נגישות
review 43

גיליון 43 – המיקרוביום – ספטמבר 2014

תחושת בטן: תפקידם המפתיע של החיידקים בגופנו, מעין לוי וד"ר ערן אלינב

המחלקה לאימונולוגיה, מכון ויצמן למדע, רחובות

התפיסה הרווחת היום היא, שבני האדם והחיידקים יחדיו מרכיבים מטה-אורגניזם המכיל בתוכו מטה-גנום המורכב מהגנום האנושי והגנום של טריליוני מיקרואורגניזמים המאכלסים את המעי. ה"מיקרוביום", מכלול הגנים השייכים למיקרוביוטה, מקודד ליכולות שונות, בין היתר יכולות מטבוליות, אשר לבני האדם אין בהעדרו. המיקרוביוטה והמאכסן עברו אבולוציה משותפת המאפשרת יחסים הדדיים, המועילים לשני הצדדים. ישנה תרומה נרחבת של המיקרוביוטה לפיזיולוגיה של המאכסן, כאשר הפרה של שיווי המשקל העדין הקיים בין המאכסן והמיקרוביוטה יכולה לגרום להתפתחות מחלות שונות.

לו יכולתם להציץ לתוך צינור מערכת העיכול, הייתם נחשפים למרכיב חשוב ומרכזי במערכת זו, שעד השנים האחרונות לא זכה לתשומת הלב לה הוא ראוי, והוא החיידקים הנמצאים בתוך כל אחד ואחת מאיתנו. החיידקים והמאכסן שלהם (בני אדם, אך גם כל היונקים והיוצרים הרב תאיים), מקיימים מערכת יחסים הדדית, בה שני הצדדים מרוויחים. בעבר, חקר החיידקים התמקד בחיידקים מסויימים, אשר תורבתו בתנאי מעבדה, ואופיינו באמצעות מבחנים שונים, בהם מיון החיידקים נעשה על בסיס תכונות החיידק כגון מבנה דופן התא, מרכיבי התא וחילוף החומרים שלו. הגילויים הראשונים בחקר החיידקים כללו את אלו של Koch ו Mechnikov. Koch, חתן פרס נובל לפיזיולוגיה או רפואה לשנת 1905, פיתח שיטות לגילוי וזיהוי חיידקים, קבע עקרונות לזיהוי חיידקים כגורמי מחלה, וזיהה את החיידקים הגורמים למחלות השחפת והכולרה. Mechnikov, זוכה פרס נובל לשנת 1908 טען, כי המוות והחיים מתחילים במעיים, ושההזדקנות מקורה ברעלים שנמצאים במחזור הדם, ומגיעים מחיידקים במערכת העיכול. בנוסף, הוא היה הראשון לתאר את היתרונות שיש לחיידקים עבור האדם, והציע לראשונה את השימוש בחלב מותסס לצורך הארכת חיי אדם, בכך למעשה הציע את השימוש בחיידקים מועילים, הפרוביוטיקה. בשנות השמונים של המאה הקודמת חוקרים בתחום המיקרוביולוגיה הבינו, שרק חלק מאוד קטן מהחיידקים שניתן לראות במיקרוסקופ ניתנים לגידול בתרביות מעבדה, ולפיכך לא ניתן לחקור אותם בשיטות הקלאסיות. בשנים האחרונות היינו עדים להתקדמות אדירה בחקר אוכלוסיות החיידקים, אשר מאפשרת לחקור את כל החיידקים הקיימים, ואף לזהות מינים חדשים של חיידקים באמצעות ריצוף גנים, ובראשם ריצוף הגן s16 הריבוזומלי, המאפשר להפריד בין חיידקים שונים. תחום חדש זה, המכונה מטה-גנומיקה, מספק לחוקרים תבניות, המאפיינות את אוכלוסיות החיידקים הקיימות במערכת העיכול ובסביבות נוספות, ומאפשר בניית עצים אבולוציוניים של חיידקים. הגישה המטה-גנומית פתחה בפנינו עולם שלם של מיקרואורגניזמים, לימדה אותנו על המגוון של המיקרואורגניזמים המאכלסים נישות שונות בגופנו, ומעבר לכך, לימדה אותנו על הפוטנציאל התפקודי של החיידקים. על אף ההכרה בחשיבות החיידקים, חקר החיידקים המצויים בגוף האדם החל לצבור תאוצה זמן רב לאחר הגילויים הראשונים, והמונח "מיקרוביוטה" הוטבע רק בשנת 2001. המיקרוביוטה היא אוכלוסיית המיקרואורגניזמים הנמצאת במערכת העיכול בתוך כל אחד מאיתנו ומורכבת מחיידקים, ארכיאה, אאוקריוטים ווירוסים. מערכת העיכול נמצאת בחזית מחקר המיקרוביוטה מאחר והיא מכילה בתוכה את אחת מאוכלוסיות החיידקים הצפופות ביותר על פני כדור הארץ. מערכת העיכול האנושית היא המאוכלסת ביותר בחיידקים מכל מערכות הגוף, ומכילה מיליארדי תאים חיידקיים מאלפי סוגים שונים, שהרכבם המדוייק משתנה בבריאות ובמחלה. הוכח שמרבית החיידקים במערכת העיכול משתייכים לשתי מערכות, Bacteriodetes ו Firmicutes. מאמרים מדעיים שהתפרסמו בעשורים האחרונים תמכו בטענה שלמיקרואורגניזמים יש תפקידים מכריעים במצבי בריאות ובמחלות שונות של האורגניזם המאכסן. מחקרים רבים לימדו אותנו שהמיקרוביוטה מורכבת מ 1014 תאים, בהשוואה לכמות התאים האנושיים אשר מספרם מגיע ל 1013, במילים אחרות, ישנם פי עשרה תאים השייכים למיקרוביוטה, מאשר תאים השייכים למאכסן. בנוסף, היקף הגנום החיידקי גדול פי 100 מגנום המאכסן האנושי [1] טריליוני מיקרואורגניזמים המאכלסים את המעי. ה"מיקרוביום", מכלול הגנים השייכים למיקרוביוטה מקודד ליכולות שונות, בין היתר יכולות מטבוליות, אשר לבני האדם אין בהעדרו. המיקרוביוטה והמאכסן עברו אבולוציה משותפת המאפשרת יחסים הדדיים, המועילים לשני הצדדים. נסו לתאר עולם ללא חיידקים, האם עולם כזה יכול היה להתקיים? השאלה האם החיידקים הכרחיים לקיומנו החלה להחקר בשנת 1946 על ידי [ Reyniers[2], כאשר הותוו העקרונות ההנדסיים שאיפשרו את גידולן של חולדות סטריליות (germ free), ובהמשך של עכברים סטריליים, הנקיים ממיקרואורגניזמים [3]. אלו מהווים עד היום כלי ניסוי מרכזי וחשוב. האינטראקציה המורכבת והמגוונת בין המיקרוביוטה למאכסן נחקרת רבות על ידי שימוש בעכברים סטריליים, אשר גדלים ללא חיידקים, וירוסים, פטריות ופרזיטים לאורך כל משך חייהם. המאפיינים הסטריליים גורמים לחיות אלו להיות מודל מצוין לחקר מערכת היחסים בין המיקרוביוטה והמאכסן. בעזרת שימוש במודל זה ניתן לחקור את התרומה הפיזיולוגית והפתולוגית של מיקרואורגניזמים במצבים שונים של בריאות ומחלה. בנוסף, מערכת זו מאפשרת לחקור את התפקיד של מיקרואורגניזמים ספציפיים, תחום הנקרא Gnotobiology. למיקרוביוטה הנמצאת במערכת העיכול של כל אחד ואחת השפעה רבה על הפיזיולוגיה של מחלות המאכסן. עכברים סטריליים מהווים כלי חשוב ביותר להבנת המנגנונים המעורבים. כבר בשנת 1885, Pasteur הציג את העיקרון של חיות סטריליות, כאשר חקר את מערכת היחסים בין חיידק והמאכסן. בהתבסס על תצפיות שאסף, קבע Pasteur שהחיים ללא חיידקים אינם אפשריים, קביעה שזכתה לתומכים ומתנגדים לאורך השנים. כיום אנו מתייחסים למיקרוביוטה כאיבר הנעלם, הנשכח, אשר לא קיבל את תשומת הלב הראויה עד עתה, וכיום זוכה להבנת החשיבות והתרומה המשמעותית למגוון תהליכים המתרחשים בגוף המאכסן. מערכת היחסים המורכבת בינינו לבין החיידקים בתוכנו נחקרת בצורה אינטנסיבית. מחקרים רבים נעשו על הקשר בין מחלות מטבוליות והמיקרוביוטה. מחקרים אלו התמקדו בתחומים כגון סרטן, השמנה, כבד שומני, סוכרת ומחלות לב. במספר מחקרים הראו שהמיקרוביוטה של חולדות יכולה לעכב את הקישור של חומרים גורמי סרטן, ובכך למנוע השנות של סרטן [4][5]. בנוסף, מחקרים שונים הוכיחו, שלמיקרוביוטה יש יכולת לשנות את ביטוי הגנים בכבד, ובכך להשפיע על התגובה לתרופות שונות [6].

מערכת העיכול נמצאת בחזית מחקר המיקרוביוטה מאחר והיא מכילה בתוכה את אחת מאוכלוסיות החיידקים הצפופות ביותר על פני כדור הארץ. מערכת העיכול האנושית היא המאוכלסת ביותר בחיידקים מכל מערכות הגוף, ומכילה מיליארדי תאים חיידקיים מאלפי סוגים שונים, שהרכבם המדוייק משתנה בבריאות ובמחלה.

המיקרוביוטה משפיעה על התפתחות התסמונת המטבולית

השמנה וסינדרומים מטבוליים הפכו בשנים האחרונות למגיפה עולמית. אחד הגורמים החשובים בהשמנה הוא המאזן האנרגטי, אשר מושפע גם הוא מהמיקרוביוטה [7]. המעי בבני האדם מאוכלס על ידי כמות אדירה של חיידקים, הכוללים בעיקר כאלף זנים של חיידקים אנאירוביים. המיקרוביוטה יכולה להחשב כאיבר מטבולי הממלא תפקודים הכרחיים אשר בלעדיהם התפתחותנו ותפקודינו נפגמים. חלק מהתפקודים הללו כוללים עיכול של מרכיבי מזון שאין ביכולתנו לעכל כגון פוליסכרידים שמקורם בצמחים, סינתזה של ויטמינים, פירוק של מלחי מרה ועוד. במספר מחקרים נמצא כי בניגוד לעכברים המאוכלסים על ידי המיקרוביוטה, עכברים סטריליים מוגנים מהשמנה הנגרמת על ידי צריכה של דיאטה מערבית עשירה בשומן וסוכר. מחקרים נוספים הראו שהשמנה מלווה בשינויים בהרכב אוכלוסיית המיקרוביוטה במעי כאשר גם בעכברים וגם בבני אדם השמנה מלווה בעלייה בכמות היחסית של חיידקים Firmicutes וירידה בכמות[ Bacteroidetes [8. בנוסף, כיום אנו מבינים שהדמיון בין בני אדם שונים איננו נובע מהדמיון בהרכב החיידקים, אלא בהרכב הגנים המבוטאים על ידי החיידקים והרכב החומרים המיוצרים על ידי החיידקים התורמים לתפקודים דומים, כגון פונקציות מטבוליות. על פי גישה זו, כל אדם מהווה בית גידול לאוכלוסיית מיקרוביוטה ייחודית, כאשר הכוחות הפועלים לשימור אוכלוסיות שונות בבתי גידול שונים אינם ידועים.

מערכת החיסון המולדת כמפתח לשליטה בהרכב המיקרוביוטה

בקרב יונקים, משטחים ריריים, מוקוזליים, מכילים אוכלוסייה צפופה מאוד של חיידקים. לכן, אחד מקווי ההגנה החשובים של הגוף נמצא במערכת העיכול, בה שכבה דקה של תאי אפיתל חוצצת בין המאכסן והמיקרוביוטה. נוכחות החיידקים מחייבת קיום של מנגנוני הגנה אצל המאכסן שיקנו יכולת לזהות חיידקים מחוללי מחלות ולהבטיח שמירה על סטריליות האיברים הלא ריריים בגוף. תאוריית ההכרה על ידי מערכת החיסון המולדת, אשר הוצעה על ידי שני חוקרים מובילים, Janeway ו[ Medzhitov [9][10 טוענת, שהמיקרוביוטה מזוהה על ידי קולטנים שונים השייכים למערכת החיסון המולדת שמזהים מרכיבים שמורים במיקרוביוטה וגורמים להפעלת תגובה אנטי מיקרוביאלית. במשטחים המאוכלסים בצפיפות רבה על ידי המיקרוביוטה, כגון המעי, תגובה אנטי מיקרוביאלית תוביל לסילוק חיידקים מועילים, ואף עלולה לגרום למצב של דלקת כרונית. לכן, במשך זמן רב, ההנחה היתה שהמאכסן צריך להימנע מזיהוי של חיידקים במשטחים ריריים. שינוי תפיסתי חל כאשר ראו שעכברים בעלי מוטציות בקולטנים השייכים למערכת החיסון המולדת מכילים אוכלוסיית מיקרוביוטה לא תקינה, מצב המכונה dysbiosis, וששינוי הרכב זה גורם לעכברים להיות יותר מועדים לפתח מחלות דלקתיות [11]. מאז ועד היום, מחקרים רבים הוכיחו שיש השפעה הדדית בין מערכת החיסון המולדת ובראשם הקולטנים המזהים את המיקרוביוטה לבין המיקרוביוטה. המיקרוביוטה נחוצה לשם התפתחות ותפקוד תקינים של מערכת החיסון המולדת, כאשר מהצד השני, מערכת החיסון שומרת על הרכב יציב של אוכלוסיית המיקרוביטה. כאשר אחד מהצדדים לא פועל באופן תקין, אם ישנה הפרעה לפעילות מערכת החיסון שנגרמת בהעדר המיקרוביוטה, או הרכב לא תקין של המיקרוביוטה בהעדר תפקוד תקין של מערכת החיסון המולדת, יכולה להיגרם מחלה. ישנם מנגנונים שונים אצל המאכסן המאפשרים לו לשמור על הרכב תקין של המיקרוביוטה. הקולטנים הראשונים שנחקרו אשר מזהים את המיקרוביוטה הם ה Toll like receptors [11][12][13. זיהוי המיקרוביוטה מתבסס על זיהוי של מרכיבים שמורים, כגון מולקולות שמורות, הייחודיות למיקרואורגניזמים. לאחר זיהוי המרכיבים השמורים, ישנה הפעלה של מסלולי סיגנל שונים הגורמים לתגובה דלקתית. המיקרוביוטה חשובה במצבי בריאות ומחלה ומספקת יכולות מטבוליות הכרחיות למאכסן. במספר מחקרים, החוקרים מצאו שהמיקרוביוטה יכולה להיות אחראית למחלות מטבוליות ותפקוד פגום של מערכת החיסון המולדת יכול להוביל לשינוי הרכב המיקרוביוטה. במחקר שנעשה על ידי Gewirtz וקבוצתו נמצא, שעכברים שחסרים את הקולטן TLR5, השייך למערכת החיסון המולדת ומתבטא במעי, מפתחים סינדרום מטבולי שבא לידי ביטוי בצריכה מוגברת של מזון, תנגודת לאינסולין ועלייה בכמות רקמת השומן. עוד נמצא שהשינויים המטבוליים מלווים בשינויים בהרכב המיקרוביוטה. כאשר עכברים סטריליים הוחזקו בכלוב אחד עם עכברים החסרים את TLR5, המיקרוביוטה הייחודית לעכברי TLR5 הועברה לעכברים הסטריליים, והעברה זו לוותה גם בהעברה של הסינדרום המטבולי. תוצאות אלו תומכות בהשערה, שהרכבים מסויימים של המיקרוביוטה יכולים לתרום לסינדרום מטבולי, ומציעות שמערכת החיסון המולדת משחקת תפקיד מפתח בשמירה על הרכב מיקרוביוטה תקין ומניעה של סינדרום מטבולי ומחלות אחרות [14]. בניגוד לעבודה זו, מחקר אחר טען שהרכב האוכלוסייה המיקרוביאלית לא משתנה בעקבות העדר תפקוד [TLR5 [15, עובדה המרמזת על חשיבות בית הגידול של העכברים בהשפעה על הרכב החיידקים. בנוסף להשפעה של TLR על הרכב האוכלוסייה המיקרוביאלית, לקולטנים אלו השפעה חשובה על התרבות של זני חיידקים ספציפיים כגון החיידק הסימביונטי Bacteroides Fragilis אשר גורם להפעלה של TLR2 ויצירת נישה מתאימה להתרבות של החיידק [16]. בנוסף ל TLR, ה Receptors Nod Like (NLR) הינם קולטנים השייכים למערכת החיסון המולדת ומופעלים על ידי מגוון רחב של מולקולות ייחודיות למיקרואורגניזמים, אך גם על ידי מולקולות המצביעות על נזק בתאי המאכסן. הקולטן NOD1 מזהה פפטידוגליקן מחיידקים גרם שליליים וגורם ליצירה של איברים לימפואידים במעי בנוסף לגירוי יכולת ההרג של תאים נויטרופילים [17][18]. עכברים חסרי NOD2 נושאים אוכלוסייה גדולה יותר של חיידקים מועילים ומציגים יכולת פחותה לסילוק של חיידקים מחוללי מחלה [19]. חלק מהחלבונים השייכים למשפחת ה NLR מסוגלים, תחת תנאים מסויימים ומבוקרים היטב, ליצור קומפלקס רב חלבוני בתא הקרוי אינפלמזום, אשר התגלה לראשונה בשנת 2002 על ידי[schoppT [20. האינפלמזום הוא חיישן המנטר את אוכלוסיית החיידקים ונוצר על ידי שורה של אותות המועברים בתא. האינפלמזום יכול לעבור אקטיבציה לאחר חישה של מולקולות השייכות למיקרוביוטה או מולקולות השייכות למאכסן ומצביעות על נזק לתא. לאחר הפעלתו, גורם האינפלמזום להפעלת הפרוטאז הקרוי aspase 1c אשר מבקע את הציטוקינים, IL18  ו IL1b לצורתם הפעילה, וכך מפעיל תגובה דלקתית. האינפלמזום מהווה מרכיב מפתח במערכת החיסון המולדת. מספר מחקרים הוכיחו, שכאשר יש מחיקה של האינפלמזום הנקרא NLRP6, ישנה ירידה בכמות הציטוקינים והתפתחות של אוכלוסיית מיקרוביוטה לא תקינה, אשר גורמת לעכברים להיות רגישים להתפתחות מחלות מעי דלקתיות, סרטן וסינדרום מטבולי [21]-[23]. בכל המחקרים הללו, הוכח בצורה ברורה שישנו קשר בין המיקרוביוטה לבין התפתחות מחלות שונות, כאשר המיקרוביוטה יכולה להעביר את הרגישות להפתחות מחלה בין פרטים שונים. בנוסף, NLRP6 ממלא תפקיד מפתח בהגנה מפני הדבקה בחיידקים פתוגנים. עכברים חסרי NLRP6 רגישים יותר להדבקה על ידי הפתוגן Rodentium Citrobacter, שבאה לידי ביטוי במצב פתולוגי חמור יותר מעכברים נורמליים בעקבות הדבקה [24]. אחד המנגנונים שבהם NLRP6 תורם להגנה מפני גורמי מחלה במעי הוא רגולציה של תאי הגביע במעי (goblet cells). חשיבותם של תאי הגביע במעי לשמירה על מצב בריא אינה מוטלת בספק, לדוגמא, עכברים שאינם מכילים תאי גביע נוטים לסבול ממחלות וזיהומים שונים. בין היתר, פעילותם של תאי הגביע במעי כוללת הפרשה של מוקוס, חומר אנטי מיקרוביאלי, לחלל המעי, אשר מונע מחיידקים לחדור את דופן המעי לחלל הסטרילי של הגוף. במחקר משותף אשר התבצע במעבדותיהם של Elinav, Flavell ו Finlay, התגלה שללא אינפלמזום נפגמת הפרשת שכבת המוקוס במעי, ולכן חיידקים יכולים לחדור בקלות לרקמה [24]. בנוסף לקולטנים המוזכרים, ישנם קולטנים נוספים, המבקרים ושומרים על יחסי גומלין תקינים בין המאכסן והמיקרוביטה באזורים המאוכלסים בצפיפות על ידי מיקרוביוטה. לדוגמא, הפעלה מקבילה של שני הקולטנים NLRP3 ו NLRC4 בתגובה להדבקה על ידי הפתוגן [Typhimurium Salmonella [25. בנוסף לחיידקים, המיקרוביוטה מכילה גם פטריות המזוהות על ידי קולטנים ייחודיים כגון Dectin1 המזהה מרכיב המצוי כמעט בכל הפטריות. בעכברים אשר חסרים את Dectin1 נוצרת רגישות יתר להתפתחות קוליטיס הנובעת מיכולת פגומה להתמודד עם קולוניזציה של פטריות [26].

המיקרוביוטה משפיעה על התפתחות ותפקוד מערכת החיסון

השמירה על אוכלוסיית מיקרוביוטה יציבה על ידי זרועות מערכת החיסון המולדת היא רק צד אחד של מערכת היחסים המתקיימת בין המיקרוביטה והמאכסן. מהצד השני, המיקרוביטה משפיעה על התפתחות מערכת החיסון. כאשר ישנה חשיפה לא מספקת למיקרוביוטה בשלבים מוקדמים של החיים ישנה רגישות להתפתחות של מחלות דלקתיות ואוטואימוניות שונות, כגון אלרגיה, אסטמה, מחלות מעי דלקתיות וטרשת נפוצה. היפותזה זו, הנקראת תאוריית ההגיינה, הוצעה לפני כעשרים שנים, אולם ההוכחות לתאוריה זו החלו להופיע רק בשנים האחרונות. המיקרוביוטה משפיעה על התפתחות תאים הנקראים sinnate lymphoid cell השייכים למערכת החיסון המולדת, אשר מהצד השני משפיעים על הרכב האוכלוסית המיקרוביאלית [27]. בנוסף, המיקרוביוטה משפיעה גם על מספרם של תאים לימפוציטים מסויימים מסוג T [28].    [break בשנים האחרונות היינו עדים להתקדמות אדירה בחקר אוכלוסיות החיידקים, אשר מאפשרת לחקור את כל החיידקים הקיימים, ואף לזהות מינים חדשים של חיידקים באמצעות ריצוף גנים, ובראשם ריצוף הגן s16 הריבוזומלי, המאפשר להפריד בין חיידקים שונים. תחום חדש זה, המכונה מטה-גנומיקה, מספק לחוקרים תבניות, המאפיינות את אוכלוסיות החיידקים הקיימות במערכת העיכול ובסביבות נוספות, ומאפשר בניית עצים אבולוציוניים של חיידקים

הקשר בין המיקרוביוטה לסרטן

הקשר בין דלקת לסרטן הוצע לראשונה במאה ה-19 על ידי המדען הגרמני Virchow, שהבחין בתסנין של תאים לויקוציטים לתוך רקמה סרטנית, ושיער שמדובר בתאים המגיעים לאזור בעקבות דלקת כרונית [29]. כיום הקשר בין סרטן ודלקת הולך ומתבהר, כאשר מחקרים מראים שאחד מכל חמישה מקרים של סרטן קשור להדבקה חיידקית. הדוגמאות המבוססות ביותר לקשר בין סרטן ומיקרואורגניזמים הן Human Papillomavirus, Hepatitis ו- Helicobacter Pylori. במקרה של וירוסים, הקשר הקשר בין הדבקה ויראלית וגידול סרטני תועד לראשונה לפני כמאה שנים כאשר תוארה יכולת ההעברה של לוקימיה בעופות [30]. עבור חיידקים, העיקרון של חיידקים הגורמים לסרטן מתועד בעיקר במקרים של Helicobacter Pylori ואדנוקרצינומה גסטרית, כמו כן במקרה של Salmonella Typhimurium וסרטן כיס המרה. הרכב המיקרוביוטה ברקמות סרטניות מגוון פחות, וחיידקים מסויימים מעורבים בהתפתחות סרטן. האזור החשוף ביותר בגוף להשפעה חיידקית וזיהומים פתוגנים הוא מערכת העיכול. עם זאת, ההשפעה החיידקית על סרטן המעי הגס היתה מעורפלת עד לאחרונה, כאשר הועלתה ההשערה שאפילו חיידקים מועילים ממלאים תפקיד בהתפתחות הסרטן, ויכולים במצבי מחלה להפוך לחיידקים מחוללי מחלה,  pathobionts. מספר מחקרים הראו, שמטופלים החולים בדלקות מעי כגון קרוהן וקוליטיס, מועדים יותר לפתח סרטן במעי הגס, כאשר משך המחלה נמצא בקורלציה עם הסיכוי לפתח סרטן [31][32]. העדויות לכך שהמיקרוביוטה מעורבת בדלקות מעי כרוניות הולכות ומצטברות בשנים האחרונות, וכעת ברור גם שדלקת כרונית היא בעלת תפקיד חשוב בהתפתחות סוגי סרטן שונים. בקרב חולים בסרטן המעי הגס, המיקרוביוטה מכילה יותר חיידקים אנאירוביים השייכים לקבוצות בהשוואה לאנשים בריאים [33][34]. כאמור, אחד המנגנונים בהם המיקרוביוטה משפיעה על המאכסן היא דרך פעילות מטבולית השומרת על שיווי משקל תקין. נמצא שהרכב המיקרוביוטה השונה בקרב חולי סרטן המעי הגס משפיע על ייצור חומצת השומן הקצרה בוטיראט [35], אשר מורידה את הנזק החימצוני ל DNA, מעודדת מוות תאי בעקבות נזק, ומעכבת את קצב גידול התאים הסרטניים [36]. המיקרוביוטה הנורמלית ידועה בכך שהיא מייצרת ומשחררת רעלנים שיכולים להיקשר לקולטנים על פני התאים של המאכסן, וכך להשפיע על מסלולי הסיגנל בתא. דוגמא לרעלן המיוצר על ידי חיידקים ומשפיע על התפתחות סרטן הוא bacteroides fragilis toxin, הנקשר לתאי אפיתל במעי ומעודד גדילה של התאים, קוליטיס, ואף גידולים במעי [37]. הקשר בין המיקרוביוטה וסרטן התחזק, כאשר ראו, שבעכברים שגדלים תחת תנאים סטריליים יש עיכוב בהתפתחות של קוליטיס בנוסף לעיכוב ביצירה של גידולים, בהשוואה לעכברים הגדלים בתנאים קונבנציונליים [38]. מערכת החיסון במוקוזה עוברת קו-אבולוציה עם המיקרוביוטה כבר בתהליך הלידה, ורוכשת את היכולת מחד להגיב לפתוגנים או גורמים זרים, ומאידך להיות סבילה לחיידקים השייכים למיקרוביוטה הנורמלית ולאנטיגנים המגיעים מהמזון. לקולטנים השייכים למערכת החיסון המולדת יש חשיבות רבה בחישה של אוכלוסיית המיקרוביוטה במעי ושמירה על תקשורת תקינה בין החלק הפרוקריוטי והאאוקריוטי של המערכת, מאחר והיא יכולה לחוש באותות המצביעים על אובדן שיווי המשקל היכול לדוגמא להיגרם מהדבקה על ידי פתוגן. בנוסף לתפקיד הקולטנים בעיצוב ושמירה על הרכב מיקרוביוטה תקין במעי, הם ממלאים תפקיד חשוב במניעה של גידולים במעי. חוסר בקולטן NOD1 נמצא כגורם להתפתחות גידולים, אך כאשר היתה מחיקה של המיקרוביוטה בעכברים אלו חל עיכוב בהתפתחות הגידולים. הוכחה  נוספת לקשר בין הרצפטורים השייכים למערכת החיסון המולדת והתפתחות של סרטן התקבלה כאשר ראו שעכברים חסרי TLR2 מועדים יותר להתפתחות של סרטן המעי הגס [39]. בנוסף לתפקידם ברגולציה של הרכב החיידקים במעי וההשפעה על תגובות חיסוניות השייכות הן לזרוע המולדת והן לזרוע הנרכשת של מערכת החיסון, קומפלקס האינפלמזום ממלא תפקיד חשוב במניעת גידולים במעי  [22],[40]-[43]. לדוגמא, נמצא שעכברים החסרים את אחד ממרכיבי האינפלמזום הנקראים ASC ו Caspase1 מציגים מחלה חמורה יותר, פתולוגיה חמורה יותר ויצירה של יותר פוליפים, בהשוואה לעכברים נורמלים. בנוסף, עכברים החסרים את האינפלמזום NLRP6 מפתחים מחלה חמורה יותר, שאף מועברת לעכברים נורמלים בתיווך של המיקרוביוטה הלא תקינה בעכברים אלו [21]. ההכרה בכך שהמיקרוביוטה יכולה להשפיע על התפתחות סרטן המעי הגס מצדיקה את המחקר שנעשה בתחום ואת חקר הרכב המיקרוביוטה וניצולו למטרות מניעתיות וטיפוליות, למשל באמצעות טיפול פרוביוטי.

מחקרים רבים לימדו אותנו שהמיקרוביוטה מורכבת מ 1014 תאים, בהשוואה לכמות התאים האנושיים שמספרם מגיע ל 1013. במילים אחרות, ישנם פי עשרה תאים השייכים למיקרוביוטה, מאשר תאים השייכים למאכסן. בנוסף, היקף הגנום החיידקי גדול פי 100 מגנום המאכסן האנושי. 

האינטראקציה בין המיקרוביוטה ומערכת החיסון דרך מטבוליטים

עד היום, מרבית המחקר שנעשה בחקר האינטרקציה בין המיקרוביוטה ומערכת החיסון התמקד במולקולות חיידקיות כגון מולקולות המוצגות על פני התאים וחומצות גרעין, כאשר מאידך מעט תשומת לב ניתנה לדרך אחרת של תקשורת בין החיידקים ומערכת החיסון שהיא מטבוליטים. מטבוליטים הם מולקולות קטנות שמהוות תוצרי ביניים, או תוצרים סופיים לפירוק של מרכיבי מזון שונים המתבצע על ידי חיידקים. הרכב הדיאטה משפיע בצורה דרמטית על הרכב ותפקוד המיקרוביוטה, השפעה הניכרת בתוך ימים בודדים [44]. פוליסכרידים צמחיים, אשר אינם ניתנים לעיכול על ידי המאכסן, כגון צלולוז, מהווים מרכיב נכבד בהרכב הדיאטה ההומנית. תסיסת פוליסכרידים על ידי חיידקים יוצרת חומצות שומן קצרות כגון אצטט, בוטיראט ופרופיונאט. לאחרונה הצטברו עדויות לכך שחומצות שומן קצרות אלו מבקרות את המטבוליזם של המאכסן, ומשפיעות גם על התגובה החיסונית. לדומא, נמצא שחומצות שומן קצרות מורידות את התגובה החיסונית, ועכברים שאינם יכולים להעביר אותות דרך חומצות השומן הקצרות מפתחים קוליטיס, אסטמה ודלקות פרקים [45]. בנוסף, שלושה מחקרים, אשר התפרסמו לאחרונה, הראו שישנו קשר ישיר בין חומצות השומן הקצרות לבין רגולציה של תאי T רגולטוריים [46]. בנוסף, חומצות השומן הקצרות יכולות להיות מנוצלות על ידי תאי האפיתל במעי בתור מקור אנרגיה [47]. המיקרוביוטה ממלאת תפקיד חשוב גם במטבוליזם של חומצות אמינו, מאחר ורק עשר חומצות אמינו יכולות להיות מיוצרות על ידי המאכסן כאשר יתר חומצות האמינו מסופקות מהמזון ועוברות מטבוליזם על ידי המיקרוביוטה [48]. בנוסף לתפקיד חומצות האמינו במטבוליזם של המאכסן, נמצא שלחלק מחומצות האמינו יש גם תפקיד ברגולציה של תגובות חיסוניות. דוגמא בולטת לכך היא חומצת האמינו טריפטופן, אשר יכולה להשפיע על קצב הגידול של תאי לימפוציטים מסוג T. בנוסף, חוסר בחומצת האמינו טריפטופן משפיע על הרכב ותפקוד המיקרוביוטה [49]. חומצת האמינו ארגינין משפיעה על התגובה החיסונית במהלך הדבקה על ידי פתוגנים [50]. בנוסף לתרומת המיקרוביוטה למטבוליזם של חומצות אמינו, ישנה חשיבות גם במטבוליזם של ויטמינים. לדוגמא, חיידקים מסויימים במעי כגון bifidobacterium ו- Lactobacilli יכולים ליצור את הויטמין 9B [51][52. לויטמינים A, C וחלק מ B יש השפעה על מנגנוני ההגנה של המאכסן. ויטמין A והמטבוליט חומצה רטינואית הם הדוגמא הבולטת ביותר לכך. חוסר בויטמין A יכול לגרום לרגישות גבוהה יותר להדבקה על ידי פתוגנים [53]. בנוסף, לילדים בעלי רמות נמוכות של ויטמין A יש מחסור בתאי T [54]. ויטמינים נוספים, אשר חשובים  לתגובה החיסונית הם 9B ו 12B. ויטמין D משפיע על האקטיבציה של תאי T וחוסר בויטמין זה מעלה את הרגישות לפתח מחלות מעי דלקתי וסרטן המעי הגס [55]. המחקר בתחום המטבוליטים מהמיקרוביוטה והאינטרקציה שלהם עם מערכת החיסון הוביל את הקהילה המדעית להבנה מנגנונית של יחסי הגומלין בין המיקרוביוטה והמאכסן. החשיבות הרבה והפוטנציאל של מטבוליטים מהמיקרוביוטה כווסתים של התגובה החיסונית מובילה למחקר שיאפשר שימוש במטבוליטים להשפעה ושינוי של תגובות חיסוניות ודלקת.

המיקרוביוטה נחוצה לשם התפתחות ותפקוד תקינים של מערכת החיסון המולדת, כאשר מהצד השני, מערכת החיסון שומרת על הרכב יציב של אוכלוסיית המיקרוביטה. כאשר אחד מהצדדים לא פועל באופן תקין, אם ישנה הפרעה לפעילות מערכת החיסון שנגרמת בהעדר המיקרוביוטה, או הרכב לא תקין של המיקרוביוטה בהעדר תפקוד תקין של מערכת החיסון המולדת, יכולה להיגרם מחלה.

לסיכום

מיקרוביוטה היא בעלת  תפקיד מרכזי בתחומים שונים הנסקרו כאן ובתחומים מגוונים נוספים. מחקרים רבים מוכיחים שהמיקרוביוטה ומערכת החיסון המולדת מקיימים יחסים הדדים. ישנה תרומה נרחבת של המיקרוביוטה לפיזיולוגיה של המאכסן, כאשר הפרה של שיווי המשקל העדין הקיים בין המאכסן והמיקרוביוטה יכולה לגרום להתפתחות מחלות שונות. פיתוח גישות לזיהוי הרכב המיקרוביוטה במצבי מחלה יכול לשמש ככלי לאבחון מחלות מעיים דלקתיות ומחלות מטבוליות, אולי אף לפני הופעת תסמיני מחלה. בנוסף, זיהוי של אוכלוסיות ספציפיות של חיידקים במצבים פיזיולוגיים ופתולוגים ייחודיים יכול לשמש גם כאמצעי וגישה חדשה לריפוי של מחלות מטבוליות, סרטן ודלקות. 

 

Referenes:

1. Xu, J. and J.I. Gordon, Honor thy symbionts. Proc Natl Acad Sci U S A, 2003. 100(18): p. 10452-9.

 

2. Reyniers, J.A., P.C. Trexler, and R.F. Ervin, Rearing germ-free albino rats. Lobund reports, 1946(1): p. 1-84.

3. Pleasants, J.R., Rearing germfree cesarean-born rats, mice, and rabbits through weaning. Ann N Y Acad Sci, 1959. 78: p. 116-26.

4. Chin, S.F., et al., Conjugated linoleic acid (9,11- and 10,12-octadecadienoic acid) is produced in conventional but not germ-free rats fed linoleic acid. J Nutr, 1994. 124(5): p. 694-701.

5. Morton, K.C. and C.Y. Wang, Enhanced macromolecular binding of N-[4-(5-nitro-2-furyl)-2-thiazolyl]- formamide in germfree versus conventional rats. Cancer Res, 1983. 43(8): p. 3628-32.

6. Bjorkholm, B., et al., Intestinal microbiota regulate xenobiotic metabolism in the liver. PLoS One, 2009. 4(9): p. e6958.

7. Backhed, F., et al., The gut microbiota as an environmental factor that regulates fat storage. Proc Natl Acad Sci U S A, 2004. 101(44): p. 15718-23.

8. Turnbaugh, P.J., et al., An obesity-associated gut microbiome with increased capacity for energy harvest. Nature, 2006. 444(7122): p. 1027-31.

9. Medzhitov, R., Approaching the asymptote: 20 years later. Immunity, 2009. 30(6): p. 766-75.

10. Janeway, C.A., Jr., Approaching the asymptote? Evolution and revolution in immunology. Cold Spring Harb Symp Quant Biol, 1989. 54 Pt 1: p. 1-13.

11. Rakoff-Nahoum, S., et al., Recognition of commensal microflora by toll-like receptors is required for intestinal homeostasis. Cell, 2004. 118(2): p. 229-41.

12. Slack, E., et al., Innate and adaptive immunity cooperate flexibly to maintain host-microbiota mutualism. Science, 2009. 325(5940): p. 617-20.

13. Medzhitov, R., P. Preston-Hurlburt, and C.A. Janeway, Jr., A human homologue of the Drosophila Toll protein signals activation of adaptive immunity. Nature, 1997. 388(6640): p. 394-7.

14. Vijay-Kumar, M., et al., Metabolic syndrome and altered gut microbiota in mice lacking Toll-like receptor 5. Science, 2010. 328(5975): p. 228-31.

15. Ubeda, C., et al., Familial transmission rather than defective innate immunity shapes the distinct intestinal microbiota of TLR-deficient mice. J Exp Med, 2012. 209(8): p. 1445-56.

16. Round, J.L., et al., The Toll-like receptor 2 pathway establishes colonization by a commensal of the human microbiota. Science, 2011. 332(6032): p. 974-7.

17. Bouskra, D., et al., Lymphoid tissue genesis induced by commensals through NOD1 regulates intestinal homeostasis. Nature, 2008. 456(7221): p. 507-10. 18. Clarke, T.B., et al., Recognition of peptidoglycan from the microbiota by Nod1 enhances systemic innate immunity. Nat Med, 2010. 16(2): p. 228-31

19. Petnicki-Ocwieja, T., et al., Nod2 is required for the regulation of commensal microbiota in the intestine. Proc Natl Acad Sci U S A, 2009. 106(37): p. 15813-8.

 

20. Martinon, F., K. Burns, and J. Tschopp, The inflammasome: a molecular platform triggering activation of inflammatory caspases and processing of proIL-beta. Mol Cell, 2002. 10(2): p. 417-26.

 

21. Hu, B., et al., Microbiota-induced activation of epithelial IL-6 signaling links inflammasome-driven inflammation with transmissible cancer. Proc Natl Acad Sci U S A, 2013. 110(24): p. 9862-7.

 

22. Elinav, E., et al., NLRP6 inflammasome regulates colonic microbial ecology and risk for colitis. Cell, 2011. 145(5): p. 745-57.

 

23. Henao-Mejia, J., et al., Inflammasome-mediated dysbiosis regulates progression of NAFLD and obesity. Nature, 2012. 482(7384): p. 179-85.

 

24. Wlodarska, M., et al., NLRP6 inflammasome orchestrates the colonic host-microbial interface by regulating goblet cell mucus secretion. Cell, 2014. 156(5): p. 1045-59.

 

25. Broz, P., et al., Redundant roles for inflammasome receptors NLRP3 and NLRC4 in host defense against Salmonella. J Exp Med, 2010. 207(8): p. 1745-55.

 

26. Iliev, I.D., et al., Interactions between commensal fungi and the C-type lectin receptor Dectin-1 influence colitis. Science, 2012. 336(6086): p. 1314-7.

 

27. Sanos, S.L., et al., RORgammat and commensal microflora are required for the differentiation of mucosal interleukin 22-producing NKp46+ cells. Nat Immunol, 2009. 10(1): p. 83-91.

 

28. Wei, B., et al., Commensal microbiota and CD8+ T cells shape the formation of invariant NKT cells. J Immunol, 2010. 184(3): p. 1218-26.

 

29. Balkwill, F. and A. Mantovani, Inflammation and cancer: back to Virchow? Lancet, 2001. 357(9255): p. 539-45.

 

30. Hu, W.Y., F.D. Bushman, and A.C. Siva, RNA interference against retroviruses. Virus Res, 2004. 102(1): p. 59-64.

 

31. Jess, T., C. Rungoe, and L. Peyrin-Biroulet, Risk of colorectal cancer in patients with ulcerative colitis: a meta-analysis of population-based cohort studies. Clin Gastroenterol Hepatol, 2012. 10(6): p. 639-45.

 

32. Eaden, J.A., K.R. Abrams, and J.F. Mayberry, The risk of colorectal cancer in ulcerative colitis: a meta-analysis. Gut, 2001. 48(4): p. 526-35.

 

33. Arthur, J.C., et al., Intestinal inflammation targets cancer-inducing activity of the microbiota. Science, 2012. 338(6103): p. 120-3.

 

34. Sobhani, I., et al., Microbial dysbiosis in colorectal cancer (CRC) patients. PLoS One, 2011. 6(1): p. e16393.

 

35. Wang, T., et al., Structural segregation of gut microbiota between colorectal cancer patients and healthy volunteers. ISME J, 2012. 6(2): p. 320-9.

 

36. Rose, D.J., et al., Influence of dietary fiber on inflammatory bowel disease and colon cancer: importance of fermentation pattern. Nutr Rev, 2007. 65(2): p. 51-62.

 

37. Wu, S., et al., A human colonic commensal promotes colon tumorigenesis via activation of T helper type 17 T cell responses. Nat Med, 2009. 15(9): p. 1016-22.

 

38. Kim, S.C., et al., Variable phenotypes of enterocolitis in interleukin 10-deficient mice monoassociated with two different commensal bacteria. Gastroenterology, 2005. 128(4): p. 891-906.

 

39. Lowe, E.L., et al., Toll-like receptor 2 signaling protects mice from tumor development in a mouse model of colitis-induced cancer. PLoS One, 2010. 5(9): p. e13027.

 

40. Dupaul-Chicoine, J., et al., Control of intestinal homeostasis, colitis, and colitis-associated colorectal cancer by the inflammatory caspases. Immunity, 2010. 32(3): p. 367-78.

 

41. Allen, I.C., et al., The NLRP3 inflammasome functions as a negative regulator of tumorigenesis during colitis-associated cancer. J Exp Med, 2010. 207(5): p. 1045-56.

 

42. Hu, B., et al., Inflammation-induced tumorigenesis in the colon is regulated by caspase-1 and NLRC4. Proc Natl Acad Sci U S A, 2010. 107(50): p. 21635-40.

 

43. Chen, G.Y., et al., A functional role for Nlrp6 in intestinal inflammation and tumorigenesis. J Immunol, 2011. 186(12): p. 7187-94.

 

44. David, L.A., et al., Diet rapidly and reproducibly alters the human gut microbiome. Nature, 2014. 505(7484): p. 559-63.

 

45. Maslowski, K.M., et al., Regulation of inflammatory responses by gut microbiota and chemoattractant receptor GPR43. Nature, 2009. 461(7268): p. 1282-6.

 

46. Smith, P.M., et al., The microbial metabolites, short-chain fatty acids, regulate colonic Treg cell homeostasis. Science, 2013. 341(6145): p. 569-73.

 

47. Donohoe, D.R., et al., The microbiome and butyrate regulate energy metabolism and autophagy in the mammalian colon. Cell Metab, 2011. 13(5): p. 517-26.

 

48. Wise, D.R. and C.B. Thompson, Glutamine addiction: a new therapeutic target in cancer. Trends Biochem Sci, 2010. 35(8): p. 427-33.

 

49. Zelante, T., et al., Tryptophan catabolites from microbiota engage aryl hydrocarbon receptor and balance mucosal reactivity via interleukin-22. Immunity, 2013. 39(2): p. 372-85.

 

50. Rodriguez, P.C., et al., Arginase I production in the tumor microenvironment by mature myeloid cells inhibits T-cell receptor expression and antigen-specific T-cell responses. Cancer Res, 2004. 64(16): p. 5839-49.

 

51. Strozzi, G.P. and L. Mogna, Quantification of folic acid in human feces after administration of Bifidobacterium probiotic strains. J Clin Gastroenterol, 2008. 42 Suppl 3 Pt 2: p. S179-84.

 

52. Kleerebezem, M. and E.E. Vaughan, Probiotic and gut lactobacilli and bifidobacteria: molecular approaches to study diversity and activity. Annu Rev Microbiol, 2009. 63: p. 269-90.

 

53. Spencer, S.P., et al., Adaptation of innate lymphoid cells to a micronutrient deficiency promotes type 2 barrier immunity. Science, 2014. 343(6169): p. 432-7.

 

54. Butera, S.T. and S. Krakowka, Assessment of lymphocyte function during vitamin A deficiency. Am J Vet Res, 1986. 47(4): p. 850-5.

 

55. Wada, K., et al., Vitamin D receptor expression is associated with colon cancer in ulcerative colitis. Oncol Rep, 2009. 22(5): p. 1021-5.