PLoS ONE: Udviklingen af ​​mavesyre og dens relevans for Human Microbiome

Abstrakt

Gastric surhedsgrad er sandsynligvis en nøglefaktor forme mangfoldighed og sammensætningen af ​​mikrobielle samfund findes i hvirveldyr tarmen. Vi foretaget en systematisk gennemgang for at teste hypotesen om, at en central rolle hvirveldyr mave er at opretholde tarmen mikrobielle samfund ved at frafiltrere roman mikrobiel taxa, før de passerer ind i tarmene. Vi foreslår, at arter fodring enten på ådsler eller organismer, der er tæt fylogenetiske slægtninge bør kræve den mest restriktive filter (målt som høj mavesyren) som beskyttelse mod udenlandske mikrober. Omvendt bør arter fodring på et lavere trofisk niveau eller på fødevarer, der er fjernt relateret til dem (for eksempel planteædere) kræver den mindst restriktive filter, da risikoen for patogen eksponering er lavere. Sammenligninger af mavesyren tværs trofiske grupper i pattedyr og fugle taxa viser, at skraldemanden og kødædere har betydeligt højere mave syrer i forhold til planteædere eller rovdyr fodring på fylogenetisk fjernt bytte såsom insekter eller fisk. Desuden finder vi, når mavesyren varierer inden arter enten naturligt (med alderen) eller i behandlinger som fedmekirurgi, virkningerne på gut bakterielle patogener og samfund er i tråd med vores hypotese om, at maven fungerer som en økologisk filter. Sammen disse resultater fremhæver betydningen af ​​at inddrage målinger af gastrisk pH, når de efterforsker tarm mikrobielle dynamik inden for og på tværs af arter

Henvisning:. Beasley DE, Koltz AM, Lambert JE, Fierer N, Dunn RR (2015) Udviklingen af mavesyre og dens relevans for den menneskelige microbiome. PLoS ONE 10 (7): e0134116. doi: 10,1371 /journal.pone.0134116

Redaktør: Xiangzhen Li, Chengdu Biologisk Institut, KINA

Modtaget: Marts 8, 2015; Accepteret: 6 jul 2015; Udgivet: 29 Jul 2015

Copyright: © 2015 Beasley et al. Dette er en åben adgang artiklen distribueres under betingelserne i Creative Commons Attribution License, som tillader ubegrænset brug, distribution og reproduktion i ethvert medie, forudsat den oprindelige forfatter og kilde krediteres

Data Tilgængelighed: Alle relevante data er inden papiret

finansiering:.. forfatterne har ingen støtte eller finansiering til at rapportere

konkurrerende interesser:. forfatterne har erklæret, at der ikke findes konkurrerende interesser

Introduktion

Ofte hvirveldyr mave evolution er diskuteret i forbindelse med mave rolle i kemisk nedbryde mad og specifikt denaturering proteiner via pepsinogen og HCI [1]. Maven tjener klart disse formål. Men i lyset af vores voksende forståelse af mikrobielle symbionter rolle i menneskers sundhed, er det interessant at revurdere maven supplerende rolle som en vigtig barriere mod patogen indrejse i mavetarmkanalen [2-3]. Her ser vi økologi fugle og pattedyr maver, og i det samme lys, medicinske indgreb, der ændrer menneskets gastrisk pH og deres konsekvenser for den menneske-mikrobe forhold.

Tidlige studier af menneskets tarmsystem microbiome foreslog, at tarmen kolonisering var stokastisk og forbigående [4] og microbiome på et givent tidspunkt var stærkt påvirket af de seneste kolonister [5]. Dette mønster, hvis almindelighed ville have foreslået en beskeden rolle for den menneskelige mave i modulering af sammensætningen af ​​tarmene. nyere forskning i gastrisk sundhed tyder dog på, at pH miljø af simple-stomached hvirveldyr serverer en mere fremtrædende funktion som en økologisk filter, der kan gennem sin surhed, dræbe mikrobiel taxa, der ellers ville kolonisere tarmene [2]. I denne sammenhæng ville vellykket kolonisering være sjældne. Nylige undersøgelser viser, at i fravær af alvorlige perturbation, er den tidsmæssige variation i mikrobiel sammensætning menneskets tarme er mindre end variabiliteten mellem individer [6-8]. Når store ændringer forekomme hos raske individer, de ofte forekommer på grund af ændringer i den relative forekomst af taxa i stedet for ankomsten af ​​nye slægter [9]. Flere og flere, data tyder på, at artsspecifikke samfund i menneskets tarmsystem synes relativt resistent over for forstyrrelse [10-11], for en stor del, fordi den sure menneskelige mave forhindrer hyppige kolonisering af tarmen af ​​et stort antal fødevarebårne mikroorganismer , uanset om de er gavnlige eller patogen.

Mens litteraturen om den menneskelige mave, surheden og tarmen microbiome, synes at støtte tanken om, at mavesyren udviklet sig som en barriere for patogen kolonisering, sådan en påstand gør fuld kun mening i lyset af en bredere komparativ forståelse af mavesyren i fugle og pattedyr [12-13]. Men mens ideen om, at maven fungerer som en barriere for patogener ofte er blevet diskuteret [14-16], vises ingen undersøgelse for at have formelt sammenlignet maven pH i fugle eller pattedyr som en funktion af deres biologi i almindelighed eller deres forventede eksponering til fødevarebårne patogener i særdeleshed.

Fordi opretholde et surt pH miljø er dyrt, bør sure maver være til stede primært i de tilfælde, hvor det er adaptive (eller hvor det var adaptive i en nylig forfader). Udgifterne til mavesyren er dobbelt. Værten skal investere betydelige energi til både syre produktion og beskytte maven fra syre-relaterede skader [17]. Desuden kan surheden i maven hinder, eller i det mindste gøre det vanskeligere, chance erhvervelse af gavnlige mikroorganismer. På den modsatte yderlighed er de specialiserede planteædere, hvor maven morfologi er afledt at omfatte en alkalisk kammer (formaven eller præ-saccus) det hus mikrober kritiske til gæring en plante kost [18-22]. I disse dyr, en sur mave er ikke kun af begrænset værdi (fordi risikoen for fødevarebårne patogener i plantematerialet er lav), kan den også fjerne de mikrober, der hjælper til med nedbrydning af plantemateriale. Groft så forventer vi mavesyren at spejle dyr kostvaner på måder, der afspejler patogen risiko. Vi forventer, at dyr, der fodres på ådsler vil have den mest restriktive filter, dvs. højere mavesyren. Carrion har potentiale til at opretholde høje patogene belastninger fordi den døde værtens krop er stoppet undertrykke bakterievækst. Tilsvarende ville forventes kødædere og altædende at have højere mave syrer end planteædere med specialiserede fermenting formaver fordi patogener, der findes i bytte er mere tilbøjelige til at være i stand til at inficere rovdyr end plante-associerede mikrober [23]. Men vi ville også forvente forsuring af kødædende og omnivore mave til også afhænge af fylogenetiske afstanden mellem rovdyr og byttedyr. Patogener er langt mere tilbøjelige til at være i stand til at inficere relaterede værter [23], således at en fugl forbrugende et insekt skal vende en lavere risiko for en fødevarebåren infektion end en fugl spiser en fugl. For at teste disse hypoteser, vi sammenligner maven surhedsgrad pattedyr og fugle på tværs af en mangfoldighed af kost typer.

I lyset af resultaterne, vi så revidere økologi menneskelige mave, sin rolle som et filter og sandsynlige konsekvenser af denne rolle i forbindelse med moderne menneskelige livsstil og lægelige indgreb. Hvis mavesyren virker som en stærk filter, forventer vi, at når surhedsgraden er reduceret, vil påvirkningen af ​​kost-associerede mikrober på tarmens mikrobiota være større. Det er kendt, at mavesyren falder med alderen og som en konsekvens af nogle medicinske behandlinger [24-26]. Således som surhedsgrad falder, og filteret effektivitet reduceres, ville vi forvente at se stigninger i både mangfoldigheden af ​​mikrobielle slægter og patogen belastninger i tarmen. Vi forventer også, at dyr, såsom mennesker, med meget sure filtre skal særligt disponeret for negative konsekvenser af tabet af gut symbionter fordi odds for chance re-kolonisering er lave.

Materialer og metoder

hvirveldyr mave

Her har vi fokus på to taksonomiske grupper, pattedyr og fugle, hvor økologi maver er bedst undersøgt. Inden disse taxa, vi fokuserer på det første kammer af mave-tarmkanalen, et kammer med forskellige navne afhængigt af organismer og kontekst. I pattedyr gastrisk syreproduktion og midlertidig opbevaring af fødevarer både forekomme i maven. I fugle, syreproduktion forekommer i proventriculus og opbevaring af fødevarer forekommer i kråsen (Fig 1). Vi fokuserer på de maver af pattedyr og, teknisk, proventriculus af fugle, men herefter bruge udtrykket "maven" for enkelhed. Maver varierer meget i deres strukturelle kompleksitet og størrelse blandt hvirveldyr [27], især pattedyr, men i de fleste af disse tilfælde, maver er de mest sure komponent i fordøjelseskanalen [28]. Undtagelsen til dette mønster er formave-gæring arter, hvor mikrobiel fermentering går forud fordøjelse og absorption [22]. Mammale planteædende clader kan karakteriseres på grundlag af, hvor i mave-tarmkanalen mest alloenzymatic (mikrobiel) fermentering af kosten kulhydrat forekommer. I fortarm fermentorer, mikrober bosat i en til flere afsnit af en sacculeret mave. Blandt primater, har kun én slægt (underfamilie Colobinae) udviklet dette system, men analoge fordøjelsesproblemer strategier findes i flere slægter af Artiodactyla samt dovendyr, og kænguru [18-22]. Blandt fugle, er kun en art kendt for at stole på et sådant gæring-system (Hoatzin, Opisthocomus hoazin)
selvom mikrober er opstaldet i en specialiseret to kamre afgrøde, og ikke teknisk, i maven [29] . Uanset morfologi, fordi samfund af cellulolytiske mikroorganismer og sund fermentering forekommer mest produktivt i et alkalisk miljø, den proximale del af fortarm-fermenterende maven har et pH på ca. 5,5 til 7, mens de distale dele har en pH på ca. 3. nødt til at opretholde en bestemt pH i formaven uden tvivl påvirkninger fodring beslutninger:. når produktionen af ​​flygtige fedtsyrer fra fermentering overstiger absorption kan overflod af syrer forårsage et fald i formaven pH, hvilket resulterer i en undertiden fatal lidelse kendt som acidose

Litteratursøgning

Vi søgte mave biologi, dyr fysiologi og aviær fysiologi lærebøger til målte mave pH-værdier. Vi søgte også Web of Science, PubMed, Google Scholar og upubliceret litteratur (dvs. afhandlinger, konference abstracts) til relevante data. I betragtning af dets primære rolle i fordøjelsen, er mave pH blevet målt i langt færre taxa end man kunne forvente. For eksempel, at vores bedste viden, der ikke findes data om maven pH til andre end mennesker hominoid, og der findes overraskende få data for primater mere generelt. Ligeledes mens det vildt fastslået, at hyæner har "meget sure" maver, konsultation af eksperter i hyæner og deres kost var klar over ingen data, der rent faktisk er direkte betragtes denne påstand.

For de systematiske enheder, for hvilke der var tilgængelige data vi kategoriseret dyr ved taksonomiske gruppe (fugl eller pattedyr), arter og trofiske gruppe. For konsistens, vi tildelt trofiske gruppe baseret på dyrenes naturlige fodring adfærd (Tabel 1). En art blev klassificeret som en obligat scavenger, hvis det fodres primært på ådsler. Omvendt definerede vi fakultative scavengers som arter, der vides at fodre på ådsler men ikke som en primær fødekilde. Vi klassificeret kødædere som en generalist, hvis den fodres ukritisk på byttedyr elementer eller en specialist, hvis kosten bestod primært af en bestemt bytte element (dvs. insekter, fisk). En art blev kategoriseret som en omnivore, hvis den fodres med både planter og dyr. Inden planteædere, vi adskilt fortarm fermentorer fra stortarmen gæringsanlæg at redegøre for den specialiserede gæring strategi involverer sækformet maver.

Vi beregnede en gennemsnitlig pH for hele maven, hvis værdier blev præsenteret for flere steder som fundus, krop og pylorus regioner. Hvis undersøgelser forudsat både baseline og post-fodring værdier, brugte vi baseline pH. Når den ikke fastende, kan pH variere afhængig af faktorer, herunder kost og tid siden fodring.

Vi anvendte en generel lineær model indflyvning efterfulgt af en Tukey-Kramer post-hoc test for at vurdere forskelle i mavens pH som funktion af trofiske kategori ved hjælp PROC GLM i SAS 9.3 (SAS Institute, Cary, NC, USA).

Resultater

i alt vores litteratur søgning gav data på 68 arter (25 fugle og 43 pattedyr) fra syv trofiske grupper (tabel 1). En generel lineær model baseret på kost forklarede meget af variationen i maven pH (R ^{2 = 0,63, F _{1,6 = 17,63, p < 0,01). De trofiske grupper, der var mest variable med hensyn til deres mave pH var altædende og kødædere der specialiserer sig i at spise insekter eller fisk.}}

Vores hypotese var, at fortarm-gærende planteædere og dyr, der lever af byttedyr mere fylogenetisk-fjernt fra dem ville have de mindst sure maver. Tukey-Kramer sammenligninger viste, at skraldemanden (både forpligte og fakultative) havde signifikant højere mave syrer i forhold til planteædere (både fortarm og stortarmen) og specialiserede rovdyr fodring på fylogenetisk fjernt bytte. Konkret fortarm-gærende planteædere havde mindst sure maver alle trofiske grupper, mens altædende og generalist rovdyr, med flere mellemliggende pH-niveauer, ikke var skelnes fra enhver anden gruppe (figur 1).

Diskussion

på baggrund af de tilgængelige data, vores analyse illustrerer et generelt mønster i hvilke arter fodring på ådsler og dyr har betydeligt højere mave syrer i forhold til arter lever af insekter, blade eller frugt. På egen hånd, mønstrene er i overensstemmelse med den hypotese, at en rolle i maven er at hæmme mikrobiel indtræden i tarmen, selvom disse mønstre også kan forklares med andre fænomener. Rovdyr har brug for mere sure maver for at lysere proteinet i deres kød-baserede kostvaner. For eksempel er udskillelse af pepsinogen og dets aktivering til pepsis i maven moduleret af en sur pH (2-4) [30]. Også aktiviteten af ​​proteaser i en simpel syre mave afhænger et surt miljø (pH 2-4) [31]. Men mens dette kan forklare forskellene mellem rovdyr og planteædere, det tager ikke højde for den meget høje syreindhold i maven på skraldemanden, især i betragtning af, at det forbruges af skyllevæsker kød er ikke sandsynligt, at være meget sværere at fordøje end rovdyr. Vi foreslår, at disse scavengers stole på den høje surhedsgrad deres mave for at forhindre kolonisering af deres tarme af fødevarebårne patogener [32]. Altædende og rovfisk var mest variabel i mave syrer, hvilket må forventes, da begge diæter adskiller sig meget fra art til art. Insektædere kan bruge forskellige midler til at fordøje insekt chitin, med surhed spiller en rolle i nogle, men ikke andre tilfælde.

Det særlige tilfælde af herbivory

Carrion fodring pålægger en slags begrænser på økologi tarmen, en stigning i risikoen for patogener. Herbivory pålægger en anden, det er nødvendigt at fordøje plantemateriale refraktære over for enzymatisk fordøjelse (cellulose og lignin). For at fordøje disse forbindelser, planteædere er afhængige uforholdsmæssigt på mikrobielle processer [33]. Forskellige regioner af mave-tarmkanalen (enten vommen, blindtarmen eller i tilfælde af Hoatzin en foldet afgrøde) funktion primært som gæringsskabe. Således er en udfordring med fermentative indvolde begunstige de mikrober, der er nyttige for fordøjelsen og samtidig reducere risikoen for patogen indrejse i tarmen. Vi foreslår, at fordi truslen af ​​mikrobielle patogener er forholdsvis lav på levende blade (selvom se [34]), planteædere har råd til at opretholde et kammer, der er moderat sur og derfor er mindre restriktive for mikrobiel post. Men finder vi flere interessante undtagelser fra denne generelle. Bævere, som er kendt for at opbevare mad caches under vandet, hvor der er en høj risiko for eksponering for et protozoparasit Giardia lamblia
, har meget sure maver. Den høje mavesyre kan have udviklet sig til at håndtere denne fremherskende miljømæssige patogen [35]. Den anden planteæder i vores datasæt med en meget sur mave er kaninen, som giver et interessant eksempel på en adfærdsmæssig modifikation af miljøet i mavesækken. Kaniner er kendt for at engagere sig i hyppig coprophagy som tillader dem igen pode sig selv med mikrober [36]. De specialiserede bløde pellets som hus mikrober også reducerer mavesyren skabe et miljø egnet til fermentering [37].

Menneskelig evolution og mave pH

Det er interessant at bemærke, at mennesker, unikt blandt de primater hidtil anset, synes at have mave pH-værdier mere beslægtet med dem af carrion foderautomater end til de fleste kødædere og altædende. I mangel af gode data om pH af andre hominoids, er det vanskeligt at forudsige, hvornår et sådant surt miljø udviklet sig. Bavianer ( Papio
spp) er blevet argumenteret for at udstille de mest menneskelignende af fodring og Fourageringsstrategier i form af eklektisk omnivory, men deres maver-mens anses generelt sure (pH = 3,7) -Har ikke udviser den ekstremt lavt pH set i moderne mennesker (pH = 1,5) [38]. En forklaring på en sådan surhedsgrad kan være, at ådsler fodring var vigtigere i mennesker (og mere generelt hominin) evolution end for øjeblikket anses for at være tilfældet (selvom se [39]). Alternativt i lyset af antallet af fecal-oral patogener, der inficerer og dræber mennesker, udvalg kan have favoriseret høj mavesyren, uafhængig af kost, på grund af sin rolle i forebyggelsen patogen.

Den særlige risiko på ungdomskriminalitet og ældre mennesker

Hvis der i kødædere og ådsler-foderautomater, maven rolle er at fungere som en økologisk filter så ville vi også forvente at se højere mikrobiel diversitet og patogen belastninger i tilfælde, hvor maven pH er højere. Vi ser tegn på dette i aldersrelaterede forandringer i maven. Baseline mave lumen pH hos mennesker er ca. 1,5 (tabel 1). Men præmature spædbørn har mindre sure maver (pH > 4) og er modtagelighed for tarminfektioner [40]. Tilsvarende ældre show relativt lav mavesyre ([41], pH 6,6 i 80% af undersøgelsens deltagere) og er tilbøjelige til bakterielle infektioner i mave og tarm [42]. Det er vigtigt at bemærke, at disse forskelle kan være relateret til forskelle i styrken af ​​immunsystemet, men vi argumenterer her, at maven har brug for mere overvejelse, når man studerer disse mønstre.

Konsekvenser for lægelige indgreb, der påvirker mave pH

Ud over naturlig variation, mave pH påvirkes også af nogle medicinske interventioner, hvoraf flere er mere og mere almindelige. I gastrisk bypass vægttab kirurgi, er omkring 60 procent af maven fjernet. En følge af denne procedure er en stigning i gastrisk pH-niveauer, der spænder fra 5.7 til 6.8. Vi ville forudsige, at tarmene af de personer, der har haft gastrisk bypass operation bør være mere tilbøjelige til at opleve mikrobiel tilgroning, et mønster, der er støttet af seneste arbejde [25]. Vi ser lignende mønstre i andre kliniske tilfælde såsom øsofagitis i hvilken behandling indebærer anvendelse af protonpumpehæmmere og cøliaki, hvor forsinket ventrikeltømning er forbundet med reduceret surhedsgrad [43-45]. Mere generelt forudser vi, at personer, der udsættes indgreb, der reducerer surheden af ​​deres maver vil være på lang sigt forøget risiko for gastrointestinale patogener. Dog kan denne risiko blive reduceret, hvis sådanne personer har en tendens til at undgå fødevarer, hvor patogen risiko er forhøjet, som omfatter (som for fugle og pattedyr mere generelt) fødevarer, der ligner ådsler (rå fisk, rå pattedyr kød, etc ...), og måske selv kød generelt. Således kunne man forvente det optimale pH for mennesker at ændre sig afhængigt af ændringer i spisevaner.

Den menneskelige mave og tabet af mutualistic mikrober

Generelt mavesyren vil have tendens til at filtrere mikrober uden tilpasning af et surt miljø. Sådanne tilpasninger omfatter resistente cellevægge, sporedannende kapaciteter eller andre egenskaber, der giver tolerance over for høje syrer og hurtige ændringer i pH-forhold. Vi har undersøgt, hvilken rolle af maven som et patogen barriere inden for rammerne af den menneskelige evolution. En anden potentiel konsekvens af høj mavesyre, når de betragtes i lyset af andre primater og pattedyr, er vanskeligheden ved rekolonisering af gavnlige mikroorganismer. En stor mængde litteratur antyder nu, at en lang række menneskelige medicinske problemer vedrører tabet af mutualistic gut mikrober, enten fordi disse mutualists undladt at kolonisere under hyper-clean C-sektion fødsler [46] eller gik tabt ved brug af antibiotika [47 ], eller andre omstændigheder. PH af den menneskelige mave kan gøre mennesker entydigt tilbøjelige til sådanne problemer. Til gengæld kunne vi forvente, at blandt tamme dyr, at lignende problemer bør være mest udbredt i de dyr, der ligesom os, har meget sure maver.

Konklusion

Vi viser, at mavesyren stiger med risiko for fødevarebåren patogen eksponering og foreslå, at maven spiller en væsentlig rolle som en økologisk filter og dermed et stærkt udvalg faktor i tarmen mikrobielle samfund struktur og primat evolution i særdeleshed. I lyset af moderne livsstil ændringer i kosten, hygiejne og medicinske indgreb, der ændrer mave pH, foreslår vi, at mavesyren hos mennesker er et tveægget sværd. På den ene side den høje surhed af den humane mave forhindrer patogen eksponering, men det formindsker også sandsynligheden for rekolonisering af gavnlige mikroorganismer, hvis og når de forsvinder. I de tilfælde, hvor surhedsgraden er reduceret, tarmen er imidlertid mere sandsynligt, at koloniseret af patogener. Selvom det er bredt diskuteret i både den medicinske og økologiske litteratur, data om pH er faktisk meget sparsomme. Således fuldt ud at forstå de mønstre fremhævet her mere detaljerede undersøgelser af tarmen mikrobiota tværs mave syrer og kost er påkrævet.

Tak

DEB, AMK, JEL, NF og RRD bidraget lige til tilblivelsen af ​​manuskriptet.

• Effekter af Capsaicin på Digestion
• PLoS ONE: Geometrisk Mixing, peristaltikken, og den geometriske fase af maven