PLoS ONE: Evolucija želuca kiselosti i važnosti za ljudsko Microbiome

Sažetak pregled

Želučani kiselost je vjerojatno ključni čimbenik oblikovanja raznolikost i sastav mikrobne zajednice nalaze u kralježnjaka crijevima. Proveli smo sustavni pregled testirati hipotezu da ključnu ulogu u kralježnjaka želudac je za održavanje crijevne mikrobne zajednice filtrirajući nove mikrobne svojti prije nego što prijeđe u crijevima. Predlažemo da vrste hrane ili na strvine ili organizama koji su bliski rođaci filogenetske treba zahtijevati najviše restriktivnu filter (mjereno kao visok želučane kiselosti) kao zaštita od stranih mikroorganizama. S druge strane, vrste hranjenja na nižoj trofija ili na hranu koja u daljini se odnose na njih (npr biljojeda) treba zahtijevaju najmanje restriktivnu filter, kao što je rizik izloženosti patogena je niža. Usporedbe želučane kiselosti preko trofičkim grupa u sisavaca i ptica svojti pokazuju da čistači i mesojedi imaju značajno veće želučane kiselosti u odnosu na biljojede i zvijeri hranjenja na filogenetski udaljenih plijen poput kukaca ili ribe. Osim toga, naći ćemo kad želudac kiselost varira unutar vrsta, bilo prirodno (s godinama) ili u tretmanima kao što su bariatric operacije, učinci na probavnom bakterijskih patogena i zajednice su u skladu s našom pretpostavkom da želudac djeluje kao ekološki filter. Zajedno ovi rezultati ukazuju na važnost uključivanja mjerenja pH želuca kad istražuju dinamiku crijevo mikroorganizmima unutar i između vrsta pregled

Izvor:. Beasley DE, Koltz AM, Lambert JE, Fierer N, Dunn RR (2015) Evolucija želudac Kiselost i važnosti za ljudsko Microbiome. PLoS ONE 10 (7): e0134116. doi: 10,1371 /journal.pone.0134116 pregled

Urednik: Xiangzhen Li, Chengdu Zavod za biologiju, Kina pregled

Primljeno: 8. ožujka 2015. godine; Prihvaćeno: 6. srpnja 2015; Objavljeno: 29. srpnja 2015 pregled

Copyright: © 2015 Beasley i sur. Ovo je otvoreno pristupa članak distribuirati pod uvjetima Creative Commons Imenovanje License, koja omogućuje neograničeno korištenje, distribuciju i reprodukciju u bilo kojem mediju, pod uvjetom da je izvorni autor i izvor su zaslužan pregled

Podaci Dostupnost: sve relevantne podatke su u radu pregled

financiranje:.. autori nemaju podršku ili sredstva za prijaviti pregled

suprotstavljenih interesa. autori su izjavili da ne postoje suprotstavljeni interesi pregled

Uvod

Često evolucije kralježnjaka želudac se raspravlja u kontekstu uloge želuca u kemijski razbije hranu i, posebno, denaturiranje proteina putem pepsinogen i HCl [1]. Želudac očito služi u ove svrhe. Međutim, u svjetlu našeg rastućeg razumijevanja uloge mikrobne simbionata 'u ljudskom zdravlju, zanimljivo je da se preispitaju dodatnu ulogu želuca kao važan barijera protiv ulaska uzročnika u probavnom traktu [2-3]. Ovdje ćemo razmotriti ekologije ptica i sisavaca trbuha i, u istom svjetlu, medicinskih intervencija koje mijenjaju ljudsko pH želuca i njihove implikacije na odnos čovjeka i mikroba. Pregled

Rana istraživanja ljudskog crijeva microbiome predložio da crijevo kolonizacija je stohastički i prolazna [4] i microbiome u bilo kojem trenutku pod snažnim je utjecajem nedavnih kolonisti [5]. Ovaj uzorak, ako uopće, bi sugerirao skromnu ulogu za ljudski želudac u modulaciji sastav crijeva. Međutim, nedavna istraživanja u želučanom zdravlje sugerira da je pH okolina jednostavnih-stomached kralješnjaka služi više istaknutih funkcija kao ekološki filter, sposoban, kroz svoje kiselosti, ubijanja mikroba svojti koji bi inače kolonizira crijeva [2]. U tom kontekstu, uspješni kolonizacija će biti rijedak. Nedavne studije pokazuju da u odsustvu teške perturbacija je vremenske promjene mikroba sastavu ljudskim crijevima manja od varijabilnosti između pojedinaca [6-8]. Kada se velike promjene se javljaju kod zdravih osoba, često nastaju zbog promjena u relativnom obilju svojti, a ne dolaskom novih loza [9]. Sve više i više, podaci upućuju na zaključak da su za vrstu specifične zajednice u ljudskim crijevima pojavljuju relativno otporne na perturbacije [10-11], velikim dijelom zbog toga što je kisela ljudski želudac sprečava učestalo kolonizaciju crijeva velikim brojem mikroorganizama koje se prenose hranom , bez obzira na to da li su korisne ili patološki. pregled

Dok je literatura o ljudskom želucu, njegova kiselost i gut microbiome, čini se da podržavaju ideju da želudac kiselost evoluirala kao barijera za patogena kolonizacije, takva tvrdnja čini puno smisla samo u svjetlu šireg komparativne razumijevanja želuca kiselosti u ptica i sisavaca [12-13]. Ipak, dok se često raspravlja ideja da želudac služi kao prepreka patogena [14-16], niti jedno istraživanje, čini se, formalno u odnosu na pH u želucu u ptica ili sisavaca kao funkciju njihove biologije općenito ili vjerojatne izloženosti da se prenose hranom patogena posebno. pregled

Zbog održavanja kiseli pH okolina je skupo, kiseli želudac bi trebao biti prisutan prvenstveno u onim slučajevima kada je prilagodljiva (ili gdje je adaptivnog u nedavnom pretka). Trošak želučane kiselosti je dvojak. Domaćin mora uložiti značajan energije i za kisele proizvodnju i štiti želudac od kiseline vezane uz oštećenja [17]. Osim toga, kiselost želuca može spriječiti, ili barem bi teže, prilika stjecanje korisnih mikroorganizama. Na suprotnoj krajnosti su oni specijalizirani biljojedi u kojoj morfologija želudac izvedeni uključiti alkalnu komoru (forestomach ili pre-saccus) toj kući mikroba kritične za fermentaciju biljnu prehranu [18-22]. U tim životinjama, kiseli želudac nije samo ograničenu vrijednost (jer je rizik od prenose hranom patogena u biljnom materijalu je nizak), također može ukloniti one mikroorganizme koji pomažu u razgradnji biljnog materijala. Široko onda očekujemo želudac kiselost za ogledalo životinjske prehrane na način da odražavaju rizik patogena. Očekujemo da životinje hraneći se strvinama će imati najviše restriktivnu filtar, tj veću kiselost želuca. Mrcina ima potencijal za održavanje visoke patogenih opterećenja, jer je tijelo mrtvog domaćin je prestao suzbijanju rasta bakterija. Isto tako, mesojedi i svejedi bi se očekivalo da imaju veće želučane kiselosti od biljojeda sa specijaliziranim vrenjem forestomachs jer patogeni nalaze u plijen su više vjerojatno da će biti u stanju zaraziti predatora od biljnih povezane mikroba [23]. Međutim, mi također očekivati ​​kiselost zvijeri i svejed želuca također ovise o filogenetskom udaljenosti između predatora i plijena. Patogeni su daleko više vjerojatno da će biti u stanju inficirati srodne domaćini [23], kao da ptica konzumiranje kukca trebao suočiti manji rizik od prenose hranom infekcije nego ptica konzumiranje pticu. Za testiranje ove hipoteze, usporedimo želučane kiselosti sisavaca i ptica diljem raznolikosti vrsta prehrane. Pregled

U svjetlu rezultata, onda bismo ponovno ekologije ljudskog želuca, svoju ulogu kao filter a vjerojatno posljedice ove uloge u kontekstu suvremenih ljudskih života i medicinske intervencije. Ako želudac kiselost djeluje kao jak filter, očekujemo da, kada su smanjene razine kiselosti, utjecaj prehrane povezane mikroba na crijevne mikrobiota će biti veći. Poznato je da se u želucu kiselost smanjuje s dobi i kao posljedica nekih medicinskog tretmana [24-26]. Dakle, kao što je kiselost smanjuje i učinkovitost filtera da se smanjuje, što bismo očekivali vidjeti povećanje u oba raznolikost mikrobnih loza i patogena opterećenja u crijevima. Također očekujemo da životinje, kao što su ljudi, s vrlo kiselim filtera treba posebno sklon negativnim posljedicama gubitka crijevnih simbionata jer su izgledi na sreću ponovnog naseljavanja slabo. Pregled

Materijal i metode pregled

Kralježnjaci želudac pregled

Ovdje ćemo se usredotočiti na dvije taksonomske skupine, sisavce i ptice, u kojima je najbolje istraženih ekologija želucima. Unutar tih svojti ćemo se usredotočiti na prve komore gastrointestinalnog trakta, komoru s različitim imenima, ovisno o organizama i kontekstu. U sisavaca, proizvodnja želučane kiseline i privremeno skladištenje hrane i pojavljuju u želucu. U ptica, kiseline proizvodnja pojavljuje u proventrikula i skladištenje hrane javlja u želucu (Slika 1). Usredotočeni smo na želucima i sisavaca, tehnički, proventrikula ptica, ali u daljnjem tekstu koristiti izraz "želudac" za jednostavnošću. Želuci uvelike se razlikuju u njihovoj strukturnoj složenosti i veličini među kralježnjacima [27], posebice sisavaca, ali u većini tih slučajeva, želuci su najviše kisela komponenta probavnog trakta [28]. Iznimka ovom obrascu su forestomach-fermentacijom vrsta u kojoj mikrobne fermentacije prethodi probavu i apsorpciju [22]. Sisavaca biljojedi clades mogu se karakterizirati na temelju gdje se događa u gastrointestinalnom traktu najviše alloenzymatic (mikrobna) fermentacija dijetalna ugljikohidrata. U prednjem crijevu fermentora, mikrobi žive u jednoj do nekoliko dijelova u sakularne želuca. Među primatima, samo jedna loza (potfamilija vitkostasi i sakati majmuni) razvio ovaj sustav, ali analogne probavne strategije nalaze se na nekoliko loza Artiodactyla kao sloths, i klokana [18-22]. Među pticama, samo jedna vrsta je poznato da se oslanjaju na takav sustav fermentacije (hoacin, Opisthocomus hoazin) pregled, iako su mikrobi smješteni u specijaliziranoj dvije komore usjeva, a ne, tehnički, u želucu [29] , Bez obzira na morfologiju, jer zajednice celuloze mikroorganizama i zdravog fermentacije najčešće se produktivno u alkalnom okruženju, proksimalni dio prednjem crijevu-fermentacijom želuca ima pH od 5,5 do 7, a distalne imaju pH oko 3. potrebno za održavanje određenog pH u forestomach bez sumnje utjecaji hranjenja odluke. kada je proizvodnja hlapivih masnih kiselina fermentacijom prelazi apsorpcija je prekomjerne kiseline mogu uzrokovati pad forestomach pH, ​​što rezultira ponekad fatalne nevolje naziva acidoza

Literatura za pretraživanje pregled

tražili smo gastrointestinalnog biologiju, fiziologiju životinja i ptica fiziologije udžbenika za izmjerenih želučanih pH. Također smo tražili Web of Science, PubMed, Google Scholar i neobjavljeni literature (tj disertacije, konferencijske sažeci) za relevantnim podacima. S obzirom na svoju primarnu ulogu u probavi, želuca pH izmjerena je daleko manje svojti nego što bi se očekivalo. Na primjer, koliko je nama poznato, nema podataka o želučanom pH postoji za bilo koji drugi od ljudi hominoid, a postoji iznenađujuće malo podataka za primata općenito. Isto tako, dok je mahnito se drži da hijene imaju "vrlo kisele" želuce, konzultacije stručnjaka hijena i njihovih dijeta bili svjesni ni podataka koji zapravo izravno smatra ova tvrdnja. Pregled

Za one svojti za koje su bili dostupni podaci , kategoriziran smo životinje koje taksonomske skupine (ptica ili sisavaca), vrste i trofičkog grupe. Zbog konzistentnosti, dodijeljen mi prehrambenu skupinu na temelju prirodnog hranjenja ponašanja životinja (tablica 1). Je vrsta bila klasificirana kao obligatno čistača ako se hranili prvenstveno na strvine. S druge strane, definirali smo fakultativni hvatača kao vrste koje se zna da se hrane strvinama, ali ne kao primarni izvor hrane. podijelili smo zvijeri kao generalist ako se hranili bez razlike na plijen stavke ili specijalistu ako je prehrana sastojala uglavnom od određenog plijena stavku (tj insekti, ribe). Neke vrste se kategoriziraju kao svejed ako se hraniti na obje biljke i životinje. Unutar biljojeda, razdvojeni smo prednjem crijevu fermentora od hindgut fermentora na račun za specijalizirane strategijom fermentacije uključuje sakularne želuce. Pregled

Mi izračunati srednju pH za cijeli želudac, ako su vrijednosti prikazane na više lokacija kao što su fundus, tijela i pilorusa regije. Ako studija pod uvjetom da obje osnovne i post-hranjenja vrijednosti, koristili smo osnovni pH. Kada se ne posta, pH može se razlikovati ovisno o čimbenicima uključujući prehranu i vrijeme od hranjenja. Pregled

Mi smo koristili općeg linearnog modela pristupa nakon čega slijedi Tukey-Kramer post-hoc testom za utvrđivanje razlika pH u želucu kao funkcije trofičku kategorija pomoću PROC Glm u SAS 9.3 (SAS Institute, Cary, NC, USA). pregled

Rezultati

u ukupno, naša potraga književnost dala je podatke o 68 vrsta (25 ptica i 43 sisavaca) od sedam trofičkih skupinama (Tablica 1). Opći linearni model koji se temelji na dijeti, objasnio je mnogo varijacija u želucu pH (R ^{2 = 0,63, F _{1,6 = 17,63, p < 0,01). U trofičke grupe, koji su bili najviše varijabla u smislu njihovog želuca pH bili svejedi i mesojedi koji su specijalizirani za jedenje kukaca ili ribu. Pregled}}

Naša pretpostavka je da prednjem crijevu-fermentacijom biljojedi i životinje koje se hrane plijenom više filogenetski dalekoj od njih će imati najmanje kisele želudac. Tukey-Kramer usporedbe pokazuju da čistači (i obavezuju i fakultativna) imali su znatno više želučane kiselosti u odnosu na biljojede (i prednjem crijevu i hindgut) i specijalističkih zvijeri hranjenja na filogenetski udaljenih plijen. Naime, prednjem crijevu-fermentacijom biljojedi imali najmanje kisele želuce svih trofičke grupe, dok svejedi i mesojedi generalist, s više razina srednji pH, nisu bili razlikuje od bilo koje druge skupine (Slika 1). Pregled

Rasprava pregled

na temelju dostupnih podataka, naša analiza pokazuje opći uzorak u kojem vrsta hrani se strvinama i životinje imaju znatno veće želučane kiselosti u odnosu na vrste se hrane kukcima, lišća ili ploda. Na vlastitu, što su uzorci u skladu s hipotezom da je jedna uloga želuca je da inhibira mikroba ulazak u crijevima, iako ti obrasci se također može objasniti drugim fenomenima. Mesojedi potrebno više kiselih želuca kako bi se analizirale proteina u svojim mesnim bazi dijeta. Na primjer, sekrecija pepsinogen i njegovog aktiviranja u pepsis u želucu je modulirana s kiselom pH (2-4) [30]. Također, aktivnost proteaza na jednostavan kiselina u želucu ovisi o kiselom mediju (pH 2-4) [31]. Međutim, iako to može objasniti razlike između predatora i biljojeda, to ne računa za vrlo visoke kiselosti u želucima čistača, pogotovo s obzirom da je meso konzumira čistača nije vjerojatno da će biti mnogo teže probavlja od onog predatora. Predlažemo da ove čistači oslanjaju na visoke kiselosti njihovog želuca kako bi se spriječilo naseljavanje svojih crijeva koje se prenose hranom patogena [32]. Svejedi i piscivores su najviše varijabla u želucu kiselosti, što je i za očekivati ​​jer su obje dijete uvelike razlikuju od vrste do vrste. Kukcožder mogu koristiti različite načine probaviti hitin kukca, a kiselost igra ulogu u nekim, ali ne i drugim slučajevima. Pregled

Posebni slučaj herbivory Netlogu

mrcina hranjenje nameće jednu vrstu ograničiti na ekologiju crijevu, povećanje mogućnosti za patogena. Herbivory nameće drugo, potreba za probaviti biljnog materijala otpornija na enzimatske razgradnje (celuloze i lignina). Kako bi se probaviti te spojeve, biljojedi oslanjaju nerazmjerno na mikrobiološke procese [33]. Različita područja probavnog trakta (bilo u buragu, slijepo crijevo ili u slučaju hoacin sklopljenom kulturom) funkcija prvenstveno kao fermentacije komore. Dakle, izazov s fermentacijskih crijeva favorizira one mikroorganizme koji su korisni za probavu i smanjuju opasnost od ulaska uzročnika u crijevima. Predlažemo da se zbog prijetnje mikrobnih patogena je relativno nisko na živim listovima (iako vidi [34]), biljojedi mogu priuštiti da zadrži komoru koja je skromno kiseli i stoga manje ograničavaju ulazak mikroba. Međutim, pronašli smo nekoliko zanimljivih iznimke od ovog općenitosti. Dabar, koji su poznati za pohranu hrane sprema pod vodom, gdje postoji visok rizik od izlaganja protozojskog parazita Giardia lamblia pregled, imaju vrlo kiselih želudac. Visoka želucu kiselost možda su se razvili za upravljanje tom prevladava patogen na okoliš [35]. Drugi biljojedi u našem skupu podataka s vrlo kiselom želucu je zec, koji pruža zanimljiv primjer ponašanja modifikacije želuca. Kunići se zna da se uključe u čestim coprophagy koji im omogućava se ponovno nasađivanje mikrobima [36]. Specijalizirane mekane pelete koje kuća mikrobi također smanjuju želučane kiselosti stvaranje okruženja pogodan za fermentaciju [37]. Pregled

Ljudska evolucija i želudac pH pregled

Zanimljivo je napomenuti da su ljudi, jedinstveno među primata do sada smatralo, čini se da su u stomaku pH vrijednosti više nalik onima mrcina hranilica nego onima većini mesojeda i svejeda. U nedostatku dobrih podataka o pH drugih hominoids, teško je predvidjeti kada takav kisela sredina razvijao. Pavijani ( Papio pregled spp) su tvrdili da imaju strategije najviše ljudske nalik hranjenja i krmne u smislu eklektik omnivory, ali njihovi želuci-a općenito smatra kisela (pH = 3,7) • Nemojte pokazivati izuzetno nizak pH vidjeti u modernim ljudima (pH = 1,5) [38]. Jedno od objašnjenja za takvo kiselosti može biti da je hranjenje mrcina je važnije kod ljudi (i općenito čovjekoliki) evolucija od trenutno smatra da se slučaj (iako vidi [39]). Alternativno, u svjetlu broj fekalnih-oralni patogena koji zaraziti i ubiti čovjeka, izbor je možda preferiraju visoke želuca kiselosti, neovisno o prehrani, zbog svoje uloge u prevenciji patogena. Pregled

Poseban rizik maloljetniku i stariji ljudi

Ako u zvijeri i mrcina-hranilica, uloga želuca je da djeluje kao ekološkog filter onda smo i očekivali vidjeti veće mikrobne raznolikosti i patogenih opterećenja u slučajevima gdje želudac pH viši. Vidimo dokaze za to u dobne promjene u želucu. Osnovni želuca lumen pH kod ljudi oko 1,5 (Tablica 1). Međutim, nedonoščad imaju manje kisele želudac (pH 4) i osjetljivost na enterički infekcija [40]. Isto tako, starije osobe pokazuju relativno niske želudac kiselost ([41], pH 6,6 u 80% sudionika u istraživanju) i skloni su bakterijske infekcije u želucu i crijevima [42]. Važno je napomenuti da se te razlike mogu biti povezane s razlikama u snazi ​​imunološkog sustava, međutim tvrdimo ovdje da želudac treba više uzeti u obzir prilikom proučavanja tih obrazaca. Pregled

Posljedice za medicinske intervencije koje utječu na pH u želucu

Osim prirodne varijacije, želuca pH je također pod utjecajem nekih medicinskih intervencija, od kojih su neke sve češći. U želučani bypass mršavljenja kirurgija, otprilike 60 posto želuca je uklonjena. Posljedica ovog postupka je povećanje želučanom pH vrijednosti koje se kreću od 5.7 do 6.8. Mi bi predvidjeti da su crijeva od onih pojedinaca koji su imali želučani bypass operacije bi trebalo biti više vjerojatno da će doživjeti mikroba bujanje, uzorak koji je podržan od strane nedavnom radu [25]. Vidimo slične obrasce u drugim kliničkim slučajevima, kao što su ezofagitis u kojem tretman uključuje upotrebu inhibitora protonske pumpe i celijakija, gdje usporeno pražnjenje želuca je povezana sa smanjenom kiselošću [43-45]. Općenitije, možemo predvidjeti da pojedinci prolaze kroz intervencije koje smanjuju kiselost želuca bit će u dugoročnom povećanog rizika gastrointestinalnih patogena. Međutim, ovaj rizik se može smanjiti ako se takvi pojedinci imaju tendenciju da se izbjegne namirnice u kojima je povišen patogen rizika, koji uključuju (kao i za ptice i sisavce općenito) namirnice koje podsjećaju mrcina (sirovu ribu, sirovu mesa sisavaca, itd ...), a možda i čak i meso općenito. Dakle, moglo bi se očekivati ​​optimalnu pH za ljude da se mijenja ovisno o promjenama u prehrambenim navikama. Pregled

Ljudski želudac i gubitak uzajamne mikroba pregled

U principu, želuca kiselost imaju tendenciju da će filtrirati mikroba bez prilagodbama kiselom mediju. Takve prilagodbe uključuju otporne stanične stijenke, sposobnosti spore koje tvore ili druge osobine koje je potvrđeno da toleranciju na visoke kiselosti i brzim promjenama u pH uvjetima. Mi smo u obzir uloga želucu kao patogena barijere u kontekstu ljudske evolucije. Još jedan potencijalni posljedica visoke želuca kiselosti, kada se gledaju u svjetlu ostalih primata i sisavaca, je nemogućnost ponovnog naseljavanja po povoljnim mikroba. Veliki literatura sada predlaže da niz ljudskih zdravstvenih problema odnose se na gubitak uzajamne crijeva mikroba, da li zbog toga što ti mutualisti uspjeli kolonizirati u hiper-clean C-section poroda [46], ili su izgubili uporabom antibiotika [47 ], ili drugih okolnosti. PH ljudskom želucu može dati ljudima jedinstveno skloni tih problema. S druge strane, možemo očekivati ​​da će, među domaćim životinjama, da se slični problemi trebali biti najčešće u onih životinja koje su, poput nas, imaju vrlo kiselih želuce. Pregled

Zaključak pregled

pokazuju da želudac kiselost povećava s rizikom od izloženosti patogena hranom i predlažu da želudac ima značajnu ulogu kao ekološkog filterom i tako snažan faktor selekcije u crijevo mikrobne strukture zajednice i evolucije primata posebno. U svjetlu suvremenih promjena načina života u prehrani, higijeni i medicinskih intervencija koje mijenjaju pH u želucu, predlažemo da u želucu kiselost u ljudi je dvosjekli mač. S jedne strane, visoka kiselost ljudskog želuca sprečava izlaganje patogena, ali ona također smanjuje vjerojatnost ponovnog naseljavanja po povoljnim mikroba ako i kad nestanu. Međutim, u onim slučajevima u kojima je smanjena kiselost, crijevo je više vjerojatno da će biti kolonizirali patogena. Iako je široko raspravlja iu medicinske i ekološke literature, podaci o pH su zapravo vrlo rijetki. Dakle, kako bi se u potpunosti razumjeti obrasce ovdje istaknute detaljnije studije o gut mikrobiota preko želuca kiselosti i dijeta su obavezna. Pregled

Izvori pregled

DEB, AMK, JEL, NF i RRD doprinijeli jednako na izrada rukopisa. pregled