PLOS ONE: La evolución de la acidez estomacal y su relevancia para la Microbiome

Extracto

acidez gástrica es probablemente un factor clave que afecta la diversidad y composición de las comunidades microbianas que se encuentran en el intestino de los vertebrados. Se realizó una revisión sistemática para poner a prueba la hipótesis de que un papel clave en el estómago de los vertebrados es la de mantener la comunidad microbiana intestinal mediante la filtración de la novela taxones microbianos antes de que pasen al intestino. Proponemos que las especies de la alimentación, ya sea de carroña o en organismos que son parientes cercanos filogenéticos deben exigir el filtro más restrictivo (medido como la alta acidez de estómago) como protección contra los microbios extranjeros. Por el contrario, las especies que se alimentan de un nivel trófico inferior o en la comida que está lejanamente relacionados con ellos (por ejemplo, los herbívoros) deben exigir el filtro menos restrictivo, ya que el riesgo de exposición a agentes patógenos es menor. Las comparaciones de la acidez del estómago a través de grupos tróficos en mamíferos y aves taxones muestran que los carroñeros y los carnívoros tienen acidez de estómago significativamente mayores en comparación con los herbívoros o carnívoros que se alimentan de presas filogenéticamente distantes tales como insectos o peces. Además, encontramos cuando la acidez del estómago varía dentro de las especies de forma natural (con la edad) o en los tratamientos tales como cirugía bariátrica, los efectos sobre los patógenos y las comunidades bacterianas intestinales están en línea con nuestra hipótesis de que el estómago actúa como un filtro ecológico. En conjunto, estos resultados ponen de relieve la importancia de incluir las mediciones de pH gástrico cuando se investiga la dinámica microbiana intestinal dentro ya través de las especies

Visto:. Beasley DE, Koltz AM, Lambert JE, Fierer N, Dunn RR (2015) La evolución de la la acidez de estómago y su relevancia para el microbioma humano. PLoS ONE 10 (7): e0134116. doi: 10.1371 /journal.pone.0134116

Editor: Zhen Li, Chengdu Instituto de Biología, CHINA

Recibido: 8 de Marzo, 2015; Aceptado: July 6, 2015; Publicado: July 29, 2015

Derechos de Autor © 2015 Beasley et al. Este es un artículo de acceso abierto distribuido bajo los términos de la licencia Creative Commons Attribution License, que permite el uso ilimitado, distribución y reproducción en cualquier medio, siempre que el autor original y la fuente se acreditan

Disponibilidad de datos: Todos los datos relevantes están dentro del papel

financiación:.. los autores no tienen ningún soporte o financiación reportar

Conflicto de intereses:. los autores han declarado que no existen intereses en competencia

Introducción

a menudo, la evolución de los vertebrados estómago se analiza en el contexto de la función del estómago para romper químicamente los alimentos y, en concreto, la desnaturalización de las proteínas a través de pepsinógeno y HCl [1]. El estómago sirve claramente estos fines. Sin embargo, en vista de nuestra creciente comprensión de la función simbiontes microbianos 'en la salud humana, es interesante para reevaluar el papel adicional del estómago como una importante barrera contra la entrada de patógenos en el tracto gastrointestinal [2-3]. Aquí tenemos en cuenta la ecología de los estómagos de aves y mamíferos y, de la misma manera, las intervenciones médicas que alteran el pH gástrico humano y sus implicaciones para la relación humana-microbio.

Los primeros estudios de la microbiota intestinal humana sugieren que la tripa colonización fue estocástico y transitoria [4] y el microbioma en cualquier momento particular fue fuertemente influenciado por los colonizadores recientes [5]. Este modelo, si en general, habría sugerido un papel modesto para el estómago humano en la modulación de la composición de los intestinos. Sin embargo, recientes investigaciones en la salud gástrica sugiere que el entorno de pH de los vertebrados-estómagos simples cumple una función más prominente como un filtro ecológico, capaz, a través de su acidez, de matar taxones microbianos que de otro modo colonizar los intestinos [2]. En este contexto, la colonización exitosa sería poco frecuente. Estudios recientes muestran que en ausencia de perturbación grave, la variabilidad temporal en la composición microbiana del intestino humano es menor que la variabilidad entre individuos [6-8]. Cuando se producen cambios importantes en los individuos sanos, a menudo aparecen debido a los cambios en la abundancia relativa de los taxones en lugar de la llegada de nuevos linajes [9]. Cada vez más, los datos parecen sugerir que las especies específicas de las comunidades en el intestino humano parecen ser relativamente resistentes a la perturbación [10-11], en gran parte debido a que el estómago humano ácida impide la colonización frecuente del intestino por un gran número de microbios transmitidos por los alimentos , independientemente de si son beneficiosos o patógena.

Mientras que la literatura sobre el estómago humano, su acidez y el microbioma intestinal, parece apoyar la idea de que la acidez del estómago se desarrolló como una barrera a la colonización de patógenos, tal afirmación tiene sentido completo solamente a la luz de un entendimiento comparativo más amplio de la acidez del estómago en las aves y los mamíferos [12-13]. Sin embargo, aunque la idea de que el estómago sirve como una barrera a los agentes patógenos a menudo se ha discutido [14-16], ningún estudio parece haber comparado formalmente el pH del estómago en las aves o mamíferos como una función de su biología en general o su probable exposición a los patógenos transmitidos por los alimentos, en particular
.

Debido a que el mantenimiento de un entorno de pH ácido es costoso, los estómagos ácidos deben estar presentes principalmente en aquellos casos en los que es adaptativa (o donde estaba adaptativo en un ancestro reciente). El costo de la acidez estomacal es doble. El anfitrión debe invertir energía significativo tanto para la producción de ácido y proteger el estómago del daño ácido relacionada [17]. Además, la acidez del estómago puede impedir, o al menos hacer más difícil, la adquisición probabilidad de microbios beneficiosos. En el extremo opuesto se encuentran los herbívoros especializados en los que la morfología del estómago se deriva de incluir una cámara alcalina (panza o pre-saccus) que los microbios de las casas críticos para la fermentación de una dieta vegetal [18-22]. En estos animales, un estómago ácido no es sólo un valor limitado (porque el riesgo de patógenos transmitidos por alimentos en el material vegetal es baja), sino que también podrá eliminar esos microbios que ayudan en la descomposición de material vegetal. A grandes rasgos a continuación, esperamos que la acidez del estómago para reflejar las dietas de los animales de manera que refleje el riesgo de patógenos. Esperamos que los animales que se alimentan de carroña tendrán el filtro más restrictivo, es decir, una mayor acidez de estómago. Carrion tiene el potencial para sostener altas cargas de patógenos porque el cuerpo del huésped muertos ha dejado de suprimir el crecimiento bacteriano. Del mismo modo, se esperaría que los carnívoros y omnívoros tener acidez de estómago más altos que los herbívoros con panza de fermentación especializados porque los patógenos que se encuentran en la presa son más propensos a ser capaz de infectar el depredador de los microbios asociados con las plantas [23]. Sin embargo, también se esperaría la acidez del estómago carnívoro y omnívoro que depende también de la distancia filogenética entre el depredador y la presa. Los patógenos son mucho más propensos a ser capaz de infectar ordenadores relacionados [23], de tal manera que un ave que consume un insecto debe hacer frente a un menor riesgo de una infección transmitida por los alimentos que consumen un pájaro un pájaro. Para probar estas hipótesis, se compara la acidez del estómago de los mamíferos y las aves a través de una diversidad de tipos de dieta.

A la luz de los resultados, se vuelve a visitar la ecología del estómago humano, su papel de filtro y el posibles consecuencias de este papel en el contexto de los estilos de vida modernos humanos y las intervenciones médicas. Si la acidez del estómago actúa como un filtro fuerte, esperamos que cuando se reducen los niveles de acidez, la influencia de los microbios asociados con la dieta sobre la microbiota intestinal será mayor. Se sabe que la acidez del estómago disminuye con la edad y, como consecuencia de algunos tratamientos médicos [24-26]. Por lo tanto, a medida que disminuye la acidez y la eficacia del filtro se reduce, esperaríamos ver aumentos tanto en la diversidad de linajes microbianos y cargas de patógenos en el intestino. También esperamos que los animales, como seres humanos, con filtros muy ácidas deben ser particularmente predispuestos a consecuencias negativas de la pérdida de simbiontes intestinales porque las probabilidades de azar recolonización son bajos.

Materiales y Métodos

Vertebrados estómago

Aquí nos centramos en dos grupos taxonómicos, mamíferos y aves, en el que ha sido el mejor estudiado la ecología de los estómagos. Dentro de estos taxones, nos centramos en la primera cámara del tracto gastrointestinal, una cámara con diferentes nombres dependiendo de los organismos y el contexto. En los mamíferos, la producción de ácido gástrico y el almacenamiento temporal de alimentos tanto se producen en el estómago. En las aves, la producción de ácido se produce en el proventrículo y almacenamiento de alimentos se produce en la molleja (Fig 1). Nos centramos en los estómagos de los mamíferos y, técnicamente, el proventrículo de las aves, pero de aquí en adelante utilizaremos el término "estómago" por razones de simplicidad. Estómagos varían mucho en su complejidad y tamaño estructural entre los vertebrados [27], particularmente mamíferos, sin embargo, en la mayoría de estos casos, los estómagos son el componente más ácida del tracto digestivo [28]. La excepción a este patrón son especies del proventrículo de fermentación en el que la fermentación microbiana precede digestión y absorción [22]. clados herbívoros mamíferos se pueden caracterizar sobre la base de que se produce en el tracto gastrointestinal más alloenzymatic (microbiana) fermentación de carbohidratos de la dieta. En fermentadores del intestino anterior, los microbios residen en una o varias secciones de un estómago saculada. Entre los primates, solo un linaje (subfamilia Colobinae) ha evolucionado este sistema, pero las estrategias análogas digestivos se encuentran en varios linajes de los artiodáctilos, así como perezosos y canguros [18-22]. Entre las aves, sólo una especie se conoce que depender de un sistema de este tipo de fermentación (hoatzín, Opisthocomus hoazin)
aunque los microbios están alojados en un cultivo especializado de dos cámaras, y no, técnicamente, en el estómago [29] . Independientemente de la morfología, porque las comunidades de microorganismos celulolíticas y fermentación saludable ocurren más productiva en un medio alcalino, la porción proximal del estómago intestino anterior de fermentación tiene un pH de aproximadamente 5,5 a 7, mientras que las porciones distales tienen un pH de aproximadamente 3. La necesite para mantener un pH particular en el forestomach no hay influencias duda alimentación decisiones:. cuando la producción de ácidos grasos volátiles de la fermentación es superior a la absorción, la sobreabundancia de ácidos puede causar una caída en el pH forestomach, resultando en una aflicción a veces fatal conocida como acidosis

Búsqueda bibliográfica

Se realizaron búsquedas en la biología gastrointestinal, fisiología animal y los libros de texto de fisiología aviar de pH del estómago medidos. También se realizaron búsquedas en la Web of Science, PubMed, Google Scholar y literatura no publicada (es decir, disertaciones, resúmenes de conferencias) para los datos pertinentes. Teniendo en cuenta su papel principal en la digestión, el pH del estómago se ha medido en un número mucho menor taxones que podría esperarse. Por ejemplo, a lo mejor de nuestro conocimiento, no existen datos sobre el pH del estómago para cualquier hominoide aparte de los seres humanos, y existen pocos datos sorprendentemente para los primates más general. Del mismo modo, mientras que se celebró violentamente que las hienas tienen estómagos "muy ácidas", la consulta de expertos en hienas y sus dietas eran conscientes de que realmente no hay datos directamente consideró esta afirmación.

Para los taxones para los que se disponía de datos , se categorizaron los animales por grupos taxonómicos (ave o mamífero), la especie y grupo trófico. Para mantener la coherencia, asignamos grupo trófico basado en el comportamiento de alimentación natural de los animales (Tabla 1). Una especie fue clasificada como un agente de barrido obligado si se alimenta principalmente de carroña. Por el contrario, definimos carroñeros facultativos como especies que se sabe que se alimentan de carroña, pero no como una fuente primaria de alimento. Se clasificaron los carnívoros como generalista si se alimenta de manera indiscriminada en las presas o un especialista si la dieta consistía principalmente en una presa específica (es decir, insectos, peces). Una especie se clasificó como un omnívoro si se alimentaba de plantas y animales. Dentro de los herbívoros, separamos fermentadores del intestino anterior de fermentadores del intestino grueso para tener en cuenta la estrategia de fermentación especializado de vaciado de tripas saculada.

Se calculó un pH medio para todo el estómago si se presentaron valores para múltiples ubicaciones, tales como el fondo, el cuerpo y regiones pilórico. Si los estudios siempre que ambos valores basales y post-alimentación, se utilizó el pH basal. Cuando no está en ayunas, el pH puede variar dependiendo de factores como la dieta y el tiempo desde la alimentación.

Se utilizó un enfoque de modelo lineal general, seguido de una prueba post-hoc de Tukey-Kramer para evaluar las diferencias en el pH del estómago como una función de gremio alimenticio utilizando PROC GLM de SAS 9.3 (SAS Institute, Cary, NC, EE.UU.).

resultados

en total, nuestra búsqueda bibliográfica datos sobre 68 especies (25 aves y 43 mamíferos) de siete grupos tróficos (Tabla 1). Un modelo lineal general basada en la dieta explica gran parte de la variación en el pH del estómago (R ^{2 = 0,63, F _{1,6 = 17,63, p < 0,01). Los grupos tróficos que eran más variable en función de su pH del estómago eran omnívoros y carnívoros que se especializan en comer insectos o peces
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Nuestra hipótesis era que los herbívoros y animales del intestino anterior que fermentan la que se alimentan de presas más filogenéticamente distantes de ellos tendrían los estómagos menos ácidas. Comparaciones de Tukey-Kramer indicado que los carroñeros (tanto comprometer e facultativa) tenían acidez de estómago significativamente mayores en comparación con los herbívoros (ambos intestinos anterior y posterior) y carnívoros que se alimentan de presas especializadas filogenéticamente distantes. En concreto, los herbívoros que fermentan intestino anterior tenían los estómagos menos ácidas de todos los grupos tróficos, mientras que los omnívoros y carnívoros generalistas, con más niveles de pH intermedio, no se distinguen de cualquier otro grupo (figura 1).

Discusión

sobre la base de los datos disponibles, nuestro análisis muestra un patrón general en la que especies que se alimentan de carroña y animales tienen acidez de estómago significativamente mayores en comparación con las especies que se alimentan de insectos, hojas o frutas. Por su cuenta, los patrones están en línea con la hipótesis de que una de las funciones del estómago es inhibir la entrada de microbios en el intestino, aunque estos patrones también podrían explicarse por otros fenómenos. Los carnívoros tienen estómagos más ácidos con el fin de lisar la proteína en sus dietas a base de carne. Por ejemplo, la secreción de pepsinógeno y su activación a pepsis en el estómago es modulada por un pH ácido (2-4) [30]. Además, la actividad de las proteasas en un estómago ácido sencilla depende de un ambiente ácido (pH 2-4) [31]. Sin embargo, aunque esto podría explicar las diferencias entre los depredadores y herbívoros, que no tiene en cuenta la muy elevada acidez en el estómago de los carroñeros, especialmente teniendo en cuenta que la carne consumida por los carroñeros no es probable que sea mucho más difícil de digerir que la de los depredadores. Sugerimos que estos carroñeros se basan en la alta acidez de su estómago para prevenir la colonización de sus intestinos por patógenos transmitidos por los alimentos [32]. Los omnívoros y piscívoros eran más variable en la acidez del estómago, lo cual es de esperar ya que ambas dietas difieren enormemente de una especie a otra. Insectívoros pueden utilizar diversos medios para digerir la quitina de insecto, con una acidez que juega un papel en algunos casos pero no en otros.

El caso especial de la herbivoría

alimentación Carrion impone una especie de limitar en la ecología de el intestino, un aumento en el potencial de los agentes patógenos. Herbivoría impone otro, la necesidad de digerir material vegetal refractario a digestión enzimática (celulosa y lignina). Con el fin de digerir estos compuestos, los herbívoros dependen de manera desproporcionada en los procesos microbianos [33]. Diferentes regiones del tracto gastrointestinal (ya sea rumen, ciego o en el caso de la hoatzin un cultivo doblado) función principalmente como cámaras de fermentación. Por lo tanto, un desafío con las tripas fermentativos está favoreciendo a aquellos microbios que son útiles para la digestión al tiempo que reduce el riesgo de entrada de patógenos en el intestino. Sugerimos que, debido a la amenaza de patógenos microbianos es relativamente baja en las hojas vivas (aunque véase [34]), los herbívoros pueden permitirse el lujo de mantener una cámara que es moderadamente ácida y por lo tanto menos restrictiva a la entrada de microbios. Sin embargo, nos encontramos con varias excepciones a esta generalidad interesantes. Castores, que son conocidos por los cachés de alimentos de tiendas bajo el agua, donde hay un alto riesgo de exposición a un parásito protozoario Giardia lamblia
, tienen estómagos muy ácidos. La acidez estomacal alta puede haber evolucionado para gestionar este patógeno ambiental predominante [35]. El otro herbívoro en nuestro conjunto de datos con un estómago muy ácido es el conejo, el cual ofrece un ejemplo interesante de una modificación del comportamiento del entorno del estómago. Los conejos son conocidos a participar en la coprofagia frecuente que les permite volver a inocular a sí mismos con los microbios [36]. Los pelets blandos especializados que los microbios de la vivienda también reducen la acidez del estómago creando un ambiente adecuado para la fermentación [37].

La evolución humana y el estómago pH

Es interesante observar que los seres humanos, única entre la primates hasta ahora considerados, parecen tener valores de pH del estómago más similares a las de carroñeros que a los de la mayoría de los animales domésticos carnívoros y omnívoros. En ausencia de buenos datos sobre el pH de otros homínidos, es difícil de predecir cuando dicho entorno ácido evolucionado. Babuinos ( Papio
spp) han argumentado a exponer las estrategias más parecida a la humana de la alimentación y se alimentan en términos de omnivoría ecléctico, pero sus estómagos, mientras considera generalmente ácido (pH = 3,7) -no se exhibirá la pH extremadamente bajo visto en los humanos modernos (pH = 1,5) [38]. Una explicación para tales acidez puede ser que la alimentación con carroña era más importante en los seres humanos (y más generalmente de homínidos) la evolución que actualmente considerada como el caso (aunque véase [39]). Por otra parte, a la luz del número de patógenos fecales-orales que infectan y matan a los seres humanos, la selección puede haber favorecido la acidez estomacal alta, independientemente de la dieta, debido a su papel en la prevención de patógenos.

El riesgo especial para juveniles y los seres humanos de edad avanzada

Si, en los carnívoros y carroñeros alimentadores, la función del estómago es actuar como filtro ecológico entonces también esperaríamos ver cargas más alta diversidad microbiana y patógenos en los casos en que el pH del estómago es más alto. Vemos evidencia de esto en los cambios relacionados con la edad en el estómago. Línea de base estómago lumen pH en los seres humanos es de aproximadamente 1,5 (Tabla 1). Sin embargo, los bebés prematuros tienen estómagos menos ácidas (pH > 4) y son la susceptibilidad a las infecciones entéricas [40]. Del mismo modo, las personas mayores muestran relativamente baja acidez estomacal ([41], pH 6,6 en el 80% de los participantes en el estudio) y son propensos a las infecciones bacterianas en el estómago y el intestino [42]. Es importante tener en cuenta que estas diferencias pueden estar relacionadas con diferencias en la fortaleza del sistema inmunológico, sin embargo aquí se argumenta que el estómago necesita más atención en el estudio de estos patrones.

Consecuencias para las intervenciones médicas que influyen en el pH del estómago

Además de la variación natural, el pH del estómago es también afectada por algunas intervenciones médicas, varios de los cuales son cada vez más comunes. En la cirugía gástrica pérdida de peso de derivación, se elimina aproximadamente el 60 por ciento del estómago. Una consecuencia de este procedimiento es un aumento en los niveles de pH gástrico que van desde 5,7 hasta 6,8. Nos predicen que los intestinos de las personas que han tenido cirugía de bypass gástrico deben ser más propensos a experimentar el crecimiento excesivo de microbios, un patrón que se apoya en el trabajo reciente [25]. Vemos patrones similares en otros casos clínicos tales como esofagitis en el que el tratamiento implica el uso de inhibidores de la bomba de protones y la enfermedad celíaca donde retraso del vaciamiento gástrico se asocia con una reducción de la acidez [43-45]. De manera más general, predecimos que los individuos sometidos a intervenciones que reducen la acidez de estómago estarán en mayor riesgo a largo plazo de los agentes patógenos gastrointestinales. Sin embargo, este riesgo puede reducirse si estas personas tienden a evitar los alimentos en los que es elevado el riesgo de patógenos, que incluyen (como para las aves y los mamíferos en general) los alimentos que se asemejan a la carroña (pescado crudo, carne de mamífero prima, etc ...), y tal vez incluso la carne en general. Por lo tanto, se podría esperar que el pH óptimo para que los humanos cambian dependiendo de los cambios en los hábitos alimenticios.

El estómago humano y la pérdida de microbios mutualistas

En general, la acidez del estómago tenderán a filtrar microbios sin adaptaciones a un ambiente ácido. Estas adaptaciones incluyen paredes celulares resistentes, las capacidades formadoras de esporas u otros rasgos que confieren tolerancia a altas acidez y los cambios rápidos en las condiciones de pH. Hemos considerado el papel del estómago como una barrera de patógenos en el contexto de la evolución humana. Otra posible consecuencia de la elevada acidez de estómago, cuando se considera a la luz de otros primates y mamíferos, es la dificultad de recolonización por los microbios beneficiosos. Una gran cantidad de literatura sugiere ahora que una variedad de problemas médicos humanos se relacionan con la pérdida de los microbios intestinales mutualistas, ya sea porque los mutualistas no lograron colonizar durante la cesárea nacimientos hiper-limpia [46] o se perdieron por el uso de antibióticos [47 ], u otras circunstancias. El pH del estómago humano puede hacer que los seres humanos de forma única propensos a este tipo de problemas. A su vez, podríamos esperar que, entre los animales domésticos, que problemas similares deben ser más común en aquellos animales que, como nosotros, tienen estómagos muy ácidos.

Conclusión

Se demuestra que la acidez estomacal aumenta con el riesgo de exposición a agentes patógenos de origen alimentario y proponen que el estómago juega un papel importante como filtro ecológico y por lo tanto un fuerte factor de selección en el intestino estructura de la comunidad microbiana y la evolución de los primates en particular. A la luz de los cambios de estilo de vida moderno en la dieta, la higiene y las intervenciones médicas que alteran el pH del estómago, se sugiere que la acidez del estómago en los seres humanos es un arma de doble filo. Por un lado, la elevada acidez del estómago humano evita la exposición a patógenos, sino que también disminuye la probabilidad de recolonización por microbios beneficiosos, siempre y cuando se van a faltar. Sin embargo, en los casos en que se reduce la acidez, el intestino es más probable que ser colonizado por los patógenos. A pesar de que es ampliamente discutido tanto en la literatura médica y ecológica, datos sobre el pH en realidad son muy escasos. Por lo tanto, para entender completamente los patrones de relieve que aquí se requieren estudios más detallados sobre la microbiota intestinal a través de la acidez de estómago y dieta.

Reconocimientos

DEB, AMK, JEL, NF y RRD contribuyó igualmente a la la toma del manuscrito.

• Efectos de la capsaicina en la digestión
• PLOS ONE: Mezcla geométrica, peristaltismo, y la fase geométrica del estómago