العامل البيئي – يونيو 2024: استكشاف تأثير الميكروبيوم على صحة الإنسان من قبل المستفيد من منحة NIEHS

لقد أجريت مؤخرًا محادثة متعمقة مع بيتر ديدون، دكتوراه في الطب، حاصل على درجة الدكتوراه، وهو أحد الحاصلين على منحة NIEHS والذي تساعد أبحاثه في الميكروبيوم في الكشف عن الأدوار المعقدة والحيوية التي يلعبها في صحة الإنسان. يشير الميكروبيوم إلى جميع البكتيريا والفطريات والفيروسات التي تعيش علينا وداخلنا. لقد استكشفنا كيف يمكن لبعض التعرضات البيئية أن تعطل ميكروبيوم الأمعاء وتؤثر على متلازمة القولون العصبي واضطرابات الدماغ وغيرها من الحالات. الدكتور ديدون هو أستاذ أندروود-بريسكوت للهندسة البيولوجية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT).

إن فهم الميكروبيوم له أهمية متزايدة في مجال الصحة البيئية. وبينما نتعلم المزيد عن هذه المجتمعات الميكروبية، فمن الواضح أنها ليست مجرد مسافرين في الجسم، بل مشاركين نشطين في الحالات الصحية والمرضية، بعدة طرق معقدة. لذا، فمن الأهمية بمكان تقييم كيف يمكن للعوامل البيئية أن تغير هذا التوازن الدقيق.

ومن بين جهوده الأخرى، سعى الدكتور ديدون إلى تحديد ما إذا كانت تغييرات معينة في الحمض النووي البكتيري يمكن أن تجعل الفرد أكثر حساسية لأشياء مثل النظام الغذائي، والالتهابات، والضغوطات البيئية الأخرى، الداخلية أو الخارجية. مثل هذه الحساسية المتزايدة يمكن أن تمهد الطريق لمجموعة متنوعة من النتائج الصحية السيئة، بدءا من الفصام إلى السمنة. بالإضافة إلى مناقشة أبحاثه الأخيرة، شارك الدكتور ديدون أيضًا ما الذي ألهمه ليصبح عالمًا وكيف أدت “الصدف السعيدة” في حياته المهنية إلى اكتشافات مثيرة.

حدود علمية جديدة

ريك وويشيك: ما هو الميكروبيوم بالضبط؟

بيتر ديدون: إنها الحدود الجديدة في مجال صحة الإنسان ومرضه، من وجهة نظري. يتضمن الميكروبيوم أكثر من 5000 نوع مختلف من البكتيريا التي تعيش في كل سطح من جسمك. التركيز الأكبر موجود في أمعائك.

والميكروبيوم هو أكثر من مجرد بكتيريا. ويشمل أيضًا الفطريات والفيروسات، بما في ذلك كمية كبيرة من العاثيات. تلك هي الفيروسات التي تهاجم البكتيريا. أنها تتطلب البكتيريا كمصدر للغذاء وتكرار نفسها.

لذا، هناك نوع مستمر من الحرب بين البكتيريا والعاثيات. وجميعهم لديهم آليات دفاعية لمواصلة قتال بعضهم البعض. كان أحد أهدافي هو فهم إحدى هذه الآليات بشكل أفضل، وهي تعديلات الحمض النووي التي تعمل مثل جهاز المناعة. وكان الهدف هو تسليط الضوء على كيفية ارتباط هذه التعديلات بصحة الإنسان.

إنتاج المواد الكيميائية الأساسية

رو: لماذا يعتبر الميكروبيوم عاملاً مهمًا في صحة الإنسان؟

بي دي: في السنوات الماضية، لم يكن أحد يعتبر أن الميكروبيوم مهم لصحة الإنسان. في الواقع، يعتقد معظم الناس أن البكتيريا مجرد أشياء تريد التخلص منها. اليوم، نعلم أن الأمر ليس كذلك، وأن هذه الكائنات الحية الدقيقة وغيرها في جميع أنحاء الجسم ضرورية للحياة.

يحتاجها كل إنسان، وهي مهمة للغاية لدرجة أننا نستطيع أن ننظر إليها كعضو آخر في الجسم. تظهر الأبحاث الناشئة أن بكتيريا الأمعاء تنتج مواد كيميائية ضرورية للوظيفة الإدراكية، ووظيفة القلب، وجميع أشكال التمثيل الغذائي في الجسم.

نحن لا نعرف بعد النطاق الكامل لعشرات الآلاف من المواد الكيميائية التي تصنعها الحشرات في الأمعاء البشرية. يتم امتصاص المواد الكيميائية في مجرى الدم، وتدور حولها، ويتم استقلابها تمامًا مثل الأدوية، ولكنها ضرورية لوظائف الجسم. في الواقع، العديد من هذه المواد الكيميائية تعتبر فيتامينات – مواد كيميائية أساسية لا يستطيع البشر صنعها – والتي تنتجها الجراثيم الموجودة في الأمعاء والجلد والممرات الهوائية. وهي مركبات أساسية لفسيولوجيا الإنسان ولصحة الإنسان.

إظهار أهمية الميكروبيوم

رو: عندما كنت طالب دراسات عليا، كنت، مثل كثيرين آخرين، أعتقد أن البكتيريا هي مجرد أشياء نحتاج للتخلص منها. لكن جزءًا من المشكلة كان أننا لم نعرف الكثير عنها لأنه لم يكن لدينا طرق للكشف عنها فعليًا. إذًا، ما هي الابتكارات التي جعلت الميكروبيوم عنصرًا مهمًا للصحة؟

بي دي: حسنًا، قد يقول بعض الناس في البداية كلمة “omics” – علم قياس الآلاف من الجزيئات والبروتينات المختلفة في نفس الوقت، مثل علم الأيض والبروتينات. لكن في الواقع، كان التقدم التكنولوجي الأول هو القدرة على صنع فئران خالية من الجراثيم، والتي تفتقر إلى أي ميكروبات فيها. ساعدت مثل هذه الفئران في إظهار أن هذه الحشرات يمكن أن تؤثر على الصحة بطرق رئيسية، وذلك لأن الفئران الخالية من الجراثيم ليست صحية على الإطلاق.

فكر في مرض التهاب الأمعاء. يعاني العديد من الأشخاص من هذه الحالة، ونحن نعلم الآن أن الميكروبيوم يلعب دورًا كبيرًا. لا تصاب الفئران الخالية من الجراثيم بمرض التهاب الأمعاء، ولا يمكنك جعلها تصاب به عن طريق الوراثة، أو عن طريق العلاج بالمواد الكيميائية. لذلك، كان هذا اكتشافًا كبيرًا، وقد جاء بسبب الابتكار في نماذج القوارض.

أيضًا، منذ سنوات مضت، أظهرت دراسة مهمة أجراها الدكتور جيفري جوردون وجود علاقة قوية بين السمنة والميكروبيوم. إذا كان لديك قوارض سمينة وقمت بزرع الميكروبيوم الخاص بها في فئران غير سمينة، فسوف تعاني تلك الفئران من السمنة. ويشير هذا إلى أن الميكروبيوم له بعض التأثير على عملية التمثيل الغذائي، وتناول الطعام، واستهلاك السعرات الحرارية، وعلم وظائف الأعضاء الأيضية.

ثورة عملاقة

رو: ما أنواع التقنيات التي يستخدمها فريقك لتطوير أبحاث الميكروبيوم؟

بي دي: اليوم، الإنجاز الكبير هو أننا نستطيع أخذ الحمض النووي من عينة البراز، والتي تحتوي على أجزاء من الجينوم من آلاف البكتيريا في الأمعاء، والقيام بما يسمى أبحاث الميتاجينوميات. هذا هو المكان الذي نحدد فيه الشفرة الوراثية في كل قطعة من هذا الحمض النووي باستخدام أدوات تسلسلية وحسابية ومعلوماتية متطورة، ثم نخصص قطع الحمض النووي لبكتيريا معينة. هذه ثورة هائلة أتاحت لنا معرفة الأخطاء الموجودة بداخلك.

ثم ننظر إلى عالم التمثيل الغذائي، والذي يتضمن قياس جميع الجزيئات الكيميائية الصغيرة في الدم والجسم. على سبيل المثال، باستخدام عينة من البراز فقط، يمكننا قياس طيف الجزيئات التي تنتجها ميكروبات الأمعاء والتأكد من أنها جزيئات مختلفة عن تلك الموجودة في البشر أنفسهم. والآن، أنا أنظر إلى تعديلات الحمض النووي الريبوزي (RNA) وتعديلات الحمض النووي (DNA) في تلك الميكروبات لتحديد كيفية تأثير هذه التغييرات على تكوين ووظيفة الميكروبيوم، خاصة في الاستجابة للضغوطات.

اتصالات الأمعاء والدماغ

رو: هل يمكنك مشاركة بعض اكتشافاتك الأكثر إثارة؟

بي دي: بالتأكيد. ذكرت سابقًا أن الميكروبيوم ينتج مركبات ضرورية لصحة الإنسان. وتبين أن الإنسان لا يستطيع صنع مادة الكيوين، وهي مادة كيميائية ضرورية لتعديل بيولوجي مهم يساعد الخلايا على الاستجابة للضغوط الداخلية والخارجية.

الكيوين هو في الأساس فيتامين لا يستطيع الإنسان صنعه. ومع ذلك، فإن البكتيريا الموجودة في ميكروبيوم الأمعاء تصنعه، ويوجد في بعض الأطعمة، بما في ذلك الزبادي. من خلال الدراسات التي أجريت على الفئران، رأينا أن قلة الطابور يمكن أن تؤدي إلى اضطرابات دماغية مثل الفصام.

لذلك، يبدو أن هناك علاقة مهمة بين ميكروبيوم الأمعاء والصحة العقلية، ولكن هناك حاجة إلى مزيد من الأبحاث للمضي قدمًا. أنا وزملائي مشغولون الآن بمحاولة توضيح العلاقة بين الأمعاء والدماغ. نريد تسليط الضوء على ما يحدث عندما تعطل التعرضات البيئية إمداد قائمة الانتظار للميكروبيوم.

بالإضافة إلى ذلك، يريد فريقنا أن يفهم بشكل أفضل كيف يمكن أن يؤثر التعرض على توازن البكتيريا المحتوية على الفوسفوروثيوات، والتي ربطناها بالتهاب الأمعاء. يشير الفوسفوروثيوات إلى نوع مهم من تعديل الحمض النووي حيث يتم دمج الكبريت في العمود الفقري للحمض النووي. السمة الرئيسية لمرض الأمعاء الالتهابي هو اضطراب استقلاب الكبريت. تتكاثر البكتيريا المحتوية على الفوسفوروثيوات، مما قد يؤدي إلى تلف بطانة الأمعاء ويساهم في الالتهاب الذي يعد السمة المميزة للمرض.

التأثيرات البيئية

رو: ما هي أنواع التعرضات التي قد تؤثر على الميكروبيوم؟

بي دي: النظام الغذائي له تأثير كبير من حيث جلب مستقلبات الجزيئات الصغيرة والدهون والكربوهيدرات والبروتينات إلى الأمعاء. يسبح ميكروبيوم الأمعاء في هذه العناصر الغذائية، وستستخدم الميكروبات المختلفة كل ما هو موجود في النظام الغذائي لمصلحتها الخاصة.

كما أن التعرض الكلاسيكي للزرنيخ في مياه الشرب. لقد قمنا ببعض العمل على ذلك. يؤثر الزرنيخ على الخلايا البشرية، نعم، ولكنه يؤثر أيضًا على الميكروبات بطرق لا نقدرها تمامًا، مع الكثير من نفس النوع من علم السموم الذي نراه في البشر. ستمتص الخلايا البكتيرية الزرنيخ وتدمجه في وظائف مختلفة، مما قد يعطلها بشكل كبير.

وفي نهاية المطاف، فإن أي مادة كيميائية موجودة في الهواء والغذاء والماء سوف تؤثر على الميكروبيوم. على سبيل المثال، كنت أبحث للتو عن ثنائي ميثيل سلفوكسيد [DMSO]، وهو مذيب نستخدمه في المختبر طوال الوقت. حسنًا، هناك حشرات في أمعائك تحتوي بالفعل على اختزال ثنائي ميثيل سلفوكسيد، مما يعني أن الجراثيم يمكن أن تعيش على DMSO. لذا، إذا تعرضت لهذه المادة، فهل سيؤدي ذلك إلى زيادة نمو هذه الحشرات، وما هي عواقب ذلك؟

يمكننا أن نبدأ في التفكير في كل مادة كيميائية بيئية بطريقة مماثلة. ومن الآن فصاعدا، سيكون من الأهمية بمكان أن يقوم المجتمع العلمي بمعالجة هذه الأسئلة وغيرها من الأسئلة ذات الصلة.