PLOS ONE: L'évolution de l'estomac Acidité et pertinence pour le microbiome humain

Résumé

acidité gastrique est probablement un facteur clé de mise en forme de la diversité et la composition des communautés microbiennes trouvées dans l'intestin des vertébrés. Nous avons effectué une revue systématique pour tester l'hypothèse selon laquelle un rôle clé de l'estomac vertébré est de maintenir la communauté microbienne intestinale en filtrant les nouveaux taxons microbiens avant leur passage dans les intestins. Nous proposons que les espèces d'alimentation soit de charognes ou sur les organismes qui sont des parents phylogénétiques proches devraient exiger le filtre le plus restrictif (mesurée en forte acidité de l'estomac) que la protection contre les microbes étrangers. A l'inverse, les espèces se nourrissant d'un niveau trophique inférieur ou sur les aliments qui est lointainement liés à eux (par exemple herbivores) devraient exiger le filtre moins restrictive, comme le risque d'exposition aux agents pathogènes est plus faible. Les comparaisons de l'acidité de l'estomac à travers les groupes trophiques mammifères et d'oiseaux taxa montrer que les charognards et les carnivores ont significativement plus élevés acidités gastriques par rapport aux herbivores ou carnivores se nourrissant de proies phylogénétiquement éloignés tels que des insectes ou des poissons. En outre, nous trouvons quand l'acidité gastrique varie au sein des espèces, soit naturellement (avec l'âge) ou dans des traitements tels que la chirurgie bariatrique, les effets sur les agents pathogènes et les communautés bactériennes intestinales sont en ligne avec notre hypothèse selon laquelle l'estomac agit comme un filtre écologique. Ensemble, ces résultats mettent en évidence l'importance d'inclure des mesures de pH gastrique lors d'enquêtes sur la dynamique intestinale microbienne à l'intérieur et à travers les espèces

Citation:. Beasley DE, Koltz AM, Lambert JE, Fierer N, Dunn RR (2015) L'évolution de la Estomac Acidité et pertinence pour le microbiome humain. PLoS ONE 10 (7): e0134116. doi: 10.1371 /journal.pone.0134116

Editeur: Xiangzhen Li, Chengdu Institut de biologie, CHINE

Reçu: 8 Mars 2015; Accepté 6 Juillet 2015; Publié: 29 Juillet 2015

Droit d'auteur: © 2015 Beasley et al. Ceci est un article en accès libre distribué sous les termes de la licence Creative Commons Attribution, qui permet une utilisation sans restriction, la distribution et la reproduction sur tout support, pourvu que l'auteur et la source originelle sont crédités

Disponibilité des données: Toutes les données pertinentes sont dans le papier

financement:.. les auteurs ont pas de soutien ou de financement pour signaler

intérêts concurrents:. les auteurs ont déclaré aucun conflit d'intérêts existent

introduction

Souvent, vertébré évolution de l'estomac est discuté dans le contexte du rôle de l'estomac à briser chimiquement les aliments et, plus précisément, dénaturant des protéines par l'intermédiaire de pepsinogène et HCl [1]. L'estomac sert clairement ces fins. Cependant, à la lumière de notre compréhension croissante du rôle de symbiotes microbiens dans la santé humaine, il est intéressant de réévaluer le rôle supplémentaire de l'estomac comme une barrière importante contre l'entrée de l'agent pathogène dans le tractus gastro-intestinal [2-3]. Ici, nous considérons l'écologie des oiseaux et de mammifères estomacs et, dans la même lumière, les interventions médicales qui modifient le pH gastrique humaine et leurs implications pour la relation homme-microbe.

Les premières études sur le microbiome intestinal humain ont suggéré que l'intestin la colonisation était stochastique et transitoire [4] et le microbiome à un moment donné a été fortement influencée par les colons récents [5]. Cette tendance, si général, aurait suggéré un rôle modeste pour l'estomac humain dans la modulation de la composition de l'intestin. Toutefois, des recherches récentes en matière de santé gastrique, suggère que l'environnement de pH de vertébrés simples-stomached a une fonction plus importante en tant que filtre écologique, capable, par son acidité, de tuer des taxons microbien qui seraient autrement coloniser les intestins [2]. Dans ce contexte, la colonisation réussie serait rare. Des études récentes montrent que, en l'absence de perturbation grave, la variabilité temporelle de la composition microbienne de l'intestin humain est inférieure à la variabilité entre les individus [6-8]. Lorsque des changements importants se produisent chez les personnes en bonne santé, ils apparaissent souvent en raison de changements dans l'abondance relative des taxons plutôt que l'arrivée de nouvelles lignées [9]. De plus en plus, les données semblent suggérer que les espèces-spécifiques des communautés dans l'intestin humain semblent relativement résistants à la perturbation [10-11], en grande partie parce que l'estomac humain acide empêche la colonisation fréquente de l'intestin par un grand nombre de microbes d'origine alimentaire , indépendamment du fait qu'ils sont bénéfiques ou pathogènes.

Alors que la littérature sur l'estomac humain, son acidité et le microbiome intestinal, semble soutenir l'idée que l'acidité de l'estomac évolué comme un obstacle à l'agent pathogène colonisation, une telle affirmation prend tout son sens qu'à la lumière d'une compréhension comparative plus large de l'acidité de l'estomac chez les oiseaux et les mammifères [12-13]. Pourtant, alors que l'idée que l'estomac sert de barrière aux pathogènes a souvent été discutée [14-16], aucune étude ne semble avoir formellement comparé le pH de l'estomac chez les oiseaux ou les mammifères en fonction de leur biologie en général ou leur exposition probable à des agents pathogènes d'origine alimentaire en particulier.

Parce que le maintien d'un environnement de pH acide est coûteux, les estomacs acides devraient être présents principalement dans les cas où il est adaptatif (ou si elle était adaptative dans un ancêtre récent). Le coût de l'acidité de l'estomac est double. L'hôte doit investir beaucoup d'énergie à la fois pour la production d'acide et de protéger l'estomac contre les dommages liés à l'acide [17]. En outre, l'acidité de l'estomac peut empêcher, ou du moins rendre plus difficile l'acquisition de la chance, des microbes bénéfiques. A l'extrême opposé sont les herbivores spécialisés dans lesquels la morphologie de l'estomac est dérivée pour inclure une chambre alcaline (préestomac ou pré-saccus) que les microbes critiques pour la fermentation d'une alimentation végétale [18-22] de la maison. Chez ces animaux, un estomac acide est non seulement une valeur limitée (parce que le risque d'agents pathogènes d'origine alimentaire dans le matériel végétal est faible), il peut également supprimer les microbes qui aident dans la décomposition de la matière végétale. Globalement donc, nous nous attendons à l'acidité de l'estomac à miroir régime alimentaire des animaux de manière à refléter le risque d'agents pathogènes. Nous nous attendons à ce que les animaux se nourrissent de charognes auront le filtre le plus restrictif, à savoir plus d'acidité de l'estomac. Charogne est susceptible de supporter des charges élevées d'agents pathogènes, car le corps de l'hôte mort a cessé de supprimer la croissance bactérienne. De même, les carnivores et omnivores seraient censés avoir acidités d'estomac plus élevés que les herbivores avec préestomacs ferments spécialisés parce que les agents pathogènes trouvés dans proies sont plus susceptibles d'être capable d'infecter le prédateur que les microbes de plantes associées [23]. Cependant, nous attendons aussi l'acidité de l'estomac carnivore et omnivore dépendre aussi de la distance phylogénétique entre prédateurs et proies. Pathogens sont beaucoup plus susceptibles d'être en mesure d'infecter les hôtes connexes [23], de telle sorte qu'un oiseau consommer un insecte doit faire face à un risque plus faible d'une infection d'origine alimentaire qu'un oiseau consommant un oiseau. Pour tester ces hypothèses, nous comparons l'acidité de l'estomac des mammifères et des oiseaux à travers une diversité de types de régime.

À la lumière des résultats, nous revisitons alors l'écologie de l'estomac humain, son rôle de filtre et la conséquences probables de ce rôle dans le contexte des modes de vie humains modernes et les interventions médicales. Si l'acidité de l'estomac agit comme un filtre fort, nous nous attendons à ce que lorsque les niveaux d'acidité sont réduits, l'influence des microbes liés à l'alimentation sur le microbiote intestinal sera plus grande. Il est connu que l'acidité de l'estomac diminue avec l'âge et à la suite de certains traitements médicaux [24-26]. Ainsi, comme une diminution de l'acidité et l'efficacité du filtre est réduite, nous nous attendons à voir une augmentation tant de la diversité des lignées microbiennes et des charges d'agents pathogènes dans l'intestin. Nous prévoyons également que les animaux, comme les humains, avec des filtres très acides doivent être particulièrement prédisposés à des conséquences négatives de la perte de symbiotes intestinale parce que les chances de hasard recolonisation sont faibles.

Matériel et méthodes

vertébré estomac

ici, nous nous concentrons sur deux groupes taxonomiques, les mammifères et les oiseaux, dans laquelle l'écologie des estomacs a été mieux étudiés. Dans ces taxons, nous nous concentrons sur la première chambre du tractus gastro-intestinal, une chambre avec des noms différents selon les organismes et le contexte. Chez les mammifères, la production d'acide gastrique et le stockage temporaire de nourriture se produisent à la fois dans l'estomac. Chez les oiseaux, la production d'acide se produit dans le proventriculus et le stockage du produit alimentaire dans le gésier (figure 1). Nous nous concentrons sur l'estomac des mammifères et, techniquement, le proventricule des oiseaux, mais ci utilise le terme "estomac" pour la simplicité. Estomacs varient considérablement dans leur complexité structurelle et la taille parmi les vertébrés [27], en particulier les mammifères, mais dans la plupart des cas, les estomacs sont la partie la plus acide du tube digestif [28]. L'exception à cette tendance sont des espèces de préestomac-fermentation dans lequel la fermentation microbienne précède la digestion et l'absorption [22]. clades herbivore mammifères peuvent être caractérisés sur la base d'où dans le tractus gastro-intestinal les plus alloenzymatic (microbienne) fermentation des glucides alimentaires se produit. Dans fermenteurs intestin antérieur, les microbes se trouvent dans une à plusieurs sections de l'estomac sacculated. Parmi les primates, une seule lignée (sous-famille Colobinae) a évolué ce système, mais les stratégies digestives analogues se retrouvent dans plusieurs lignées de artiodactyles ainsi que des paresseux, et les kangourous [18-22]. Parmi les oiseaux, une seule espèce est connue de compter sur un tel système de fermentation (hoatzin, Opisthocomus hoazin)
bien les microbes sont logés dans une culture spécialisée à deux chambres, et non pas, techniquement, dans l'estomac [29] . Quelle que soit la morphologie, parce que les populations de micro-organismes cellulolytiques et saine fermentation se produisent le plus productif dans un milieu alcalin, la partie proximale de l'estomac, intestin antérieur fermentant a un pH d'environ 5,5 à 7, tandis que les portions distales ont un pH d'environ 3. Le besoin de maintenir un pH particulier dans l'estomac aucune influence doute l'alimentation des décisions:. lorsque la production d'acides gras volatils de la fermentation dépasse l'absorption, la surabondance d'acides peut provoquer une chute de préestomac pH, ce qui entraîne une affection parfois mortelle connue sous le nom acidose

Littérature recherche

Nous avons cherché la biologie gastro-intestinal, la physiologie animale et les manuels de physiologie aviaire pour des pH de l'estomac mesurées. Nous avons également effectué des recherches Web of Science, PubMed, Google Scholar et documentation inédite (à savoir des dissertations, des résumés de conférences) pour les données pertinentes. Compte tenu de son rôle principal dans la digestion, l'estomac pH a été mesuré dans beaucoup moins taxons que l'on pourrait s'y attendre. Par exemple, pour le meilleur de notre connaissance, aucune donnée sur l'estomac pH existent pour toute hominoïdes autre que les humains, et il existe étonnamment peu de données pour les primates plus généralement. De même, alors qu'il est sauvagement jugé que les hyènes ont un estomac "très acides", la consultation d'experts en hyène et leurs régimes étaient au courant de pas de données qui en fait directement considéré cette affirmation.

Pour les taxons pour lesquels des données étaient disponibles , nous avons classé les animaux par groupe taxonomique (oiseau ou mammifère), les espèces et le groupe trophique. Par souci de cohérence, nous avons attribué un groupe trophique basé sur le comportement alimentaire naturel des animaux (tableau 1). Une espèce a été classée comme un fixateur obligatoire si elle alimentée principalement sur charognes. A l'inverse, nous avons défini des charognards comme des espèces facultatives qui sont connus pour se nourrir de charognes, mais pas en tant que principale source de nourriture. Nous avons classé les carnivores en tant que généraliste si elle alimentée indifféremment sur les proies ou un spécialiste si le régime alimentaire se composait principalement d'un élément proies spécifiques (par exemple les insectes, les poissons). Une espèce a été classée comme un omnivore si elle se nourrissait de plantes et d'animaux. Dans herbivore, nous nous sommes séparés fermenteurs de l'intestin antérieur de fermenteurs hindgut pour tenir compte de la stratégie de fermentation spécialisée impliquant estomacs sacculated.

Nous avons calculé un pH moyen pour l'ensemble de l'estomac si les valeurs ont été présentées pour de multiples endroits tels que le fond, le corps et régions pylore. Si les études fournies les deux valeurs de référence et de post-alimentation, nous avons utilisé la ligne de base pH. Lorsqu'ils ne sont pas à jeun, le pH peut varier en fonction de facteurs, y compris l'alimentation et le temps depuis l'alimentation.

Nous avons utilisé une approche de modèle linéaire général suivi d'un test post-hoc de Tukey-Kramer pour évaluer les différences dans l'estomac pH en fonction de catégorie trophique utilisant PROC GLM SAS 9.3 (SAS Institute, Cary, NC, USA).

Résultats

au total, notre recherche documentaire a fourni des données sur les 68 espèces (25 oiseaux et 43 mammifères) de sept groupes trophiques (tableau 1). Un modèle linéaire général basé sur le régime alimentaire a expliqué une grande partie de la variation du pH de l'estomac (R ^{2 = 0,63, F _{1,6 = 17,63, p < 0,01). Les groupes trophiques qui étaient plus variables en termes de pH de l'estomac étaient omnivores et carnivores qui se spécialisent dans de manger des insectes ou des poissons.}}

Notre hypothèse était que les herbivores et les animaux intestin antérieur de fermentation qui se nourrissent de proies plus phylogénétiquement éloigné de les auraient les estomacs les moins acides. comparaisons Tukey-Kramer a indiqué que les charognards (à la fois obliger et facultative) étaient significativement plus élevés acidités de l'estomac par rapport à la fois herbivores (intestin antérieur et postérieur) et carnivores spécialisés se nourrissant de proies phylogénétiquement éloigné. Plus précisément, les herbivores de l'intestin antérieur fermentant avaient les estomacs moins acides de tous les groupes trophiques tout omnivores et carnivores généralistes, avec des niveaux de pH plus intermédiaire, ne ressortaient pas sur tout autre groupe (figure 1).

Discussion

sur la base des données disponibles, notre analyse illustre une tendance générale dans laquelle les espèces se nourrissent de charognes et les animaux ont significativement plus élevés acidités de l'estomac par rapport à des espèces se nourrissant d'insectes, de feuilles ou de fruits. À eux seuls, les modèles sont en ligne avec l'hypothèse que l'un des rôles de l'estomac est d'inhiber l'entrée microbienne dans l'intestin, bien que ces modèles pourraient aussi être expliquées par d'autres phénomènes. Carnivores besoin estomacs plus acides afin de lyser la protéine dans leur régime alimentaire à base de viande. Par exemple, la sécrétion de pepsinogène et son activation pepsis dans l'estomac est modulée par un pH acide (2-4) [30]. En outre, l'activité des protéases dans un estomac simple acide dépend d'un environnement acide (pH 2-4) [31]. Cependant, alors que cela pourrait expliquer les différences entre les prédateurs et les herbivores, il ne tient pas compte de la très forte acidité dans l'estomac des charognards, d'autant plus que la viande consommée par les charognards ne sont pas susceptibles d'être beaucoup plus difficile à digérer que celle des prédateurs. Nous suggérons que ces charognards comptent sur la forte acidité de l'estomac pour empêcher la colonisation de leurs entrailles par des agents pathogènes d'origine alimentaire [32]. Omnivores et piscivores étaient plus variables acidités d'estomac, ce qui est à prévoir que les deux régimes diffèrent considérablement d'une espèce à. Insectivores peuvent utiliser divers moyens pour digérer la chitine des insectes, avec une acidité joue un rôle dans certains cas, mais pas les autres.

Le cas particulier de herbivory

Carrion alimentation impose une sorte de limiter sur l'écologie l'intestin, l'augmentation du potentiel d'agents pathogènes. Herbivores impose une autre, la nécessité de digérer la matière végétale réfractaire à une digestion enzymatique (cellulose et lignine). Afin de digérer ces composés, herbivores dépendent de façon disproportionnée sur les processus microbiens [33]. Différentes régions du tractus gastro-intestinal (soit rumen, caecum ou dans le cas de la hoatzin une culture pliée) fonction principalement comme chambres de fermentation. Ainsi, un défi avec courage fermentaires privilégie les microbes qui sont utiles pour la digestion tout en réduisant le risque d'entrée d'agents pathogènes dans l'intestin. Nous suggérons que parce que la menace d'agents pathogènes microbiens est relativement faible sur les feuilles vivantes (bien que voir [34]), les herbivores peuvent se permettre de maintenir une chambre qui est légèrement acide et donc moins restrictive à l'entrée microbienne. Cependant, nous trouvons plusieurs exceptions intéressantes à cette généralité. Beavers, qui sont connus pour les caches de nourriture des magasins sous-marine où il y a un risque élevé d'exposition à un parasite protozoaire Giardia lamblia
, ont des estomacs très acides. L'acidité élevée de l'estomac peut avoir évolué pour gérer ce pathogène environnemental répandue [35]. L'autre herbivore dans notre jeu de données avec un estomac très acide est le lapin, qui fournit un exemple intéressant d'une modification du comportement de l'environnement de l'estomac. Les lapins sont connus pour se livrer à coprophagie fréquentes qui leur permet de se ré-ensemencer avec des microbes [36]. Les pastilles molles spécialisées que les microbes maison réduisent également l'acidité de l'estomac créant un environnement propice à la fermentation [37].

L'évolution humaine et de l'estomac pH

Il est intéressant de noter que les humains, unique parmi les primates jusqu'à présent considérés, semblent avoir des valeurs de pH de l'estomac plus semblables à celles des charognards que ceux de la plupart des carnivores et omnivores. En l'absence de données fiables sur le pH d'autres hominoids, il est difficile de prédire quand un tel environnement acide a évolué. Babouins ( Papio de spp) ont été soutenu pour présenter les stratégies les plus humaines comme l'alimentation et d'alimentation en termes de omnivorie éclectique, mais leurs estomacs alors considéré généralement acide (pH = 3,7) -ne pas exposer la extrêmement faible pH observée chez l'homme moderne (pH = 1,5) [38]. Une explication pour une telle acidité peut que charognes alimentation était plus important chez les humains (et plus généralement hominidé) évolution que actuellement considéré comme le cas (bien que voir [39]). Sinon, à la lumière du nombre de pathogènes fécaux-oraux qui infectent et tuent les humains, la sélection peut avoir favorisé une forte acidité de l'estomac, indépendamment du régime alimentaire, en raison de son rôle dans la prévention des agents pathogènes.

Le risque spécial juvénile et humains âgées

Si, chez les carnivores et charognards, le rôle de l'estomac est d'agir comme un filtre écologique alors nous attendons aussi à voir la diversité et d'agents pathogènes microbiens plus élevé des charges dans les cas où l'estomac pH est plus élevé. Nous voyons la preuve dans les changements liés à l'âge dans l'estomac. pH gastrique de base lumen chez l'être humain est d'environ 1,5 (voir le tableau 1). Toutefois, les nourrissons prématurés ont des estomacs moins acides (pH > 4) et sont susceptibilité aux infections intestinales [40]. De même, le spectacle de personnes âgées relativement faible acidité gastrique ([41], pH 6,6 dans 80% des participants à l'étude) et sont sujettes à des infections bactériennes dans l'estomac et de l'intestin [42]. Il est important de noter que ces différences peuvent être liées à des différences dans la force du système immunitaire mais nous soutenons ici que l'estomac a besoin de plus de considération lors de l'étude de ces modèles.

Conséquences pour les interventions médicales qui influencent l'estomac pH

En plus de la variation naturelle, de l'estomac pH est également affectée par certaines interventions médicales, dont plusieurs sont de plus en plus commun. En chirurgie de perte de poids de pontage gastrique, environ 60 pour cent de l'estomac est retiré. Une conséquence de cette procédure est une augmentation des niveaux de pH gastrique allant de 5,7 à 6,8. Nous prédisons que les intestins des personnes qui ont subi une chirurgie de pontage gastrique devraient être plus susceptibles de connaître la prolifération microbienne, un motif qui est soutenu par des travaux récents [25]. Nous voyons des tendances similaires dans d'autres cas cliniques tels que l'oesophagite dans laquelle le traitement implique l'utilisation d'inhibiteurs de la pompe à protons et la maladie cœliaque, où la vidange gastrique est associée à une acidité réduite [43-45]. Plus généralement, nous prévoyons que les personnes subissant des interventions qui réduisent l'acidité de l'estomac seront à long terme un risque accru d'agents pathogènes gastro-intestinaux. Toutefois, ce risque peut être réduit si ces personnes ont tendance à éviter les aliments dans lesquels le risque d'agents pathogènes est élevée, qui comprennent (comme pour les oiseaux et les mammifères plus généralement) des aliments qui ressemblent à des charognes (poisson cru, la viande de mammifère brute, etc ...), et peut-être même de la viande en général. Ainsi, l'on pourrait attendre le pH optimal pour l'homme de changer en fonction des changements dans les habitudes alimentaires.

L'estomac humain et la perte de microbes mutualisme

En général, l'acidité de l'estomac ont tendance à filtrer les microbes sans adaptations à un environnement acide. Ces adaptations comprennent des parois cellulaires résistantes, les capacités de spores ou d'autres traits qui confèrent une tolérance au acidités élevées et des changements rapides dans des conditions de pH. Nous avons examiné le rôle de l'estomac comme une barrière d'agents pathogènes dans le contexte de l'évolution humaine. Une autre conséquence potentielle de la forte acidité de l'estomac, considéré à la lumière des autres primates et mammifères, est la difficulté de recolonisation par des microbes bénéfiques. Un grand corps de la littérature suggère maintenant qu'une variété de problèmes médicaux humains se rapportent à la perte de microbes intestinaux mutualisme, que ce soit parce que ces symbiotes ont échoué à coloniser pendant C-section naissances hyper-propre [46] ou ont été perdus par l'utilisation d'antibiotiques [47 ], ou d'autres circonstances. Le pH de l'estomac humain peut faire des êtres humains uniquement sujettes à de tels problèmes. À son tour, nous pourrions nous attendre que, parmi les animaux domestiqués, que des problèmes similaires devraient être plus fréquent chez les animaux qui, comme nous, ont des estomacs très acides.

Conclusion

Nous démontrons que l'acidité de l'estomac augmente avec le risque d'exposition aux agents pathogènes d'origine alimentaire et proposent que l'estomac joue un rôle important en tant que filtre écologique et donc un facteur de sélection forte dans l'intestin structure de la communauté microbienne et l'évolution des primates, en particulier. Compte tenu des changements de style de vie moderne dans le régime alimentaire, l'hygiène et les interventions médicales qui modifient l'estomac pH, nous suggérons que l'acidité de l'estomac chez l'homme est une épée à double tranchant. D'une part, la forte acidité de l'estomac humain empêche l'exposition de l'agent pathogène, mais il diminue également la probabilité de recolonisation par des microbes bénéfiques si et quand ils disparaissent. Toutefois, dans les cas où l'acidité est réduite, l'intestin est plus susceptible d'être colonisé par des agents pathogènes. Bien qu'il soit largement discuté dans les deux la littérature médicale et écologique, les données sur le pH sont en fait très rares. Ainsi, pour bien comprendre les tendances soulignées ici des études plus détaillées sur le microbiote intestinal dans les acidités de l'estomac et de l'alimentation sont nécessaires.

Remerciements

DEB, AMK, JEL, NF et RRD a contribué également à la décision du manuscrit.

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