Bugün öğrendim ki: Bizlerin tek bir organizma değil, yürüyen ekosistemler olduğumuzu biliyoruz. On yıllarca, bakterilerin insan hücrelerinden 10'a 1 oranında daha fazla olduğuna inanılıyordu. Modern bilim bunu düzeltti: Oran aslında yaklaşık 1,3'e 1'dir. Siz yaklaşık 38 trilyon bakteri ve 30 trilyon insan hücresisiniz.
Giriş
İnsan vücudunda kaç hücre bulunur? Birincil referans veya belirsizlik tahminleri vermeyen büyüklük derecesi ifadelerinin ötesinde, çok az ayrıntılı tahmin yapılmıştır (aşağıda tartışılan bir istisna [1] bulunmaktadır). Benzer şekilde, vücudumuzda 10¹⁴–10¹⁵ bakteri bulunduğuna dair yaygın ifadeler, eski bir kaba hesaplamaya [2–4] dayanmaktadır.
Bu çalışmanın amacı, insan ve bakteriyel hücre sayısına ilişkin önceki tahminleri eleştirel bir şekilde yeniden gözden geçirmektir. Hesaplama mantığının ve kaynakların tam olarak belgelendiği ve belirsizlik aralıklarının türetildiği güncel ayrıntılı tahminler sunuyoruz. Vücuttaki hücre sayısını güncelleyerek, yerleşik bir genel bilgi gerçeği statüsü kazanacak kadar iyice tekrarlanan 10:1 değerini de yeniden ele alıyoruz [4]. Bu oran yakın zamanda Microbe dergisine gönderilen bir mektupla eleştirildi [5], ancak somut değerler verecek ve belirsizlik aralığını tahmin edecek alternatif ayrıntılı bir tahmine ihtiyaç vardır. Burada, hücre sayımı için şimdiye kadar kullanılan metodolojilerin bir dökümünü sunuyor ve geçmiş tahminleri revize ediyoruz. Bunu yaparken, Fermi problemleri olarak da bilinen önceki kaba hesaplamalardaki varsayımları tekrarlıyor ve bunlar üzerine düşünüyoruz. Bu tür tahminleri etkili bir sağduyu kontrolü ve biyolojideki nicel anlayışımızı geliştirmenin bir yolu olarak görüyoruz.
İnsan hücre sayılarının türetilmesinde kullanılan mevcut literatürün büyük bir kısmı yalnızca veya çoğunlukla erkeklerden oluşan gruplara dayanıyordu ve biz bu kaynakları kullandığımız için analizimiz yetişkin erkeklerle başlıyor. Aşağıda tartışılacağı gibi, karakteristik vücut kütlesindeki, kan hacmindeki ve genital mikrobiyotadaki değişiklikler nedeniyle kadınlar için nispeten mütevazı niceliksel farklılıklar söz konusudur. Analizimiz için, literatürde belirtildiği gibi standart referans adam tanımını kullandık [6]: "Referans Adam, 20–30 yaşları arasında, 70 kg ağırlığında ve 170 cm boyunda olarak tanımlanır." Analizimiz, böyle bir standart erkekteki mikrobiyal hücre, insan hücresi sayısı ve bunların oranına ilişkin tahminleri yeniden ele almaktadır.
Analizimize, önceki kaynakları inceleyerek, farklı vücut organlarındaki sayıları karşılaştırarak ve nihayetinde kolon içeriğine odaklanarak bakteri sayısını yeniden gözden geçirerek başlıyoruz. Ardından, "temsili" bir hücre boyutunu kullanan hesaplamaları hücre tipine göre toplama ile karşılaştırarak vücuttaki toplam insan hücresi sayısını tahmin ediyoruz. Daha sonra, doku tipine göre hücre sayısı dağılımını kütle dağılımıyla karşılaştırıyoruz. Son olarak, bakteriyel ve insan hücreleri oranını yeniden ele alıyor ve cinsiyetin, yaşın ve obezitenin etkisini değerlendiriyoruz.
Sonuçlar
İnsanlardaki Bakteriyel Hücre Sayısına İlişkin Literatürdeki Yaygın İddiaların Kökeni
Mikroplar, esas olarak gastrointestinal sistem, cilt, tükürük, ağız mukozası ve konjonktiva dahil olmak üzere dış ve iç yüzeylerde insan vücudunun her yerinde bulunur. Bakteriler, insan mikrobiyomunda ökaryotlardan ve arkelerden baskın olarak 2–3 büyüklük derecesiyle daha fazladır [7,8]. Bu nedenle, insan vücudundaki mikrobiyal hücrelere bazen operasyonel olarak bakteri diyoruz. Mikropların vücutta bulunduğu yerlerdeki çeşitlilik, bunların toplam sayısını tahmin etmeyi göz korkutucu kılmaktadır. Ancak, niceliksel dağılımları aşağıda tartışılacağı gibi kolonun baskınlığını gösterdiğinde, problem çok daha basit hale gelir. Bakterilerin büyük çoğunluğu kolonda yer alır, önceki tahminler yaklaşık 10¹⁴ bakteri [2] idi, ardından yaklaşık ~10¹² bakteri barındırdığı tahmin edilen cilt gelir [9].
Yakın zamanda gösterdiğimiz gibi [4], insan gastrointestinal sistemindeki bakteri sayısıyla ilgili değeri referans gösteren tüm makaleler, tek bir kaba hesaplamaya [3] kadar izlenebilmektedir. Bu büyüklük derecesi tahmini, gram bağırsak içeriği başına 10¹¹ bakteri varsayımı ve bunu 1 litre (veya yaklaşık 1 kg) sindirim sistemi kapasitesiyle çarparak yapılmıştır. İnsan vücudundaki toplam bakteri sayısına ilişkin revize edilmiş bir tahmin elde etmek için öncelikle vücuttaki bakterilerin niceliksel dağılımını tartışıyoruz. Bağırsak bakterilerinin baskınlığını gösterdikten sonra, insan vücudundaki toplam bakteri sayısına ilişkin tahminleri yeniden ele alıyoruz.
Bakterilerin Farklı İnsan Organlarındaki Dağılımı
Tablo 1, insan vücudundaki farklı organlarda bulunan bakteri sayısına ilişkin tipik büyüklük derecesi tahminlerini göstermektedir. Tahminler, her organın ölçülen bakteri konsantrasyonlarını hacmiyle çarparak elde edilmiştir [9,10]. Değerler, bir büyüklük derecesi üst sınırı vermek için yuvarlanmıştır.
Tükürük ve diş plağındaki bakteri konsantrasyonları yüksek olmasına rağmen, küçük hacimleri nedeniyle ağızdaki bakteri sayısı ağızdaki bakteri sayısının %1'inden azdır. Midenin ve ince bağırsağın üst 2/3'ünün (duodenum ve jejunum) bakteri konsantrasyonu, midenin nispeten düşük pH'ı ve içeriğin mide ve ince bağırsak boyunca hızlı akışı nedeniyle sadece 10³–10⁴ bakteri/mL'dir [10]. Tablo 1, kolonun bakteri içeriğinin diğer tüm organları en az iki büyüklük derecesiyle aştığını göstermektedir. Önemli olan, sindirim sistemi içinde, kolon, toplam bakteri popülasyonuna tek önemli katkıda bulunurken, mide ve ince bağırsak ihmal edilebilir katkılarda bulunur.
Kolondaki Bakteri Sayısına İlişkin Orijinal Kaba Hesaplamanın Yeniden Gözden Geçirilmesi
Vücuttaki ~10¹⁴ bakteri olarak sıkça alıntılanan değere yol açan birincil kaynak 1970'lere [3] dayanmaktadır ve sadece cümle uzunluğunda bir "türetme"den oluşmaktadır; bu, sindirim sistemi hacmini 1 litre olarak varsayar ve bu hacmi, ıslak içerik başına yaklaşık 10¹¹ bakteri olduğu bilinen bakteri sayı yoğunluğu ile çarpar. Bu tür tahminler genellikle çok aydınlatıcıdır, ancak ampirik veriler biriktikçe bunları yeniden gözden geçirmek faydalıdır. Bağırsaktaki 10¹⁴ bakteri şeklindeki bu öncü tahmin, 1 litrelik sindirim sistemi hacmi boyunca sabit bir bakteri yoğunluğu varsayımına dayanmaktadır (hacimden 1 g/mL yoğunluk yoluyla kütleye dönüştürme). Ancak, Tablo 1'den anlaşılabileceği gibi, bağırsağın kolondan proksimal kısımları kolon içeriğine kıyasla ihmal edilebilir miktarda bakteri içerir. Bu nedenle, 10¹¹ bakteri/g yüksek bakteri yoğunluğu için ilgili hacmin yalnızca kolonun hacmi olduğu sonucuna varıyoruz. Kutu 1'de tartışıldığı gibi, 0,4 L'ye ulaşmak için kolon hacmine ilişkin veri kaynaklarını birleştirdik.
Kutu 1. İnsan Kolon İçeriğinin Hacmi
Bu, hesaplamamızda kritik bir parametredir. Aşağıdaki çalışmalara dayanarak 0,4 L'lik bir değer kullandık (ayrıca bkz. S1 Veri, Sekme Kolonİçeriği). Referans yetişkin erkeğin kolon içeriğinin hacmi daha önce çeşitli dolaylı yöntemler kullanılarak 340 mL (1,04 g/mL yoğunlukta 355 g [6]) olarak tahmin edilmişti; bu yöntemler arasında akış ölçümleri, baryum yemeği röntgen ölçümleri ve otopsi muayenesi yer almaktadır [13]. Yakın tarihli bir çalışma [15], MRG taramalarıyla toplanan kesintisiz kolon hacmine ilişkin daha ayrıntılı veriler sağlamaktadır. Yazarlar, erkekler için yüksekliğe göre standardize edilmiş koloner iç hacmi 97 ± 24 mL/m³ olarak bildirmiştir (burada en iyi uyum, koloner hacmin yüksekliğin küpüne bölünmesiyle bulunmuştur). Referans adam için 1,70 m'lik bir yükseklik alınarak [6], 480 ± 120 mL'lik bir kolon hacmine ulaşılır (aksi belirtilmedikçe ± standart sapmayı (SD) ifade eder). Bu hacim, rapor edilmemiş bir miktar gaz içeriyordu ve rektumu dahil etmiyordu. En son olarak, kolonun MRG görüntülerini analiz eden çalışmalar en ayrıntılı ve eksiksiz verileri sağlamıştır. O kohorttaki iç kolon hacmi toplamda 760 mL idi [16,17]. Ancak bu kohort, referans adamdan önemli ölçüde daha uzundu. Yüksekliğe göre normalleştirildiğinde, standart bir adam için 600 mL toplam hacme ulaşırız. Gaz tarafından kaplanan hacmi düşmek için, bu rapordaki dışkı kesrinin kolon hacminin yaklaşık %70'i olduğu tahmin edildi ve bu da 430 mL standardize edilmiş ıslak kolon içeriğine yol açtı. Bu nedenle, bu en güvenilir analiz, önceki çalışmalarla birlikte yaklaşık 0,4 L'lik bir ortalama değeri desteklemektedir.
Bu hacim tahminini, kolondan geçen dışkı hacmine bakarak sağduyu kontrolü yapabiliriz. Bir yetişkin insanın günde ortalama 100–200 gram ıslak dışkı ürettiği bildirilmektedir [18]. Kolonik geçiş süresi, günlük dışkı çıktısı ile negatif olarak ilişkilidir ve normal değerleri yaklaşık 25–40 saattir [18,19]. Günlük çıktıyı ve kolon geçiş süresini çarparak, yukarıdaki değerlere biraz daha düşük olan ancak yukarıdaki değerlerle tutarlı olan 150–250 mL'lik bir hacim tahmini elde ederiz; bu da belirsizlikler ve dışkılamadan önce kolondaki suyun emilimini hesaba katmayan çok kaba bir tahmin göz önüne alındığında tutarlıdır. Özetle, MRG görüntülemelerinin son analizleriyle değerlendirilen kolon içeriği hacmi, önceki tahminler ve dışkı geçiş dinamikleri ile uyumludur. Referans yetişkin erkek için ortalama 0,4 L (ortalama standart hata (SEM) %17, varyasyon katsayısı (CV) %25) değerleri, aşağıda hesaplamalarda kullanılacaktır. Tipik bir öğünden sonra hacim yaklaşık %10 oranında değişir [15], her dışkılama olayı içeriği dörtte bir ila üçte bir oranında azaltır [18].
Vücuttaki Toplam Bakteri Sayısı
Artık kolon için orijinal hesaplamayı [3] tekrarlayabiliriz. Kutu 2'de türetilen gram ıslak dışkı başına 0,9·10¹¹ bakteri ve 0,4 L kolon verildiğinde, kolon içinde standart bir hatayla %25 belirsizlik ve 70 kg erkek popülasyonu üzerinde %52 SD varyasyon ile 3,8·10¹³ bakteri buluyoruz. Diğer organların toplam bakteri sayısına katkısının en fazla 10¹² olduğu göz önüne alındığında, "referans adamın" tüm vücudundaki bakteri sayısı tahmini olarak 3,8·10¹³ kullanıyoruz.
Kutu 2. Kolondaki Bakteri Konsantrasyonu
Kolondaki bakteriyel hücre yoğunluğunu ölçmek için en yaygın kullanılan yaklaşım, dışkı örneklerindeki bakteri içeriğini incelemektir. Bu, dışkı örneklerinin kolon içeriğini yeterince temsil ettiğini varsayar. Bu varsayımı tartışmada yeniden ele alıyoruz. İlk deneyler 1960'lar ve 1970'lere [20,21] kadar uzanmaktadır. Bu erken çalışmalarda, sayım, seyreltilmiş dışkı örneklerinden doğrudan mikroskobik küme sayımlarına dayanıyordu. Daha sonraki deneyler [22,23], bakteriyel 16S RNA'ya DAPI nükleik asit boyaması ve floresan in situ hibridizasyon [FISH] kullandı. Değerler genellikle gram kuru dışkı başına bakteri olarak rapor edilir. Hesabımız için, kuru içerik yerine kolonun ıslak içeriği için bakteri içeriğiyle ilgileniyoruz. Bakteri/g kuru dışkıdan bakteri/g ıslak dışkıya geçmek için her makalede bildirilen kuru madde kesrini kullanıyoruz. Tablo 2, literatürdeki 14 çalışmadan çıkardığımız ve karşılaştırmaya olanak tanıyan ortak bir temele çevirdiğimiz değerleri rapor etmektedir.
Belirsizlik tahmin değerinin, kolon hacmindeki bilinen değişkenliği, bakteri yoğunluğunu vb. hesaba kattığını, ancak nicel olarak belirlenemeyen sistematik önyargıları hesaba katmadığını not ediyoruz. Bu tür bir önyargılardan biri, kolon içindeki gerçek bakteri yoğunluğu ile bakteri sayısını tahmin etmek için vekil olarak kullanılan dışkıdaki konsantrasyon ölçümleri arasındaki farklılıklar hakkındaki bilgi eksikliğidir.
Vücuttaki toplam bakteri kütlesi ne kadardır? Yaklaşık 0,4 kg'lık toplam kolon içeriği ve yaklaşık yarısı olan bir bakteri kütle kesri göz önüne alındığında [21,24], bakteri kütlesinden kolon içeriğinin genel kütlesine yaklaşık 0,2 kg (ıslak ağırlık) katkı elde edilir. Kolondaki bakterilerin vücuttaki diğer tüm mikrobiyota popülasyonlarına göre baskınlığı göz önüne alındığında, genel olarak vücutta yaklaşık 0,2 kg bakteri olduğu sonucuna varıyoruz. Bakterilerin su içeriği göz önüne alındığında, vücuttaki toplam kuru bakteri ağırlığı yaklaşık 50–100 g'dır. Bu değer, güncelleştirilmiş toplam bakteri sayısını yaklaşık 5 pg (ıslak ağırlık, 1–2 pg kuru ağırlığa karşılık gelir, bkz. S1 Ek) ortalama bir bağırsak bakterisi kütlesiyle çarpan alternatif bir paralel tahminle tutarlıdır. Ampirik olarak gözlemlenen bu ortalama bağırsak bakterisinin, ders kitaplarında sıklıkla atıfta bulunulan kullanışlı bir şekilde seçilmiş "standart" 1 μm³ hacimli ve 1 pg ıslak kütleli bakteriden birkaç kat daha büyük olduğunu not ediyoruz. Bulduğumuz toplam bakteri kütlesi, vücut ağırlığının yaklaşık %0,3'ünü temsil eder ve bu da vücut kütlesinin %1–3'ünün bakterilerden oluştuğu veya normal bir insanın 1–3 kg bakteri barındırdığı şeklindeki önceki ifadeleri önemli ölçüde günceller [25].
"Standart" Bir Yetişkin Erkekteki İnsan Hücre Sayısı
Birçok literatür kaynağı, insan vücudundaki hücre sayısıyla ilgili 10¹² ila 10¹⁴ hücre arasında değişen genel ifadeler kullanmaktadır [26,27]. Bu tür değerlerin arkasındaki büyüklük derecesi kaba hesaplama argümanı Kutu 3'te gösterilmektedir.
Kutu 3. Vücuttaki İnsan Hücre Sayısı İçin Büyüklük Derecesi, Naif Tahmin
102 kg'lık bir adam varsayalım, "temsili" memeli hücrelerinden oluşuyor. Her memeli hücresi, 1.000–10.000 μm³ hücre hacmi ve suya benzer bir hücre yoğunluğu kullanılarak, 10⁻¹²–10⁻¹¹ kg ağırlığında olacaktır. Böylece, Şekil 1'de gösterildiği gibi vücutta toplam 10¹³–10¹⁴ insan hücresine ulaşırız. Bu tür tahminler için, hücre kütlesi bir büyüklük derecesi içinde tahmin edildiğinde, 2 katından az farka katkıda bulunan faktörler ihmal edilir. Bu nedenle, referans adam için 70 kg yerine 100 kg kullanıyoruz ve benzer şekilde toplam kütleye ekstraselüler kütlenin katkısını ihmal ediyoruz. Bu basitleştirmeler, tahmini kısa ve şeffaf hale getirmede yararlıdır.
"Ortalama" bir hücreyi dikkate almayı gerektirmeyen alternatif bir yöntem, hücreleri türe göre sistematik olarak saymaktır. Böyle bir yaklaşım yakın tarihli ayrıntılı bir analizde benimsenmiştir [1]. Her farklı kategorideki (hücre tipine veya organ sistemine göre) insan hücresi sayısı tahmin edilmiştir. Her kategori için hücre sayısı, bir literatür referansından veya histolojik kesitler üzerindeki doğrudan sayımlara dayalı bir hesaplamadan elde edilmiştir. Toplam 56 hücre kategorisi üzerinden toplama [1], vücuttaki insan hücresi sayısına ilişkin genel bir tahmin olan 3,7·10¹³'e yol açmıştır (SD 0,8·10¹³, yani %22 CV).
Vücuttaki İnsan Hücrelerinin Güncellenmiş Envanteri
Alıntı yapılan ölçümleri yeniden ele alma çabamızda, ayrıntılı sayım yaklaşımını sağduyu kontrolü olarak kullanılan bir öykünmeli hesaplamanın faydalarıyla birleştirmeye çalışan bir yaklaşım benimsedik. İnsan hücre sayısının %97'sini oluşturan ve yakın zamanda tanımlanan altı hücre tipine odaklandık: kırmızı kan hücreleri (%70'ini oluşturur), glial hücreler (%8), endotel hücreleri (%7), dermal fibroblastlar (%5), trombositler (%4) ve kemik iliği hücreleri (%2). Diğer 50 hücre tipi kalan %3'ü oluşturmaktadır. Dört durumda (kırmızı kan hücreleri, glial hücreler, endotel hücreleri ve dermal fibroblastlar) Kutu 4'te ayrıntılı olarak belirtilen revize edilmiş hesaplamalar elde ettik.
Kutu 4. Kırmızı Kan Hücreleri, Glial Hücreler, Endotel Hücreleri ve Dermal Fibroblastlar İçin Revize Edilmiş Tahminler
İnsan hücrelerinin toplam sayısına en büyük katkıyı kırmızı kan hücreleri oluşturur. Kırmızı kan hücresi sayısı hesaplaması, ortalama kan hacmi 4,9 L (SEM %1,6, CV %9) alınarak, ortalama RBC sayısının 5,0·10¹² hücre/L (SEM %1,2, CV %7) ile çarpılmasıyla yapılmıştır (Bkz. Tablo 3 ve S1 Veri). İkincisi, rutin tam kan sayımınıza bakılarak doğrulanabilir; normal değerler erkekler için 4,6–6,1·10¹² hücre/L ve kadınlar için 4,2–5,4·10¹² hücre/L arasında değişmektedir. Bu, toplam 2,5·10¹³ kırmızı kan hücresine yol açmıştır (SEM %2, CV %12). Bu, önceki 2,6·10¹³ hücre raporuyla benzerdir [1].
Glial hücre sayısı daha önce 3·10¹² olarak rapor edilmişti [1]. Bu tahmin, beyindeki glial hücreler ile nöronlar arasındaki 10:1 oranına dayanmaktadır. Bu glia:nöron oranı, literatürde geniş çapta kabul gören bir gelenek olarak kabul edilmiştir. Ancak yakın tarihli bir analiz [28] bu değeri yeniden gözden geçirmekte ve beyin bölgeleri arasındaki değişkenliği analiz ettikten sonra oranın 1:1'e yakın olduğu sonucuna varmaktadır. Çalışma, beyinde 8,5·10¹⁰ glial hücre (%11 CV) ve benzer sayıda nöron olduğunu belirtmektedir ve biz de bu güncellenmiş değerleri burada kullanıyoruz.
Vücuttaki endotel hücre sayısı, kan damarlarının toplam uzunluğuna dayanan bir endotel hücresinin ortalama yüzey alanına [1] ve kan damarlarının toplam yüzey alanına göre daha önce 2,5·10¹² hücre (CV %40) olarak tahmin edilmişti; bu da toplam kılcal damar uzunluğunun 8·10⁹ cm olduğu varsayılmıştır. Kılcal damar yatağının toplam uzunluğu için birincil kaynak bulamadık ve bu nedenle bu tahmini yeniden gözden geçirmeye karar verdik. Kan hacminin her bir kan damarı türündeki yüzdesine ilişkin verileri kullandık [29]. Farklı kan damarlarının ortalama çaplarını kullanarak [30], her damar türünün (arterler, venler, kılcal damarlar vb.) toplam uzunluğunu ve buna karşılık gelen yüzey alanını (S1 Veri) türetebildik. Bir endotel hücresinin ortalama yüzey alanına bölünmesiyle [31], daha düşük toplam bir tahmin olan 6·10¹¹ hücre türetilir.
Dermal fibroblast sayısı, insan vücudunun toplam yüzey alanını (SA) (1,85 m² [32]) dermal fibroblastların alan yoğunluğuyla [33] çarparak daha önce 1,85·10¹² olarak tahmin edilmişti. Hesaba dermal kalınlığı (d) dahil etmek istedik. Dermal kalınlık, vücut boyunca 17 farklı noktada doğrudan ölçüldü [34] ve bu ölçümlerin ortalaması 0,11±0,04 cm olarak bulundu. Dermis, iki ana katmandan oluşur: papiller dermis (dermisin kalınlığının yaklaşık %10'u) ve retiküler dermis (diğer %90'ı) [35]. Fibroblast yoğunluğu, papiller dermiste daha yüksektir ve bildirilen bir alan yoğunluğu σpap. = 10⁶ hücre/cm²'dir (100 μm kalınlığında papiller, 10⁸ hücre/cm³ verir) [33]. Dermisin ortasındaki fibroblast yoğunluğunun yaklaşık 3·10⁶ hücre/cm³ olduğu rapor edilmiştir [36], bu da bir alan yoğunluğu σret. = 3·10⁵ hücre/cm² verir. Bunları birleştirerek: Nder.fib. = SA·(σpap. + σret.) = 1,85·10⁴ cm² (10⁶ + 3·10⁵) hücre/cm² = 2,6·10¹⁰ hücre. Bu 100 kat azalmadan sonra, dermal fibroblastların insan hücre sayısının sadece ≈%0,05'ini oluşturduğu tahmin edilmektedir.
Glial hücreler, endotel hücreleri ve dermal fibroblast sayısına ilişkin revize edilmiş hesaplamalarımız, önceki tahminde 7,5·10¹² hücreye karşılık yalnızca 0,9·10¹² hücre ile sonuçlanmıştır. Bu, 70 kg'lık "referans adamda" 3,0·10¹³ insan hücresi bırakmaktadır; hesaplanan %2 belirsizlik ve %14 CV ile. Belirsizlik ve CV tahminlerinin iyimser bir şekilde düşük olabileceğini not ediyoruz, çünkü bunlar kırmızı kan hücreleriyle ilgili çalışmaların bildirdiği yüksek güvenilirlikle domine edilmekte, ancak sistematik hataları, bazı hücre tiplerinin hariç tutulmasını ve nicelleştirmesi zor olan benzer faktörleri hafife alabilir. Şekil 2'de, farklı hücre tiplerinin toplam insan hücre sayısına katkısına ilişkin revize edilmiş sonuçları özetliyoruz. Hücre sayısında >%0,4 katkıda bulunan kategoriler sunulmuştur. Diğer tüm kategoriler birlikte yaklaşık %2'yi oluşturmaktadır. Vücudun yalnızca 3·10¹² kan dışı insan hücresi içerdiğini ve bunun toplam güncellenmiş insan hücre sayısının sadece %10'u olduğunu bulduk. Şekil 2'deki görselleştirme, hücrelerin neredeyse %90'ının çekirdeksiz hücreler (26·10¹² hücre) olarak tahmin edildiğini, çoğunlukla kırmızı kan hücreleri ve trombositler olduğunu, diğer ≈%10'unun ise ≈3·10¹² çekirdekli hücrelerden oluştuğunu vurgulamaktadır. Hematopoetik soyun hücre sayısındaki çarpıcı baskınlığı (%90'ı), vücudun kütle bileşimi göz önüne alındığında sezgilere aykırıdır. Bu, aşağıdaki analizin konusudur.
Hücre Sayısı İçin Sağduyu Kontrolü Olarak Kütle Merkezli Yaklaşım
Bu tür tahminler yaparken, analize farklı açılardan yaklaşmak ihtiyatlıdır. Bu ruhta, şimdi soruyoruz: Sayılan hücrelerin kümülatif kütlesi, referans bir yetişkin için beklenen aralık içinde mi düşüyor? Bu soruyu doğru bir şekilde ele almak için öncelikle ne beklenen sonuç olduğunu belirtmemiz gerekiyor, yani toplam vücut hücre kütlesi. Referans adam kütlesi 70 kg için, %25'i ekstraselüler sıvıdır [37], başka bir %7'si ekstraselüler katıdır [37], bu nedenle yaklaşık 46 kg hücre kütlesini (yağ dahil) hesaba katmamız gerekiyor.
Toplam hücre kütlesinin (toplam hücre sayısından ziyade) kapsamlı sistematik bir kaynağı, insan vücudunun ana dokularının kütle değerlerini veren Referans Adam Görev Gücü Raporu'dur [6]. Bu doku başına kütle analizi hem hücre içi hem de hücre dışı bileşenleri içerir. Her dokunun hücre içi ve hücre dışı kısımlarını ayırt etmek için S1 Ek'te ayrıntılı olarak açıklandığı gibi toplam vücut potasyum ölçümlerinden yararlanabiliriz [38]. Şekil 3, insan vücuduna katkıda bulunan ana dokuları hücre sayısı ve kütleleri açısından karşılaştırmaktadır.
Üst çubuk hücre sayısını gösterirken, alt çubuk, genel hücresel vücut kütlesini oluşturan ana hücre tiplerinin katkısını gösterir (yaklaşık 24 kg daha ekstraselüler kütle hariç). Karşılaştırma için, bakterilerin katkısı sağda gösterilmekte olup, vücut ağırlığının yaklaşık %0,3'ü olan sadece 0,2 kg'a ulaşmaktadır.
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.1002533.g003
Bu yan yana koymanın çarpıcı bir sonucu, toplam hücre kütlesi ile hücre sayısı arasındaki katkıda bulunanlar arasında belirgin bir uyumsuzluk olmasıdır. Hücre sayısına, insan vücudundaki en küçük hücre tiplerinden bazıları olan ve hacmi yaklaşık 100 μm³ olan kırmızı kan hücreleri hakimdir. Buna karşılık, toplam hücre kütlesinin %75'i, her ikisi de büyük hücreler olan (genellikle hacimce >10.000 μm³) yağ hücreleri (adipositler) ve kas hücrelerinden (miyositler) oluşur ve bunlar toplam hücre sayısının yalnızca çok küçük bir bölümünü (%0,2 civarında) oluşturur. Diğer uçta, bakterilerin kütle açısından önemsiz bir katkısı vardır, ancak yukarıda tartışıldığı gibi, tüm insan hücreleriyle karşılaştırılabilir bir hücre sayısına sahiptir. Kütle dengesi, beklenen vücut kütlesinin tamamını iyi bir şekilde karşılamakta ve analizimize destek vermektedir. Toplam hücre sayısını değiştirecek kadar çok sayıda çok küçük hücrenin göz ardı edilmesi seçeneği, S1 Ek'te daha ayrıntılı tartışılmaktadır.
Vücuttaki Bakteri ve İnsan Hücreleri Oranı
Vücuttaki güncellenmiş insan (3,0∙10¹³) ve bakteriyel hücre (3,8·10¹³) sayılarıyla (B/H oranının payı ve paydası), standart 70 kg erkek popülasyonu üzerinde %25 belirsizlik ve %53 varyasyon ile B/H = 1,3'lük güncellenmiş bir tahmin verebiliriz. Bu yaklaşık 1:1 B/H değeri (ilişkili belirsizlik aralığı ile birlikte), literatürde belirtilen 10:1 veya 100:1 değerlerinin yerini almalıdır, ta ki daha doğru ölçümler mevcut olana kadar.
İnsan vücudundaki bakteri sayısının (3,8·10¹³) çekirdekli insan hücrelerinin sayısına (≈0,3·10¹³) oranının karşılaştırılması durumunda, oranın yaklaşık 10:1 olacağını not ediyoruz. Bunun nedeni, baskın olan çekirdeksiz kırmızı kan hücresi popülasyonunun hesaba katılmamasıdır. Bu oranın, hem vücuttaki bakteri sayısının hem de çekirdekli insan hücresi sayısının, analizi çekirdekli hücrelerle sınırlamayan orijinal 1970'ler tahminindekinden birkaç kat daha düşük olmasının bir sonucu olduğunu not ediyoruz. Hücre sayısının hesaplanmasında çekirdeği olmayan hücrelerin dahil edilip edilmemesi meselesi ve dolayısıyla B/H oranı, bir tanım sorunu gibi görünmektedir. Kırmızı kan hücrelerini, adlarının da belirttiği gibi, hakiki hücreler olarak görüyoruz. Ancak bazıları onları "hemoglobin dolu torbalar" olarak düşünebileceği için onları dahil etmemeyi seçmek de makul olabilir. Tıpkı önceki sayımlarda olduğu gibi trombositlerin sayıma dahil edilmesi de potansiyel olarak tartışmalı olmakla birlikte sadece küçük bir niceliksel etkisi vardır. Gerçekten de bu, neyin hücre olarak tanımlanması gerektiğine dair ilginç bir yan tartışma açmaktadır.
Nüfus Segmentleri Boyunca Bakteri ve İnsan Hücreleri Oranındaki Değişimler
"Referans adam" için B/H oranını inceledikten sonra, sonuçlarımızı nüfusun diğer segmentlerini ele alarak genelleştiriyoruz. Tahminimize bakarak, hesaplamayı domine eden dört ana parametre belirliyoruz:
kolon hacmi
kolondaki bakteri yoğunluğu
kan hacmi
hematokrit (yani birim hacim başına kırmızı kan hücreleri).
Bunlar, sırasıyla toplam bakteriyel ve insan hücre sayısına kolon bakterileri ve RBC sayısının baskın katkısı nedeniyle yönetici parametrelerdir. Cinsiyetin, yaşın ve obezitenin B/H oranı üzerindeki etkisini değerlendirmek için, bu gruplar arasındaki bu parametrelerdeki değişimi inceliyoruz.
Tablo 3, insan popülasyonunun farklı segmentlerini temsil eden bireyler için daha önce belirtilen her bir parametredeki değişiklikleri toplar: referans yetişkin kadın (1,63 m, 60 kg [39]), genç bebek (4 haftalık), bebek (1 yaşında), yaşlı (66 yaşında) ve obez (140 kg).
Literatür taraması, yaşa bağlı olarak kolondaki bakteri konsantrasyonları üzerinde bir aylıktan yaşlıya kadar önemli bir etki göstermemektedir [40,41]. Yenidoğan gastrointestinal sisteminin kolonizasyonu, ihmal edilebilir kolon bakteri konsantrasyonlarından (≤10⁵ bakteri/mL) yetişkinlere eşdeğer konsantrasyonlara bir aydan kısa bir sürede gerçekleşir [42]. Yüksek çözünürlükte henüz haritalanmamış bu dinamik dönem için bir B/H oranı tahmini sağlamıyoruz. Yaşta olduğu gibi, aşırı kiloların bakteri hücre sayıları üzerinde düşük bir etkisi vardır. [43]. Bebekler ve obezler için bildirilen değerler, "referans adam" varyasyon aralığındadır. Ayrıca, bağırsaklardaki bakteri yoğunluğunda cinsiyete özgü farklılıklara ilişkin literatürde herhangi bir rapora rastlayamadık. Tablo 3'ten anlaşılabileceği gibi, B/H oranı bu farklı popülasyon grupları arasında 1,3'ten 2,3'e kadar 2 katına kadar değişmektedir.
Irk ve etnik köken gibi ek faktörlerin B:H oranını etkileyebileceğini not ediyoruz. Kolondaki bakteriyel popülasyonun coğrafyadan güçlü bir şekilde etkilendiği gösterilmiştir [47], ancak mevcut veriler, kolondaki konsantrasyonlar için sağlam çıkarımlar yapmaya yetecek kadar değildir ve bir veri boşluğu oluşturmaktadır.
Tartışma
Bu çalışmada, ortalama hücre sayısı tahminlerine ilişkin güncel bilgiler sağlamanın ötesinde, temsili belirsizlik aralıkları ve popülasyon segmentleri arasındaki varyasyon sağlamayı amaçladık. Bu, bağımsız çalışmaların karşılaştırılmasına ve çalışmalar içindeki gözlemlenen değişkenliğe dayanmaktadır.
Bulduğumuz en büyük bilgi boşluğu, ölçülen dışkı bakteri yoğunluğunun, kolon boyunca ortalama bakteri yoğunluğunu da temsil etmek için ne kadar gerçekçi olduğudur. Kolonun kendisi boyunca bakteri konsantrasyonunda kaçınılmaz bir gradyan vardır; ileumdan çekuma geçen yaklaşık 10⁸ bakteri/g'dan dışkıda ölçülen ~10¹¹ bakteri/g'a kadar. Bakteri konsantrasyonundaki değişiklik, su emilimi, kolon içindeki bakterilerin yoğunlaşması, bakteriyel büyüme ve mukoza yüzeyinden bakteri dökülmesi gibi çeşitli faktörlerden kaynaklanmaktadır. Bazı açılardan, gözlemlenen dışkı bakteri yoğunluğunu kolon içeriği hacmiyle çarparak yaptığımız tahmin, üst sınır olarak düşünülebilir. Kolon boyunca gerçek bakteri yoğunlukları ile dışkıda ölçülen yoğunluklar arasındaki ilişkiye ilişkin daha fazla bilgi, bu çalışmanın tahminlerini iyileştirmede büyük bir adım olacaktır. Diğer bir belirsizlik unsuru, bireyler ve koşullar boyunca kolon içeriği hacmi hakkındaki sınırlı bilgidir. Bu bilgi boşlukları, rapor ettiğimiz belirsizlik aralıklarında hesaba katabildiklerimizin ötesinde sistematik hatalar olabileceğini göstermektedir.
Çeşitli popülasyon segmentlerinin analizinde makalemiz kapsam açısından açıkça sınırlıdır. Obez, yenidoğan ve yaşlıları, ayrıca cinsiyetin etkisini ele aldık ancak antibiyotik tedavisi sırasında veya kolonoskopi için bağırsak hazırlığı sırasında bireyler, enfeksiyonları olan kişiler, GI sisteminin kronik hastalıkları vb. gibi birçok başka ilgi çekici segmenti ele almadık.
Hücre sayılarını analiz ederken, birçok araştırmacı, örneğin mikrobiyomun metabolik yeteneklerinin çeşitliliğinin bir yansıması olarak gen sayısıyla ilgilenmektedir. Sahip olduğumuz bakterilerdeki genlerin kendi yirmi bin genimizi kaç kat geçtiğini doğru bir şekilde tahmin etmek için, farklı gen olarak neyin kabul edilmesi gerektiği yönündeki çok hassas sorunun doğru bir şekilde tanımlanması gerekir ve bu bu çalışmanın kapsamı dışındadır.
Geçerken, mitokondri şeklinde barındırdığımız endosimbiyotik bakteri sayısının, vücut bakterilerinden muhtemelen birkaç kat daha fazla olduğunu not ediyoruz. Bu, çoğu hücre tipinin (kırmızı kan hücreleri hariç) hücre başına yüzlerce (veya daha fazla) mitokondri içermesi gerçeğinden anlaşılabilir [48].
Vücuttaki mutlak insan hücre sayısı veya bakteriyel ve insan hücreleri oranıyla ilgilenmeli miyiz? Bakteri ve insan hücreleri oranını 10:1 veya 100:1'den 1:1'e daha yakın bir değere güncellemek, mikrobiyotanın biyolojik önemini azaltmaz. Yine de, yaygın olarak belirtilen bir sayının, niceliksel biyolojik söylemi titiz tutmaya hizmet edecek şekilde mevcut en iyi verilere dayandırılması gerektiğine inanıyoruz. Mutlak sayılar çalışması, belirli biyolojik sorular için de ilgilidir. Örneğin, yakın tarihli bir çalışma, farklı dokulardaki hücre sayısını bilmenin, dokular arasındaki kanser riski değişkenliğini anlamada önemli bir gösterge olabileceğini göstermiştir [49]. Diğer uygulamalar gelişim ve mutasyon birikiminin dinamik süreçlerine atıfta bulunur. Son olarak, burada uygulanan sayısal odak türü, proksimal kolondaki bakteri popülasyon yoğunlukları ve bunların mevcut analiz yöntemleriyle ne kadar iyi temsil edildiği gibi bilgi boşluklarını ortaya çıkarır ve dikkat çeker. Böylece bu çalışma aracılığıyla, "kendini bil" şeklindeki Delfik maksimini niceliksel bir perspektiften yerine getirmede umut verici adımların farkına vardık.