběhu času dokázaly získat patogenní vlastnosti, jako například E. coli. Komensální organismy jsou organismy, které jsou pro tělo užitečné, rozkládají potravu, bojují proti nemocem, vystavují se záření, pomáhají imunitnímu systému a několik dalších věcí; ale může tělu také ublížit tím, že do něj vnese patogeny, nemoci a choroby. K tomu dochází v průběhu času a obvykle až při změnách prostředí.
1. Bartová, Jiřina, David P. Funda a Ludmila Tučková. „Úloha střevní mikrobioty (komenzálních bakterií) a slizniční bariéry v patogenezi zánětlivých a autoimunitních onemocnění a rakoviny“: Contribution of Germ-free and Gnotobiotic Animal Models of Human Diseases.“ (Příspěvek bezzárodečných a gnotobiotických zvířecích modelů lidských onemocnění). Nature.com. Nature Publishing Group, 31. ledna 2011. Web. 28. 4. 2015.
2. „Určení fylogenetické skupiny Escherichia Coli a její využití při identifikaci hlavního zvířecího zdroje fekální kontaminace“. BMC Microbiology. N.p., b.d. Web. 28. 4. 2015.
3. Kotzampassi, Katerina, Evangelos J. Giamarellos-Bourboulis a George Stavrou. „Obezita jako důsledek interakce střevních bakterií a stravy“. ISRN Obesity. Hindawi Publishing Corporation, b.d. Web. 28. dubna 2015.
4. Moore, Aimee M., Christian Munck, Morten O. A. Sommer a Gautam Dantas. „Funkční metagenomické zkoumání lidské střevní mikroflóry“. Frontiers in Microbiology. Frontiers Research Foundation, 17. října 2011. Web. 28. 4. 2015.
5. Zprávy o vývoji mikroorganismů. Filtry výsledků.“ Národní centrum pro biotechnologické informace. Národní lékařská knihovna USA, b.d. Web. 28. 4. 2015.
6. „Biotechnologické databáze“. Roh, Seong Woon, Young-Do Nam, Ho-Won Chang, Kyoung-Ho Kim, Min-Soo Kim, Ji-Hwan Ryu, Sung-Hee Kim, Won-Jae Lee a Jin-Woo Bae. „Phylogenetic Characterization of Two Novel Commensal Bacteria Involved with Innate Immune Homeostasis in Drosophila Melanogaster“. Applied and Environmental Microbiology. American Society for Microbiology (ASM), b.d. Web. 28. 4. 2015.
7. Shu, M., S. Kuo, Y. Wang, Y. Jiang, Y.-T. Liu, R.L. Gallo a C.-M. Huang. „Porphyrin Metabolisms in Human Skin Commensal Propionibacterium Acnes Bacteria: Potential Application to Monitor Human Radiation Risk.“ (Potenciální využití pro monitorování rizika ozáření člověka). Current Medicinal Chemistry. U.S. National Library of Medicine, 2. ledna 2014. Web. 28. 4. 2015.
8. Jaké jsou výsledky výzkumu? „Vyšetření Woodovy lampy“. Healthline. N.p., b.d. Web. 28. 4. 2015.
9. Jaký je zdravotní stav pacienta? Zhang, Lixin, Betsy Foxman a Carl Marrs. „Urinálním i rektálním izolátům Escherichia Coli dominují kmeny fylogenetické skupiny B2“. Journal of Clinical Microbiology. American Society for Microbiology, listopad 2002. Web. 28. 4. 2015.
10. Zheng, Tao, Jinho Yu, Min Hee Oh a Zhou Zhu. „Atopický pochod: Progression from Atopic Dermatitis to Allergic Rhinitis and Asthma“. Alergie, astma & Imunologický výzkum. The Korean Academy of Asthma, Allergy and Clinical Immunology; the Korean Academy of Pediatric Allergy and Respiratory Disease, b.d. Web. 28 Apr. 2015.