Ordet mikrobiota står för en samling mikroorganismer som befinner sig i en tidigare etablerad miljö. Människor har kluster av bakterier i olika delar av kroppen, t.ex. i hudens ytliga eller djupa lager (hudmikrobiota), i munnen (oral mikrobiota), i slidan (vaginal mikrobiota) osv. Tarmmikrobiota är det namn som i dag ges åt den mikrobpopulation som lever i vår tarm (figur 2). Utvecklingen av tarmmikrobiota börjar vid födseln och utvecklas under hela vårt liv, från födseln till ålderdomen, och är ett resultat av olika miljöinfluenser. Den period då den mänskliga värden påverkas mest akut av mikrobiota är den postnatala perioden, under vilken det bakteriefria nyfödda barnet flyttar från den sterila miljön i moderns livmoder till en värld full av mikroorganismer och under vilken det nyfödda barnets slemhinnor och hudytor gradvis koloniseras (Bartova). Sammansättningen av bakteriepopulationer stabiliseras vanligtvis inte förrän efter de första levnadsåren; under denna period kommer mikrobiota gradvis att kolonisera det nyfödda barnets slemhinnor och hudytor och utöva effekter på utvecklingen av immunsystemet. Det finns bevis som tyder på att människans mikrobiella samhällen spelar en roll i patogenesen av så olika sjukdomar som astma, eksem, inflammatorisk tarmsjukdom, fetma, insulinresistens och neoplasi. Forskare hävdar att det finns en lägre frekvens av infektioner, diabetes och fetma i tidig barndom hos barn som ammas jämfört med sammansättningen av tarmmikrobiota hos barn som får modersmjölksersättning (Moore). Hos ammade spädbarn blev Bifidobacterium den dominerande gruppen av organismer, medan modersmjölksmatade spädbarn utvecklar ett annat mikrobiellt samhälle som består av en del Bifidobacteria och stora proportioner av andra potentiellt patogena organismer, några exempel är Staphylococcus, Enterobacteria och Clostridia. Bifidobacterium är en grampositiv, icke rörlig, anaerob bakterie (figur 3). Denna form av bakterier lever i mag-tarmkanalen, vagina och munnen hos däggdjur, inklusive människor; det är bevisat att den finns i Activia-yoghurt. Olika arter eller stammar av bakterierna kan utöva en rad positiva hälsoeffekter, bland annat reglering av tarmens mikrobiella homeostas, hämning av patogener och skadliga bakterier som koloniserar eller infekterar tarmslemhinnan, repression av prokarcinogena enzymaktiviteter inom mikrobiota och produktion av vitaminer (Moore). Bifidobacterium förbättrar tarmslemhinnans barriär och sänker nivåerna av lipopolysackarid i tarmen och motverkar tillväxten av gramnegativa patogener hos spädbarn. Modersmjölken tenderar att innehålla höga koncentrationer av laktos och lägre mängder fosfat som är en pH-buffert. När modersmjölken fermenteras av mjölksyrabakterier, däribland Bifidobakterier, i spädbarnets mag-tarmkanal kan pH-värdet i avföringen därför sänkas, vilket gör det svårare för gramnegativa bakterier att växa hos ammade spädbarn. Om det sker en minskning av bifidobakterier i tarmmikrobiota kommer det att ske en ökning av annan tarmflora i spädbarnsåldern som är kopplad till sjukdomar som uppstår senare i livet, t.ex. ett ökat antal E. coli som är förknippat med utvecklingen av atopiska sjukdomar som astma och eksem (Oh), medan en minskning av antalet bifidobakterier och en ökning av S. aureus är förknippade med överviktiga mödrar och en ökad risk för att spädbarnet ska bli överviktigt i barndomen (Bourboulis). Data visade att förståelsen av interaktionerna mellan de mikrobiella samhällena och deras mänskliga värdar kan belysa patogenesen för komplexa mänskliga sjukdomar som fetma, atopiska sjukdomar och autoimmuna sjukdomar. De viktigaste kännetecknen för autoimmuna sjukdomar är vävnadsförstöring och funktionsnedsättning som orsakas av immunologiskt medierade mekanismer som huvudsakligen är desamma som de som fungerar mot patogena infektioner; både levande bakterier och deras beståndsdelar är tydligt ansvariga för många av dessa immunmodulerande mekanismer (Bartova). Immunmodulerande mekanismer har förmågan att förändra eller reglera en eller flera immunfaktorer. Dessutom utgör dessa sjukdomar ett viktigt medicinskt problem eftersom de har en förödande inverkan på livskvaliteten och kräver långvarig medicinsk vård. Förståelsen av dessa interaktioner har gett en källa till terapeutiska tillvägagångssätt, ett sätt att minska patogenesen. En metod som användes var PCR-sondering (polymeraskedjereaktion) för specifika gener och kemisk profilering av mikrobiella metaboliter. PCR är en teknik inom molekylärbiologin som används för att amplifiera en enda kopia eller ett fåtal kopior av en bit DNA över flera storleksordningar, vilket genererar tusentals till miljontals kopior av en viss DNA-sekvens. Dessa metoder har visat på förändrade metaboliska profiler hos människor med inflammatoriska tarmsjukdomar, variationer i sammansättningen av tarmmikrobiota med människans kost och funktionella skillnader i tarmmikrobiota relaterade till värdkroppens habitus, utvecklingsmässiga förändringar i sammansättningen av mag-tarm-mikrobiota under spädbarns- och barndomsåren och slutligen den genetiska epidemiologin för antibiotikaresistens i tarmmikrobiota (Moore). Specifika variationer i sammansättningen av det gastrointestinala mikrobiella samhället har kopplats till viktiga områden av mänsklig hälsa och sjukdom. Genom forskning har man nyligen gjort framsteg i förståelsen av interaktionerna mellan både bakteriemetaboliter och värdcellens maskineri, vilket har börjat belysa den fysiologiska grunden för mikrobiella bidrag till mänsklig patologi, det vill säga studiet av mänskliga sjukdomar. Funktionella metagenomiska undersökningar kan också belysa de genetiska bestämningsfaktorerna för mikrobiella interaktioner med värdceller. Funktionell metagenomik är en av de kulturoberoende tekniker som i årtionden använts för att studera miljömikroorganismer. Det var inte förrän nyligen som denna metod tillämpades för att studera människans kommensala mikrobiota. Metagenomiska funktionella screeningar karaktäriserar den funktionella kapaciteten hos ett mikrobiellt samhälle, oberoende av identiteten till kända gener, genom att metagenomet utsätts för funktionella tester i en genetisk värd. Med hjälp av screeningmetoden kan man identifiera specifika bakteriella genprodukter som direkt påverkar ödet för mänskliga celler. Samma screening kan också utformas för att undersöka den immunmodulerande förmågan hos den gastrointestinala mikrobiotan. Tillsammans visar dessa studier på potentialen för funktionella metagenomiska screeningar för att belysa de genetiska mekanismerna för mikrobiella samhällens bidrag till utvecklingen av det mänskliga immunsystemet och patogenesen för atopiska, autoimmuna och neoplastiska sjukdomar, vilket kan ge nya terapeutiska mål för dessa tillstånd (Moore). Förutom att interagera med celler som finns hos människor kan dessutom kommensala bakterier, t.ex. tarmmikrobiota och andra organismer, också använda sig av quorum-sensing för att förmedla signaler över avstånd och samordna gemenskapens genuttryck. Quorum sensing är ett system med stimulans och respons som korrelerar med befolkningstätheten. Många bakteriearter använder quorum sensing för att samordna genuttrycket i enlighet med tätheten hos den lokala populationen. Med varje teknik som presenteras och mänsklig sjukdom som hämmas ger det bevis för att mänskliga mikrobiella samhällen spelar en roll i sjukdomarnas patogenes.
Urinär och rektal Escherichia coli
Escherichia coli (E. coli) är en gramnegativ, fakultativt anaerob, stavformad bakterie som vanligen återfinns i den nedre delen av tarmen hos varmblodiga organismer. De flesta stammar är ofarliga och lever fridfullt i våra tarmar och mumsar på matbitar utan att orsaka någon skada eller till och med skapa fördelar för värddjuret genom att hjälpa till med matsmältningen, men vissa typer kan orsaka allvarlig matförgiftning hos sina värddjur, vilket leder till kräkningar, diarré och dysenteri, och i sällsynta fall kan bakterierna leda till njursvikt eller till och med till döden. Dessa skadliga E. coli är ibland ansvariga för produktåterkallelser på grund av livsmedelsföroreningar; de kan också orsaka olika sjukdomar, både intestinala och extraintestinala. E. coli är en kommensal organism hos människor och andra varmblodiga djur. Den kan också vara en virulensorganism; virulensfaktorerna hos bakterierna beror på variationerna i den genetiska bakgrunden. Fylogenetiska studier har visat att E. coli kan delas in i fyra huvudsakliga fylogenetiska grupper, A, B1, B2 och D (Foxman). Dessa grupper ger en bättre karaktärisering för att förstå hur kommensala bakterier eller kommensala E. coli kan bli en skadlig patogen. Grupperna A och B1 är systergrupper medan grupp B2 ingår i en förfädersgren. Dessa fylo-grupper skiljer sig uppenbarligen åt i sina ekologiska nischer, sin livshistoria och vissa egenskaper, t.ex. deras förmåga att utnyttja olika sockerkällor, deras antibiotikaresistensprofiler och deras tillväxthastighet (Amaral). Majoriteten av de E. coli-stammar som lever och frodas i miljön tillhör den fylogenetiska gruppen B1. Genombrottets storlek spelar också en roll bland fylo-grupperna, grupp A och B1 har mindre genomer än B2 och D; dessa två grupper innehöll fler virulensfaktorer än stammar från grupp A och B1. Det är dock bevisat att de flesta E. coli-stammar i grupp B2 är ansvariga för urinvägsinfektioner (UTI) och andra extraintestinala infektioner; denna grupp bär också ofta på virulensdeterminanter. Tarmfloran eller rektal E. coli anses vara den naturliga reservoaren för patogena stammar vid extraintestinala infektioner, och anses därför ingå i den kommensala stampopulationen. Den fylogenetiska fördelningen av isolat av kommensala E. coli från friska människor kan ge en viktig jämförelse och insikt om spridningen av den potentiellt patogena linjen (Foxman). Kommensala organismer domineras vanligen av stammar från A- och B1-grupperna, med få B2-stammar. Genom observation har dock skillnaden i fördelningen av E. coli-fylogenetiska grupper mellan patogena och kommensala E. coli-populationer baserats på en jämförelse av fekal- och urinisolat från olika värdpopulationer. Amaral och hennes kollegor identifierade fylogenetiska grupper av E. coli-isolat från kvinnor i collegeåldern och jämförde deras fördelning i olika samlingar för att bättre kunna jämföra genetiska relationer mellan patogena och kommensala E. coli-populationer. Forskarna beskrev fördelningen av 93 uropatogena stammar och 88 kommensala rektala stammar från friska kvinnor bland de fyra huvudsakliga fylogenetiska grupperna av E. coli (Foxman). Resultaten visade att stammarna från grupp B2 dominerade i UTI-provinsamlingen och mindre ofta i rektalprovinsamlingen, och var också den vanligaste gruppen bland alla resultat från de studerade kvinnorna. De undersökte också den genetiska variabiliteten inom varje fylogenetisk grupp med hjälp av ERIC-typning och visade att stammar från grupp B2 och D med UTI-ursprung var genetiskt mindre diversifierade än de med rektalt ursprung. ERIC-PCR, som står för enterobacterial repetitive intergenic consensus PCR analysis, användes för att ytterligare undersöka den genetiska mångfalden av stammar inom varje fylogenetisk grupp från varje samling, vilket framgår av resultaten ovan. På grundval av all denna information kan man med säkerhet säga eller uppskatta att B2-stammar står för en stor del av alla extraintestinala E. coli-infektioner, men att de endast står för en liten andel av de undersökta kommensala stammarna hos människor. Eftersom grupp B2 finns i både patogena och kommensala grupper visar det att det finns en genetisk mångfald. Det är möjligt att en frisk mänsklig befolkning kan ha en B2-stam med hög frekvens, men den kan också vara mindre virulent. Dessa uppgifter visar att bakterier eller E. coli kan anpassa sig till olika nischer och förflytta sig och utvecklas från en kommensal livsstil till en patogen livsstil. Potentiellt kräver evolutionen av sådana organismer från deras kommensala förfäder inte bara att ytterligare gener tillkommer, t.ex. sådana som kodar för virulensdeterminanter, utan också att befintliga funktioner ändras. Ett exempel på hur patogener använder sin genetiska variabilitet för att undgå immunövervakning och läkemedelsbehandling är 3TC-resistent hiv-1. Detta innebär att hiv är resistent mot 3TC, som är lamivudin, en potent nukleosid som används för behandling av kronisk hepatit B. Hiv kan snabbt utveckla resistens mot 3TC om virusmängden inte minskas till en nivå som ligger under detektionsgränsen, vilket innebär att behandlingen inte kommer att fungera.
Slutsats
Porfyriner syntetiseras naturligt i mänskliga celler, och produceras också av mänskliga kommensala bakterier som P. acnes i mänsklig hud. Som en kommensal bakterie är P. acnes en del av varje människa; dess konstanta och konsekventa närvaro på mänsklig hud kan göra den till en utmärkt endogen strålningsbiokemi. Mikrobiota representerar en ensemble av mikroorganismer som befinner sig i en tidigare etablerad miljö, och utvecklingen av tarmmikrobiota börjar vid födseln och utvecklas under hela vårt liv, från födsel till ålderdom, och är ett resultat av olika miljöinfluenser. Ett exempel på detta är bifidobacterium, som förbättrar tarmslemhinnans barriär och sänker nivåerna av lipopolysackarid i tarmen och motverkar tillväxten av gramnegativa patogener hos spädbarn. Modersmjölken tenderar att innehålla höga koncentrationer av laktos och lägre mängder fosfat som är en pH-buffert. När modersmjölken fermenteras av mjölksyrabakterier, däribland Bifidobakterier, i spädbarnets mag-tarmkanal kan pH-värdet i avföringen därför sänkas, vilket gör det svårare för gramnegativa bakterier att växa hos ammade spädbarn. E. coli i de flesta stammar är ofarliga och lever fridfullt i våra tarmar och mumsar på matbitar och orsakar ingen skada eller till och med skapar fördelar för värddjuret genom att hjälpa till med matsmältningen, men vissa typer kan orsaka allvarlig matförgiftning hos sina värddjur, vilket leder till att människor drabbas av kräkningar, diarré och dysenteri, och i sällsynta fall kan bakterierna leda till njursvikt eller till och med till döden. E. coli kan delas in i fyra huvudsakliga fylogenetiska grupper, A, B1, B2 och D. Dessa grupper ger en bättre karaktärisering för att förstå hur kommensala bakterier eller kommensala E. coli kan bli en skadlig patogen. Var och en av dessa tre organismer visar hur kommensala organismer bidrar till att belysa människans fylogenetik genom sin mångfald. Var och en hjälper kroppen på olika sätt och några har så småningom med tiden kunnat förvärva patogena egenskaper, till exempel E. coli. De kommensala organismerna är organismer som är till hjälp för kroppen, bryter ner mat, bekämpar sjukdomar, exponerar strålning, hjälper immunförsvaret och några få andra saker; men kan också skada kroppen genom att föra in patogener, sjukdomar och ohälsa i kroppen. Detta sker med tiden och vanligtvis endast vid miljöförändringar.
1. Bartova, Jirina, David P. Funda och Ludmila Tuckova. ”The Role of Gut Microbiota (commensal Bacteria) and the Mucosal Barrier in the Pathogenesis of Inflammatory and Autoimmune Diseases and Cancer” (tarmmikrobiota (kommensala bakterier) och slemhinnans barriär i patogenesen av inflammatoriska och autoimmuna sjukdomar och cancer): Bidrag från bakteriefria och gnotobiotiska djurmodeller för mänskliga sjukdomar.” Nature.com. Nature Publishing Group, 31 januari 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 Microbiology. N.p., n.d. Web. 28 apr. 2015.
3. Kotzampassi, Katerina, Evangelos J. Giamarellos-Bourboulis och George Stavrou. ”Fetma som en konsekvens av interaktioner mellan tarmbakterier och kost”. ISRN Obesity. Hindawi Publishing Corporation, n.d. Web. 28 apr. 2015.
4. Moore, Aimee M., Christian Munck, Morten O. A. Sommer och Gautam Dantas. ”Functional Metagenomic Investigations of the Human Intestinal Microbiota”. Frontiers in Microbiology. Frontiers Research Foundation, 17 oktober 2011. Web. 28 apr. 2015.
5. Resultatfilter.” 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 och Jin-Woo Bae. ”Fylogenetisk karakterisering av två nya kommensala bakterier som är involverade i den medfödda immunhomeostasen i Drosophila Melanogaster”. Applied and Environmental Microbiology. 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 och 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 januari 2014. Web. 28 apr. 2015.
8. ”Wood’s Lamp Examination”. Healthline. N.p., n.d. Web. 28 apr. 2015.
9. Zhang, Lixin, Betsy Foxman och Carl Marrs. ”Både urin- och rektala Escherichia Coli-isolat domineras av stammar från fylogenetisk grupp B2”. Journal of Clinical Microbiology. American Society for Microbiology, november 2002. Web. 28 apr. 2015.
10. Zheng, Tao, Jinho Yu, Min Hee Oh och Zhou Zhu. ”The Atopic March: Progression från atopisk dermatit till allergisk rinit och astma”. Allergy, Asthma & Immunology Research. The Korean Academy of Asthma, Allergy and Clinical Immunology; the Korean Academy of Pediatric Allergy and Respiratory Disease, n.d. Web. 28 apr. 2015.