PLoS ONE: De evolutie van maagzuur en de relevantie ervan voor de Human Microbiome

Abstract

maagzuur is waarschijnlijk een belangrijke factor vormgeven van de diversiteit en de samenstelling van de microbiële gemeenschappen in de gewervelde darmen. We voerden een systematische review tot de hypothese dat een sleutelrol van de gewervelde maag is om de darm microbiële gemeenschap te handhaven door het uitfilteren van nieuwe microbiële taxa voordat ze overgaan in de darmen te testen. Wij stellen voor dat soort voeden, hetzij op aas of op organismen die in de buurt fylogenetische familieleden moet de meest restrictieve filter (gemeten als hoog maagzuur) als bescherming tegen buitenlandse microben nodig zijn. Omgekeerd soorten eten van een lager trofisch niveau of op levensmiddelen die verte verwant is aan hen (bijvoorbeeld herbivoren) moet de minste filter vereist, aangezien het risico op blootstelling pathogeen lager. Vergelijkingen van maagzuur over trofische groepen in zoogdieren en vogels taxa laten zien dat aaseters en carnivoren hebben significant hogere maag zuren bekomen in vergelijking met herbivoren of carnivoren voeden met fylogenetisch verre prooi zoals insecten of vis. Daarnaast vinden we bij het maagzuur varieert binnen soorten, hetzij op natuurlijke wijze (met de leeftijd) of behandelingen zoals bariatrische chirurgie, de effecten op de darm bacteriële ziekteverwekkers en gemeenschappen zijn in lijn met onze hypothese dat de maag fungeert als een ecologische filter. Samen vormen deze resultaten benadrukken het belang van het opnemen van metingen van de pH in de maag bij het onderzoeken van de darm microbiële dynamiek binnen en tussen soorten

Visum:. Beasley DE, Koltz AM, Lambert JE, Fierer N, Dunn RR (2015) De evolutie van maagzuur en relevantie ervan voor de Human Microbiome. PLoS ONE 10 (7): e0134116. doi: 10.1371 /journal.pone.0134116

Editor: Zhen Li, Chengdu Instituut Biologie, CHINA

Ontvangen: 8 maart 2015; Aanvaard: 6 juli 2015; Gepubliceerd: 29 juli 2015

Copyright: © 2015 Beasley et al. Dit is een open toegang Artikel gedistribueerd onder de voorwaarden van de Creative Commons Attribution License, die onbeperkt gebruik, distributie en reproductie maakt in elk medium, op voorwaarde dat de oorspronkelijke auteur en de bron worden gecrediteerd

Data Beschikbaarheid: Alle relevante gegevens zijn binnen het papier

financiering:.. de auteurs hebben geen steun of financiering aan te melden

Competing belangen. de auteurs hebben verklaard dat er geen tegenstrijdige belangen bestaan ​​

Introductie

Vaak gewervelde maag evolutie wordt besproken in het kader van de rol van de maag in chemisch afbreken van voedsel en, in het bijzonder, denatureren eiwitten via pepsinogen en HCl [1]. De maag dient duidelijk deze doeleinden. Maar in het licht van onze groeiende begrip van de rol microbiële symbionten 'in de gezondheid van de mens, is het interessant om aanvullende rol van de maag te heroverwegen als een belangrijke barrière tegen ziekteverwekker binnenkomst in het maag-darmkanaal [2-3]. Hier beschouwen we de ecologie van vogels en zoogdieren magen en, in hetzelfde licht, medische ingrepen die de menselijke maag-pH en de gevolgen daarvan voor de mens-microbe relatie te veranderen.

Vroege studies van de menselijke darm microbiome gesuggereerd dat gut kolonisatie was stochastische en van voorbijgaande aard [4] en de microbiome op een bepaald ogenblik werd sterk beïnvloed door de recente kolonisten [5]. Dit patroon, indien het algemeen zou een bescheiden rol voor de menselijke maag bij het moduleren van de samenstelling van de darmen voorgesteld. Recent onderzoek van de gastrische gezondheid suggereert dat de pH milieu van eenvoudige stomached vertebraten wordt een belangrijkere functie als ecologische filter, kunnen door de zuurgraad van het doden van microbiële taxa die anders de darmen koloniseren [2]. In deze context zou een succesvolle kolonisatie zeldzaam zijn. Recente studies tonen aan dat in de afwezigheid van ernstige storing, de temporele variaties in microbiële samenstelling van de menselijke darm is dan de variabiliteit [6-8]. Voornaamste veranderingen in gezonde individuen, verschijnen vaak als gevolg van veranderingen in de relatieve abundantie van taxa niet de komst van nieuwe lijnen [9]. Meer en meer gegevens lijken te suggereren dat soortspecifieke gemeenschappen in de menselijke darm lijken relatief goed bestand tegen verstoring [10-11], voor een groot deel omdat de zure menselijke maag voorkomt frequent kolonisatie van de darm door grote aantallen door voedsel overgedragen microben ongeacht of zij nuttig of pathogene.

Hoewel de literatuur over de menselijke maag, de zuurgraad en de darm microbiome, lijkt het idee dat maagzuur ontwikkeld als barrière voor kolonisatie pathogeen ondersteunen dergelijke bewering maakt volledig alleen zin in het licht van een breder vergelijkend begrip van maagzuur in vogels en zoogdieren [12-13]. Maar, terwijl het idee dat de maag dient als een barrière tegen pathogenen vaak besproken [14-16], geen studie verschijnt formeel moeten vergelijken de maag pH in vogels of zoogdieren als functie van de biologie in het algemeen of de verwachte blootstelling om pathogenen in het bijzonder.

Door het handhaven van een zure pH-omgeving is kostbaar, moet magen zuur aanwezig zijn vooral in die gevallen waar het adaptief (of waar het adaptief in een recente voorouder). De kosten van maagzuur is tweeledig. De host moet een aanzienlijke energiebesparing te investeren voor zowel de zuurproductie en de maag te beschermen tegen zuur-gerelateerde schade [17]. Bovendien kan de zuurgraad van de maag te sluiten, althans te bemoeilijken, kans verkrijging van gunstige microben. Aan het andere uiterste zijn die gespecialiseerd herbivoren waarin maag morfologie wordt afgeleid naar een alkalische kamer (voormaag of pre-saccus) dat huis microben cruciaal voor het vergisten van een plant dieet [18-22] bevatten. In deze dieren, een zure maag is niet slechts van beperkte waarde (omdat het risico van door voedsel overgedragen pathogenen in plantmateriaal laag is), kan ook die microben die helpen bij de afbraak van plantaardig materiaal te verwijderen. In grote lijnen dan verwachten we maagzuur dierlijke diëten te spiegelen op een manier die pathogeen risico weerspiegelen. We verwachten dat de dieren zich voeden met aas de meest restrictieve filter, dat wil zeggen een hogere maagzuur zal hebben. Carrion heeft het potentieel om hoge belastingen pathogenen ondersteunen omdat het lichaam van de dode gastheer gestopt onderdrukken van bacteriegroei. Evenzo zou carnivoren en omnivoren worden naar verwachting hoger maag zuurgraden dan herbivoren met gespecialiseerde gistende voormagen omdat ziekteverwekkers gevonden in prooi zijn vaker in staat om het infecteren van de predator dan plant-geassocieerde micro-organismen [23] te zijn. Echter, zouden we verwachten dat de zuurgraad van de maag carnivore en omnivore ook afhangen van de fylogenetische afstand tussen roofdier en prooi. Ziekteverwekkers zijn veel meer kans om te kunnen verwante gastheren [23], zodanig dat een vogel het consumeren van een insect een lager risico op een voedselinfectie dan een vogel het eten van een vogel moet naar infecteren. Om deze hypothesen te toetsen, vergelijken we de zuurgraad van de maag van zoogdieren en vogels over een diversiteit van het dieet types.

In het licht van de resultaten, we dan opnieuw de ecologie van de menselijke maag, haar rol als een filter en de waarschijnlijke gevolgen van deze rol binnen de context van de moderne menselijke levensstijl en medische interventies. Als maagzuur fungeert als een sterke filter, verwachten we dat wanneer zuurgraad verminderd, de invloed van voeding geassocieerde microben op de darmflora groter zal zijn. Het is bekend dat maagzuur vermindert met de leeftijd en als gevolg van een aantal medische behandelingen [24-26]. Aldus zuurgraad afneemt en de effectiviteit van het filter wordt verminderd, verwachten we toename van zowel de diversiteit van microbiële pathogeen lijnen en lasten in de darm te bekijken. We verwachten ook dat dieren, zoals mensen, met zeer zure filters bijzonder worden predispositie voor negatieve gevolgen van het verlies van darm symbionten omdat de kans van toeval herkolonisatie laag.

Materialen en Werkwijzen

gewervelde maag

Hier richten we ons op twee taxonomische groepen, zoogdieren en vogels, waarbij de ecologie van magen is best bestudeerd. Binnen deze taxa, richten we ons op de eerste kamer van het maagdarmkanaal, een kamer met verschillende namen, afhankelijk van de organismen en context. In zoogdieren, maagzuurproductie en tijdelijke opslag van voedsel zowel voorkomen in de maag. Bij vogels zuurproductie plaatsvindt in de proventriculus en opslag van voedsel voorkomt in de maag (figuur 1). Wij richten ons op de maag van zoogdieren en, technisch gezien, de proventriculus van de vogels, maar hierna gebruiken de term "maag" omwille van de eenvoud. Magen verschillen sterk in hun structurele complexiteit en grootte onder vertebraten [27], met name zoogdieren, maar in de meeste gevallen, magen zijn de zure component van het spijsverteringskanaal [28]. De uitzondering op dit patroon zijn voormaag gistende soorten waarbij microbiële fermentatie voorafgaat vertering en opname [22]. Herbivore zoogdieren clades kunnen worden gekarakteriseerd op basis van waar in het maagdarmkanaal meest alloenzymatic (microbiële) fermentatie van koolhydraten dieet optreedt. In voordarm vergisters, microben wonen in een tot meerdere secties van een zakvormige maag. Onder primaten, heeft slechts één lijn (onderfamilie Slankapen) dit systeem geëvolueerd, maar analoog spijsvertering strategieën zijn te vinden in verschillende lijnen van Artiodactyla evenals luiaards en kangoeroes [18-22]. Onder vogels wordt slechts één soort bekend enkel een dergelijke vergistingsinstallatie (hoatzin, Opisthocomus hoazin)
hoewel microben zijn ondergebracht in een gespecialiseerde twee-chambered gewassen en niet technisch in de maag [29] . Ongeacht morfologie omdat gemeenschappen cellulolytische microorganismen en gezonde fermentatie komen het meest productief in een alkalisch milieu, het proximale gedeelte van de maag-voordarm fermenterende een pH van ongeveer 5,5-7, terwijl de distale gedeeltes hebben een pH van ongeveer 3. De zou een bepaalde pH in de voormaag handhaven ongetwijfeld invloeden voeden beslissingen. wanneer de productie van vluchtige vetzuren uit fermentatie absorptie overschrijdt, kan de overmaat aan zuren een daling van de voormaag pH, met als gevolg een soms fatale aandoening bekend als acidose

Literatuuronderzoek

We zochten gastro-intestinale biologie, dierlijke fysiologie en aviaire fysiologie schoolboeken voor gemeten maag pH. We zochten ook naar Web of Science, PubMed, Google Scholar en ongepubliceerde literatuur (dat wil zeggen dissertaties, conference abstracts) voor relevante gegevens. Gezien de grote rol bij de spijsvertering, maag pH is gemeten in veel minder taxa dan men zou verwachten. Bijvoorbeeld, om het beste van onze kennis, geen gegevens op de maag pH bestaan ​​voor andere doeleinden dan de mens antropoïde, en verrassend weinig gegevens bestaan ​​voor primaten in het algemeen. Op dezelfde manier, terwijl het wild geoordeeld dat hyena's hebben "erg zuur" magen, raadpleging van deskundigen in hyena's en hun dieet waren zich bewust van geen gegevens die daadwerkelijk direct overwogen deze bewering.

Voor degenen taxa waarvoor gegevens beschikbaar waren , gecategoriseerd we dieren door de taxonomische groep (vogels of zoogdieren), soort en trofische groep. Voor consistentie, we trofische groep op basis van natuurlijke eetgedrag van de dieren (tabel 1) toegewezen. Een soort werd geclassificeerd als een obligaat scavenger als het gevoed vooral op aas. Omgekeerd definieerden we facultatieve scavengers als soorten waarvan bekend is dat voeden met aas maar niet als primaire voedselbron. We geclassificeerd carnivoren als een generalist als het lukraak gevoed prooien of een specialist als het dieet bestond voornamelijk uit een bepaalde prooi (dat wil zeggen, insecten, vissen). Een soort werd gecategoriseerd als omnivoor indien gevoed zowel planten als dieren. Binnen herbivoren, we gescheiden voordarm vergisters van einddarm vergisters om rekening te houden voor de gespecialiseerde vergisting strategie waarbij zakvormige magen.

We berekenden een gemiddelde pH voor het gehele maag als waarden werden gepresenteerd voor meerdere locaties, zoals de fundus, lichaam en pyloric regio's. Als studies die zowel baseline en post-feeding waarden, gebruikten we de basislijn pH. Indien niet vasten, kan de pH variëren afhankelijk van factoren zoals dieet en sinds voeden.

We gebruikten een algemeen lineair model benadering gevolgd door een Tukey-Kramer post-hoc test om verschillen in de maag pH als functie van beoordelen trofische categorie met behulp van PROC GLM in SAS 9.3 (SAS Institute, Cary, NC, USA).

Resultaten

in het totaal, onze literatuur zoekopdracht leverde gegevens over 68 soorten (25 vogels en 43 zoogdieren) zeven trofische groepen (tabel 1). Een algemeen lineair model gebaseerd op voeding uitgelegd veel van de variatie in de maag pH (R ^{2 = 0,63, F _{1,6 = 17,63, p < 0,01). De trofische groepen die in termen van hun maag pH meest variabele waren, waren omnivoren en carnivoren die gespecialiseerd zijn in het eten van insecten of vis.}}

Onze hypothese was dat-voordarm vergisten van herbivoren en dieren die zich voeden met prooi meer fylogenetisch verre van ze zouden de minst zure magen. Tukey-Kramer vergelijkingen gaven aan dat aaseters (zowel obligaat en facultatieve) hadden significant hogere maag zuren bekomen ten opzichte van planteneters (zowel voordarm en einddarm) en gespecialiseerde carnivoren voeding op fylogenetisch verre prooi. Specifiek-voordarm fermenteren herbivoren had de minst zure magen van alle trofische groepen terwijl omnivoren en carnivoren generalist, met meer tussenliggende pH niveaus waren niet te onderscheiden van alle andere groepen (figuur 1).

Discussie

op basis van de beschikbare gegevens, onze analyse illustreert een algemene patroon waarin soorten eten van kadavers en dieren hebben beduidend hoger maag zuren bekomen in vergelijking met soorten eten van insecten, bladeren, of fruit. Op hun eigen patronen in overeenstemming met de hypothese dat de rol van de maag microbiële binnenkomst in de darm remmen, hoewel deze patronen ook kunnen worden verklaard door andere verschijnselen. Vleeseters hebben meer zure maaginhoud om het eiwit te lyseren in hun vlees gebaseerde diëten. Zo is secretie van pepsinogeen en activering pepsis in de maag gemoduleerd door een zure pH (2-4) [30]. Ook de activiteit van proteasen in een eenvoudige maagzuur afhankelijk van een zuur milieu (pH 2-4) [31]. Hoewel de verschillen tussen roofdieren en herbivoren kan verklaren, is het niet goed voor de hoge zuurgraad in de maag van scavengers, vooral omdat het vlees verbruikt door scavengers is niet waarschijnlijk veel moeilijker te verteren dan roofdieren. Wij suggereren dat deze aaseters vertrouwen op de hoge zuurgraad van de maag om kolonisatie van de darmen te voorkomen door pathogenen [32]. Omnivoren en Viseters waren het meest variabele in de maag zuren bekomen, dat is te verwachten aangezien beide diëten sterk verschillen van soort tot soort. Insecteneters kunnen diverse middelen te gebruiken om insecten chitine verteren, met een zuurtegraad een rol spelen in een aantal, maar niet de andere gevallen.

Het bijzondere geval van herbivorie

Carrion voeden legt een soort beperken op de ecologie van de darm, een toename van de mogelijkheden voor ziekteverwekkers. Herbivorie legt andere, de noodzaak om plantenmateriaal refractair enzymatische digestie (cellulose en lignine) verteren. Om deze verbindingen te verteren, herbivoren afhankelijk onevenredig op microbiële processen [33]. Verschillende gebieden van het maagdarmkanaal (of pens, caecum bij de hoatzin een gevouwen gewas) -functie voornamelijk fermentatie kamers. Zo kan een uitdaging fermentatie lef begunstigt de microben die bruikbaar zijn voor de spijsvertering, terwijl het risico van pathogeen binnenkomst in de darm. Wij stellen voor dat, omdat de dreiging van microbiële ziekteverwekkers is relatief laag op levende bladeren (hoewel zie [34]), herbivoren kan veroorloven om een ​​kamer die is bescheiden zuur en dus minder beperkende microbiële toegang te behouden. Toch vinden we een aantal interessante uitzonderingen op deze algemeenheid. Bevers, waarvan bekend is dat op te slaan voedsel caches onderwaterwereld waar sprake is van een hoog risico van blootstelling aan een protozoa parasiet Giardia lamblia
, hebben zeer zure maaginhoud. De hoge maagzuur kan hebben ontwikkeld om deze heersende milieu ziekteverwekker [35] beheren. De andere herbivore in onze dataset met een zeer zure maag het konijn, die een interessant voorbeeld van een gedragsverandering van het maagmilieu verschaft. Konijnen zijn bekend te nemen aan frequente coprofagie waardoor zij beënten zich bij microben [36]. De gespecialiseerde soft pellets dat huis microben ook de zuurgraad van de maag te verminderen het creëren van een omgeving die geschikt is voor vergisting [37].

De menselijke evolutie en de maag pH

Het is interessant om op te merken dat mensen, op unieke wijze onder de primaten tot dusver beschouwd, lijken de maag pH-waarden meer verwant aan die van aas feeders dan die van de meeste carnivoren en omnivoren hebben. Bij gebrek aan betrouwbare gegevens betreffende de pH van andere antropoïden, is het moeilijk te voorspellen wanneer een dergelijke zure omgeving ontstaan. Bavianen ( Papio
spp) zijn aangevoerd om de meest mensachtige van het voeden en foerageren strategieën op het gebied van eclectische omnivorie vertonen, maar hun maag-terwijl overwogen over het algemeen zuur (pH = 3,7) -Niet vertonen extreem lage pH gezien in de moderne mens (pH = 1.5) [38]. Een verklaring voor deze zuren kan zijn dat aas feeding belangrijker was bij mensen (en meer algemeen mensachtige) evolutie dan thans het geval te zijn (hoewel zie [39]). Als alternatief, in het licht van het aantal fecaal-orale ziekteverwekkers die infecteren en doden mensen, selectie kan hebben bevorderd hoge maagzuur, onafhankelijk van dieet, vanwege zijn rol in de ziekteverwekker te voorkomen.

De speciale risico's voor de jeugd- en oudere mensen

als, in carnivoren en aas-feeders, de rol van de maag is om op te treden als een ecologische filter dan zouden we verwachten ook hogere microbiële diversiteit en pathogeen veel te zien in de gevallen waarin de maag pH-waarde hoger is. We zien het bewijs van deze in leeftijd gerelateerde veranderingen in de maag. Baseline maag lumen pH bij mensen is ongeveer 1,5 (tabel 1). Echter, prematuren minder zure maag (pH gt; 4) en zijn gevoeligheid voor darminfecties [40]. Ook ouderen laten een relatief lage maagzuur ([41], pH 6,6 in 80% van de studie deelnemers) en zijn gevoelig voor bacteriële infecties in de maag en darmen [42]. Het is belangrijk op te merken dat deze verschillen kunnen worden gerelateerd aan verschillen in de sterkte van het immuunsysteem maar we beweren hier dat de maag heeft behoefte aan meer aandacht bij het bestuderen van deze patronen.

Gevolgen voor medische interventies die de maag pH beïnvloeden

Naast de natuurlijke variatie, maag pH wordt ook beïnvloed door een aantal medische interventies, waarvan een aantal zijn steeds vaker voor. In de maag-bypass chirurgie van het gewichtsverlies, is ongeveer 60 procent van de maag verwijderd. Een gevolg van deze procedure is een verhoging van de gastrische pH niveaus die variëren 5,7-6,8. Wij zouden voorspellen dat de darmen van personen die maagomleidingschirurgie hebben meer kans op microbiële overgroei, een patroon dat wordt ondersteund door recente werk [25], dienen te worden. We zien vergelijkbare patronen in andere klinische gevallen zoals oesofagitis, waarin de behandeling omvat het gebruik van protonpompremmers en coeliakie ziekte waarbij vertraagde maaglediging wordt geassocieerd met een verminderde zuurgraad [43-45]. Meer in het algemeen, voorspellen we dat individuen ondergaan interventies die de zuurgraad van de maag te verminderen zullen op lange termijn verhoogd risico op gastrointestinale pathogenen. Dit kan echter risico worden verminderd als deze personen vaak levensmiddelen waarin pathogeen risico wordt verhoogd, die (zoals voor vogels en zoogdieren algemeen) voedingsmiddelen die aas (rauwe vis, rauw vlees zoogdier, etc ...) lijken onder vermijden en misschien zelfs vlees in het algemeen. Zo zou men de optimale pH verwachten voor de mens om te veranderen, afhankelijk van de veranderingen in eetgewoonten.

De menselijke maag en het verlies van mutualistische microben

In het algemeen maagzuur zal de neiging om microben te filteren zonder aanpassingen aan een zure omgeving. Dergelijke aanpassingen zijn onder andere resistente celwanden, sporenvormende mogelijkheden of andere eigenschappen die tolerantie verlenen aan hoge zuurgraden en snelle veranderingen in de pH-omstandigheden. We hebben overwogen de rol van de maag als pathogeen barrière binnen het kader van de menselijke evolutie. Een ander mogelijk gevolg van hoge maagzuur, indien beschouwd in het licht van andere primaten en zoogdieren, is de moeilijkheid herkolonisatie door heilzame bacteriën. Een grote hoeveelheid literatuur blijkt nu dat diverse humane medische problemen hebben betrekking op het verlies van mutualistische darmmicroben, hetzij omdat deze mutualisten niet koloniseren in hyper-clean keizersnede geboorten [46] of werden verloren door gebruik van antibiotica [47 ], of andere omstandigheden. De pH van de menselijke maag kan mensen uniek vatbaar voor dergelijke problemen maken. Op zijn beurt, kunnen we verwachten dat onder gedomesticeerde dieren, dat soortgelijke problemen meest voorkomende moet in die dieren die, net als wij, hebben zeer zure maaginhoud.

Conclusie

We laten zien dat maagzuur neemt toe met het risico van blootstelling aan pathogeen door voedsel overgedragen en voor te stellen dat de maag een belangrijke rol als een ecologische filter en dus een sterke selectie factor in de darm microbiële gemeenschap structuur en de evolutie van primaten in het bijzonder speelt. In het licht van de moderne levensstijl veranderingen in de voeding, hygiëne en medische interventies die de maag pH te veranderen, stellen we voor dat maagzuur in de mens is een tweesnijdend zwaard. Enerzijds de hoge zuurgraad van de menselijke maag voorkomt blootstelling pathogeen maar vermindert ook de kans op herkolonisatie door heilzame bacteriën of en wanneer gaan ze missen. In die gevallen waarin zuurgraad wordt verminderd, de darmen eerder gekoloniseerd door ziekteverwekkers. Hoewel algemeen wordt besproken in zowel de medische en ecologische literatuur, gegevens over de pH eigenlijk zeer schaars. Dus, om volledig te begrijpen van de patronen hier uitgelicht meer gedetailleerde studies over de darmflora over maag zuren bekomen en het dieet nodig zijn.

Dankwoord

DEB, AMK, JEL, NF en RRD eveneens bijgedragen aan de making van het manuscript.

• Effecten van Capsaïcine op Digestion
• PLoS ONE: Geometrische Mengen, Peristaltiek, en de geometrische fase van de maag