Het woord microbiota staat voor een geheel van micro-organismen die zich ophouden in een vooraf bepaalde omgeving. Mensen hebben clusters van bacteriën in verschillende delen van het lichaam, zoals in de oppervlakkige of diepe lagen van de huid (huidmicrobiota), de mond (orale microbiota), de vagina (vaginale microbiota), enz. Darmmicrobiota is de naam die tegenwoordig wordt gegeven aan de microbenpopulatie die in onze darmen leeft (figuur 2). De ontwikkeling van de darmmicrobiota begint bij de geboorte en evolueert gedurende ons hele leven, van geboorte tot ouderdom, en is het resultaat van verschillende milieu-invloeden. De periode waarin de menselijke gastheer het meest acuut wordt beïnvloed door de microbiota is de postnatale periode, waarin de kiemvrije pasgeborene vanuit de steriele omgeving van de baarmoeder van zijn moeder overgaat naar een wereld vol micro-organismen en waarin de slijmvlies- en huidoppervlakken van de pasgeborene geleidelijk worden gekoloniseerd (Bartova). De samenstelling van de bacteriële populaties stabiliseert zich gewoonlijk pas na de eerste levensjaren; tijdens deze periode zal de microbiota geleidelijk de slijmvlies- en huidoppervlakken van de pasgeborene koloniseren en effecten uitoefenen op de ontwikkeling van het immuunsysteem. Er zijn aanwijzingen dat menselijke microbiële gemeenschappen een rol spelen bij de pathogenese van uiteenlopende ziekten als astma, eczeem, inflammatoire darmziekten, obesitas, insulineresistentie en neoplasie. Onderzoekers stellen dat er een lager percentage van vroege kinderinfecties, diabetes en zwaarlijvigheid is bij zuigelingen die borstvoeding krijgen in vergelijking met de samenstelling van de intestinale microbiota bij zuigelingen die flesvoeding krijgen (Moore). Bij zuigelingen die borstvoeding krijgen wordt Bifidobacterium de overheersende groep organismen, terwijl zuigelingen die flesvoeding krijgen een andere microbiële gemeenschap ontwikkelen die bestaat uit enkele Bifidobacteriën en grote delen van andere potentieel ziekteverwekkende organismen, enkele voorbeelden zijn stafylokokken, enterobacteriën en clostridia. Bifidobacterium is een grampositieve, niet-motionele, anaërobe bacterie (figuur 3). Deze bacteriesoort leeft in het maag-darmkanaal, de vagina en de mond van zoogdieren, waaronder de mens; het is bewezen dat hij in Activia-yoghurt zit. Verschillende soorten of stammen van de bacterie kunnen een reeks gunstige gezondheidseffecten uitoefenen, waaronder de regulering van de intestinale microbiële homeostase, de remming van ziekteverwekkers en schadelijke bacteriën die het darmslijmvlies koloniseren of infecteren, de onderdrukking van procarcinogene enzymatische activiteiten binnen de microbiota, en de productie van vitaminen (Moore). Bifidobacterium verbetert de darmslijmvliesbarrière en verlaagt het lipopolysaccharidegehalte in de darm en ontmoedigt de groei van gramnegatieve ziekteverwekkers bij zuigelingen. Moedermelk bevat meestal hoge concentraties lactose en lagere hoeveelheden fosfaat, dat een pH-buffer is. Daarom kan, wanneer moedermelk wordt gefermenteerd door melkzuurbacteriën, waaronder Bifidobacteriën in het maagdarmkanaal van de zuigeling, de pH in de ontlasting worden verlaagd, waardoor het voor gramnegatieve bacteriën moeilijker wordt om te groeien bij zuigelingen die borstvoeding krijgen. Als er een afname is van bifidobacteriën in de darmmicrobiota zal er een toename zijn van andere darmflora in de zuigelingenleeftijd die in verband worden gebracht met ziekten die later in het leven ontstaan, zoals, verhoogde aantallen E.coli die in verband worden gebracht met de ontwikkeling van atopische ziekten zoals astma en eczeem (Oh), terwijl een afname van het aantal bifidobacteriën en een toename van het aantal S. aureus in verband worden gebracht met overgewicht van de moeder en een verhoogd risico op overgewicht van de zuigeling in de kindertijd (Bourboulis). Uit de gegevens blijkt dat inzicht in de interacties tussen de microbiële gemeenschappen en hun menselijke gastheren de pathogenese van complexe menselijke ziekten zoals obesitas, atopische ziekten en auto-immuunziekten kan verhelderen. De belangrijkste kenmerken van auto-immuunziekten zijn weefselvernietiging en functionele stoornissen veroorzaakt door immunologisch gemedieerde mechanismen die in hoofdzaak dezelfde zijn als die welke werken tegen pathogene infecties; zowel levende bacteriën als hun componenten zijn duidelijk verantwoordelijk voor veel van die immunomodulerende mechanismen (Bartova). Immunomodulerende mechanismen hebben het vermogen om één of meer immuunfactoren te veranderen of te reguleren. Bovendien vormen deze aandoeningen een belangrijk medisch probleem omdat zij een verwoestende invloed hebben op de kwaliteit van het leven en langdurige medische verzorging vereisen. Inzicht in deze interacties verschafte een bron voor therapeutische benaderingen, een manier om de pathogenese te verminderen. Een van de gebruikte methoden was PCR (polymerase kettingreactie) sondering voor specifieke genen en chemische profilering van microbiële metabolieten. PCR is een technologie in de moleculaire biologie die wordt gebruikt om een enkele kopie of enkele kopieën van een stuk DNA te amplificeren over verschillende orden van grootte, waardoor duizenden tot miljoenen kopieën van een bepaalde DNA-sequentie worden gegenereerd. Deze benaderingen hebben bij menselijke proefpersonen met inflammatoire darmziekten veranderde metabolische profielen aangetoond, variaties in de samenstelling van de darmmicrobiota met menselijke voeding en functionele verschillen in de darmmicrobiota gerelateerd aan de lichaamshabitus van de gastheer, ontwikkelingsveranderingen in de samenstelling van de gastro-intestinale microbiota tijdens de zuigelingen- en kinderjaren, en tenslotte de genetische epidemiologie van antibioticaresistentie in de darmmicrobiota (Moore). Specifieke variaties in de samenstelling van de gastro-intestinale microbiële gemeenschap zijn in verband gebracht met belangrijke gebieden van menselijke gezondheid en ziekte. Door onderzoek is er recent vooruitgang geboekt in het begrijpen van de interacties tussen zowel bacteriële metabolieten als de cellulaire machinerie van de gastheer, die de fysiologische basis van microbiële bijdragen aan menselijke pathologie beginnen te belichten; dit betekent de studie van menselijke ziekten. Functionele metagenomics-onderzoeken kunnen ook licht werpen op de genetische determinanten van microbiële interacties met gastheercellen. Functionele metagenomics is een van de cultuuronafhankelijke technieken die decennia lang werden gebruikt om micro-organismen in het milieu te bestuderen. Het was pas recent dat deze methode werd toegepast op de studie van de menselijke commensale microbiota. Metagenomic functional screens karakteriseren de functionele capaciteit van een microbiële gemeenschap, onafhankelijk van de identiteit tot bekende genen, door het metagenoom te onderwerpen aan functionele assays in een genetische gastheer. Met deze screeningsmethode kunnen specifieke bacteriële genproducten worden geïdentificeerd die het lot van menselijke cellen rechtstreeks beïnvloeden. Deze zelfde screeningen kunnen ook worden ontworpen om de immuunmodulerende capaciteit van de gastro-intestinale microbiota te onderzoeken. Samen tonen deze studies het potentieel aan van functionele metagenomics schermen om de genetische mechanismen te belichten voor de bijdrage van microbiële gemeenschappen aan de ontwikkeling van het menselijk immuunsysteem en de pathogenese van atopische, auto-immune en neoplastische ziekten, wat nieuwe therapeutische doelen kan opleveren voor deze aandoeningen (Moore). Bovendien kunnen commensale bacteriën, zoals de darmmicrobiota en andere organismen, niet alleen interageren met cellen die in de mens worden aangetroffen, maar ook gebruik maken van quorum-sensing om signalen over afstanden over te brengen en de genexpressie van de gemeenschap te coördineren. Quorum sensing is een systeem van stimuleren en reageren dat gecorreleerd is aan populatiedichtheid. Veel bacteriesoorten gebruiken quorum sensing om de genexpressie te coördineren volgens de dichtheid van hun lokale populatie. Met elke gepresenteerde techniek en geremde menselijke ziekte geeft het bewijs dat menselijke microbiële gemeenschappen een rol spelen in de pathogenese van ziekten.
Urinary and Rectal Escherichia coli
Escherichia coli (E. coli) is een gramnegatieve, facultatief anaërobe, staafvormige bacterie die algemeen wordt aangetroffen in de lagere darm van warmbloedige organismen. De meeste stammen zijn onschadelijk en leven vreedzaam in onze darmen, kauwen op stukjes voedsel en veroorzaken geen schade of hebben zelfs voordelen voor de gastheer door te helpen bij de spijsvertering, maar sommige soorten kunnen ernstige voedselvergiftiging veroorzaken bij hun gastheren, waardoor mensen braken, diarree en dysenterie krijgen; en in zeldzame gevallen kan de bacterie leiden tot nierfalen of zelfs de dood. Deze schadelijke E. coli zijn af en toe verantwoordelijk voor het terugroepen van producten wegens voedselverontreiniging; zij kunnen ook diverse ziekten veroorzaken, zowel intestinale als extra-intestinale. E.coli is een commensaal organisme van de mens en andere warmbloedige dieren. Het kan ook een virulent organisme zijn; de virulentiefactoren van de bacterie hangen af van de variaties in genetische achtergrond. Fylogenetische studies hebben aangetoond dat E. coli kan worden onderverdeeld in vier belangrijke fylogenetische groepen, A, B1, B2, en D (Foxman). Deze groepen geven een beter inzicht in hoe commensale bacteriën of commensale E. coli een schadelijke ziekteverwekker kunnen worden. De groepen A en B1 zijn zustergroepen, terwijl groep B2 in een voorouderlijke tak is opgenomen. Deze fylo-groepen verschillen blijkbaar in hun ecologische niches, hun levenshistorie en sommige kenmerken, zoals hun vermogen om verschillende suikerbronnen te exploiteren, hun antibioticaresistentieprofielen en hun groeisnelheid (Amaral). Het merendeel van de E. coli-stammen die in het milieu leven en gedijen, behoort tot fylogenetische groep B1. De grootte van het genoom speelt ook een rol bij de fylogenetische groepen; groep A en B1 hebben kleinere genomen dan B2 en D; deze twee groepen bevatten meer virulentiefactoren dan stammen uit groep A en B1. Het is echter bewezen dat de meeste E. coli-stammen van groep B2 verantwoordelijk zijn voor infecties van de urinewegen (UTI) en andere extra-intestinale infecties; deze groep draagt ook vaak virulentiedeterminanten bij zich. Darmflora of rectale E. coli wordt beschouwd als het natuurlijke reservoir van pathogene stammen bij extra-intestinale infecties, en wordt daarom beschouwd als onderdeel van de commensale stammenpopulatie. De fylogenetische verdeling van commensale E. coli-isolaten van gezonde mensen kan een belangrijke vergelijking en inzicht verschaffen in de verspreiding van de potentiële pathogene stam (Foxman). Commensale organismen worden gewoonlijk gedomineerd door stammen van de A- en B1-groep, met weinig B2-stammen. Door observatie werd het verschil in verdeling van E. coli fylogenetische groepen tussen pathogene en commensale E. coli populaties echter gebaseerd op het vergelijken van fecale en urine-isolaten van verschillende gastheerpopulaties. Amaral en haar collega’s identificeerden fylogenetische groepen van E. coli isolaten van vrouwen in de schoolgaande leeftijd en vergeleken hun distributies tussen collecties om de genetische relaties tussen pathogene en commensale E. coli populaties beter te kunnen vergelijken. De onderzoekers beschreven de distributies van 93 uropathogene stammen en 88 commensale rectale stammen van gezonde vrouwen onder de vier belangrijkste fylogenetische groepen van E.coli (Foxman). De resultaten toonden aan dat de stammen van groep B2 domineerden in de UTI-monsterverzameling en minder vaak in de rectale monsterverzameling, en ook de meest voorkomende groep waren onder alle resultaten van de bestudeerde vrouwen. Zij onderzochten ook de genetische variabiliteit binnen elke fylogenetische groep met behulp van ERIC-typering en toonden aan dat stammen van groep B2 en D van UTI-oorsprong genetisch minder divers waren dan die van rectale oorsprong. ERIC-PCR, wat staat voor enterobacterial repetitive intergenic consensus PCR analysis, werd gebruikt om de genetische diversiteit van stammen binnen elke fylogenetische groep uit elke collectie verder te onderzoeken, zoals blijkt uit de bovenstaande resultaten. Op basis van alle vermelde informatie kan veilig worden gesteld of geschat dat B2-stammen verantwoordelijk zijn voor een groot deel van alle extraintesinale E. coli-infecties, maar slechts voor een klein percentage van de onderzochte commensale menselijke stammen. Aangezien groep B2 zowel in pathogene als in commensale groepen wordt aangetroffen, bewijst dit dat er genetische diversiteit bestaat. Het is mogelijk dat een gezonde menselijke populatie een hoog percentage B2-stammen kan hebben, maar ook minder virulent kan zijn. Deze gegevens tonen aan dat bacteriën of E. coli zich kunnen aanpassen aan verschillende niches en kunnen evolueren van een commensale levensstijl naar een pathogene. Potentieel vereist de evolutie van dergelijke organismen ten opzichte van hun commensale voorouder niet alleen de verwerving van extra genen, bijvoorbeeld genen die virulentiebepalende factoren coderen, maar ook de wijziging van bestaande functies. Een voorbeeld van de manier waarop ziekteverwekkers hun genetische variabiliteit gebruiken om te ontsnappen aan immuunbewaking en geneesmiddelentherapie is 3TC-resistent HIV-1; wat betekent dat HIV resistent is tegen 3TC, een lamivudine, een krachtig nucleoside, dat wordt gebruikt voor de behandeling van chronische hepatitis B. HIV kan snel resistentie tegen 3TC ontwikkelen als de virale belasting niet wordt onderdrukt tot onder de detectiegrens, wat betekent dat de behandeling niet werkt.
Conclusie
Porfyrines worden van nature gesynthetiseerd in menselijke cellen, en worden ook geproduceerd door menselijke commensale bacteriën, zoals P. acnes in de menselijke huid. Als commensale bacterie maakt P. acnes deel uit van elk menselijk wezen; zijn constante en consistente aanwezigheid op de menselijke huid kan het tot een uitstekende endogene stralingsbiochemie maken. Microbiota vertegenwoordigen een geheel van micro-organismen die in een vooraf bepaalde omgeving verblijven, en de ontwikkeling van de darmmicrobiota begint bij de geboorte en evolueert gedurende ons hele leven, van geboorte tot ouderdom, en is het resultaat van verschillende milieu-invloeden. Een voorbeeld hiervan is de bifidobacterium, die de darmslijmvliesbarrière verbetert en het lipopolysaccharidegehalte in de darm verlaagt en de groei van gramnegatieve ziekteverwekkers bij zuigelingen ontmoedigt. Moedermelk bevat meestal hoge concentraties lactose en lagere hoeveelheden fosfaat, dat een pH-buffer is. Wanneer moedermelk wordt gefermenteerd door melkzuurbacteriën, waaronder Bifidobacteriën in het maagdarmkanaal van de zuigeling, kan de pH in de ontlasting dus dalen, waardoor het voor gramnegatieve bacteriën moeilijker wordt om te groeien bij zuigelingen die borstvoeding krijgen. De meeste E. coli stammen zijn onschadelijk en leven vreedzaam in onze darmen, kauwen op stukjes voedsel en veroorzaken geen schade of hebben zelfs voordelen voor de gastheer door te helpen bij de spijsvertering, maar sommige soorten kunnen ernstige voedselvergiftiging veroorzaken bij hun gastheer, waardoor mensen last krijgen van braken, diarree en dysenterie; en in zeldzame gevallen kan de bacterie leiden tot nierfalen of zelfs de dood. E. coli kan worden onderverdeeld in vier fylogenetische groepen: A, B1, B2 en D. Deze groepen geven een beter inzicht in de manier waarop commensale bacteriën of E. coli een schadelijke ziekteverwekker kunnen worden. Elk van deze drie organismen laat zien hoe commensale organismen door hun diversiteit de menselijke fylogenetica helpen belichten. Elk helpt het lichaam op een andere manier en een paar hebben na verloop van tijd pathogene eigenschappen kunnen verwerven, zoals E. coli. De commensale organismen zijn organismen die nuttig zijn voor het lichaam, door voedsel af te breken, ziekten te bestrijden, straling op te wekken, het immuunsysteem te helpen, en nog enkele andere dingen; maar kan het lichaam ook schaden door ziekteverwekkers, ziekten en aandoeningen naar het lichaam te brengen. Dit gebeurt in de loop van de tijd en meestal alleen bij veranderingen in de omgeving.
1. Bartova, Jirina, David P. Funda, and Ludmila Tuckova. “The Role of Gut Microbiota (commensal Bacteria) and the Mucosal Barrier in the Pathogenesis of Inflammatory and Autoimmune Diseases and Cancer: Contribution of Germ-free and Gnotobiotic Animal Models of Human Diseases.” Nature.com. Nature Publishing Group, 31 jan. 2011. Web. 28 apr. 2015.
2. “Escherichia Coli Phylogenetic Group Determination and Its Application in the Identification of the Major Animal Source of Fecal Contamination.” BMC Microbiologie. N.p., n.d. Web. 28 Apr. 2015.
3. Kotzampassi, Katerina, Evangelos J. Giamarellos-Bourboulis, and George Stavrou. “Obesity as a Consequence of Gut Bacteria and Diet Interactions.” ISRN Obesitas. Hindawi Publishing Corporation, n.d. Web. 28 Apr. 2015.
4. Moore, Aimee M., Christian Munck, Morten O. A. Sommer, and Gautam Dantas. “Functional Metagenomic Investigations of the Human Intestinal Microbiota.” Frontiers in Microbiology. Frontiers Research Foundation, 17 okt. 2011. Web. 28 apr. 2015.
5. Resultaat Filters.” National Center for Biotechnology Information. U.S. National Library of Medicine, n.d. Web. 28 Apr. 2015.
6. Roh, Seong Woon, Young-Do Nam, Ho-Won Chang, Kyoung-Ho Kim, Min-Soo Kim, Ji-Hwan Ryu, Sung-Hee Kim, Won-Jae Lee, and Jin-Woo Bae. “Phylogenetic Characterization of Two Novel Commensal Bacteria Involved with Innate Immune Homeostasis in Drosophila Melanogaster. Toegepaste en Milieumicrobiologie. American Society for Microbiology (ASM), n.d. Web. 28 Apr. 2015.
7. Shu, M., S. Kuo, Y. Wang, Y. Jiang, Y.-T. Liu, R.L. Gallo, and C.-M. Huang. “Porphyrin Metabolisms in Human Skin Commensal Propionibacterium Acnes Bacteria: Potential Application to Monitor Human Radiation Risk.” Current Medicinal Chemistry. U.S. National Library of Medicine, 2 jan. 2014. Web. 28 Apr. 2015.
8. “Wood’s Lamp Examination.” Healthline. N.p., n.d. Web. 28 Apr. 2015.
9. Zhang, Lixin, Betsy Foxman, en Carl Marrs. “Zowel Urinary als Rectal Escherichia Coli Isolates Are Dominated by Strains of Phylogenetic Group B2.” Tijdschrift voor Klinische Microbiologie. Amerikaanse Vereniging voor Microbiologie, nov. 2002. Web. 28 Apr. 2015.
10. Zheng, Tao, Jinho Yu, Min Hee Oh, and Zhou Zhu. “De atopische mars: Progressie van Atopische Dermatitis naar Allergische Rhinitis en Astma.” Allergie, Astma & Immunologie Onderzoek. De Koreaanse Academie voor Astma, Allergie en Klinische Immunologie; de Koreaanse Academie voor Pediatrische Allergie en Aandoeningen van de Luchtwegen, n.d. Web. 28 Apr. 2015.