Farmacomicrobiômica - Pharmacomicrobiomics

Diagrama de Venn mostrando a farmacomicrobiômica como um subcampo da genômica, microbiologia e farmacologia.

A farmacomicrobiômica , usada pela primeira vez em 2010, é definida como o efeito das variações do microbioma na disposição, ação e toxicidade do medicamento. A farmacomicrobiômica está relacionada à interação entre os xenobióticos , ou compostos estranhos, e o microbioma intestinal . Estima-se que mais de 100 trilhões de procariontes, representando mais de 1000 espécies, residam no intestino. No intestino, os micróbios ajudam a modular as funções de desenvolvimento, imunológicas e nutricionais do hospedeiro. O genoma agregado dos micróbios estende as capacidades metabólicas dos humanos, permitindo-lhes capturar nutrientes de diversas fontes. Nomeadamente, através da secreção de enzimas que auxiliam no metabolismo de produtos químicos estranhos ao corpo, modificação das enzimas hepáticas e intestinais e modulação da expressão de genes metabólicos humanos, os micróbios podem ter um impacto significativo na ingestão de xenobióticos.

Esforços para entender a interação entre xenobióticos específicos e o microbioma tradicionalmente envolvem o uso de modelos in vivo e in vitro . Recentemente, o sequenciamento de última geração de DNA genômico obtido de uma comunidade de micróbios tem sido usado para identificar organismos dentro de comunidades microbianas, permitindo perfis precisos da composição de micróbios em um ambiente. Iniciativas como o Human Microbiome Project (HMP) têm como objetivo caracterizar a composição microbiana dos ambientes oral, intestinal, vaginal, cutâneo e nasal. Este e outros projetos de caracterização de microbioma aceleraram o estudo da farmacomicrobiômica. Uma ampla compreensão do microbioma no corpo humano pode levar ao desenvolvimento de novas terapêuticas e tratamentos com medicamentos personalizados que não são potencializados ou ativados por processos realizados pelo microbioma.

História

Em um artigo de 1973, Ronald Scheline afirmou que o microbioma gastrointestinal tem a capacidade de atuar como um órgão com potencial metabólico pelo menos igual ao do fígado. Desde então, a importância do microbioma humano na mediação da saúde e da doença foi reconhecida, e as interações específicas entre xenobióticos e micróbios foram caracterizadas usando métodos in vitro ou in vivo . No entanto, poucos estudos levaram em consideração o perfil metabólico completo, levando alguns a dizer que o papel cumulativo do microbioma no metabolismo xenobiótico e na toxicologia permaneceu amplamente inexplorado. É relatado que 84% dos medicamentos mais vendidos nos EUA e na Europa são administrados por via oral, tornando-o o modo mais comum de administração de medicamentos. A implicação disso é que uma grande proporção de drogas, especialmente aquelas pouco solúveis e permeáveis, encontram o microbioma e estão sujeitas a reações redutivas e hidrolíticas.

As tecnologias de sequenciamento, como o sequenciamento metagenômico 16S rRNA shotgun, facilitaram a rápida expansão do campo da farmacomicrobiômica ao capturar a diversidade de organismos em comunidades microbianas. Os Projetos Microbioma Humano e METAgenômica do Trato Intestinal Humano (MetaHIT), instituídos em 2007 e 2008, respectivamente, tiveram como objetivo caracterizar a variação nos microbiomas humanos. Esses projetos de larga escala são fundamentais para estudos farmacomicrobiômicos, pois permitem a geração de modelos estatísticos que podem levar em conta a variação na composição microbiana entre os indivíduos.

Métodos para elucidar a composição do microbioma

Em um pipeline farmacomicrobiômico típico, o DNA de uma amostra microbiana é isolado, sequenciado e, em seguida, alinhado aos bancos de dados de sequência microbiana. Com base na composição da amostra, as prescrições de xenobióticos apropriados podem ser identificadas com base em interações conhecidas.

Modelos animais

As interações entre os xenobióticos e o microbioma do hospedeiro foram avaliadas principalmente por meio do uso de modelos animais in vivo , pois é difícil modelar o intestino humano natural. Em geral, o padrão de colonização bacteriana é o mesmo em diferentes animais, com o pH e o número de microrganismos aumentando gradativamente do intestino delgado em direção à junção íleo-cecal do intestino grosso. Ratos livres de germes colonizados com matéria fecal humana são geralmente considerados o padrão ouro na modelagem animal do ambiente microbiano intestinal. No entanto, a atividade enzimática pode variar muito entre os organismos.

Modelos in vitro

Micróbios encontrados em amostras fecais humanas são bastante representativos do microbioma intestinal e são usados ​​frequentemente em culturas in vitro . Uma variedade de técnicas de modelagem microbiana in vitro também foram desenvolvidas. A cultura estática em lote consiste em plaquear bactérias sem reabastecer a mídia em intervalos regulares. Os sistemas de cultura semicontínuos permitem a adição de meio sem interromper o crescimento bacteriano e incluem recursos de controle de pH. O sistema de cultura contínua se assemelha mais ao do intestino, pois continuamente reabastece e remove o meio de cultura. O simulador do sistema microbiano intestinal humano (SHIME) modela o intestino delgado e grosso por meio do uso de um reator de cinco estágios e inclui várias portas para monitoramento contínuo de pH e volume. Mais recentemente, os pesquisadores aprimoraram o SHIME ao incluir uma onda peristáltica controlada por computador para fazer o quimo circular por todo o aparelho. Essas tecnologias deram aos pesquisadores controle próximo sobre o ambiente de cultivo, facilitando a descoberta de interações entre xenobióticos e micróbios.

Sequenciamento de próxima geração

Sequenciamento de rRNA 16S

O RNA ribossômico 16S é o marcador genético doméstico mais comum para classificar e identificar espécies bacterianas, pois está presente em todas as espécies bacterianas, tem função idêntica na maioria dos organismos e é grande o suficiente (~ 1.500 bp) para capturar variação suficiente para distinguir bactérias . A sequência do rRNA 16S consiste em sequências altamente conservadas que se alternam com nove janelas de "regiões hipervariáveis". Isso permite que os primers universais sejam usados ​​para sequenciar muitas espécies de uma vez e oferece a possibilidade de distinguir bactérias, dadas as regiões variáveis ​​sozinhas. Muitos artigos sugerem que o sequenciamento do gene 16S rRNA fornece a identificação do gênero em> 90% dos casos, mas a identificação do nível de espécie em aproximadamente ~ 65 a 83% dos casos. Os bancos de dados Ribosomal Database Project (RDP) e SILVA contêm informações de sequência para rRNA em bactérias, eucariotos e arquéias.

Sequenciamento de espingarda

Os avanços no sequenciamento de alto rendimento têm facilitado o sequenciamento shotgun metagenome (SMS), uma tecnologia que fornece uma caracterização mais ampla de amostras microbianas por meio do sequenciamento de um número maior de genes em cada organismo. O SMS envolve a coleta de amostras microbianas do ambiente, isolamento do DNA, corte do DNA em pequenos fragmentos e, em seguida, o sequenciamento do genoma completo (WGS). As leituras podem ser montadas de novo ou usando genomas de referência. No entanto, o SMS tem limitações. As leituras podem se sobrepor e impedir o alinhamento preciso dos genomas de referência. Além disso, as leituras podem estar contaminadas pela sequência de DNA humano, confundindo os resultados. Na montagem baseada em referência, as leituras também podem ser tendenciosas para espécies que têm genomas de referência disponíveis publicamente.

Composição do microbioma

Microbiomas Individuais

Intestino

No intestino, a maioria dos micróbios pode ser encontrada no intestino grosso, onde o pH é mais alto e mais propício à sobrevivência. Essas bactérias costumam ser mais eficientes do que nossas próprias enzimas digestivas e funcionam para digerir proteínas e carboidratos. Os resultados de mais de 690 microbiomas humanos mostraram que a maioria das bactérias do microbioma intestinal pertence a quatro filos: Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria e Proteobacteria.

Vagina

A vagina possui mais de 200 filotipos, sendo que os mais predominantes pertencem aos filos Firmicutes , Bacteroidetes , Actinobacteria e Fusobacteria . A secreção de ácido lático e peróxido de hidrogênio por Lactobacillus sp. pode diminuir o pH, aumentando a concentração de bactérias que causam a vaginose bacteriana.

Placenta

O primeiro perfil de micróbios em gestações saudáveis ​​a termo identificou microbiota comensal não patogênica dos filos Firmicutes, Tenericutes, Proteobacteria, Bacteroidetes e Fusobacteria.

Cavidade oral

Através do HMP, nove sítios intraorais foram investigados e encontrados para serem enriquecidos em mais de 300 gêneros pertencentes a mais de 20 filos bacterianos.

Projeto Microbioma Humano

O Human Microbiome Project (HMP) foi estabelecido em 2008 pelo US National Institutes of Health (NIH). O objetivo geral é estabelecer uma caracterização abrangente da microbiota humana e seu papel na saúde e doença humana, bem como desenvolver conjuntos de dados e ferramentas que os cientistas podem usar para estudar as populações microbianas. As iniciativas específicas são as seguintes:

1. Desenvolva um conjunto de referência de sequências do genoma microbiano para uma caracterização inicial do microbioma humano.
2. Elucidar a relação entre doenças e alterações no microbioma humano.
3. Desenvolver tecnologias de análise computacional, nomeadamente métodos de sequenciação de micróbios individuais ou de todos os membros de populações complexas em simultâneo.
4. Estabeleça um Centro de Análise e Coordenação de Dados para fornecer informações publicamente disponíveis sobre o projeto, resultados e dados brutos.
5. Estabelecer repositórios de pesquisa para armazenar materiais e reagentes usados ​​no HMP. Isso inclui organismos em cultura e amostras de DNA metagenômico.
6. Examine as implicações éticas, legais e sociais da pesquisa do HMP.

O principal meio de caracterização é através do sequenciamento 16S rRNA e sequenciamento metagenômico shotgun. Os locais do corpo amostrados incluem pele, cavidade oral, intestino, vagina e cavidade nasal. O site do HMP inclui sequência, reconstrução metabólica e dados de perfil da comunidade. Esses conjuntos de dados foram usados ​​para associar certas variáveis ​​clínicas à composição do microbioma

Interações Medicamentosas Conhecidas

Interferência mediada por microbiota na atividade xenobiótica

O microbioma pode afetar significativamente a potência de uma droga farmacêutica. Embora a maioria dos medicamentos seja absorvida na parte superior do intestino grosso, os medicamentos de ação prolongada que são expostos à área rica em micróbios do intestino grosso podem ser afetados pelo metabolismo microbiano. Por exemplo, o cloranfenicol pode causar aplasia da medula óssea após administração oral, devido à presença de coliformes que convertem o cloranfenic em sua forma tóxica, conhecida como p-aminofenil-2-amin-1,2-propanodiol. Além disso, descobriu-se que as abundâncias alteradas de Eggerthella lenta entre as populações afetam o metabolismo da digoxina, potencializando sua atividade e toxicidade. Uma lista não exaustiva de medicamentos e o papel da microbiota em potencializar / aumentar seu efeito é fornecida abaixo.

Interferência mediada por xenobióticos na composição do microbioma

Embora a farmacomicrobiômica seja frequentemente interpretada como o impacto que o microbioma tem no metabolismo xenobiótico, o termo também pode abranger os efeitos dos xenobióticos no microbioma e nos genes microbianos. O impacto dos antibióticos no microbioma humano foi bem estudado. Foi demonstrado que as terapias com antibióticos não têm como alvo apenas um patógeno específico, mas também os habitantes comensais de um hospedeiro. As evidências sugerem que os níveis de bactérias comensais em alguns casos não são normalizados após o tratamento com antibióticos e, de fato, podem ser afetados negativamente por longos períodos de tempo. Um estudo que avaliou os micróbios orais e intestinais antes, imediatamente após e até 12 meses após a exposição aos antibióticos, descobriu que o microbioma pode ser alterado por mais de 12 meses. Uma vez que a composição do microbioma pode ser alterada por antibióticos, isso implica seleção positiva para patógenos oportunistas resistentes, que podem causar doença aguda.

Portal da PharmacoMicrobiomics

O PharmacoMicrobiomics Web Portal é uma iniciativa liderada por estudantes para explorar como os micróbios modulam drogas destinadas a bioinformáticos, geneticistas microbianos e desenvolvedores de drogas. O objetivo do projeto é extrair dados da literatura e extrair interações micróbio-fármaco, incluindo informações sobre classes de fármacos, famílias microbianas e sistemas corporais. Além disso, o portal inclui um banco de dados relacional com informações sobre a composição microbiana em diferentes locais do corpo e seus efeitos específicos na farmacocinética e nas propriedades farmacodinâmicas dos medicamentos.

Medicina Personalizada

A medicina personalizada, no contexto da farmacomicrobiômica, refere-se à capacidade de prever a resposta de um indivíduo a um xenobiótico com base na composição de seu microbioma intestinal. No entanto, as abordagens ômicas atuais que investigam a composição do microbioma usando sequenciamento metagenômico após o tratamento xenobiótico são esparsas. Em vez disso, os esforços de pesquisa têm se concentrado predominantemente na modelagem de mudanças na composição microbiana em diferentes estados de doença. Os esforços de pesquisa futuros devem combinar o conhecimento relativo a quais micróbios metabolizam preferencialmente certos compostos (obtidos de estudos in vitro ) com a identificação da abundância de espécies para prever a tolerância aos medicamentos nos pacientes. No entanto, modelar a interação de um micróbio com um xenobiótico específico pode não prever interações de maneira estável, já que os genomas dos micróbios são continuamente reorganizados por meio da transferência horizontal de genes . Considerando isso, as abordagens que visam assinaturas individuais de genes / transcritos / proteínas, em vez de micróbios individuais, provavelmente levarão a abordagens personalizadas mais amplamente aplicáveis.

Limitações

As limitações da farmacomicrobiômica surgem principalmente da incerteza associada ao perfil metagenômico. Ou seja, leituras curtas obtidas por sequenciamento de espingarda podem ser difíceis de alinhar com genomas de referência, uma vez que muitos organismos têm sequências homólogas. Além disso, o sequenciamento de 16S rRNA não pode resolver consistentemente a identidade das espécies, um achado que lança dúvidas sobre as identidades das espécies em amostras metagenômicas. As limitações também surgem de diferentes projetos de estudo, uma vez que abordagens exclusivas para identificar a natureza das interações xenobiótico-microbioma são frequentemente adotadas. Por exemplo, como a farmacomicrobiômica denota amplamente a associação entre os xenobióticos e o microbioma, a extensão em que os estudos traçam o perfil da genética do microbioma pode variar significativamente. Estudos com o objetivo de caracterizar a identidade do organismo, mas não a identidade do gene ou o número de cópias, podem optar por usar o sequenciamento shotgun 16S em vez do SMS. Por outro lado, estudos com o objetivo de identificar genes e seus produtos ao invés da identidade do organismo podem eleger WMGS juntamente com a análise transcriptômica. Inicialmente, essas diferenças podem significar que os pesquisadores que desejam investigar os dados disponíveis publicamente podem ter que direcionar suas questões de pesquisa para se adequar aos dados em mãos.

Referências