Influencing mucosal homeostasis and immune

Mukozal homeostaziyi ve bağışıklık tepkilerini etkilemek:
Beslenmenin ve tıbbi ilaçların etkisi
Belinda van't Land a'b1 Marcel A. Schijfa b, Rocio Martin c, Johan Garssen b,d, Grada
M. van Bleeka
a
Department of Pediatrics, The Wilhelmina Children's Hospital, University Medical Center, Utrecht, the Netherlands b Department of
Immunology, Danone Research, Centre for Specialised Nutrition, Wageningen, The Netherlands c Department of Microbiology, Danone Research,
Centre for Specialised Nutrition, Wageningen, The Netherlands d Utrecht Institute for Pharmaceutical Sciences (UIPS), Utrecht, The Netherlands
Makale geçmişi:
26 Nisan 2011’de alındı
16 Mayıs 2011’de yeniden gözden geçirildi
22 Mayıs 2011’de kabul edildi
27 July 2011’den beri internettedir
Anahtar kelimeler:
Mukosal homeostazi
Beslenme
Mikrobiyal topluluk
İmmünofarmakoloji
Both nutrition and orally ingested drugs pass the gastrointestinal mucosa and
may affect the balance between the mucosal immune system and microbial
community herein, i.e. affecting composition of the microbial community as well
as the status of local immune system that controls microbial composition and
maintains mucosal integrity. Numerous ways are known by which the microbial
community stimulates mammalian host's immune system and vice versa. The
communication between microbiota and immune system is principally mediated
by interaction of bacterial components with pattern recognition receptors
expressed by intestinal epithelium and various local antigen-presenting cells,
resulting in activation or modulation of both innate and adaptive immune
responses. Current review describes some of the factors influencing
development and maintenance of a proper mucosal/immune balance,with
special attention to Toll like receptor signaling and regulatory T cell
development. It further describes examples (antibiotic use, HIV and asthma will
be discussed) showing that disruption of the balance can be linked to immune
function failure. The therapeutic potential of nutritional pharmacology herein is
the main focus of discussion.
© 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.
1 Corresponding author at: Department of Immunology, Danone Research, Centre for Specialised Nutrition, PO Box
7005,6700 CA Wageningen, The Netherlands. Tel.: +31 317 467 467863.
E-mail address: [email protected] (B. van't Land).
0014-2999/$ - see front matter © 2011 Elsevier B.V. All rights reserved. doi:10.1016/j.ejphar.2011.05.082
Contents
1.
1.1.
1.2.
2.
The mucosal/immune balance ......................................................................................................................................................................................................S102
The development of the balance starts at birth ..................................................................................................................................................................S102
First intervention establishing a lifelong balance ................................................................................................................................................................S102
Crosstalk between microbiota and immune system........................................................................................................................................................................S102
2.1.
Role of microbial recognition and response from the host ..................................................................................................................................................S102
2.2.
The role of microbiota in mucosal Treg development ..........................................................................................................................................................S103
2.3.
3.
Gastrointestinal modulation and the respiratory immune response ...................................................................................................................................S104
Balance disturbances ...................................................................................................................................................................................................................S104
3.1.
Immune disruption and the negative effect on microbial composition and disease progression (HIV) ...................................................................................S104
3.2.
Sensitive measurement of mucosal barrier disruption is lacking which complicates detailed investigation of the working mechanism
of immune modulation ...............................................................................................................................................................................................................................S104
3.3.
4.
Pharmaceutical interventions may unintentionally affect immune responsiveness .............................................................................................................S105
Immune intervention .....................................................................................................................................................................................................................S105
4.1.
The possibilities through nutrition ....................................................................................................................................................................................S105
4.2.
Summary ..........................................................................................................................................................................................................................S106
Acknowledgements ...................................................................................................................................................................................................................................S106
References ................................................................................................................................................................................................................................................S106
Mukozal/immün denge
Interaction between microbial community and human host is known to play a crucial role in the mucosal
homeostasis and health status of the host. The mucosa-associated lymphoid system tightly regulates this interaction
and, under normal conditions, prevents damaging inflammatory reactions by maintaining a tolerogenic state. A
proper mucosal barrier function therefore includes prevention of explicit pathogenic threats, while in the mean time
there is the need to suppress or moderate strong anti-microbial responses, and excessive inflammation.
1.1. The development of the balance starts at birth
The development of the immune system is enormously challenged to induce "specific” immune responses to
dangerous intruders (pathogens) and tolerance to non-dangerous substances such as food components and
environmental factors. As far as it can be determined, the fetus is mostly sterile before birth. Although there is some
evidence that maternal exposure to microbes occurs during pregnancy that may affect fetal immune development.
Infections with parasites and viruses during gestation have been shown to affect the infant's immune response
(Hughes et al., 1999; Santos et al., 2010). Infants born to mothers living in farm environments with high maternal
microbial exposure during gestation appear to be protected from the development of asthma (Douwes et al., 2008; Ege
et al., 2006). These infants have increased expression of innate immune system receptors at birth. Besides microbial
exposure during gestation the infant is exposed to a highly diverse microbial community at birth and thereafter which
requires a tremendous maturation of the immune system during the first months of life, a period when the infants are
highly susceptible to infections. During the early period of life the infant is protected to some extent by maternal
antibodies acquired via the placenta and breast milk. Different immune modulating substances are acquired via
breast milk as well. The mechanisms involved in such protection are far from being elucidated, but the interaction
with maternal delivered Toll-like receptor ligands may contribute to immune development (Conrad et al., 2009).
Directly upon delivery the neonate is for the first time exposed to a wide variety of microbes. The mode of delivery
shapes the acquisition and structure of the initial microbiota across multiple body habitats in newborns (DominguezBello et al., 2011). Although only a small proportion of the bacteria to which the baby is initially exposed colonizes,
the delivery mode is to some extent related to disease predisposition, which shows that the earliest exposure has a
crucial impact on the immune system of a child. For example: babies delivered by caesarian section are more
susceptible to allergies and asthma compared to children who are vaginally delivered (Bager et al., 2008; Negele et al.,
2004). To handle this first bacterial challenge without fatal inflammation, the babies are born with an immune system
biased to induce immunological tolerance characterized by a preferential induction of Tregs (Mold et al., 2008). Tregs
are particularly abundant and functional at birth and inhibit excessive immune responses whereby ultimately the
maintenance of peripheral T-cell tolerance and pathogen clearance are key (Marchant and Goldman, 2005; Schonland
et al., 2003).
1.2. First intervention establishing a lifelong balance
One important factor modulating both the infant's immune responsiveness and the gastrointestinal microbial
community is nutrition, preferably breast milk. The composition of the microbial community can differ between
infants that are fed with either breast milk or formula (Klaassens et al., 2009). The contents ofbreast milk have
evolved over millions of years providing nutrition, supporting the development of proper microbiota and immune
balance characterized by protection to pathogenic agents and tolerance toward environmental factors. Several
components of breast milk seem to enhance mucosal barrier function and shape immune development both directly
and indirectly. Breast milk contains several immune modulating components with specific modulating potential, that
have a clear role in immune mediated disease resistance later in life (Van't Land et al., 2010a). Moreover,
breastfeeding contributes to enrichment of lactic acid-producing bacteria in the baby's intestine (Martin et al., 2007)
(Fig. 1).
Breastfeeding has been associated with protection against allergic disease development, neonatal diarrhea (RuizPalacios et al., 1990), necrotizing colitis (Mcguire and Anthony, 2003), development of obesity (as reviewed in (Owen
et al., 2005) and Type II diabetes later in life (Owen et al., 2006). However after weaning there is a level of microbial
community maturation which seems to decrease the gross differences between the two feeding regimens in terms of
fecal microbiota composition (Magne et al., 2005). The fact that early nutritional status (impacting the microbial
community development) is associated with the subsequent development of disorders later in life suggests an
important role for the microbial community in the development and modulation of chronic diseases. This modulation
might involve different processes. The composition of the intestinal microbial community influences energy balance
(Backhed, 2009; Nicholson et al., 2005), pathogen colonization resistance (Boullier et al., 2003), and the maturation
of the intestine (Are et al., 2008) and mucosal immune system (Mazmanian et al., 2005). These important features of
1.
modulation by the gut microbial community are likely similar to those of the non-gut body habitats although much
less is known of those interactions. In the last few years we see increasing progress of understanding in the field of
microbial interactions with the mucosal and systemic immune system.
2. Crosstalk between microbiota and immune system
2.1. Role of microbial recognition and response from the host
Pathogenic microbial eradication is characterized by an immediate recognition followed by a strong
innate/inflammatory and adaptive immune response. Although effective in pathogen control the immune response
often induces significant tissue damage. The mucosa is therefore permanently challenged to discriminate between
commensal bacteria and potential pathogens and responds accordingly. Recently exhaustive metagenomic analysis
displayed the enormous genomic diversity within the human gut microbial community (Qin et al., 2010), exposing the
complexity of the interaction the immune system is challenged with. In addition to the pattern recognition receptor
induced signaling by pathogens, they induce a particular level of stress which functions as additional danger signal,
driving the immune response toward inflammation and ultimately eradication of the pathogen. These receptors can be
found intracellular as well as on the cell surface and consist of different families like the Toll like receptors (TLR), Ctype lectin receptors (including dectin-1 and DC-SIGN) and nucleotide- binding oligomerization domain (NOD) like
receptors (NLRs, such as NOD2 the peptidoglycan receptor). Upon triggering a downstream intracellular signaling
results ultimately in the induction of for instance cytokine responses. Pathogenic bacteria as well as commensals are
both recognized by TLRs as they detect various conserved microbial structures including lipoteichoic acid (TLR-2),
lipopolysaccharide (TLR-4), flagellin (TLR-5) and CpG DNA (TLR-9) recently reviewed in Abreu(2010). This interaction
of the microbial community with TLRs is essential in maintenance of the intestinal integrity and immune homeostasis
(Rakoff-Nahoum et al., 2004).
Fig. 1. The microbial community in contact with the mucosal surface, induces a state of nonresponsiveness/tolerance through interaction with the mucosal immune system. There is cell specific limited
recognition of bacterial products like lipopolysaccharide (LPS), lipoteichoic acid (LTA) and DNA fragments (CpG). Upon
signaling through Toll-like receptors (TLR) and NOD-like receptors the intestinal defense systems are activated.
Inaddition, Dendritic cells (DCs) are activated and upon secretion of cytokines like IL-10 andTGF-p
subsequentinduction of the regulatory T-cell (Treg) tolerance induction is initiated. Mucosal barrier injury induced by
external factors like infection, chemotherapy or other stressors disrupts homeostasis, which may create an autocrine
loop inducing inflammation. More specifically, microbiota composition imbalance has been associated with an
imbalance between populations of inflammation- mediating T-helper cells (Th1, Th2 and Th17) and anti-inflammatory
Treg cells. Prolonged overproduction ofTh1 - and Th17-associated cytokines has been linked with inflammatory bowel
diseases, while a Th2 skew is linked with allergic disorders, asthma, and ulcerative colitis. Such chronic
inflammatory responses set up a ‘vicious circle', disrupting the gastrointestinal microbiota. Therefore, an increased
understanding of the complex microbial communities and subsequent cross-talk with the immune system will
advance the development of efficacious prevention and treatment protocols of a diversity of chronic diseases.
The microbial community induces immune modulating effects in different ways. For instance, the polysaccharideA of Bacteroides fragilis was found to induce systemic Th1 responses, thereby reversing the Th1/ Th2 balance (Round
and Mazmanian, 2010) and, peptidoglycan differences on commensal bacteria may affect neutrophil function through
Nod1 (Clarke et al., 2010). Secretion of metabolites like short chain fatty acids can elicit responses, as is the ATP
produced by some commensals which may enhance Th17 cell differentiation by the activation of Lamina propria
located DCs (Atarashi et al., 2010b). These examples illustrate that we are only beginning to understand the
pharmacological potential of microbial community modulation.
2.2. The role of microbiota in mucosal Treg development
The mucosa represents a unique environment that requires multiple levels of control. Intestinal contents are
sampled by M-cells in the intestinal epithelial lining, after which the underlying dendritic cells situated mostly in the
Peyer's patch present these antigens to naive T cells. Upon antigen presentation, different cell lineages like Th1, Th2,
Th17 cells or Tregs, are generated and enter the blood stream or home to the intestinal mucosa. Mucosal DCs
specifically the CD103+ DCs have a unique ability to generate specificTregs ( Sun et al., 2007). LPS in the diet for
instance, provides sufficient TLR2 stimulation to expand Tregs in germ-free mice (Hrncir et al., 2008; Sutmuller et al.,
2006). Moreover, TLR expression profiling studies revealed that multiple TLRs are expressed on CD4+ T-cells as well
as Tregs. Tregs express even higher levels of TLR4, TLR5, TLR7 and TLR8 in comparison to regular T-cells (Liu and
Zhao, 2007). In addition, TLR2 seems to be important in regulating murine Treg-mediated suppression as well as
expansion (Sutmuller et al., 2006). In addition, Tregs are important for the induction of mucosal tolerance.
Several subsets of inducible Tregs have been defined, including Foxp3+ Tregs, IL-10 producing type 1 regulatory
T-cells (Tr1), cells that mediate suppression through IL-10 secretion (Roncarolo et al., 2006) and TGF-beta producing
Tregs (Th3) that mediate regulation through TGF-beta production. These subsets however may not be mutually
exclusive and act in synergy to achieve suppression. For instance orally induced Foxp3+ Tregs are essential in the
suppression of IL-4 production inducing tolerance in allergic airway inflammation. However, IL-5 production and
eosinophilia seem to be controlled by an IFN-y dependent, Foxp3-independent mechanism (Curotto de Lafaille et al.,
2008). This may suggest that Foxp3-independent regulation may contribute to the conversion of Foxp3+ Tregs in
order to establish a tolerogenic microenvironment. This is only one detailed example of how eventually the
development of Tregs can be influenced by microbial community present in the gut.
Inducible Tregs are generated from un-polarized CD4+ T-cells in the intestine after contact with the lamina
propria resident CD103+ DCs. The CD103+ DCs seem to be the major DC subset involved in the antigen trafficking
from intestine to the lymph nodes and are potent activators of T cells. These DCs can convert vitamin A to retinoic
acid, which triggers the expression of gut homing receptors during T cell priming and thereby convey signals from the
microbial community to direct T cell and Treg differentiation (Coombes et al., 2007). Although, in the absence of
microbiota there are still Tregs present, the microbial community is clearly capable of modulating the Treg phenotype.
For example, the specific bacterial derived DNA suppresses Treg differentiation in a TLR-9 dependent way ( Hall et al.,
2008). The DNA was found to promote Th17 and Th1 cell responses by the restriction of Treg differentiation. However,
commensal bacteria (specifically B. fragilis) have been found to increase the number of Tregs in the colon. More
specifically, the spore forming Clostridium species belonging to clusters IV and XIVa induce Foxp3+ and IL-10+ Treg
differentiation in the colonic lamina propria. The Treg differentiation was at least partially mediated by an epithelial
derived TGF-beta induction. The increase in numbers of Clostridium made neonatal mice more resistant to colitis, and
seemed to suppress systemic IgE responses (Atarashi et al., 2010a). So over time, the gut microbiota, oral pathogens,
nutrition, but also orally taken pharmacological drugs may have an important role in shaping the repertoire of
Foxp3+ regulatory T cells. The relative contribution of these regulatory T cells to peripheral tolerance and the outcome
of infections let alone the development of the immune system as a whole remains to be addressed with care. Immune
modulating commensal species control to some extent the immune balance, in which species such as the Segmented
Filamentous Bacteria favor the balance to Th17 whereas species belonging to Clostridium clusters IV and XIVa can be
characterized as Treg inducing species. This may in part be linked to the intestinal localization of the different
species, and their interaction to the mucosa, which is nicely reviewed recently (Ivanov and Littman, 2011).
2.3. Gastrointestinal modulation and the respiratory immune response
A clear example of the influence of microbial community on the failure to develop a proper immune response
comes from the associations found in the allergy/asthma field. The development of an adult-like microbiota
composition occurs during the first years of life. Environmental exposure plays an important role in microbiota
development (Palmer et al., 2007). The "Hygiene hypothesis” states that the encounter of infections in early life
prevents later onset of allergic diseases, which is a well-established working hypothesis in relation to the development
of allergy (Yazdanbakhsh et al., 2002) and supported by several studies. For instance it has been shown that in a
population with higher bacterial exposure early in life, the prevalence of atopy and asthma is lower (Vartiainen et al.,
2002). Furthermore, a lower prevalence of asthma and atopy is found among children raised on a farm, which also
correlates with the exposure to an increased bacterial diversity (Von Mutius and Radon, 2008). Moreover, many
studies using microbial products, like endotoxin and muramic acid as simple markers of microbial exposure have
corroborated these observations (Sordillo et al., 2010). This illustrates the importance of a well balanced interaction
between the mucosal immune system and the external microbial community.
The microbiota composition at 1 month of age is associated with susceptibility to develop atopic diseases in
childhood (Penders et al., 2007b). In addition, the existence of an altered microbiota composition in children
developing allergy up to 5 years of age suggested an early imprinting of a long lasting cross-talk (Sjogren et al., 2009).
The importance of the development of a stable microbial community for the protection against the development of
allergic disorders like asthma is further illustrated by studies showing detrimental effects of the use of antibiotics.
Antibiotic use in early life, besides disrupting the gut microbiota composition, it appears to contribute to increased
risk for atopy in certain subgroups of children. Moreover, neonatal antibiotic treatment is suggested to be a risk
factor for early wheezing (Alm et al., 2008). It is clearly established that the microbial community has a role in the
prevalence of allergic diseases. However, intestinal microbial composition is just one of the contributing factors in this
process. It is very well known that there are also other factors playing an important role such as genetic background,
early (non-intestinal) pathogenic exposures, environmental factors, etc. It is known that a disturbed microbial
immunity might have detrimental effect on the development of the immune system. However, it is not known whether
this effect is also vice versa, i.e. that immune disruption can affect the composition of the microbial community.
In diseases like obesity, inflammatory bowel diseases and Crohn's disease more and more correlations are found
between the microbial community composition and the disease, although it is difficult to determine if a certain
microbial composition reflects a cause or an effect of the disease. It could be speculated that it is the microbial
community which induces intestinal inflammation and thereby plays a role in disease etiology, or vice versa, the
onset of a disease is due to a genetic or immune based failure which is at the same time responsible for the disturbed
microbial community, with neither of both hypothesis being completely wrong. There are however examples where an
immunologic failure is clearly responsible for the onset of a chronic disease, like for HIV, where HIV patients develop
a disturbed gut microbiota composition (Gori et al., 2008).
3. Balance disturbances
3.1. immune disruption and the negative effect on microbial composition and disease progression (HiV)
HIV infection disrupts intestinal homeostasis as it directly affects the host immune system by killing CD4+ T
cells. Decreased CD4+ T cell numbers indirectly affect the intestinal microbiota composition (Brenchley et al., 2006;
Gori et al., 2008). The loss of intestinal CD4+ T-cells occurs early in disease. Epithelial function and immune
regulation, in combination with an increased pathogen-enriched microbiota composition leads to an increase in
intestinal permeability, bacterial translocation and an increased inflammatory state of the mucosal immune system
(Hummelen et al., 2010). The increased activation of CD8+ as well as CD4+ T-cells occurs systemically, but is most
likely also present within the mucosa. Increased T cell activation is highly associated with HIV disease progression. In
addition, the success of CD4+ T-cell repopulation during anti-retroviral therapy depends on the level of CD4+ T-cell
activation and death prior to the start of therapy. Therefore, a strategy aimed to reduce immune activation (by for
instance improvementofintestinal barrier integrity/immune regulation support) was envisaged to influence HIV
disease progression as a whole (Gori et al., 2011). In a double-blind placebo controlled clinical trial, worldwide 340
HIV-1 adults pre-treatment received a nutritional formula containing specific prebiotic oligosaccharides or an
isocaloric/ isonitrogenous control for 1 year. This study showed a positive effect diminishing the CD4+ T-cell decline
in HIV-1 infection due to the specific nutritional intervention (Lange et al., 2009). Thus modulation on the mucosal
side may support the immune system positively. In addition this is a clear example in which it is shown that crosstalk is effective in both directions, as HIV is known to deregulate the immune system directly, with microbial
community changes as a consequence. Moreover, the nutritional intervention at the mucosal site shows clear
microbial composition changes that impact on disease progression, as measured by the change in CD4+ T cell decline
(Table 1).
3.2. Sensitive measurement of mucosal barrier disruption is lacking which complicates detailed investigation of the
working mechanism
of immune modulation
Table 1
The intestinal microbiota and epithelial barrier interruptions are major factors in disease progression.
Disease
Evidence
HIV
Aberrant intestinal microbiota composition in HIV patients
Increased bacterial translocation among HIV progressors and those non-responding
to anti retroviral therapy
Enhanced epithelial inflammation and scarring of gastrointestinal lymphoid system a mong HIV
progressors
Asthma/Atopy
The microbiota composition at 1 month of age is associated with subsequent development of atopic
diseases in childhood
Antibiotic use disturbing the microbiota of the gastrointestinal tract in early life appears to contribute to
increased risk for atopy in certain subgroups of children.
Neonatal antibiotic treatment is a risk factor for early wheezing
IBD/Crohn
Obesity/diabetes
Microbial imbalances in inflammatory bowel diseases and Crohn's
Host-mediated inflammation disrupts the intestinal microbial homeostasis and promotes
the overgrowth of specific bacteria.
Altered microbiota composition in cesarean section delivered infants might be linked to the development
of diabetes later in life
The microbiota may affect lipid metabolism and function as an environmental factor that influences the
development of obesity and related diseases by activating the innate immune system
Reference
(Gori et al., 2008; McKenna et al., 2008)
(Brenchley et al., 2006; Marchetti et al., 2008)
(Brenchley et al., 2006; Marchetti et al., 2008;
Sankaran et al., 2005)
Penders etal. (2007a) Johnson et al. (2005) Alm
et al. (2008)
(Frank et al., 2007; Kassinen et al., 2007) (Lupp
et al., 2007; Willing et al., 2009)
Cardwell et al. (2008) Caesar et al. (2010)
Disease progression/severity is the major focus of this table and only some examples of many more to be found in literature are displayed within this table.
Knowing that there is a relation between immune dysfunction and intestinal barrier function, it raises the need
for a sensitive method to analyze intestinal permeability in order to be able to investigate the effect of interventions
closely. There are some relative non-invasive methods like the Lactulose/Rhamnose ratio measurements in urine to
measure intestinal barrier function (Blijlevens et al., 2004). However, due to high variation, and difficulty to obtain
standardized samples, detailed knowledge of intestinal barrier function in different settings is lacking. In addition, the
possible role of intestinal disruption is not recognized as underlying immune deficiency cause. Even in therapies
known to induce mucositis there is not a clear biomarker available to monitor intestinal disruption or barrier failure
other than the culture of translocating bacteria, which only gives an indication, but not a detailed analysis of the
intestinal barrier function. Moreover, the information necessary to correlate faltering intestinal barrier integrity in
relation to immune responsiveness is still limited. Epithelial NF-kB activation plays an important role in the
preservation of the integrity of the mucosal epithelial barrier. In addition, it coordinates the antimicrobial actions of
both innate as well as adaptive immune systems (Ben-Neriah and Schmidt-Supprian, 2007). Therefore, a hyperactivation or deficiency in NF-kB regulated gene transcription results in chronic inflammation and disruption of
homeostasis. This implicates that NF-kB can play a central role in immune functioning and mucosal barrier
homeostasis and might be an interesting target for modulation (Van't Land et al., 2004). Pharmaceutical as well as
nutritionally driven inhibition can be beneficial in the reduction of over-active immune responsiveness. However, as it
affects intestinal barrier function, inhibition of NF-kB may reduce barrier integrity. This causes increased bacterial
translocation, indirectly inducing inflammation which on itself may counteract the intended immune suppression.
Therefore, there is a need for a sensitive method to analyze intestinal permeability in order to be able to investigate
the effect of an intervention more closely.
3.3. Pharmaceutical interventions may unintentionally affect immune responsiveness
The main port of entry for respiratory and enteric viral pathogens is the mucosal epithelial surface, which is also
involved in the modulation of the immune response at the innate/adaptive interface under the influence of the entire
microbial community. Although respiratory and enteric viral infections cause significant morbidity and mortality
worldwide, the majority of primary and secondary viral exposures induces only minor symptoms or occurs completely
asymptomatic. It has recently been shown that the administration of some but not all antibiotics affects the capacity
to respond to a respiratory pathogen (Ichinohe et al., 2011). Antibiotics are a frequently used and very effective
pharmacological intervention during bacterial disease. However, although designed to counteract specific pathogens,
antibiotic treatments might also disturb the microbial community in the human gut and therewith its homeostasis
with the host. In a recent murine study it was shown that that the disturbance of commensal microbiota composition
by antibiotic treatment critically influenced the generation of virus-specific immune responses following respiratory
influenza virus infection (Ichinohe et al., 2011). Moreover, the administration of some TLR ligands could rescue the
immune impairment in antibiotic- treated mice. Following intranasal influenza virus infection, the activation of the
inflammasome leads to DC migration from the lung to the draining lymph node where antigen specific T-cell priming
occurs and the antiviral immune response is elucidated. The antibiotic induced microbial disturbance and
subsequent reduced response toward respiratory pathogens, subscribes the important role of the microbial
community in the regulation of respiratory mucosal immunity, which leaves the question to be answered if this can
be applied to all respiratory pathogens.
In addition to the general use of antibiotics, it is suggested that also the use of pain killers like paracetamol and
aspirin, regarded as safe and therefore regularly used even in early life may also influence the immune system
development. The use of paracetamol has recently been associated with the development of asthma later in life
(Bakkeheim et al., 2011). This finding is in line with earlier reports stating that childhood asthma and recurrent
wheezing and eczema are linked to the intake of paracetamol in the first year of life (Beasley et al., 2008). Paracetamol
does not inhibit COX-2 in contrast to aspirin (acetylsicylic acid). COX-2 is involved in the PGE2 production during the
resolution of common respiratory infections. Recently it was shown that PGE2 directly regulates the expression of
retinal dehydrogenase enzymes in human DCs, known to be involved in the induction of gut homing receptors of
primed T cells (Stock et al., 2011). PGE2 is thereby linked to the Th1/Th2 balance as it promotes Th2 and inhibits
Th1 type of cytokine production. It might be that the use of paracetamol facilitates the relative Th1/Th2 imbalance in
genetically predisposed children (Varner et al., 1998).
4. Immune intervention
4.1. The possibilities through nutrition
As clearly illustrated by now, the commensal microbial community is essential in shaping the immune response
in health and disease. Therefore, interventions affecting microbial composition gain increasing interest. This can be
accomplished by oral administration of bacterial strains or prebiotics, i.e. special oligosaccharides that promote the
growth of particular bacterial strains in the gut. It is however of key importance to unravel the mechanism of
recognition and modulation induced by the different commensal bacterial species (Plantinga et al., 2011). The use of
prebiotics is based on the observation that oligosaccharides in human breast milk appeared to influence the
microbiota composition in the gut which is very different in infants receiving breast milk versus formula feeding. A
clear bifidogenic effect on the gut microbiota has been ascribed to the non-digestible oligosaccharides present in
human breast milk, and a positive effect on the incidence of infections and allergy related symptoms at short term
and possibly also at long term was associated with the altered bacterial composition (Arslanoglu et al., 2008; Gibson
et al., 1995). It has been suggested that the prebiotic oligosaccharides might act indirectly through microbiotadependent mechanisms (i.e. rebalancing microbiota composition in the gut) and/or have a direct effect via activation
or inhibition of cellular receptors on immune competent cells (Vos et al., 2007). More specifically, it was found
recently that Tregs play a fundamental role in the immune modulation induced by the supplementation of these
specific oligosaccharides (Schouten et al., 2010; Van't Land et al., 2010b).
4.2. Summary
Nutritional components, commensal bacteria and immunological processes are linked and play a role in diseases
of different etiology. The relationship among these determinants is by far not fully understood. Microbial interventions
can be induced by addition of probiotics, prebiotics, or other nutrients, and by the administration of antibiotic
therapies. All these interventions affect different bacterial species. It is of key importance to unravel the mechanism of
recognition and modulation induced by the different commensal bacterial species. As the understanding of the cross
talk between the mucosal immune system and the microbial community is developing, it is likely that interventions
will become more and more specific, and we foresee a personalized approach in the future. Which implicates that
microbiome adjustment to the core level with the gaps or excesses to be filled in or depleted respectively might affect
disease status.
Acknowledgements
This review was initiated based on results obtained from TIpharma projects D1-101-0 and T1-214-1.
Mukozal Homeostazi ve Bağışıklık Tepkilerini Etkilemek: Beslenmenin ve Tıbbi İlaçların Etkisi
Belinda van't Land a'b2 Marcel A. Schijfa b, Rocio Martin c, Johan Garssen b,d, Grada M. van Bleeka
a
Department of Pediatrics, The Wilhelmina Children's Hospital, University Medical Center, Utrecht, the
Netherlands b Department of Immunology, Danone Research, Centre for Specialised Nutrition,
Wageningen, The Netherlands c Department of Microbiology, Danone Research, Centre for Specialised
Nutrition, Wageningen, The Netherlands d Utrecht Institute for Pharmaceutical Sciences (UIPS), Utrecht,
The Netherlands
Makale geçmişi:
26 Nisan 2011’de alındı
16 Mayıs 2011’de yeniden gözden geçirildi
22 Mayıs 2011’de kabul edildi
27 July 2011’den beri internettedir
Anahtar kelimeler:
Mukosal homeostazi
Beslenme
Mikrobiyal topluluk
İmmünofarmakoloji
Hem besinler, hem de oral alınan ilaçlar gstrointestinal mukoza’dan geçerler ve mikrobiyal bileşimi kontrol
eden ve mukozal bütünlüğü destekleyen yerel immün sisteminin durumunu ve mikrobiyal komünitenin
bileşimini de etkilemek gibi, mukozal immün sistemi ile buradaki mikrobiyal komüniteyi etkileyebilirler.
Memeli konakların immün sistemini güçlendiren mikrobiyal komünitelerin veya bunun tam tersinin pek çok
yolu olduğu bilinmektedir. Mikrobiota ile immün sistemi arasındaki iletişim temel olarak bakteriyel
unsurların intestinal epitelve çeşitli lokal antijen sunucu hücreler tarafından salınan patern tanılama
almaçları ile etkileşimidir, sonuçta hem kalıtımsal hem de adaptif immün tepkilerinin aktifleşmesi yada
düzenlenmesidir. Mevcut makale, uygun mukozal/immün dengesinin gelişimi ve desteklenmesini etkileyen
faktörlerin bir kısmını, toll benzeri reseptör sinyalleri ve düzenleyici T hücrelerinin gelişimine özel bir ilgi
vererek sunmaktadır. Daha sonra daimmün fonksiyonları yetmezlikleri ile ilişkili denge bozuklukları
örneklerini (antibiyotik kullanımı, HIV ve astım incelenecektir) sunar. Tartışmanın odak noktası, beslenme
farmakolojisinin terapötik potansiyelidir.
İÇİNDEKİLER
1. Mukoza/Immün Dengesi
1.1. Doğumla başlayan denge gelişimi
1.2. Hayat boyu sürecek dengenin kurulumu için ilk müdahale
2. Mikrobiota ile Immün Sistemi Arasındaki Etkileşim
2.1. Mikrobiyal tanımanın rolü ve konaktan gelen tepki
102
102
102
102
102
2 İlgili Adres: Department of Immunology, Danone Research, Centre for
Specialised Nutrition, PO Box 7005,6700 CA Wageningen, The Netherlands.
Tel.: +31 317 467 467863.
E-posta Adresi: [email protected] (B. van't Land).
0014-2999/$ - see front matter © 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.
doi:10.1016/j.ejphar.2011.05.082
2.2. Mikrobiotanın mukozal Treg gelişimindeki rolü
2.3. Gastrointestinal modülasyon ve solunum immün tepkisi
3. Dengeyi Bozan Etkenler
3.1. Mikrobiyal bileşim ve hastalık ilerlemesindeki (HIV) bağışıklığın
engellenmesi ve olumsuz etkileri
3.2. İmmün modülasyonunun çalışma mekanizmasının detaylı araştırılmasını
bariyerin engellenmesinin hassas ölçümünün durması
104
3.3. Farmasötik müdahaleler immün tepkisini istemsizce etkileyebilir
4. İmmün Müdahale
4.1. Beslenme ile ilgili olasılıklar
4.2. Sonuç
Alıntılar
Referanslar
103
104
104
104
zorlaştıran mukozal
105
105
105
106
106
106
1.
Mukozal/İmmün Denge
Mikrobiyal komünite ve insan konağı ilişkisi mukozal homeostazi ve konağın sağlık statüsünde önemli rol
oynadığı bilinmektedir. Bu iletişim mukoza ile ilişkili lenfoid sistem tarafından sıkıca kontrol edilmekle
birlikte, normal şartlar altında, tolerojenik durumu koruyarak inflamatuar tepkilerin zarar vermesi
engellenir. Dolayısıyla uygun mukozal bariyer, açık patojenik tehditleri de içeren ortalama anti mikrobiyal
tepkiler ve aşırı inflamasyonların bastırılmasının gereğini de sağlamaktadır.
1.1. Doğumla Başlayan Denge Gelişimi
İmmün sistemin gelişimi, tehlikeli saldırganlara (patojenler) özel immün tepkileri ile gıda maddeleri ya da
çevresel etmenler gibi tehlikeli olmayan maddelere toleransın azalması için çok geniş bir şekilde
oluşmuştur. Belirlenebildiği kadarıyla fetüs doğum sırasında çoğunlukla sterildir. Yine de annenin hamilelik
sırasında mikroplara maruz kalması fetal immün sisteminin gelişiminde etken olabildiğine dair kanıtlar da
bulunmaktadır. Hamilelik sırasında parazitli ya da viral enfeksiyonlar çocuğun immün tepksini
etkilemektedir (Hughes et al., 1999; Santos et al., 2010). Hamilelik sırasında çiftlik ortamında yaşayan
annelerin yüksek maternal mikrobiyal ortama maruz kalan çocukların astımdan korundukları gözlenmiştir
(Douwes et al., 2008; Ege et al ., 2006). Bu çocuklarda kalıtsal immün sistem reseptörleri doğumda daha
fazla bulunmaktadır. Hamilelik sırasında maruz kalınan mikrobiyal ortam dışında, çocuklar doğum
sırasında çok değişken ve yeni bir mikrobiyal komuniteye maruz kalmakta, sonrasında hayatlarının ilk
aylarında, yani enfeksiyona oldukça açık bir durumdayken, hızla geliştirmeleri gereken bir immün sisteme
ihtiyaç duymaktalardır. Çocuklar hayatlarının erken safhalarında belirli bir seviyeye kadar plasenta ve anne
sütü tarafından aldıkları maternal antikorlarla korunmaktadırlar. Anne sütünde çok farklı immün geliştirme
maddeleri bulunmaktadır. Bu korumayla ilgili olan mekanizmalar açıklanmaktan oldukça uzak olmakla
birlikte maternal olarak ulaşan toll benzeri reseptör ligandları immün gelişiminekatkıda bulunabilir (Conrad
et al., 2009).
Doğumdan sonraki ilk an olan neonatal dönem, geniş çeşitlilikteki mikroplara ilk maruz kalma anıdır.
Doğumun tarzı, yenidoğanlardaki çeşitli vücut habitatları için ilk mikrobiata kazanımı ve yapısını
şekillendirir (Dominguez – Bello et al., 2011). Her ne kadar ilk maruz kalınan bakterilerin çok küçük bir
kısmı kolonileşse de, hastalığın meyli konusunda doğum şekli belirli bir seviyeye kadar ilgilidir, ki bu
durum ilk maruz kalma anı çocuğun immün sistemi üzerinde ciddi etkiye sahiptir. Örneğin; sezaryenle
dünyaya gelen çocuklar, vajinal yolla doğanlara göre alerji ve astıma daha meyillidir (Bager et al., 2008;
Negele et al., 2004). Bu ilk bakteriyel karşılaşmanın fatal enflamasyona maruz kalmadan yaşanması için
treglerin tercihen baskıladığı immünolojik tolerans baskınlığı olan ortamda dünyaya gelirler (Mold et al.,
2008). Tregler doğum sırasında görece bol ve fonksiyoneldirler ve periferik T-hücresi toleransının varlığı
ve patojen temizliğinin anahtar olduğu durumda fazla olan immün tepkisini engellerler (Marchant ve
Goldman, 2005; Schonland et al., 2003).
1.2. Hayat Boyu Sürecek Dengenin Kurulumu için İlk Müdahale
Çocukların hem immün tepkisini, hem de gastrointestinal komünitesini düzenleyen en önemli etkenlerden
biri beslenme, tercihen de anne sütüdür. Anne sütü ya da bebek maması ile beslenen çocuklar arasında
mikrobiyal komünite bileşimi arasında fark görülebilir (Klaassens et al., 2009). Anne sütünün içeriği
milyonlarca yıl içinde evrimleşerek besin sağlama, uygun mikrobiotanın gelişimi ve patojenik faktörlere
karşı korunması ile çevresel etmenlere karşı toleransı sağlayan immün dengesinin şekillenmesini
sağlamıştır. Anne sütünün bir kısım bileşeni mukozal bariyer fonksiyonlarının gelişimi ve immün
gelişiminin şekillenmesinde hem doğrudan hem de dolaylı olarak rol oynadığı görülmüştür. Anne sütü,
hayatın ileri safhalarında immün ortamlı hastalıklara karşı dirençte açıkça rolü bulunan spesifik düzenleme
potansiyeline sahip bir kısım immün düzenleyici bileşen içermektedir (Van’t Land et al., 2010a). Bununla
birlikte anne sütü ile besleme, bebeğin bağırsaklarındaki laktik asit üreten bakteri miktarının artmasını
sağlamaktadır (Martin et al., 2007) (Şekil 1).
Anne sütü ile beslenme, alerjik hastalıklar, neonatal ishal (Ruiz-Palacios et al., 1990), nekrotik kolit
(Mcguire ve Anthony, 2003), obezite gelişimi (Owen et al., 2005) ve Tip II diyabetin ileri yaşlardaki
gelişimi ile yakından ilgilidir. Yine de, sütten kesildikten sonra gaita mikrobiota bileşenlerinde iki beslenme
şekli arasındaki mikrobiyal komünite olgunluğundaki büyük farkın kapandığı gözlenmiştir (Magne et al.,
2005). Ancak gerçek şudur ki, erken dönem beslenme (mikrobiyal komunite gelişimini etkileyen)
durumunun ilerleyen yıllardaki bozukluklarla doğrudan ilişkisi, kronik hastalıkların oluşması ve
gelişmesinde mikrobiyal komünitenin önemli bir rolü olduğunu göstermektedir.Bu düzenleme farklı
işlemlerden oluşmuş olabilir. İntestinal mikrobiyal komünite bileşimi enerji dengesini (Backhed 2009;
Nicholson et al., 2005), patojen koloni rezistansını (Boullier et al., 2003) ve bağırsağın olgunlaşmasını (Are
et al., 2008) ile mukozal immün sistemini (Mazmanian et al., 2005) etkilemektedir. Bağırsak mikrobiyal
komünitesinin bu önemli düzenlemeleri, her ne kadar diğerlerinin etkileri çok az bilinse de bağırsak dışı
vücut habitatları ile benzerlik göstermektedir. Son yıllarda mukozal ve sistemik immün sistemi ile
mikrobiyal etkileşimler konusunda ciddi ilerlemeler görülmektedir.
2.
Mikrobiota ile Immün Sistemi Arasındaki Etkileşim
2.1. Mikrobiyal Tanımanın Rolü ve Konaktan Gelen Tepki
Patojenik mikrobiyal eradikasyon, güçlü bir kalıtsal/inflamatuar ve adaptif immün tepkisi tarafından takip
edilen anlık tanılama ile tanımlanır. Her ne kadar patojen kontrolünde efektif olsa da, immün tepkisi
genellikle belirgin doku zararına neden olmaktadır. Bu durumda mukoza kalıcı olarak komensal bakteri ve
potansiyel patojenleriayırmaya zorlanır ve buna uygun şekilde tepki gösterir. Son zamanlarda yapılan
yorucu metagenomik araştırmalar göstermektedir ki insan bağırsak mikrobiyal komünitesinin engin
genomik çeşitliliği (Qin et al., 2010), immün sistemin karşılaştığı tehlikenin karmaşıklığına maruz
kalmaktadır. Patern tanıma reseptörlerinin patojen sinyaline ilaveten, bir miktar stresi tetikleyip ek bir
tehlike sinyali oluşturarak, immün tepkisini inflamasyona doğru taşırlar ve son olarak patojenin
eradikasyonuna neden olurlar. Bu reseptörler hücrelerarası boşlukta bulunabildiği gibi hücre yüzeylerinde
de bulunurlar ve Toll benzeri reseptörler (TLR), C-tipi lektin reseptörleri (dektin-1 ve DC-SIGN)ve
nükleotid bağlanıcı oligomerizasyon etkili (NOD) benzeri reseptörler (NLR’ler, NOD2, peptidoglikan
reseptorler) gibi çeşitli reseptör ailelerindendirler. Abreu(2010)’da belirtildiği gibi akış yönünde hücreler
arası sinyal tetiklendiğinde sitokin tepkisi gibi tepkiler görülür. Patojenik bakteri ve komensaller TLR’ler
tarafından lipoteikoik asit (TLR-2), lipopolisakkarit (TLR-4), flagellin (TLR-5) ve CpG DNA’sı (TLR-9)
gibi, çeşitli korunan mikrobiyal yapılarla tanınır. Mikrobiyal komüniteyle TLR’ler arasındaki bu iletişim
intestinal bütünlük ve immün homeostazisinin desteklenmesi için önemlidir (Rakoff-Nahoum et al., 2004).
Şekil 1.
Mukozal yüzeye temas eden mikrobiyal komünite, mukozal bağışıklık sistemi ile etkileşim
yoluyla yanıtsız / toleranssız bir durum oluşturur. Lipopolisakkarit (LPS), lipotekoik asit (LTA) ve DNA
parçaları (CpG) gibi bakteriyel ürünlerin hücreye özgü bir sınırlı tanıması vardır. Toll benzeri reseptörler
(TLR) ve NOD benzeri reseptörler üzerinden sinyalleşme sırasında, bağırsak savunma sistemlerinin
devreye girer. Buna ek olarak, dendritik hücreler (DC’ler) aktive olurlar ve düzenleyici T-hücresi (Treg)
tolerans indüksiyonu, IL-10-P andTGF alt indüksiyonları benzeri sitokinlerinin salgılanması üzerine
başlatılır. Enfeksiyon, kemoterapi veya diğer stresörler gibi denge bozucu dış etkenler ile tetiklenen
mukozal bariyer yaralanması, otokrin döngüsüne neden olan iltihabı yaratabilir. Daha spesifik olarak,
inflamasyona yardımcı T-hücreleri (Th1, Th2 ve Th17) ve antienflamatuar Treg hücreleri popülasyonu
arasındaki dengesizlik, mikrobiota bileşenlerinin dengesizliği ile ilişkilidir. Th1 ve Th17 ilişkili sitokinlerin
uzun süreli üretimi ateşli bağırsak hastalıkları ile ilişkili iken, Th2 meyili alerjik bozukluklar, astım ve
ülseratif kolit ile ilgilidir. Bu tür kronik inflamatuar tepkileri bir “kısır döngü” kurarak, gastrointestinal
mikrobiotayı bozar. Bu nedenle, karmaşık mikrobiyal komüniteler ve bağışıklık sistemi arasındaki iletişim,
kronik hastalıkların etkili önlem ve tedavilerinde çeşitli protokollerin geliştirilmesini sağlar.
Mikrobiyal komünite, immün modülasyon etkilerini farklı şekillerde tetikler. Örneğin Bacteroides
fragilis’in polisakkarit A’sı, sistemik Th1 tepkisini tetiklemektedir, bu nedenle Th1/Th2 dengesini tersine
çevirmek (Round ve Mazmanian, 2010) ve komensal bakterideki peptidoglikan farklılıkları Nod1’den
geçen nötrofil fonksiyonlarını etkileyebilir (Clarke et al., 2010). Kısa zincirli yağ asitleri gibi metabolitlerin
salgılanması, Th17 hücre farklılığının DC’lerde yer alan Lamina propriaların aktivasyonu tarafından
artırılması sonucu bazı komensaller tarafından ATP üretilmesi gibi tepkileri ortaya koyabilir (Atarashi et al.,
2010b). Bu örnekler sadece mikrobiyal komünitenin modülasyonların farmakolojik potansiyelini anlamaya
başlıyor olduğumuzu göstermektedir.
2.2. Mikrobiotanın Mukozal Treg Gelişimindeki Rolü
Mukoza, bir çok kontrol düzeyi gerektiren benzersiz bir ortam sunar. Bağırsak içeriği, bağırsak epitelindeki
M hücreleri tarafından örneklenen, çoğunlukla Peyer yamasında yerleşmiş temel dendritik hücrelerden
sonra bu antijenleri T hücrelerine sunar. Antijen sunumu üzerine, Th1, Th2, Th17 hücreleri ya da Tregler
gibi farklı hücre soyları üretilerek kana karışır ya da intestinal mukozaya yerleşir. Mukozal DC’ler,
özellikle de CD103+DC’lerin özel Tregler oluşturmak gibi benzersiz bir yetenekleri vardır (Sun et al.,
2007). Örneğin dietteki LPS, steril farelerde Treg geliştirmek için yeterli TLR2 uyarımı sağlar (Hrncir et al.,
2008; Sutmuller et al., 2006). Ayrıca, TLR ekspresyon profili çalışmaları, CD4+T-hücrelerinde olduğu
kadar Treglerde deçoklu TLR’ın olduğunu ortaya çıkarmıştır. Hatta Tregler normal T-hücrelerine göre daha
yüksek düzeyde TLR4, TLR5, TLR7 ve TLR8’e sahip olduğu ortaya çıkmıştır (Liu ve Zhao, 2007). Buna
ek olarak, TLR2’nin Treg aracılı farelerin düzenleyicilerinde hem bastırma hem de genişlemede önemli gibi
görünmektedir (Sutmuller et al., 2006). Sonuçta, Tregs mukozal tolerans indüksiyonu için önemlidir.
Foxp3+Tregleri, IL-10 üretici tip 1 düzenleyici t-hücreleri (Tr1), IL-10 salgılamayı baskılayıcı ortam
yaratan hücreler (Roncarolo et al., 2006) ve TGF-beta üretimini düzenleyen TGF-beta üretici Tregler (Th3)
gibi hücreler indüklenebilir Treglerin bazı alt grupları olarak tanımlanmıştır. Ancak bu altgruplar birbirini
dışlamayabilir ve baskı elde etmek için birlikte çalışabilirler. Örneğin oral yola bağlı Foxp3+ Tregleri IL-4
üretimini uyararak alerjik havayolu inflamasyonuna toleransının bastırılmasını sağlar. Bununla birlikte IL-5
üretimi ve eozinofili, IFN-y’ye bağımlı, Foxp3-‘a bağımsız bir mekanizma tarafından kontrol edilir
görünmektedir (Curotto de Lafaille et al., 2008). Bu Foxp3-bağımsız düzenlemesinin tolerojenik bir
mikroçevre kurmak için Foxp3+ Treglerinin dönüşümüne katkıda bulunmasını önermektedir. Bu sadece
Treglerin gelişiminin bağırsak mikrobiyal komünitesi tarafından nasıl etkilenebileceğinin ayrıntılı bir
örneğidir.
İndüklenebilir Tregler, bağırsakta polarize olmamış CD4+T hücrelerinin lamina propria içeren CD103+ DC
hücreleri ile teması ile oluşturulur. CD103 + DC bağırsaklardan lenf düğümlerine antijen takasındaki en
önemli DC altgrubu gibi görünmektedir ve T hücrelerinin güçlü aktivatörleridir. Bu DC hücreleri T hücre
hazırlığı sırasında bağırsak yönelimli reseptörlerin ekxpresyonunu sağlayacak vitamin A’yı retinoik aside
çevirebilir, böylece mikrobiyal komüniteden gelen sinyallerle T hücre ile Treg farklılaşmasını sağlar
(Coombes et al., 2007). Mikrobiota yokluğunda Treglerin hala mevcut bulunmasına rağmen, mikrobiyal
komünite Treg fenotipini modüle etme yeteneğine açıkça sahiptir. Örneğin belirli bir bakteriden gelen
DNA, TLR9’a bağımlı şekilde Treg farklılaşmasını bastırır (Hall et al., 2008). DNA, Treg farklılaşmasının
kısıtlanmasısonucu Th17 ve Th1 hücresi tepkilerini öne sürer. Ancak komensal bakterilerin (özellikle B.
fragilis) kolondaki Treg sayısını arttırdığı bulunmuştur. Daha ayrıntılı olarak, kolon lamina propriasında
Fokxp3+ ve IL-10+ Treg farklılaşmasını tetikleyen spor oluşturan Clostridium türlerine ait IV ve XIVa
kümeleridir. Treg farklılaşmasında en azından kısman epitel kökenli TGF-beta indüksiyonu aracılık
etmiştir.Clostridium sayısındaki artış, neonatal farelerin kolite daha dirençli olmasını sağlamış ve sistemik
IgE tepkilerini bastırmış görünmektedir (Atarashi et al., 2010a). Yani zaman içinde bağırsak mikrobiotası,
oral patojenler aynı zamanda da oral farmakolojik ilaçların Foxp3+ düzenleyici T hücresi repertuarının
şekillenmesinde önemli bir role sahip olabilir. Düzenleyici T hücrelerinin periferik tolerans ve
enfeksiyonların sonuçlarına olan göreli katkısı bir bütün olarak bağışıklık sisteminin gelişiminde dikkatle
ele alınmalıdır. Bir ölçüde segmentli filamentöz bakteriler gibi komensal türlerin immün modülasyonlarının
immün dengesinin kontrolünde Th17’ye doğru, Klostridyum IV ve XIVa kümeleri ise Treg’e doğru
yönlendirdiği karakterize edilebilir. Bu son zamanlarda güzelce incelenmiş olan farklı türlerin
lokalizasyonu ve mukoza ile etkileşimi ile kısmen bağlantılı olabilir (Ivanov ve Litmann, 2011).
2.3. Gastrointestinal Modülasyon ve Solunum İmmün Tepkisi
Mikrobiyal komünitenin uygun bir bağışıklık tepkisi geliştirme yetersizliğine açık bir örnek alerji/astım
alanında kurulmuş olan derneklerden gelmektedir. Olguna benzer bir mikrobiota bileşiminin gelişimi
yaşamın ilk yıllarında ortaya çıkar. Çevresel maruz kalma mikrobiota gelişiminde önemli bir rol oynar
(Palmer et al., 2007). “Hijyen Hipotezi” alerji gelişimiyle ilgili güzel kurulmuş bir hipotez olup, erken
yaşlarda karşılaşılan enfeksiyonların ilerleyen zamanda alerjik hastalıkları engellediğini (Yazdanbakhsh et
al., 2002) söyler ve çeşitli çalışmalarla destekler. Örneğin bir popülasyonda erken yaşlarda maruz kalınan
daha etkili bakteriyel ortamlar, atopi ve astım görülmesi ihtimalini düşürmektedir (Vartiainen et al., 2002).
Ayrıca çiftlikte yetişen çocuklarda astım ve atopinin daha az yaşanması, maruz kalınan yüksek bakteriyel
çeşitlilikle ilişkilidir (Von Mutius ve Radon, 2008). Ayrıca endotoksin ve muramik asit gibi basit
mikrobiyal maruz kalma işaretleyicileri gibi mikrobiyal ürünleri kullanan bir çok çalışma, bu gözlemleri
onaylamaktadır (Sordillo et al., 2010). Bu çalışmalar, mukozal bağışıklık sistemi ile dış mikrobiyal
komünite arasındaki dengeli etkileşimin önemini göstermektedir.
1 aylık çocuklardaki mikrobiota bileşenleri atopik hastalıkların gelişimi ile ilişkilidir (Penders et al.,2007b).
buna ek olarak 5 yaşa kadar olan çocuklarda alerji geliştirme uzun süreli iletişimler sonucunda değişmiş bir
mikrobiota bileşeninin varlığını önermektedir (Sjogren et al., 2009). Astım gibi alerjik hastalıkların
gelişimine karşı korunma için istikrarlı bir mikrobiyal komünitenin geliştirilmesinin önemi, antibiyotik
kullanımın zararlı etkilerini gösteren çalışmalar ile gösterilmiştir. Yaşamın erken dönemlerindeki
antibiyotik kullanımı, mikrobiota bileşenlerinin kesintisinin yanı sıra bu çocukların bazı alt gruplarında
atopi riskinin arttığını göstermektedir. Ayrıca yenidoğan antibiyotik tedavisinin erken hırıltı için bir risk
faktörü olduğu ileri sürülmektedir (alm et al., 2008). Açıkça mikrobiyal komünitenin alerjik hastalıklarda
prevalans rolü olduğu bilinmektedir. Ancak intestinal mikrobiyal bileşen bu sürece katkıda bulunan
faktörlerden sadece biridir. Bu konuda genetik arka plan, erken (bağırsak harici) patojenik maruziyet,
çevresel faktörler, vb gibi önemli rolü olan başka faktörlerin de varlığı bilinmektedir. Rahatsız edilmiş
mikrobiyal bağışıklığın, immün sistem üzerinde zararlı etkiye sahip olduğu bilinmektedir. Ancak tam
tersine neden olabileceği, yani zarar görmüş immün sistemin mikrobiyal komünitenin bileşenlerine yol açıp
açmayacağı bilinmemektedir.
Obezite, enflamatuar bağırsak hastalıkları ve Crohn hastalığı gibi hastalıklarda, her ne kadar belirli bir
mikrobiyal bileşenin hastalığın nedeni ya da sonucu olduğunun belirlenmesi zor olsa da, mikrobiyal
komünite bileşenleri ve hastalık arasında çok daha fazla ilişki bulunmaktadır. Mikrobiyal komünitenin
intestinal enflamasyona ve sonuçta da hastalık etiyolojisinde etkisi olduğu ya da tam tersi iddia edilebilirse
de, hastalığın nedeni aynı zamanda genetik ya da immün bazlı bir hata da olabilir, dolayısıyla rahatsız
edilmiş mikrobiyal komünitenin bulunmasında ya iki bakış açısının doğru ya da iki bakış açısının da yanlış
olma ihtimali bulunmaktadır. Yine de HIV gibi immünolojik yetersizliği kronik olan bir hastalık için açıkça
sorumludur, ki HIV hastalarında rahatsız edilmiş mikrobiota bileşenleri bulunmaktadır (Gori et al., 2008).
3.
Dengeyi Bozan Etkenler
Mikrobiyal Bileşim ve Hastalık İlerlemesindeki (HIV) Bağışıklığın
Engellenmesi ve
Olumsuz Etkileri
HIV enfeksiyonu CD4+T hücrelerini öldürerek konak immün sistemini direkt etkilerken intestinal
homeostaziyi de kesintiye uğratır. Azalan CD4+T hücre sayısı dolaylı yoldan intestinal mikrobiota
bileşenlerini etkiler (Brenchley et al., 2006; Gori et al., 2008). İntestinal CD4+T hücrelerinin kaybı,
hastalığın erken dönemlerinde ortaya çıkar. Patojence zenginleşerek artan bir mikrobiota bileşimi ile
epitelyal fonksiyonları ve immün regülasyonları, intestinal geçirgenlik, bakteriyel translokasyon ve
mukozal immün sisteminin enflamatuar durumunda artışa yol açar (Hummelen et al., 2010). CD8+ ve
CD4+T hücrelerinin artan etkinliği sistemik olarak ortaya çıkar, fakat mukoza içinde de mevcut olmaları
büyük olasılıkla beklenmektedir. Artan T hücresi aktivasyonu, HIV’in ilerlemesi ile ilişkilidir. Buna ek
olarak, anti retroviral terapi sırasında CD4+T hücrelerinin yeniden populasyonu, CD4+T hücrelerinin
tedavinin başlamasından önceki aktivasyonları ve ölüm miktarlarının seviyesine bağlıdır. Bu nedenle,
immün aktivasyonunun azalmasını sağlayacak bir strateji (örneğin bağırsak bariyer bütünlüğü
gelişimi/immün düzenleme desteği) amaçlanarak HIV’in ilerlemesini bir bütün olarak etkilemesi
öngörülmüştür (Gori et al., 2011). Çift kör plasebo kontrollü bir klinik çalışmada, dünya çapında 340 HIV-1
yetişkin birey tedavi öncesi bir yıl boyunca özel prebiyotik oligosakkaritler veya izokalorik/izonitrojenik
kontrollü bir beslenme formülü aldı. Bu çalışma, özel beslenme girişimine bağlı olarak HIV-1
enfeksiyonunda CD4+T hücrelerinin azaltılmasının pozitif bir etki gösterdiği kanıtlanmıştır (Lange et al.,
2009). Böylece mukozal tarafın modülasyonu bağışıklık sistemini olumlu destekleyebilir. Buna ek olarak
bu durum, HIV’in bağışıklık sistemini doğrudan deregüle ettiği bilindiği için, sonuçta mikrobiyal
komünitede değişikliklere yol açarak çapraz iletişimin her iki yönde de efektif olduğunun açık bir örneğidir.
Ayrıca beslenmenin mukozal alandaki girişimleri mikrobiyal bileşimin değişmesinde açık etkisi ile CD4+T
hücre miktarındaki düşüş ile etkileşimi ölçülebilir (Tablo 1).
3.1.
3.2. İmmün Modülasyonunun Çalışma Mekanizmasının Detaylı Araştırılmasını Zorlaştıran Mukozal
Bariyerin Engellenmesinin Hassas Ölçümünün Durması
Hastalık
İpucu
Referans
HIV
HIV hastalarında aberant intestinal mikrobiota bileşimi
Gori et al., 2008,
HIV progresörleri arasında artan bakteriyel translokasyon ve
anti retroviral terapiye yanıt vermeme
McKenna et al., 2008
Brenchley et al., 2006,
HIV progresörlerinde Gelişmiş epitelyal enflamasyon ve
gastrointestinal lenfoit sistemin yaralanması
Marchetti et al., 2006,
Sankaran et al., 2005
Astım/Atopi
1 aylık mikrobiota bileşimi çocukluk çağı atopik hastalıkların
sonraki gelişimi ile ilgilidir.
Penders et al. (2007a)
Johnson et al. (2005)
Erken dönemde antibiyotik kullanımı ile gastrointestinal
sistemin mikrobiyotasının rahatsız edilmesi atopi riski için
katkı sağlamaktadır.
Alm et al. (2008)
Neonatal antibiyotik tedavisi erken hırıltı için risk faktörü
IBD/Crohn
Obezite /
Diyabet
Crohn ve inflamatuar bağırsak hastalıklarında mikrobiyal
dengesizlik
(Frank et al., 2007; Kassinen et
al., 2007)
Konak aracılı inflamasyonun intestinal mikrobiyal
homeostazisinin bozulması ve belirli bakterilerin çoğalması
(Lupp et al., 2007; Willing et al.,
2009)
Sezaryenle doğan bebeklerde değişen mikrobiota bileşiminin
ileri yaşlarda diyabet gelişimi ile bağlantısı
Cardwell et al. (2008)
Caesar et al. (2010)
Mikrobiota kalıtsal immün sistemini aktive ederek lipid
metabolizmasını etkileyebilir ve obezitenin oluşumunu
destekleyen çevresel bir faktör olabilir
Bu tablonun en önemli odak noktası hastalıkların ilerlemesi/şiddetidir ve literatürde bulunabilecek çok daha
fazla örnek bu tablo içine alınabilir.
İmmün disfonksiyonları ve intestinal bariyer fonksiyonu arasında bir ilişki olduğunu bilerek, yakın
müdahalelerin etkisinin araştırılması amacıyla intestinal geçirgenliğin analizi için daha hassas bir yönteme
ihtiyacı artırır. İntestinal bariyer fonksiyonunu ölçmek için idrarda ramnoz/laktuloz oranı ölçümü gibi bazı
göreceli invaziv olmayan yöntemler bulunmaktadır (blijlevens et al., 2004). Ancak yüksek varyasyon ve
standart örnekleri elde etmenin zorluğu nedeniyle farklı ortamlarda intestinal bariyer fonksiyonunun detaylı
bilgisi elde edilememektedir. Ayrıca, bağırsak bozulmasının olası rolü, immün yetersizliğin altında yatan
neden olarak kabul edilmemektedir. Hatta mukozit nedenli tedavilerde bile, bağırsak bozulmasını ya da
intestinal bariyer yetersizliğini sadece bir göstergesi olup, intestinal bariyer fonksiyonlarının ayrıntılı
analizini sunmayan bakteriyel yer değişim kültürü testi gibi kesin bir biyomarker yoktur. Ayrıca immün
tepkisi ile intestinal bariyer bütünlüğü ilişkilendirecek gerekli bilgiler hala sınırlıdır. Epitelyal NF-kB
aktivasyonu, mukozal epitelyal bariyer bütünlüğünün korunması için önemli bir rol üstlenmiştir. Buna ek
olarak, hem kalıtsal hem de adaptif immün sistemlerinin antimikrobiyal hareketleri koordine eder (BenNeriah ve Schmidt-Supprian, 2007). Bu nedenleNF-kB düzenleyici gen transkripsiyonu sonuçlarındaki bir
yüksek aktivasyon ya da eksiklik kronik inflamasyona ya da homeostatik yetersizliğe işaret eder. Bu, NFkB immün fonksiyonları ve mukozal bariyer homeostazisinde önemli bir rolü olduğunu gösterir ve
modülasyon için ilgi çekici bir hedef olabilir (Van’t Land et al., 2004). Hem farmasötik hem de beslenme
ile ilgili baskılamada aşırı aktif immün tepkilerinin azaltılmasında yararlı olabilir. Yine de intestinal bariyer
fonksiyonlarını etkilerken, NF-kB’nin inhibisyonu bariyer bütünlüğünü azaltabilir. Bunun sonucunda
bariyer translokasyonunda artışa, dolaylı olarak da immün supresyonu amacıyla inflamasyona neden
olabilir. Bu nedenle müdahalenin etkisini daha yakından araştırabilmek için bağırsak geçirgenliğini analiz
edebilecek daha hassas bir yönteme ihtiyaç duyulmaktadır.
3.3. Farmasötik Müdahaleler İmmün Tepkisini İstemsizce Etkileyebilir
Solunum ve bağırsak viral patojenleri için ana giriş noktası, aynı zamanda tüm mikrobiyal komünitenin
etkisi altında bulunan kalıtsal / adaptif immün tepki modulasyonunu ile ilgilenen mukozal epitel yüzeydir.
Solunum ve enterik viral enfeksiyonlar dünya çapında önemli morbidite ve mortaliteye neden olsa da,
birincil ve ikincil viral maruzatların çoğunluğu ya küçük belirtiler gösterir ya da asemptomatik olurlar.
Yakın zamanda, hepsi olmasa da bazı antibiyotiklerin solunum patojenlerine karşılık verme kapasitesini
etkilediği gösterilmiştir (Ichinohe et al., 2011). Antibiyotikler bakteriyel hasatalıklarda sık kullanılan çok
etkili farmakolojik müdahalelerdir. Ancak belirli patojenlere karşı tasarlanmış olsalar da, antibiyotik
tedavileri insan bağırsağındaki mikrobiyal komuniteyi rahatsız edebilir ve buna bağlı olarak da konağın
dengesini bozabilir. Farelerle yakın bir zamanda yapılan bir çalışmada, komensal mikrobiota bileşiminin
antibiyotik tedavisinden kritik olarak etkilenerek solunum merkezli influenza virüs enfeksiyonlarına
cevaben bulunan virüs spesifik immün tepkilerinietkilediği görülmüştür (Ichinohe et al., 2011). Ayrıca bazı
TLR ligandlarının idaresi antibiyotik ile tedavi edilen farelerdeki bağışıklık bozukluğunu düzeltebilir.
İntranazal grip virüsü enfeksiyonunu takiben, inflamasom aktivasyonu, akciğerlerden antijene özel T
hücresi aktifleşmesinin olduğu ve antiviral immün tepkisinin oluşturulduğu emici lenf düğümüne yönelen
DC göçüne neden olur. Antibiyotik kaynaklı miktrobiyal bozulma ve solunum patojenlerine karşı azalan
tepki, mikrobiyal komünitenin solunum mukozal bağışıklığındaki önemli rolünü kanıtlayarak, tüm solunum
patojenlerine karşı kullanılma ihtimali sorusunu doğurur.
Antibiyotik kullanımına ek olarak, parasetamol ve aspirin gibi ağrı kesicilerin kullanılması da güvenli ve
erken yaşlarda bile düzenli olarak kullanımı immün sistem gelişimini etkileyebilir. Parasetamol kullanımı
son zamanlarda ileri yaşlarda da astım gelişimi ile ilişkilendirilmiştir (Bakkeheim et al., 2011). Bu bulgu
çocukluk çağı astımı ve tekrarayan hırıltı ve egzamanın ilk yıllarda parasetamol alımına bağlı olduğunu
belirten önceki raporlar ile uyumludur (Beasley et al., 2008). Parasetamol, aspirinin (asetilsalisilik asit)
aksine COX-2’yi inhibe etmez. COX-2 solunum yolu enfeksiyonlarının çözümü sırasında PGE2 üretiminde
yer alabilir. Son olarak PGE2 doğrudan bağırsak hedefli t hücrelerin indüksiyonları ile ilişkili olduğu
bilinen insan DC’lerindeki retinal dehidrojenaz enzimlerinin ekspresyonunu düzenlemektedir (Stock et al.,
2011). Dolayısıyla PGE2, sitokin üretimi sırasında Th2’yi destekleyip Th1’i inhibe ederek Th1/Th2 dengesi
ile ilişkilenir. Bu durum, genetik olarak Th1/Th2 dengesizliğine yatkın olan çocuklarda dengesizliği
kolaylaştırabilir (Varner et al., 1998).
4.
İmmün Müdahale
4.1. Beslenme ile İlgili Olasılıklar
Artık açıkça gösterildiği gibi komensal mikrobiyal komünite, immün tepkilerin sağlıkta ve hastalıkta
şekillenmesi için önemlidir. Bu nedenle, mikrobiyal bileşimi etkileyen müdahaleler artan bir ilgi
çekmektedir. Bu, örneğin oral yolla alınarak özel bakteri suşlarının bağırsaklarda artmasını sağlayan özel
oligosakkaritler ile teşvik edilerek gerçekleştirilebilir. Ancak, farklı komensal bakteriyel türlerin neden
olduğu tanıma ve modülasyon mekanizmasının çözülmesinde anahtar öneme sahiptir (Plantinga et al.,
2011). Prebiyotiklerin kullanımı bağırsaklardaki mikrobiota bileşiminin oluşmasında bebekler için anne
sütü ile mama arasındaki farkı ortaya koyan anne sütündeki oligosakkarit gözlemine dayanmaktadır. Anne
sütündeki sindirilemeyen oligosakkaritlerin bağırsak mikrobiotasındaki açık bifidojenik etkisi ve
enfeksiyonlar ve kısa vadedeki alerji ile ilgili semptomlar ve büyük ihtimalle de uzun vadedeki etkileri
bakteriyel bileşimin değişimi ile gözlemlenmektedir (Aslanoğlu et al., 2008; Gibson et al., 1995).
Prebiyotik oligo sakkaritlerin mikrobiotaya bağımlı mekanizmalara (örn. bağırsaklardaki mikrobiota
bileşiminin dengelenmesi) dolaylı yoldan etkileri ve / veya immün sistemdeki rakip hücrelerin
reseptörlerinin aktivasyonu ya da inhibisyonu yoluyla doğrudan etkisi olabileceği öne sürülmüştür (Vos et
al., 2007). Daha özel olarak, Treg hücrelerin immün modulasyonunda bu özel oligosakkaritlerin desteği
açısından temel bir rolü olduğu bulunmuştur (Schouten et al., 2010; Van’t Land et al., 2010b).
Sonuç
Beslenme bileşenleri, kommensal bakteriler ve immünolojik süreçleri bağlantılıdır ve farklı etiyolojisi olan
hastalıklarda rol alırlar. Bu belirleyiciler arasındaki ilişki tümüyle anlaşılamamaktadır. Mikrobiyal
müdahaleler prebiyotiklerin ya da başka besinlerin eklenmesi ve antibiyotik tedavileri ile sağlanabilir. Tüm
bu müdahaleler farklı bakteri türlerini etkiler. Bu durum farklı komensal bakteri türlerinin sahip olduğu
özellikleri tanıma ve modülasyon mekanizmasının çözümü kilit öneme sahiptir. Mukozal immün sistem ve
mikrobiyal mileşim arasındaki iletişimin sırrı çözüldükçe, müdahaleler daha özel olacak ve bireysel
yaklaşımları çok yakında görebileceğiz. Mikrobiom düzenlemeleri arasındaki boşluklar ve fazlalıklar
giderildikçe herhangi bir hastalığa karşı daha kolay dayanabileceğimiz öngörülmektedir.
Alıntılar
Bu yorum, Tlpharma projeleri D1-101-0 ile t1-214-1’den elde edilen sonuçlara göre oluşturulmuştur.