Pharmakomikrobiom - Pharmacomicrobiomics

Venn-Diagramm, das die Pharmakomikrobiomik als Teilgebiet der Genomik, Mikrobiologie und Pharmakologie zeigt.

Die Pharmakomikrobiomik , die erstmals 2010 eingesetzt wurde, ist definiert als die Wirkung von Mikrobiomvariationen auf die Disposition, Wirkung und Toxizität von Arzneimitteln. Pharmacomicrobiomics ist mit der Wechselwirkung zwischen den betreffenden Xenobiotika oder Fremdverbindungen und Darm microbiome. Es wird geschätzt, dass über 100 Billionen Prokaryoten, die mehr als 1000 Arten repräsentieren, im Darm leben. Im Darm helfen Mikroben, die Entwicklungs-, Immun- und Ernährungswirtsfunktionen zu modulieren. Das aggregierte Genom von Mikroben erweitert die metabolischen Fähigkeiten des Menschen und ermöglicht es ihm, Nährstoffe aus verschiedenen Quellen aufzunehmen. Durch die Sekretion von Enzymen, die den Stoffwechsel körperfremder Chemikalien unterstützen, die Modifikation von Leber- und Darmenzymen und die Modulation der Expression menschlicher Stoffwechselgene, können Mikroben die Aufnahme von Xenobiotika erheblich beeinflussen.

Bemühungen, die Interaktion zwischen spezifischen Xenobiotika und dem Mikrobiom zu verstehen, haben traditionell die Verwendung von In-vivo- und In-vitro- Modellen umfasst. Kürzlich wurde die Next-Generation-Sequenzierung von genomischer DNA, die aus einer Gemeinschaft von Mikroben gewonnen wurde, verwendet, um Organismen in mikrobiellen Gemeinschaften zu identifizieren, was genaue Profile der Zusammensetzung von Mikroben in einer Umgebung ermöglicht. Initiativen wie das Human Microbiome Project (HMP) haben zum Ziel, die mikrobielle Zusammensetzung der Mund-, Darm-, Vaginal-, Haut- und Nasenumgebung zu charakterisieren. Dieses und andere Mikrobiom-Charakterisierungsprojekte haben die Erforschung der Pharmakomikrobiomik beschleunigt. Ein umfassendes Verständnis des Mikrobioms im menschlichen Körper kann zur Entwicklung neuartiger Therapeutika und personalisierter Arzneimittelbehandlungen führen, die nicht durch Prozesse des Mikrobioms potenziert oder aktiviert werden.

Geschichte

In einer Veröffentlichung von 1973 stellte Ronald Scheline fest, dass das gastrointestinale Mikrobiom die Fähigkeit besitzt, als Organ mit einem metabolischen Potenzial zu fungieren, das mindestens dem der Leber entspricht. Seitdem wurde die Bedeutung des menschlichen Mikrobioms bei der Vermittlung von Gesundheit und Krankheit anerkannt, und spezifische Wechselwirkungen zwischen Xenobiotika und Mikroben wurden mit In-vitro- oder In-vivo- Methoden charakterisiert . Allerdings haben nur wenige Studien das vollständige metabolische Profil berücksichtigt, was zu der Meinung führt, dass die kumulative Rolle des Mikrobioms im xenobiotischen Stoffwechsel und in der Toxikologie weitgehend unerforscht geblieben ist. Es wird berichtet, dass 84 % der meistverkauften Arzneimittel in den USA und Europa oral verabreicht werden, was es zur gebräuchlichsten Form der Arzneimittelverabreichung macht. Dies hat zur Folge, dass ein Großteil der Medikamente, insbesondere der schwerlöslichen und durchlässigen, auf das Mikrobiom trifft und reduktiven und hydrolytischen Reaktionen unterliegt.

Sequenzierungstechnologien wie die metagenomische 16S-rRNA- Shotgun-Sequenzierung haben die schnelle Expansion des Feldes der Pharmakomikrobiomik durch die Erfassung der Organismenvielfalt in mikrobiellen Gemeinschaften erleichtert. Das Human Microbiome Project und METAgenomics of the Human Intestinal Tract (MetaHIT), die 2007 bzw. 2008 gegründet wurden, zielten darauf ab, die Variation im menschlichen Mikrobiom zu charakterisieren. Diese groß angelegten Projekte sind die Grundlage für pharmakomikrobiomische Studien, da sie die Erstellung statistischer Modelle ermöglichen, die Variationen in der mikrobiellen Zusammensetzung zwischen Individuen berücksichtigen können.

Methoden zur Aufklärung der Mikrobiomzusammensetzung

In einer typischen pharmakomikrobiotischen Pipeline wird DNA aus einer mikrobiellen Probe isoliert, sequenziert und dann mit mikrobiellen Sequenzdatenbanken abgeglichen. Anhand der Zusammensetzung der Probe können anhand bekannter Wechselwirkungen geeignete Xenobiotika-Verschreibungen identifiziert werden.

Tiermodelle

Interaktionen zwischen Xenobiotika und dem Wirtsmikrobiom wurden hauptsächlich durch den Einsatz von In-vivo- Tiermodellen untersucht, da es schwierig ist, den natürlichen menschlichen Darm zu modellieren. Im Allgemeinen ist das Muster der bakteriellen Besiedelung bei verschiedenen Tieren gleich, wobei sowohl der pH-Wert als auch die Anzahl der Mikroorganismen vom Dünndarm in Richtung der ileozökalen Verbindung des Dickdarms allmählich ansteigen. Keimfreie Ratten, die mit menschlichem Kot besiedelt sind, gelten im Allgemeinen als Goldstandard in der Tiermodellierung der mikrobiellen Umgebung im Darm. Die Enzymaktivität kann jedoch zwischen den Organismen stark variieren.

In-vitro- Modelle

Mikroben, die in menschlichen Stuhlproben gefunden werden, sind ziemlich repräsentativ für das Darmmikrobiom und werden häufig in In-vitro- Kulturen verwendet. Eine Vielzahl von in-vitro- mikrobiellen Modellierungstechniken wurden ebenfalls entwickelt. Die statische Batch-Kultivierung besteht darin, Bakterien auszuplattieren, ohne das Medium in regelmäßigen Abständen aufzufüllen. Semikontinuierliche Kultursysteme ermöglichen die Zugabe von Medium, ohne das Bakterienwachstum zu stören, und beinhalten pH-Kontrollfunktionen. Das kontinuierliche Kultursystem ähnelt eher dem des Darms, da es das Kulturmedium kontinuierlich auffüllt und entfernt. Der Simulator des Human Intestinal Microbial Systems (SHIME) modelliert den Dünn- und Dickdarm durch den Einsatz eines fünfstufigen Reaktors und beinhaltet zahlreiche Ports zur kontinuierlichen Überwachung von pH und Volumen. In jüngster Zeit haben Forscher SHIME verbessert, indem sie eine computergesteuerte peristaltische Welle integriert haben, um Speisebrei durch den Apparat zu zirkulieren. Diese Technologien haben den Forschern eine genaue Kontrolle über die Kulturumgebung gegeben und die Entdeckung von Wechselwirkungen zwischen Xenobiotika und Mikroben erleichtert.

Sequenzierung der nächsten Generation

16S rRNA-Sequenzierung

16S-ribosomale RNA ist der häufigste genetische Marker für die Klassifizierung und Identifizierung von Bakterienarten, da sie in allen Bakterienarten vorhanden ist, in den meisten Organismen eine identische Funktion hat und groß genug (~1.500 bp) ist, um ausreichende Variationen zur Unterscheidung von Bakterien zu erfassen . Die Sequenz der 16S rRNA besteht aus hochkonservierten Sequenzen, die sich mit neun Fenstern "hypervariabler Regionen" abwechseln. Dadurch können universelle Primer verwendet werden, um viele Arten gleichzeitig zu sequenzieren, und bietet die Möglichkeit, Bakterien allein aufgrund der variablen Regionen zu unterscheiden. Viele Veröffentlichungen deuten darauf hin, dass die 16S-rRNA-Gensequenzierung in >90% der Fälle eine Gattungsidentifizierung ermöglicht, jedoch in etwa 65 bis 83% der Fälle eine Identifizierung auf Speziesebene. Das Ribosomal Database Project (RDP) und die SILVA-Datenbanken enthalten Sequenzinformationen für rRNA in Bakterien, Eukaryas und Archaeen.

Schrotflinten-Sequenzierung

Fortschritte bei der Hochdurchsatz-Sequenzierung haben die Shotgun-Metagenom-Sequenzierung (SMS) erleichtert , eine Technologie, die eine umfassendere Charakterisierung mikrobieller Proben durch die Sequenzierung einer größeren Anzahl von Genen in jedem Organismus ermöglicht. SMS umfasst das Sammeln mikrobieller Proben aus der Umgebung, das Isolieren von DNA, das Zerschneiden der DNA in kleine Fragmente und das anschließende Durchführen einer vollständigen Genomsequenzierung (WGS). Reads können de novo oder unter Verwendung von Referenzgenomen zusammengestellt werden. SMS ist jedoch nicht ohne Einschränkungen. Reads können sich überlappen und eine genaue Ausrichtung auf Referenzgenome verhindern. Darüber hinaus können Reads durch menschliche DNA-Sequenzen verunreinigt sein, was die Ergebnisse verfälscht. Bei der referenzbasierten Assemblierung können Reads auch auf Arten ausgerichtet sein, die öffentlich zugängliche Referenzgenome haben.

Zusammensetzung des Mikrobioms

Individuelle Mikrobiome

Darm

Im Darm befindet sich die Mehrheit der Mikroben im Dickdarm, wo der pH-Wert höher und überlebensförderlicher ist. Diese Bakterien sind oft effizienter als unsere eigenen Verdauungsenzyme und verdauen Proteine ​​und Kohlenhydrate. Die Ergebnisse von über 690 menschlichen Mikrobiomen haben gezeigt, dass die Mehrheit der Bakterien des Darmmikrobioms zu vier Stämmen gehört: Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria und Proteobacteria.

Vagina

Die Vagina besitzt über 200 Phylotypen, von denen die vorherrschendsten zu den Stämmen Firmicutes , Bacteroidetes , Actinobacteria und Fusobacteria gehören . Die Sekretion von Milchsäure und Wasserstoffperoxid durch Lactobacillus sp. kann den pH-Wert senken und die Konzentration von Bakterien erhöhen, die bakterielle Vaginose verursachen.

Plazenta

Das erste Mikrobenprofil in gesunden Schwangerschaften identifizierte nicht-pathogene kommensale Mikrobiota aus den Firmicutes, Tenericutes, Proteobacteria, Bacteroidetes und Fusobacteria phyla.

Mundhöhle

Durch das HMP wurden neun intraorale Stellen untersucht, und es wurde festgestellt, dass sie in über 300 Gattungen angereichert sind, die zu mehr als 20 Bakterienstämmen gehören.

Humanes Mikrobiom-Projekt

Das Human Microbiome Project (HMP) wurde 2008 von den US National Institutes of Health (NIH) gegründet. Das übergeordnete Ziel besteht darin, eine umfassende Charakterisierung der menschlichen Mikrobiota und ihrer Rolle für die menschliche Gesundheit und Krankheit zu etablieren sowie Datensätze und Werkzeuge zu entwickeln, mit denen Wissenschaftler mikrobielle Populationen untersuchen können. Die konkreten Initiativen sind wie folgt:

1. Entwickeln Sie einen Referenzsatz mikrobieller Genomsequenzen für eine erste Charakterisierung des menschlichen Mikrobioms.
2. Klären Sie den Zusammenhang zwischen Krankheit und Veränderungen im menschlichen Mikrobiom auf.
3. Entwicklung von Technologien für die Computeranalyse, nämlich Methoden zur gleichzeitigen Sequenzierung einzelner Mikroben oder aller Mitglieder komplexer Populationen.
4. Richten Sie ein Datenanalyse- und Koordinierungszentrum ein, um öffentlich zugängliche Informationen über das Projekt, die Ergebnisse und Rohdaten bereitzustellen.
5. Richten Sie Forschungsrepositorien ein, um Materialien und Reagenzien zu speichern, die im HMP verwendet werden. Dazu gehören kultivierte Organismen und metagenomische DNA-Proben.
6. Untersuchen Sie ethische, rechtliche und soziale Implikationen der HMP-Forschung.

Das primäre Mittel zur Charakterisierung ist die 16S-rRNA-Sequenzierung und die Shotgun-Metagenom-Sequenzierung. Körperstellen, von denen Proben genommen werden, umfassen Haut, Mundhöhle, Darm, Vagina und Nasenhöhle. Die HMP-Website enthält Sequenz-, Stoffwechselrekonstruktions- und Community-Profildaten. Diese Datensätze wurden verwendet, um bestimmte klinische Variablen mit der Zusammensetzung des Mikrobioms zu verknüpfen

Bekannte Arzneimittelwechselwirkungen

Mikrobiota-vermittelte Störung der xenobiotischen Aktivität

Das Mikrobiom kann die Wirksamkeit eines Arzneimittels erheblich beeinflussen. Obwohl die meisten Medikamente im oberen Teil des Dickdarms resorbiert werden, können langwirksame Medikamente, die dem mikrobenreichen Bereich des unteren Darms ausgesetzt sind, durch den mikrobiellen Stoffwechsel beeinflusst werden. Zum Beispiel kann Chloramphenicol nach oraler Verabreichung eine Knochenmarkaplasie verursachen, da Coliformen vorhanden sind, die Chloramphenic in seine toxische Form umwandeln, bekannt als p-Aminophenyl-2-amin-1,2-propandiol. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass veränderte Häufigkeiten von Eggerthella lenta zwischen Populationen den Stoffwechsel von Digoxin beeinflussen und sowohl seine Aktivität als auch seine Toxizität verstärken. Nachfolgend finden Sie eine nicht erschöpfende Liste von Medikamenten und der Rolle der Mikrobiota bei der Potenzierung/Verstärkung ihrer Wirkung.

Xenobiotika-vermittelte Störung der Mikrobiomzusammensetzung

Auch wenn Pharmakomikrobiomik oft als Auswirkung des Mikrobioms auf den xenobiotischen Stoffwechsel interpretiert wird, kann der Begriff auch die Auswirkungen von Xenobiotika auf das Mikrobiom und mikrobielle Gene umfassen. Der Einfluss von Antibiotika auf das menschliche Mikrobiom ist gut untersucht. Es hat sich gezeigt, dass antibiotische Therapien nicht nur auf einen bestimmten Erreger abzielen, sondern auch auf die kommensalen Bewohner eines Wirtes. Es gibt Hinweise darauf, dass sich die Konzentration der kommensalen Bakterien in einigen Fällen nach einer Antibiotikabehandlung nicht normalisiert und tatsächlich über längere Zeiträume negativ beeinflusst werden kann. Eine Studie, die die Mund- und Darmmikroben vor, unmittelbar nach und bis zu 12 Monate nach der Antibiotika-Exposition untersuchte, ergab, dass das Mikrobiom über 12 Monate verändert werden kann. Da die Zusammensetzung des Mikrobioms durch Antibiotika verändert werden kann, bedeutet dies eine positive Selektion auf resistente opportunistische Pathogene, die eine akute Erkrankung verursachen können.

Das PharmacoMicrobiomics-Webportal

Das PharmacoMicrobiomics Web Portal ist eine von Studenten geleitete Initiative zur Untersuchung, wie Mikroben Medikamente modulieren und für Bioinformatiker, mikrobielle Genetiker und Medikamentenentwickler gedacht sind. Das Ziel des Projekts ist es, Literaturdaten zu ermitteln und Mikroben-Wirkstoff-Wechselwirkungen zu extrahieren, einschließlich Informationen über Wirkstoffklassen, Mikrobenfamilien und Körpersysteme. Darüber hinaus enthält das Portal eine relationale Datenbank mit Informationen zur mikrobiellen Zusammensetzung an verschiedenen Körperstellen und ihren spezifischen Auswirkungen auf die Pharmakokinetik und die pharmakodynamischen Eigenschaften von Arzneimitteln.

Personalisierte Medizin

Personalisierte Medizin im Kontext der Pharmakomikrobiomik bezieht sich auf die Fähigkeit, die Reaktion eines Individuums auf ein Xenobiotikum basierend auf der Zusammensetzung seines Darmmikrobioms vorherzusagen. Derzeitige Omics-Ansätze zur Untersuchung der Mikrobiomzusammensetzung unter Verwendung der metagenomischen Sequenzierung nach einer xenobiotischen Behandlung sind jedoch spärlich. Stattdessen konzentrierten sich die Forschungsbemühungen hauptsächlich auf die Modellierung von Veränderungen der mikrobiellen Zusammensetzung in verschiedenen Krankheitszuständen. Zukünftige Forschungsbemühungen sollten das Wissen darüber, was Mikroben bevorzugt bestimmte Verbindungen metabolisieren (aus In-vitro- Studien gewonnen), mit der Identifizierung der Artenhäufigkeit kombinieren , um die Arzneimitteltoleranz bei Patienten vorherzusagen. Die Modellierung der Interaktion einer Mikrobe mit einem bestimmten Xenobiotikum kann die Interaktionen jedoch möglicherweise nicht stabil vorhersagen, da die Genome von Mikroben durch horizontalen Gentransfer ständig neu gemischt werden . In Anbetracht dessen werden Ansätze, die auf individuelle Gen-/Transkript-/Proteinsignaturen und nicht auf einzelne Mikroben abzielen, wahrscheinlich zu breiter anwendbaren personalisierten Ansätzen führen.

Einschränkungen

Die Einschränkungen der Pharmakomikrobiomik ergeben sich in erster Linie aus der Unsicherheit im Zusammenhang mit der Metagenom-Profilerstellung. Kurze Reads, die durch Shotgun-Sequenzierung erhalten werden, können nämlich schwierig mit Referenzgenomen abzugleichen sein, da viele Organismen homologe Sequenzen aufweisen. Darüber hinaus kann die 16S-rRNA-Sequenzierung die Speziesidentität nicht konsistent auflösen, ein Befund, der Zweifel an der Speziesidentität in metagenomischen Proben aufwirft. Einschränkungen ergeben sich auch aus unterschiedlichen Studiendesigns, da oft einzigartige Ansätze zur Identifizierung der Natur der Xenobiotikum-Mikrobiom-Wechselwirkungen verwendet werden. Da beispielsweise die Pharmakomikrobiomik sehr breit die Assoziation zwischen Xenobiotika und dem Mikrobiom bezeichnet, kann das Ausmaß, in dem Studien die Genetik des Mikrobioms profilieren, erheblich variieren. Studien, die darauf abzielen, die Identität des Organismus zu charakterisieren, aber nicht die Genidentität oder Kopiennummer, können sich für die Verwendung der 16S-Shotgun-Sequenzierung im Gegensatz zu SMS entscheiden. Umgekehrt können Studien, die eher auf die Identifizierung von Genen und ihren Produkten als auf die Identität des Organismus abzielen, WMGS in Verbindung mit transkriptomischer Analyse auswählen. Diese Unterschiede können zunächst bedeuten, dass Forscher, die öffentlich verfügbare Daten untersuchen möchten, ihre Forschungsfragen möglicherweise gezielt auf die vorliegenden Daten ausrichten müssen.

Verweise