נגישות

גיליון 27 – מיקרוביוטה, מאי 09

מיקרוביוטה – איבר נשכח, פרופ' זמיר הלפרן

פרופ' זמיר הלפרן
מנהל המכון למחלות דרכי העיכול והכבד
מרכז רפואי תל-אביב

כאנשי רפואה התחנכנו שהקשר העיקרי בין המיקרואורגניזם לבין גוף האדם הוא בגרימת מחלותרק בעשורים האחרונים אנו עדים להתפתחות התובנה שלאוכלוסיית המיקרואורגניזם במערכת העיכול תפקיד חשוב בהתפתחותבתפקוד ובשמירת שווי המשקל (הומיאוסטאזיס) האחראי לתפקודנו התקין. תובנה זו מהווה היום את חזית המחקר בהבנת הפיסיולוגיה של מערכת העיכול של הבריא ושל מצבי מחלה שונים.

מערכת העיכול הינה צינור ארוך המאפשר את קליטת המזון, פירוקו וספיגתו לצורך הפקת אנרגיה ובניין הגוף, ופליטת פסולת המזון, שאינה דרושה לגוף, בצורת צואה. המאפיין את מערכת העיכול היא חשיפתה לחלל החיצון ומגעה הישיר עם הסביבה החיצונית כולל עם מיקרואורגניזם (פרוקריוטים) בעוד שמרבית האיברים בגופנו הינם סטריליים.
מערכת היחסים בין היצורים המתקדמים (איאוקריוטים) למיקרואורגניזם חסרי הגרעין )פרוקריוטים) היא מסובכת ומורכבת, ובמשך שנים כאנשי רפואה התחנכנו שהקשר העיקרי בין המיקרואורגניזם לבין גוף האדם הוא בגרימת מחלות. רק בעשורים האחרונים אנו עדים להתפתחות התובנה שלאוכלוסיית המיקרואורגניזם במערכת העיכול תפקיד חשוב בהתפתחות, בתפקוד ובשמירת שווי המשקל (הומיאוסטאזיס) האחראי לתפקודנו התקין. תובנה זו מהווה היום את חזית המחקר בהבנת הפיסיולוגיה של מערכת העיכול של הבריא ושל מצבי מחלה שונים.
מערכת היחסים בין הסביבה Ecosystem)) וגופנו נחשבה במשך שנים כקופסא שחורה בגלל העובדה שהתנאים המאפשרים למיקרואורגניזם לשרוד במערכת העיכול הינם ייחודיים, הסביבה היא אנ-אירובית וההישרדות של המיקרואורגניזם תלויה בקיומם של התנאים המקומיים. לכן כאשר ניסו לתרבת, לגדל ולאפיין את המיקרואורגניזם מחוץ למעי מרביתם לא שרדו. לאור זאת הדעה המקובלת לגבי המיקרו פלורה של המעי הייתה שהמערכת מכילה רק כ 200-300 זני חיידקים בלבד ושתפקידם בשמירת השווי משקל הינו מוגבל (1).
בעשורים האחרונים התפתחו שיטות מולקולאריות אוטומטיות המבוססות על בדיקת רצפי DNA ו- RNA ( (16 SrRNA בצואה ובביופסיה מרירית המעי. שיטה זו מאפשרת לזהות כמות גדולה של רצפים, המהווים סמנים למציאות מיקרואורגניזם בצואה, וע"י שימוש בספריות מובנות מוכרות ניתן גם לזהות באופן סופי את החיידקים בחלל המעי. אינפורמציה זו הביאה להתפתחות מדע חדש הקרוי מטהגנומי (Metagenomics) המאפשר לזהות רצפים גנטיים מדגימות בסביבתם הטבעית (כצואה ונוזלי גוף אחרים). שיטות אלו הובילו להבנה שתרבית מסורתית מגלה רק כאחוז אחד מאוכלוסיית המיקרואורגניזם הקיימת בנוזלי הגוף. באופן זה התאפשר לא רק לזהות את סוגי המיקרואורגניזמים, אלא גם לאפיין אוכלוסיות של מיקרואורגניזמים באזורי המעי השונים כמו: צואה, נוזל המעי והאזור הצמוד לרירית המעי האחראי ל "דו שיח" שבין חלל המעי והמיקרוביוטה לבין דופן המעי, ללמוד על הדינאמיקה במעגל החיים, והחשוב מכל על השינויים במצבים משתנים של בריאות, דחק ומחלה (2).

הממצאים בבדיקות המיקרוביולוגיות הדגימו שמערכת העיכול מאוכלסת בצפיפות ע"י 1014 מיקרואורגנזים,

המהווים ביומסה של ק"ג וחצי (60% מהמסה היבשה של הצואה), אשר משולבים בפעילות מטבולית ואימונית

יותר מאשר האיבר המטבולי החשוב בגופני – הכבד
הממצאים בבדיקות המיקרוביולוגיות הדגימו שמערכת העיכול מאוכלסת בצפיפות ע"י 1014 מיקרואורגנזים, המהווים ביומסה של ק"ג וחצי (60% מהמסה היבשה של הצואה), אשר משולבים בפעילות מטבולית ואימונית יותר מאשר האיבר המטבולי החשוב בגופני – הכבד. מערכת זו קרויה כיום מיקרוביוטה.
מרבית המיקרואורגניזם ממוקמים בעיקר לאורך המעי הגס ובחלק הדיסטאלי של המעי הדק, אבל ניתן לזהות מיקרואורגניזם לאורך כל המעי.
לאור המספר הגדול של המיקרואורגניזם בגופנו (X10) ממספר התאים ההומאניים ומספר הגנים של המיקרוביוטה (X100) ממספר הגנים ההומאניים יש המכנים את גופנו כסופר אורגניזם המכיל בתוכו סימביוזה בין תאים הומאניים ופרוקריוטיים הקרוי מטה-אורגניזם (Meta-organism) ואת הפעילות המורכבת של "איבר" זה כמטבולום (Metabolom) המשלבת את פעילות המטבולית של המיקרוביוטה עם הפעילות ההומאנית.
המגוון הרחב של המיקרוביוטה מאורגן ב- 15000- 36000 זנים (Species) ובכ- 1800 קבוצות ((Genera. למרות המגוון הגדול של האוכלוסייה, מרבית המיקרואורגניזם תחומים ל- 4 זנים עיקריים: פירמיקיוטס (Firmicutes), בקטרואידים (Bacteroids), פרוטובקטרואידים (Protobacteroids) ואקטינובקטריה (Actinobacteria). הפירמיקיוטס מהווים את הקבוצה הדומיננטית (70%), בעיקר באזור הסמוך לרירית המעי (מוקוזה) והם מורכבים בעיקר מחיידקי קלוסטרידיום מקבוצות XIVa ו ,IV. בשנים האחרונות נמצא שהמיקרוביוטה מכילה לא רק חיידקים אלא גם פטריות ואריכאות. 3)). ה- NHI השיק תוכנית שאפתנית חדשה, שמטרתה לאפיין את חיידקי המעי ברמה הגנטית בדומה לתוכנית הגנום האנושי (4).
ילוד שנולד הוא סטרילי, אבל כבר בשעות הראשונות. באופן הדרגתי הוא רוכש את אוכלוסיית החיידקים בהתחלה מאימו (בתלות בצורת ההזנה) ובהמשך מהסביבה, בשנה הראשונה לחייו ההרכב של המיקרוביוטה אינו יציב ובסביבות גיל שנה הרכב האוכלוסייה מתייצב ונשאר יציב לאורך מרבית החיים. קיימים הבדלים גדולים בין אינדיבידואלים שונים, אבל קיימים מאפיינים אישיים שמלווים אותנו בכל מסלול החיים, מאפיינים של אוכלוסיות שונות באזורים שונים.

כבר ב- 1986 הוצעה "היפותזת ההיגיינההטוענת שחוסר חשיפה מספקת למיקרואורגניזם כרוכה בעליה בשכיחות של תופעות אלרגיה בגיל מבוגר, הפרעות אטופיות, מחלות אוטואימוניות, אסטמה, טרשת נפוצה ומחלות דלקתיות של המעיים. בנוסף מצטברות עדויות אפידמיולוגיות שחוסר חשיפה של המעי בגיל הצעיר לחיידקים "מוכרים" יכול לשנות את שווי המשקל של מערכת החיסון, ולכן גבוהה יותר השכיחות של מחלות אלו באוכלוסיות ברמת חיים גבוהה

תפקיד המיקרוביוטה
הגישה המטגנומית לימדה אותנו לא רק לגבי המגוון הגדול של המיקרואורגניזם שמאכלסים את המיקרוביוטה, אלא גם לגבי הפוטנציאל הגדול התפקודי של איבר זה שכולל את משק האנרגיה, יצירת וויטמינים (ביוטין, ויטמין K ופולאט), פירוק מלחי מרה ועידוד ספיגה של ברזל, סידן ומגנזיום. השימוש בבדיקת ההרכב הגנטי של המיקרוביוטה בשילוב עם בדיקת הפוטנציאל המטבולי של המיקרואורגניזם מכונה כיום "מערכת מטבולומית" (Metabolom), ומבוססת על יצירת קשר בין פוטנציאל מטבולי לשינויים הנצפים בהרכב הגנטי של המיקרואורגניזם בעקבות הופעת השינויים המטבוליים.
המודל החשוב לבדוק תפקיד מטבולי של מיקרוביוטה הוא מודל של עכברים, שגדלו בתנאים ללא חיידקים (Germ free animals). עכברים אלו, ללא גירוי חיידקי במעי, מגיעים למשקל גוף נמוך לעומת אותם העכברים שגדלו בתנאים נורמאליים בסביבה עם מיקרופלורה תקינה. העובדה שלחיידקי המעי יש חשיבות גדולה בניצול משק האנרגיה במעי הגס, והממצא שלחיידקי המעי באנשים שמנים יש יכולת לנצל את האנרגיה מהתזונה ביעילות יתר לעומת חיידקי המעי ברזים, הביאה את החוקרים לבדוק את הרכב החיידקים גם במצבים מטבוליים שונים כמו: סוכרת, כבד שומני ואטרוסקלרוזיס. מסקנתם הייתה שלמיקרוביוטה יש חשיבות גדולה במשק האנרגיה. החיידקים מספקים את האנרגיה הנדרשת לקיומם ולפעילות של תאי רירית המעי הגס )קולונוציטים) ע"י פירוק ותסיסה של פחמימות מורכבות שאינן נספגות ואינן מתפרקות במערכת העיכול שלנו (כמו: עמילן, גליקאן, פוליסכרדידים?). התוצרים הסופיים של פירוק זה הוא ספקטרום רחב של חומצות אורגניות ובעיקר חומצות שומן קצרות כמו בוטיראט, סוקסינאט ופרופריונאט, המספקות כ- 5-15% מהאנרגיה היומית שלנו. לחומצות השומן הקצרות הנוצרות מפירוק הפחמימות המורכבות יש תפקיד גם בהתפתחות, גדילה והתמיינות של תאי המעי.
לאפיתל המכסה את מערכת העיכול שטח של למעלה מ- 300-400 מטר רבוע והוא מהווה את המגע הראשוני בין המארח לסביבה. מבחינה טופולוגית חלל המעי הינו חיצוני לגוף האדם, והוא מאוכלס בצפיפות ע"י אנטיגנים זרים ומיקרואורגניזם רבים. מערכת ההגנה של הגוף אמורה למנוע חדירה וזיהום ע"י מיקרואורגניזם זרים והחשוב יותר להכיר ולזהות את החיידקים הסימביוטיים החיוניים כאמור לגדילה, להתפתחות ולמטבוליזם שלנו. האפיתל מספק את קו ההגנה הראשון (מלבד המיקרוביוטה עצמה המתחרה עם חיידקים מזהמים על מקורות אנרגיה וקשרי הצמדות לרצפטורים השונים) הן כמערכת סנסורית והן כמערכת הגנה פעילה. שכבת האפיתל מכילה מספר תאים המסוגלים לזהות ולהבדיל בין המיקרוביוטה הטבעית לבין מיקרואורגניזם פולשים כמו: תאי אפיתל (אנטרוציטים וקולונוטציטים), ותאים יחודיים: תאי M ותאים דנדריטים האמורים לזהות את החיידקים השונים ולהפעיל בהתאם את מערכת החיסון המולדת הלא ספציפית (Innate) והתגובתית (Adaptive) המפותחות במעי. כל התאים הייחודיים הללו מסוגלים לדגום את אוכלוסיית המיקרואורגניזם בחלל המעי במספר דרכים כמו ע"י שחרור חלבונים, רצפטורים ייחודיים ואחרים, ובאופן ספציפי למנוע מהאוכלוסייה הטבעית מלייצר דלקת משמעותית. הדעה המקובלת היא שהמיקרוביוטה מעוררת אומנם דלקת קלה בדופן המעי, אבל הדלקת היא מבוקרת ובדרגה נמוכה. לדלקת זו חשיבות בשמירת שווי המשקל (הומיאוסאטזיס) החיסוני, ובשמירת היכולת החיסונית של המעי במניעת מחלות זיהומיות חיצוניות (כמו סלמונלה שיגלה, א. קולי פתוגני), וכאשר שווי משקל עדין זה מתערער אזי מתפתחות מחלות כרוניות כמו תסמונת המעי רגיש, דלקת מעיים כרונית ומחלות אימוניות סיסטמיות.
מערכת היחסים המיוחדת בין גופנו לבין אוכלוסיית החיידקים במעי מהווה כיום דיסציפלינה מחקרית חשובה בשני תחומים: מערכת החיסון של המעי (Mucosal immunity), ואי סבילות פומית החוקרת את היכולת המופלאה של גופנו להימנע מלהתייחס לחלבונים כמזון ואחרים כחלבונים זרים (Oral tolerance).

המיקרוביוטה במצבי חסר ומחלה
מקובל ברפואה המודרנית לחשוב שהשיפור העיקרי בבריאות האדם במאה-מאתיים שנה אחרונות קשור בשיפור בתנאי החיים, שיפור בסניטציה ובבריאות הציבור. מאידך כיום ברור שלא כל חשיפה למיקרואורגניזם כרוכה בהכרח בהשפעה רעה ומזיקה לגופנו. כבר ב- 1986 הוצעה "היפותזת ההיגיינה" הטוענת שחוסר חשיפה מספקת למיקרואורגניזם כרוכה בעליה בשכיחות של תופעות אלרגיה בגיל מבוגר, הפרעות אטופיות, מחלות אוטואימוניות, אסטמה, טרשת נפוצה ומחלות דלקתיות של המעיים. בנוסף מצטברות עדויות אפידמיולוגיות שחוסר חשיפה של המעי בגיל הצעיר לחיידקים "מוכרים" יכול לשנות את שווי המשקל של מערכת החיסון, ולכן באוכלוסיות ברמת חיים גבוהה יותר השכיחות של מחלות אלו גבוהה יותר.
מנגנון נוסף הקשור ליכולת של אוכלוסיית המיקרואורגניזם לעורר מחלות נובע ממוטציות שונות של מערכת החיסון של רירית המעי וכתוצאה מכך נפגמת היכולת של המעי לשמור על השווי משקל עם המערכת המיקרוביוטה. מוטציות המוכרות ביותר תוארו במחלת קרון למשל פגם בתהליך הדלקת ע"י שינוי של מערכת המקשרת בין החיידקים לגרעין (NOD/CARD) או למשל פגם בהפרשת דפניסין – חומר אנטי חיידקי המופרש מתאי פאנט Paneth cell)) הממוקמים בעיקר במעי הטרמינאלי שיש לו חשיבות במערכת החיסון המולדת. בחולים הסובלים מפגמים תורשתיים אלו נפגע השווי משקל הרגיש עם החיידקים הטבעיים במעי ומתפתחת מחלה דלקתית כרונית.
מנגנון נוסף הקשור להתפתחות מחלות מעי נובע מהתצפיות החדשות המעידות על כך שבמצבי מחלה שונים כמו: השמנה, מחלת מעי דלקתיות כרונית וסוכרת מסוג 1, הרכב המיקרוביוטה שונה מאשר באוכלוסייה בריאה, השינוי בהרכב החיידקים מכונה דיסביוזיס (5). בשמנים נמצאה עליה באוכלוסיית הפירמקיוטס והתכווצות הבקטרואידים, בעכברים עם סוכרת מסוג 1 נצפתה ירידה ביחס בין פירמיקיוטס לבקטרואידים ובחולי קרון ירידה משמעותית בפירמקיוטס ובבקטרואידים ועליה בפרוטיאטבקטריה. המשמעות התפקודית של דיסביוזיס הודגמה במספר תצפיות מעבדה: חיידקים שגדלו בסביבה ללא חיידקים (Germ (free הודבקו ע"י חיידקים מעכברים שמנים עלו במשקל באופן פתולוגי (6), בעכברים עם נטייה לסוכרת שהודבקו ע"י חיידקים שנלקחו מעכברים בריאים נצפה עיכוב בהתפתחות סוכרת. התצפית המעניינת ביותר היא של גורדון וחב' שהראו שניצול המזון בעכברים שמנים יעיל יותר מאשר בעכברים רזים וזה קורה ע"י שיפור הספיגה של מונוסכרידים במעי וע"י שיפור השקיעה של שומן באדיפוציטים. שיפור זה מתווך ע"י ייצור של חלבון הגורם לדיכוי של ליפופרוטאין ליפאז (Fiaf-Fasting induced lipoprotein lipase). ליפופרוטאין ליפאז הינו אנזים האחראי על יבוא ואגירה של חומצות שומן שמקורן מטריגליצרידים שדיכויו גורם כמובן להשמנה. המסקנה מכל הממצאים האלו היא שלשמנים אכן יש יכולת ניצול טובה של אנרגיה ממזון ושתכונה זו קשורה להרכב החיידקים במעי.
תצפיות מרשימות תוארו גם ע"י קבוצת חוקרים שבדקו חולים עם מחלות מעי דלקתית כרונית כמו קוליטיס כיבית ומחלת קרון. מחלות אלו מתאפיינות בדלקת חוזרת של המעי, והפתוגנזה של המחלה נובע משפעול של מערכת החיסון בחולים עם פגם במערכת החיסון ותגובה אימונית מוגברת לחיידקי המיקרוביוטה. העובדות מוכיחות שלהרכב החיידקים (דיסביוזיס) יש חשיבות בפתוגנזה של המחלה, ושטיפול אנטיביוטי או הטית צואת המעי מהאזור הנגוע יכולים לשפר את המחלה. בשנה האחרונה סוקול וחב' הראו שגם תוספת של חיידקים מסוג Faecalibacterium prausnitizii, חבר דומיננטי בקבוצת הקלוסטרידיום לפטום, שיפרה דלקת במודל של עכבר, ושטיפול אנטיביוטי מנע את חזרת המחלה לאחר כריתת מעי (7.(
תצפיות דומות לאלו הודגמו במספר מודלים מקובלים של מחלות בהן תוספת חיידקים ידידותיים, או לחילופין חיידקים עם תכונות מזיקות הצליחו לשנות את מהלך המחלה. המסקנה מכל העבודות היא שחוסר שווי המשקל בין אוכלוסיית החיידקים (דיסביוזיס) יכול לעורר מחלות במעי כמו דלקת מעיים כרונית, אטופיה, אלרגיה וכי מניפולציות טיפוליות כמו אנטיביוטיקה, פרוביוטיקה/ פרביוטיקה יכולות לשקם את שווי המשקל, למנוע או לטפל במצבי מחלה אלו.

לסיכום
הענין במיקרוביוטה של המעי תופס מומנטום הן קליני והן מחקרי בהבנת הפיסיולוגיה, מערכת החיסון ובפתוגנזה של מחלות כמו בפוטנציאל הטיפולי והמניעתי של מחלות שונות כמו מחלות מעי, מחלות חיסוניות והשמנה.

 

References:
1. O'Hara AM, Shanahan F. The gut flora as a forgotten organ. EMBO reports 2006;7:688-93. 2. Zoetendal EG, Rajilic-Stojanovic M, et al. High-throughput diversity and functionality analysis of the gastrointestinal tract microbiota. Gut. 2008;57:1605-15.
3. Neish AS. Microbes in gastrointestinal health and disease. GASTROENTEROLOGY 2009;136:65–80.
4. Turnbaugh PJ, Ley RE, et al. The human microbiome project. Nature 2007;449:804-10.
5. Sartor RB. Therapeutic correction of bacterial dysbiosis discovered by molecular techniques. PNAS 2008;105:16413-14.
6. Ley RE, Turnbaugh PJ, et al. Microbial ecology: Human gut microbes associated with obesity. Nature 444, 1022-23.
7. Bäckhed F, Ding H, et al. The gut microbiota as an environmental factor that regulates fat storage. PNAS 2004;101:15718-23.

1. Fredrik *,†,‡,
2. Hao Ding‡,§,,
3. Ting Wang∥,
4. Lora V. Hooper†,**,
5. Gou Young Koh††,
6. Andras Nagy§,‡‡,
7. Clay F. Semenkovich§§, and
8. Jeffrey I. Gordon*,†,

6 Gordon –An obesity-associated gut microbiome with increased capacity for energy harvest.
Turnbaugh PJ, Ley RE, Mahowald MA, Magrini V, Mardis ER, Gordon JI.
Nature. 2006 Dec 21;444(7122):1027-31.
PMID: 17183312 [PubMed – indexed for MEDLINE]
Related Articles
2:
Microbial ecology: human gut microbes associated with obesity.
Ley RE, Turnbaugh PJ, Klein S, Gordon JI.
Nature. 2006 Dec 21;444(7122):1022-3.
PMID: 17183309 [PubMed – indexed for MEDLINE]