PLoS ONE: Utviklingen av magen surhet og dens relevans til den menneskelige mikrobiomer

Abstract

Gastric surhet er trolig en viktig faktor forme mangfold og sammensetning av mikrobielle samfunn som finnes i virveldyr tarmen. Vi gjennomførte en systematisk gjennomgang for å teste hypotesen om at en nøkkelrolle i virveldyr magen er å opprettholde tarmen mikrobielle samfunn ved å filtrere ut romanen mikrobiell taxa før de går over i tarmen. Vi foreslår at arter fôring enten på kadaver eller på organismer som er nære fylogenetiske slektninger bør krever mest restriktive filter (målt som høy magen surhet) som beskyttelse mot utenlandske mikrober. Omvendt bør arter beiter på et lavere trofiske nivå eller på mat som er fjernt beslektet med dem (f.eks planteetere) krever minst restriktive filter, ettersom risikoen for patogenet eksponering er lavere. Sammenligninger av magen surhet over trofiske grupper i pattedyr og fugl taxa viser at åtseletere og rovdyr har betydelig høyere mage surheter forhold til planteetere eller rovdyr fôring på fylogenetisk fjernt byttedyr, som insekter eller fisk. I tillegg finner vi når magen surhet varierer innen arter enten naturlig (med alder) eller i behandlinger som fedmekirurgi, virkningene på gut bakterielle patogener og lokalsamfunn er i tråd med vår hypotese om at magen fungerer som en økologisk filter. Sammen disse resultatene markere betydningen av å inkludere målinger av pH i magesekken når undersøke tarmen mikrobielle dynamikk innenfor og på tvers av arter

Citation. Beasley DE, Koltz AM, Lambert JE, Fierer N, Dunn RR (2015) Utviklingen av Mage surhet og dens relevans til den menneskelige mikrobiomer. PLoS ONE 10 (7): e0134116. doi: 10,1371 /journal.pone.0134116

Redaktør: Zhen Li, Chengdu Institutt for biologi, KINA

mottatt: 8 mars 2015; Godkjent: 06.07.2015; Publisert: 29.07.2015

Copyright: © 2015 Beasley et al. Dette er en åpen tilgang artikkelen distribueres under betingelsene i Creative Commons Attribution License, som tillater ubegrenset bruk, distribusjon og reproduksjon i ethvert medium, forutsatt den opprinnelige forfatteren og kilden krediteres

Data Tilgjengelighet: All relevant data er innenfor papir

finansiering:.. forfatterne har ingen støtte eller finansiering for å rapportere

konkurrerende interesser:. forfatterne har erklært at ingen konkurrerende interesser eksisterer

Innledning

Ofte vertebrate mage evolusjon er diskutert i sammenheng av magen rolle i kjemisk å bryte ned mat og, spesielt, å denaturere proteiner via pepsinogen og HCl [1]. Magen serverer klart disse formålene. Men i lys av vår økende forståelse av mikrobielle symbionter rolle i menneskers helse, er det interessant å revurdere magen ekstra rolle som en viktig barriere mot patogen inntreden i mage-tarmkanalen [2-3]. Her ser vi på økologien i fugl og pattedyr mager, og i samme lys, medisinske intervensjoner som endrer menneskelig gastrisk pH og deres implikasjoner for menneske mikrobe forhold.

Tidlige studier av den menneskelige tarmen mikrobiomer antydet at gut kolonisering var stokastiske og forbigående [4] og mikrobiomer på noe bestemt tidspunkt ble sterkt påvirket av de siste kolonister [5]. Dette mønsteret, hvis generelle, ville ha foreslått en beskjeden rolle for den humane mage ved modulering av sammensetningen av tarmen. Imidlertid nyere forskning på gastrisk helse tyder på at pH-miljø av enkle-stomached virveldyr viser en mer fremtredende funksjon som økologisk filter, i stand til, via dens surhet, for å drepe mikrobiologiske arter som ellers ville koloniserer tarmen [2]. I denne sammenheng vil lykkes kolonisering være sjeldne. Nyere studier viser at i fravær av alvorlige forstyrrelse, den tidsmessige variasjonen i mikrobielle sammensetningen av den humane tarmen er mindre enn den variabilitet mellom individer [6-8]. Når store endringer forekommer hos friske individer, de forekommer ofte på grunn av endringer i relative overflod av taksa i stedet for ankomsten av nye linjene [9]. Flere og flere, data synes å antyde at artsspesifikke samfunn i den menneskelige tarmen synes relativt motstandsdyktig mot forstyrrelse [10-11], i stor grad fordi den sure menneskelige magen hindrer hyppig kolonisering av tarmen av et stort antall matbårne mikrober , uavhengig av om de er gunstig eller sykdomsfremkallende.

Mens litteraturen om den menneskelige magen, synes surhet og tarmen mikrobiomer, for å støtte ideen om at magen surhet utviklet seg som en barriere mot patogen kolonisering, slik påstand gjør full mening bare i lys av en bredere komparativ forståelse av magen surhet i fugler og pattedyr [12-13]. Likevel, mens den ideen at magen fungerer som en barriere for patogener har ofte blitt diskutert [14-16], vises ingen studie for å formelt har sammenlignet magesekken pH i fugler eller pattedyr, som en funksjon av deres biologi generelt eller deres sannsynlige eksponering til matbårne patogener i særdeleshet.

Fordi å opprettholde en sur pH-miljø er kostbart, bør sure magene være til stede i første rekke i de tilfeller hvor det er adaptiv (eller hvor det var adaptiv i en fersk stamfar). Kostnaden for mage surhet er todelt. Verten må investere betydelig energi for både syre produksjon og beskytter mage fra syrerelaterte skader [17]. I tillegg kan surheten i magesekken til hinder for, eller i det minste gjøre vanskeligere, sjanse anskaffelse av gunstige mikrober. På den motsatte ekstreme er de spesialiserte planteetere der magen morfologi er avledet å inkludere en alkalisk kammer (forestomach eller pre-saccus) at huset mikrober kritiske for fermen en plante diett [18-22]. Hos disse dyrene er en sur mage ikke bare av begrenset verdi (fordi risikoen for matbårne patogene i plantemateriale er lav), kan det også fjerner de mikrober som hjelpemiddel i nedbryting av plantemateriale. Grovt da forventer vi mage surhet å speile dyr dietter på måter som gjenspeiler patogen risiko. Vi forventer at dyr beiter på åtsel vil ha mest restriktive filter, dvs. høyere mage surhet. Kadaver har potensial til å opprettholde høye belastninger patogen fordi den døde vertens kropp har sluttet å undertrykke bakterievekst. Tilsvarende ville rovdyr og altetende forventes å ha høyere mage surheter enn planteetere med spesialiserte fermen forestomachs fordi patogener funnet i byttedyr er mer sannsynlig å være i stand til å infisere rovdyr enn plante forbundet mikrober [23]. Imidlertid vil vi også forvente surhet av rovdyr og altetende magen også avhenge av fylogenetisk avstanden mellom rovdyr og byttedyr. Patogener er langt mer sannsynlig å være i stand til å infisere relaterte verter [23], slik at en fugl forbruker et insekt skal møte en lavere risiko for en matbåren smitte enn en fugl forbruker en fugl. For å teste disse hypotesene, sammenligner vi magen surhet av pattedyr og fugler på tvers av et mangfold av slanke typer.

I lys av resultatene, vi deretter se økologien i menneskelige magen, sin rolle som et filter og sannsynlige konsekvenser av denne rollen innenfor rammen av moderne menneskelige livsstil og medisinske intervensjoner. Hvis magen surhet fungerer som et sterkt filter, forventer vi at når surhetsgraden blir redusert, vil påvirkning av diett-assosiert mikrober på tarmfloraen være større. Det er kjent at mage surhet avtar med alderen og som en konsekvens av noen medisinske behandlinger [24-26]. Således, som surhet minker og filterets effektivitet reduseres, ville vi forvente å se en økning i både mangfoldet av mikrobielle linjene og patogen belastninger i tarmen. Vi forventer også at dyr som mennesker, med svært sure filtre bør være spesielt disponert for negative konsekvenser av tap av gut symbionter fordi oddsen for sjanse re-kolonisering er lave.

Materialer og metoder

Vertebrate magen

Her fokuserer vi på to taksonomiske grupper, pattedyr og fugler, der økologi magen har blitt beste studert. Innenfor disse taxa, fokuserer vi på det første kammeret av mage-tarmkanalen, et kammer med forskjellige navn avhengig av organismer og kontekst. I pattedyr, magesyreproduksjon og midlertidig oppbevaring av mat begge forekommer i magen. Hos fugler oppstår syreproduksjonen i proventriculus og oppbevaring av mat forekommer i kråsen (figur 1). Vi fokuserer på magen på pattedyr og teknisk, den proventriculus av fugler, men heretter bruker begrepet "magen" for enkelhet. Magene varierer sterkt i deres strukturelle kompleksitet og størrelse blant virveldyr [27], spesielt pattedyr, men i de fleste tilfellene, magene er de mest sure komponenten av fordøyelseskanalen [28]. Unntaket fra dette mønsteret er forestomach-fermen arter der mikrobiell gjæring går forut for fordøyelse og absorpsjon [22]. Pattedyr herbivore undertyper som kan karakteriseres på grunnlag av hvor i mage-tarmkanalen mest alloenzymatic (mikrobiell) fermentering av kost karbohydrat inntreffer. I forutgående fermenters, mikrober bor i en til flere deler av en sacculated mage. Blant primater, har bare en avstamning (underfamilie bladaper) utviklet dette systemet, men analoge fordøyelses strategier finnes i flere linjer av Artiodactyla samt dovendyr, og kenguruer [18-22]. Blant fuglene er bare én art kjent for å stole på en slik gjæring system (Hoatzin, Opisthocomus hoazin)
selv mikrober er plassert i et spesialisert to-kamret avling, og ikke teknisk, i magen [29] . Uavhengig av morfologi, fordi samfunn av cellulolytiske mikroorganismer og sunn gjæring forekommer mest effektivt i et alkalisk miljø, den proksimale delen av den forutgående-fermenterende mage har en pH på om lag 5,5 til 7, mens de ytre partier har en pH på ca. 3. behov for å opprettholde en bestemt pH-verdi i den forestomach ingen tvil påvirkninger mating beslutninger. når produksjonen av flyktige fettsyrer fra gjæring stiger absorpsjon, kan overdoser av syrer forårsaker et fall i forestomach pH, ​​noe som resulterer i en noen ganger dødelig lidelse kjent som acidose

Litteratursøk

Vi søkte gastrointestinal biologi, dyrefysiologi og avian fysiologi lærebøker for målt mage pH. Vi har også søkt Web of Science, PubMed, Google Scholar og upublisert litteratur (dvs. avhandlinger, konferanse sammendrag) for relevante data. Gitt sin primære rolle i fordøyelsen, har magen pH er målt i langt færre arter enn man skulle forvente. For eksempel, etter beste overbevisning, ingen data om magen pH eksisterer for noe annet enn mennesker hominoid, og overraskende få data finnes for primater mer generelt. Tilsvarende, mens det er vilt holdt at hyener har "svært sure" mager, rådgivning av eksperter på hyener og deres dietter var klar over ingen data som faktisk direkte betraktet denne påstanden.

For de taxa for hvilke data som var tilgjengelige , kategorisert vi dyr ved taksonomisk gruppe (fugl eller pattedyr), arter og trofiske gruppe. For konsistens, tildelt vi trofisk gruppe basert på dyrenes naturlige spiseatferd (tabell 1). En art ble klassifisert som en obligat åtseldyr hvis det matet primært på åtsler. Motsatt, vi definert fakultative åtseldyr som arter som er kjent for å mate på åtsel, men ikke som en primær matkilde. Vi klassifisert rovdyr som en generalist hvis det fôres ukritisk på byttedyr eller en spesialist hvis dietten bestod hovedsakelig av en bestemt byttedyr element (dvs. insekter, fisk). En art ble kategorisert som en alteter om det fôres på både planter og dyr. Innenfor planteetere, separert vi forutgående fermenters fra hindgut fermenters å redegjøre for den spesialiserte gjæring strategi med sacculated mager.

Vi beregnet en gjennomsnittlig pH for hele magen hvis verdier ble presentert for flere steder som fundus, kropp og pylorusstenose regioner. Hvis studier gitt både baseline og etter fôring verdier, brukte vi grunnlinjen pH. Når den ikke er faste, kan pH variere avhengig av faktorer, inkludert kosthold og tid siden fôring.

Vi brukte en generell lineær modell tilnærming etterfulgt av en Tukey-Kramer post-hoc test for å vurdere forskjeller i magen pH som funksjon av trofisk kategori med PROC GLM i SAS 9.3 (SAS Institute, Cary, NC, USA).

Resultater

i sum vår litteratur søk ga data på 68 arter (25 fugler og 43 pattedyr) fra syv trofiske grupper (tabell 1). En generell lineær modell basert på diett forklart mye av variasjonen i magen pH (R 'sup> 2 = 0,63, F _{1,6 = 17,63, p 0,01). De trofiske grupper som var mest variable i form av deres mage pH var altetende og rovdyr som spesialiserer seg på å spise insekter eller fisk.}

Vår hypotese var at forutgående-fermen planteetere og dyr som beiter på byttedyr mer fylogenetisk-fjernt fra dem ville ha de minst sure mager. Tukey-Kramer sammenligninger indikerte at åtseletere (både forplikter og fakultativ) hadde signifikant høyere magen surheter forhold til planteetere (både forutgående og hindgut) og spesialist rovdyr fôring på fylogenetisk fjernt byttedyr. Spesielt forutgående-fermen planteetere hadde minst sure mager av alle trofiske grupper mens altetende og genera rovdyr, med flere mellomliggende pH-verdier, var ikke skilles fra andre grupper (Fig 1).

Diskusjoner

Basert på tilgjengelige data, viser vår analyse et generelt mønster i hvilke arter som livnærer seg på åtsel og dyr har betydelig høyere mage surheter forhold til arter fôring på insekter, blader, eller frukt. På egen hånd, mønstrene er i samsvar med hypotesen om at en rolle i magen er å inhibere mikrobiell inntreden i tarmen, selv om disse mønstre kan også forklares med andre fenomener. Rovdyr trenger mer sure magen for å lysere proteinet i deres kjøttbaserte dietter. For eksempel, blir sekresjon av pepsinogen og dens aktivering til pepsis i magen modulert ved en sur pH-verdi (2-4) [30]. Også aktiviteten av proteaser i en enkel syre mage er avhengig av et surt miljø (pH 2-4) [31]. Men selv om dette kan forklare forskjeller mellom rovdyr og planteetere, det gjør ikke rede for den svært høye surhet i magen på åtseletere, spesielt med tanke på at kjøttet forbrukes av åtseletere er ikke sannsynlig å være mye vanskeligere å fordøye enn for rovdyr. Vi foreslår at disse åtseldyr stole på den høye surhet av magen for å hindre kolonisering av sine guts av matbårne patogener [32]. Altetende og piscivores var mest variabel i magen surheter, som er å forvente som begge dietter være svært forskjellig fra art til art. Insektetere kan bruke ulike virkemidler for å fordøye insekt kitin, med surhet å spille en rolle i noen, men ikke andre saker.

Den spesielle tilfelle av herbivory

Carrion fôring pålegger en slags begrense på økologi tarmen, en økning i potensialet for patogener. Herbivory pålegger en annen, behovet for å fordøye plantemateriale ildfast enzymatisk fordøyelse (cellulose og lignin). For å fordøye disse forbindelser, planteetere avhengige uforholdsmessig på mikrobielle prosesser [33]. Ulike deler av mage-tarmkanalen (enten vomma, blindtarm eller i tilfelle av Hoatzin en foldet crop) funksjon først og fremst som gjæring kamre. Dermed er en utfordring med fermentative tarmene favorisere de mikrober som er nyttige for fordøyelsen og reduserer faren for patogenet inntreden i tarmen. Vi foreslår at fordi trusselen om mikrobielle patogener er relativt lav på live blader (selv se [34]), planteetere har råd til å opprettholde et kammer som er beskjedent syrlig og derfor mindre restriktive til mikrobiell oppføring. Imidlertid finner vi flere interessante unntak fra denne generelle. Beavers, som er kjent for å lagre mat cacher under vann hvor det er høy risiko for eksponering for en protozo parasitt Giardia lamblia
, har svært sure mager. Den høye magen surhet kan ha utviklet seg til å håndtere dette utbredt miljø patogenet [35]. Den andre planteeter i vårt materiale med en meget sur mage er kanin, som gir en interessant eksempel på en atferdsmessig modifikasjon av miljøet i magen. Kaniner er kjent for å engasjere seg i hyppige koprofagi som tillater dem re-vaksinere seg med mikrober [36]. Den spesialiserte myke pellets som huset mikrober også redusere mage surhet å skape et miljø som passer for gjæring [37].

Menneskelig evolusjon og mage pH

Det er interessant å merke seg at mennesker, unikt blant primater så langt vurderes, ser ut til å ha mage pH-verdier mer lik dem fra kadaver brett enn de i de fleste rovdyr og altetende. I fravær av gode data på pH-verdien i andre hominoids, er det vanskelig å forutsi når et slikt surt miljø utviklet seg. Bavianer ( Papio
spp) er blitt hevdet å vise de mest menneskelignende av fôring og foraging strategier i form av variert omnivory, men magen-mens anses generelt surt (pH = 3,7) -ikke vise den ekstremt lav pH sett i moderne mennesker (pH = 1,5) [38]. En forklaring på en slik surhet kan være at kadaver foring var mer viktig i mennesker (og mer generelt hominin) evolution enn for tiden anses å være tilfelle (men se [39]). Alternativt, i lys av antall fekal-oral patogener som infiserer og dreper mennesker, valg kan ha favorisert høyt mage surhet, uavhengig av diett, på grunn av sin rolle i patogen forebygging.

Den spesielle risiko for juvenile og eldre mennesker

Hvis du i rovdyr og kadaver-matere, er magen rolle å fungere som en økologisk filter så ville vi også forvente å se høyere mikrobiell diversitet og patogen masser i tilfeller hvor mage pH er høyere. Vi ser bevis på dette i aldersrelaterte forandringer i magen. Baseline mage lumen pH hos mennesker er omtrent 1,5 (tabell 1). Men premature barn har mindre sure mager (pH > 4) og er mottakelighet for tarminfeksjoner [40]. Tilsvarende de eldre viser relativt lav mage surhet ([41], pH 6,6 i 80% av deltagerne) og er utsatt for bakterielle infeksjoner i mage og tarm [42]. Det er viktig å merke seg at disse forskjellene kan være relatert til forskjeller i styrken på immunsystemet, men vi hevder her at magen trenger mer hensyn når du studerer disse mønstrene.

Konsekvenser for medisinske intervensjoner som påvirker magen pH

i tillegg til naturlig variasjon, mage pH påvirkes også av noen medisinske intervensjoner, hvorav flere er stadig vanligere. I gastric bypass vekttap kirurgi, er omtrent 60 prosent av magesekken fjernet. En konsekvens av denne prosedyren er en økning i mage pH-nivåer som spenner 5,7 til 6,8. Vi vil spår at tarmen hos de individer som har hatt gastric bypass kirurgi bør være mer sannsynlig å oppleve mikrobiell overvekst, et mønster som er støttet av nyere arbeid [25]. Vi ser lignende mønstre i andre kliniske tilfeller som øsofagitt i hvilken behandling innebærer bruk av protonpumpehemmere og cøliaki hvor forsinket tømming er assosiert med redusert surhetsgrad [43-45]. Mer generelt forutsi vi at personer som gjennomgår tiltak som reduserer surheten i maven vil være på lang sikt økt risiko for gastrointestinale patogener. Imidlertid kan denne risikoen reduseres dersom slike individer har en tendens til å unngå matvarer som patogen risikoen er forhøyet, som inkluderer (som for fugler og pattedyr mer generelt) matvarer som ligner åtsel (rå fisk, rå pattedyr kjøtt, etc ...), og kanskje selv kjøtt generelt. Dermed kan man forvente optimal pH for mennesker å endres avhengig av endringer i spisevaner.

Den menneskelige magen og tap av mutualistic mikrober

Generelt magen surhet vil tendere til å filtrere mikrober uten tilpasning til et surt miljø. Slike tilpasninger er resistente cellevegger, sporedannende egenskapene eller andre egenskaper som konferere toleranse for høye surheter og raske endringer i pH-betingelser. Vi har betraktet rolle i magen som en patogen barriere innenfor rammen av menneskets utvikling. En annen potensiell konsekvens av høy mage surhet, da vurderes i lys av andre primater og pattedyr, er vanskeligheten med kolonisering av gunstige mikrober. En stor mengde litteratur antyder nå at en rekke menneskelige medisinske problemer knyttet til tap av mutualistic gut mikrober, enten fordi de mutualists ikke klarte å kolonisere i løpet av hyper-rent C-delen fødsler [46] eller var tapt gjennom bruk av antibiotika [47 ], eller andre forhold. PH i magesekken hos mennesket kan gjøre mennesker entydig utsatt for slike problemer. I sin tur, kan vi forvente at blant husdyr, at lignende problemer bør være mest vanlig hos de dyrene som, som oss, har svært sure mager.

Konklusjon

Vi viser at magen surhet øker med risiko for eksponering matbårne patogene og foreslår at magen spiller en betydelig rolle som et økologisk filter og således en sterk seleksjon faktor i tarmen mikrobiell fellesskap struktur og primat evolusjon spesielt. I lys av moderne livsstilsendringer i kosthold, hygiene og medisinske intervensjoner som endrer magen pH, foreslår vi at magen surhet hos mennesker er et tveegget sverd. På den ene side den høye surhet av magesekken hos mennesket hindrer patogen eksponering, men den reduserer også sannsynligheten for kolonisering av gunstige mikrober hvis og når de gå mangler. Imidlertid, i de tilfeller hvor surheten er redusert, er det mer sannsynlig å bli kolonisert av patogener i tarmen. Selv om det er mye omtalt i både medisinsk og økologiske litteratur, data om pH er faktisk svært knappe. Derfor, for å fullt ut forstå mønstrene uthevet her mer detaljerte studier på tarmfloraen over magen surheter og diett er nødvendig.

Takk

DEB, AMK, JEL, NF og RRD bidratt likt til inngåelse av manuskriptet.

• Effekter av Capsaicin på Fordøyelse
• PLoS ONE: Geometriske blanding, Peristaltikk, og den geometriske fase av Stomach