PLOS ONE: The Evolution of estômago Acidez e sua relevância para a Microbiome

Abstract

acidez gástrica é provável um fator chave a configuração da diversidade e composição de comunidades microbianas encontradas no intestino de vertebrados. Foi realizada uma revisão sistemática para testar a hipótese de que um papel-chave do estômago vertebrados é manter a comunidade microbiana do intestino através da filtragem de novas espécies de micróbios antes de passar para o intestino. Propomos que as espécies alimentação, quer na carniça ou em organismos que são parentes próximos devem filogenéticas exigem o filtro mais restritivo (medido como elevada acidez do estômago) como proteção contra micróbios estrangeiros. Por outro lado, espécies que se alimentam de um nível trófico inferior ou no alimento que está distantemente relacionados a eles (por exemplo, herbívoros) deve exigir o filtro menos restritivo, como o risco de exposição a patógenos é menor. Comparações de acidez do estômago entre grupos tróficos em mamíferos e aves taxa mostram que os catadores e carnívoros têm acidez estomacal significativamente mais elevados em comparação com herbívoros ou carnívoros que se alimentam de presas filogeneticamente distantes como insectos ou peixes. Além disso, encontramos quando a acidez do estômago varia dentro das espécies quer naturalmente (com a idade) ou em tratamentos como a cirurgia bariátrica, os efeitos sobre organismos patogénicos e comunidades bacterianas intestinais estão em linha com a nossa hipótese de que o estômago funciona como um filtro ecológico. Juntos, estes resultados destacam a importância de incluir as medições de pH gástrico quando se investiga a dinâmica do intestino microbianas dentro e entre espécies

Citation:. Beasley DE, Koltz AM, Lambert JE, Fierer N, Dunn RR (2015) The Evolution of estômago Acidez e sua relevância para o microbioma humano. PLoS ONE 10 (7): e0134116. doi: 10.1371 /journal.pone.0134116

editor: Xiangzhen Li, Chengdu Instituto de Biologia, CHINA

Recebido: 08 de março de 2015; Aceito: 06 de julho de 2015; Publicação: 29 de julho de 2015

Direitos de autor: © 2015 Beasley et al. Este é um artigo de acesso aberto distribuído sob os termos da Licença Creative Commons Attribution, que permite uso irrestrito, distribuição e reprodução em qualquer meio, desde que o autor original ea fonte sejam creditados

Disponibilidade de dados: Todos os dados relevantes estão dentro do papel

financiamento:.. os autores não têm apoio ou financiamento para relatar

Conflito de interesses:. os autores declararam que não existem interesses conflitantes

Introdução

Muitas vezes, a evolução estômago vertebrados é discutida no contexto do papel do estômago na quimicamente dividir o alimento e, especificamente, desnaturação de proteínas via pepsinogen e HCl [1]. O estômago serve claramente esses fins. No entanto, à luz da nossa compreensão crescente do papel dos simbiontes microbianos na saúde humana, é interessante para reavaliar papel adicional do estômago como uma importante barreira contra a entrada de patógenos no trato gastrointestinal [2-3]. Aqui, consideramos a ecologia de aves e mamíferos estômagos e, na mesma luz, as intervenções médicas que alteram o pH gástrico humano e suas implicações para a relação homem-Microbe.

Os primeiros estudos sobre o microbioma intestinal humana sugeriu que gut colonização foi estocástica e transitória [4] e o microbioma em qualquer momento particular foi fortemente influenciado por colonos recentes [5]. Este padrão, se em geral, que têm sugerido um papel modesto para o estômago humano na modulação da composição dos intestinos. No entanto, pesquisas recentes na área da saúde gástrica sugere que o ambiente dos vertebrados simples de estômago pH serve uma função mais proeminente como um filtro ecológico, capaz, por meio de sua acidez, de matar taxa microbiana que de outra forma colonizar os intestinos [2]. Neste contexto, a colonização bem sucedida seria pouco frequentes. Estudos recentes mostram que, na ausência de perturbações graves, a variabilidade temporal na composição microbiana do intestino humano é menos do que a variabilidade entre indivíduos [6-8]. Quando ocorrem grandes mudanças em indivíduos saudáveis, muitas vezes eles aparecem devido a mudanças na abundância relativa de taxa, em vez de a chegada de novas linhagens [9]. Cada vez mais, os dados parecem sugerir que a espécie-específicos comunidades no intestino humano, parecem relativamente resistentes à perturbação [10-11], em grande parte porque o estômago humano ácida impede a colonização frequente do intestino por um grande número de micróbios patogénicos de origem alimentar , independentemente de se eles são benéficos ou patogênica.

enquanto a literatura sobre o estômago humano, a sua acidez e o microbioma intestinal, parece apoiar a ideia de que a acidez do estômago evoluiu como uma barreira ao patógeno colonização, tal afirmação faz sentido total somente à luz de uma compreensão comparativa mais ampla de acidez do estômago em aves e mamíferos [12-13]. No entanto, enquanto a ideia de que o estômago serve como uma barreira aos agentes patogénicos muitas vezes tem sido discutido [14-16], nenhum estudo parece ter formalmente comparou o pH do estômago em aves ou mamíferos em função da sua biologia em geral ou a sua exposição provável a agentes patogénicos de origem alimentar em particular.

Como a manutenção de um ambiente de pH ácido é dispendiosa, estômagos ácidos devem estar presentes principalmente nos casos em que ela é adaptável (ou onde foi adaptativa num antepassado recente). O custo de acidez do estômago é duplo. O anfitrião deve investir energia significativa tanto para a produção de ácido e proteger o estômago de dano de ácido-relacionado [17]. Além disso, a acidez do estômago pode impedir, ou pelo menos tornar mais difícil, aquisição possibilidade de micróbios benéficos. No extremo oposto estão aqueles herbívoros especializados em que a morfologia do estômago é derivado de incluir uma câmara alcalina (pança ou pré-saccus) que os micróbios casa críticos para a fermentação de uma dieta vegetal [18-22]. Nestes animais, o ácido do estômago não é apenas um valor limitado (porque o risco de patógenos alimentares em material vegetal é baixa), ele também pode remover os micróbios que ajudam na decomposição de material vegetal. Em termos gerais, em seguida, esperamos que a acidez do estômago para espelhar dietas para animais de maneiras que refletem risco patógeno. Esperamos que os animais que se alimentam de carniça terá o filtro mais restritiva, ou seja, maior a acidez do estômago. Carrion tem o potencial para sustentar cargas elevadas de agentes patogénicos por causa do corpo do hospedeiro morto parou de suprimir o crescimento bacteriano. Da mesma forma, os carnívoros e omnívoros seria esperado ter acidez do estômago mais elevados do que os herbívoros com pança fermentação especializados porque patógenos encontrados em presas são mais susceptíveis de ser capaz de infectar o predador de micróbios associadas a plantas [23]. No entanto, também seria de esperar que a acidez do carnívoro e estômago onívoro também depende da distância filogenética entre predador e presa. Patógenos são muito mais provável que seja capaz de infectar hospedeiros relacionados [23], de modo que uma ave consome um inseto deve enfrentar um menor risco de uma infecção de origem alimentar do que um pássaro consumindo um pássaro. Para testar essas hipóteses, comparar a acidez do estômago de mamíferos e aves através de uma diversidade de tipos de dieta.

À luz dos resultados, em seguida, voltar a ecologia do estômago humano, o seu papel como um filtro e do prováveis ​​consequências de este papel no contexto dos estilos de vida humanos modernos e intervenções médicas. Se a acidez do estômago actua como um filtro forte, espera-se que quando os níveis de acidez são reduzidos, a influência de micróbios associadas à dieta sobre a microbiota intestinal será maior. Sabe-se que a acidez do estômago diminui com a idade e, como uma consequência de alguns tratamentos médicos [24-26]. Assim, como diminui a acidez e a eficácia do filtro é reduzida, que seria de esperar para ver aumentos tanto na diversidade de linhagens microbianas e cargas de agentes patogénicos no intestino. Esperamos também que os animais, tais como os seres humanos, com filtros muito ácidas devem ser particularmente predispostas a consequências negativas da perda de simbiontes intestinais porque as probabilidades de azar re-colonização são baixos.

Materiais e Métodos

Vertebrados estômago

Aqui vamos nos concentrar em dois grupos taxonômicos, mamíferos e aves, em que a ecologia dos estômagos foi melhor estudados. Dentro destes taxa, vamos nos concentrar na primeira câmara do trato gastrointestinal, uma câmara com nomes diferentes, dependendo do organismo e contexto. Nos mamíferos, a produção de ácido gástrico e armazenamento temporário de alimentos tanto ocorrer no estômago. Nas aves, a produção de ácido ocorre no proventrículo e armazenamento dos alimentos ocorre na moela (Fig 1). Nós centrar-se nos estômagos dos mamíferos e, tecnicamente, o proventrículo das aves, mas a seguir usam o termo "estômago" para simplificar. Os estômagos variam muito na sua complexidade e tamanho estrutural entre os vertebrados [27], em particular mamíferos, ainda, na maioria destes casos, os estômagos são o componente mais ácida do tracto digestivo [28]. A exceção a esse padrão são espécies fermentadoras de pança em que fermentação microbiana precede a digestão e absorção [22]. clados de mamíferos herbívoros pode ser caracterizado com base em, onde no tracto gastrointestinal mais alloenzymatic (microbiana) fermentação de hidratos de carbono na dieta ocorre. Em fermentadores foregut, micróbios residir em uma a várias seções de um estômago saculares. Entre os primatas, apenas uma linhagem (subfamília Colobinae) evoluiu este sistema, mas as estratégias digestivos análogas são encontradas em várias linhagens de Artiodactyla, bem como preguiças, e cangurus [18-22]. Entre as aves, apenas uma espécie é conhecida por contar com um tal sistema de fermentação (hoatzin, Opisthocomus hoazin)
embora micróbios estão alojados em uma cultura especializada de duas câmaras, e não, tecnicamente, no estômago [29] . Independentemente da morfologia, porque as comunidades de microrganismos celulolíticas e fermentação saudável ocorrem mais produtivamente em um ambiente alcalino, a parte proximal do estômago-intestino anterior da fermentação tem um pH de cerca de 5,5 a 7, enquanto as porções distais tem um pH de cerca de 3. O precisa para manter um pH particular na pança na ausência de influências dúvida a decisão de alimentação:. quando a produção de ácidos gordos voláteis a partir da fermentação excede a absorção, o excesso de ácidos podem causar uma queda no pH pança, resultando em uma aflição, por vezes fatal, conhecida como acidose

Literatura pesquisa

Foram pesquisados ​​biologia gastrointestinal, fisiologia animal e livros de fisiologia aviária para pHs estômago medidos. Nós também procurou Web of Science, PubMed, o Google Scholar e não publicados (ou seja, dissertações, resumos de congressos) para dados relevantes. Dado o seu papel fundamental na digestão, estômago pH foi medido em número muito menor taxa do que o esperado. Por exemplo, para o melhor do nosso conhecimento, não existem dados sobre o pH do estômago existe para qualquer hominídeo diferente de seres humanos, e existem surpreendentemente poucos dados para os primatas em geral. Da mesma forma, enquanto ele está loucamente considerou que hienas têm estômagos "muito ácidas", consulta de especialistas em hienas e suas dietas tinham conhecimento há dados que realmente considerado directamente esta afirmação.

Para aqueles taxa para os quais os dados estavam disponíveis , nós categorizados animais por grupo taxonómico (pássaro ou mamífero), espécie e grupo trófico. Para consistência, nós atribuído grupo trófico com base no comportamento de alimentação natural dos animais (Tabela 1). A espécie foi classificada como um limpador obrigatório se alimentava principalmente de carniça. Por outro lado, foram definidos sequestrantes facultativos como espécies que são conhecidas para alimentar de carniça, mas não como uma fonte primária de alimento. Classificamos carnívoros como um generalista se alimentado de forma indiscriminada em presas ou um especialista, se a dieta consistia principalmente de uma presa específica (isto é, insetos, peixes). A espécie foi classificada como um onívoro se alimentava de plantas e animais. Dentro de herbívoros, separamos fermentadores foregut de fermentadores hindgut para explicar a estratégia de fermentação especializada envolvendo estômagos saculares.

Nós calculamos um pH médio para todo o estômago se os valores foram apresentados em vários locais, como o fundo, corpo e regiões pilórica. Se os estudos desde que ambos os valores basais e pós-alimentação, utilizou-se o pH da linha de base. Quando não estiver em jejum, pH pode variar dependendo de fatores, incluindo dieta e tempo desde a alimentação.

Nós usamos uma abordagem de modelo linear geral seguido de um teste post-hoc de Tukey-Kramer para avaliar diferenças de pH do estômago em função da categoria trófica usando PROC GLM em SAS 9.3 (SAS Institute, Cary, NC, EUA).

resultados

no total, a nossa pesquisa de literatura rendeu dados sobre 68 espécies (25 aves e 43 mamíferos) a partir de sete grupos tróficos (Tabela 1). Um modelo linear geral, com base na dieta explicado grande parte da variação do pH do estômago (R ^{2 = 0,63, F _{1,6 = 17,63, p < 0,01). Os grupos tróficos que foram mais variável em termos de pH do estômago eram onívoros e carnívoros que se especializam em comer insetos ou peixes.}}

Nossa hipótese era que os herbívoros e animais de fermentação foregut que se alimentam de presas mais filogeneticamente distante de eles teriam os estômagos menos ácidas. comparações de Tukey-Kramer indicou que os catadores (tanto obriga e facultativos) teve acidez estomacal significativamente mais elevados em comparação com os herbívoros (tanto foregut e intestino posterior) e carnívoros especializados que se alimentam de presas filogeneticamente distante. Especificamente, os herbívoros de fermentação foregut tinha os estômagos menos ácidas de todos os grupos tróficos enquanto onívoros e carnívoros generalistas, com mais níveis de pH intermediário, não se distinguiam de qualquer outro grupo (Fig 1).

Discussão

com base nos dados disponíveis, a nossa análise ilustra um padrão geral em que as espécies que se alimentam de carniça e animais têm acidez estomacal significativamente maiores em comparação com as espécies que se alimentam de insetos, folhas ou frutos. Por si sós, os padrões estão em conformidade com a hipótese de que um papel do estômago é a de inibir a entrada microbiano no intestino, embora esses padrões também pode ser explicada por outros fenómenos. Carnívoros precisam estômagos mais ácidos, a fim de lisar a proteína em suas dietas à base de carne. Por exemplo, a secreção de pepsinogénios e a sua activação para pepsis no estômago é modulada por um pH ácido (2-4) [30]. Além disso, a actividade de proteases de um ácido simples estômago depende de um meio ácido (pH 2-4) [31]. No entanto, enquanto isso poderia explicar as diferenças entre predadores e herbívoros, que não leva em conta a elevada acidez no estômago de catadores, especialmente considerando que a carne consumida pelos catadores não é provável que seja muito mais difícil de digerir do que o de predadores. Sugere-se que estes sequestrantes de contar com a elevada acidez do estômago para a prevenir a colonização das suas vísceras por agentes patogénicos de origem alimentar [32]. Onívoros e piscívoros foram mais variável na acidez do estômago, o que é de se esperar que ambas as dietas diferem muito de espécie para espécie. Insetívoros podem utilizar diversos meios para digerir quitina de insetos, com acidez desempenhando um papel em alguns, mas não outros casos.

O caso especial de herbivoria

alimentação Carrion impõe um tipo de restringir sobre a ecologia o intestino, o aumento do potencial de agentes patogénicos. Herbivoria impõe outro, a necessidade de digerir material vegetal refractário à digestão enzimática (de celulose e lenhina). A fim de digerir estes compostos, herbívoros dependem desproporcionadamente em processos microbianos [33]. Diferentes regiões do tracto gastrointestinal (ou rúmen, ceco ou no caso de o hoatzin uma cultura dobrado) função principalmente como câmaras de fermentação. Assim, um desafio com tripas fermentativas está favorecendo os micróbios que são úteis para a digestão ao mesmo tempo reduzir o risco de entrada de agentes patogénicos para o intestino. Sugerimos que, por causa da ameaça de patógenos microbianos é relativamente baixo em folhas vivas (embora veja [34]), herbívoros pode dar ao luxo de manter uma câmara que é modestamente ácida e, portanto, menos restritiva à entrada microbiana. No entanto, encontramos várias exceções interessantes a este generalidade. Beavers, que são conhecidos para armazenar caches alimentar subaquática, onde há um alto risco de exposição a um parasita protozoário Giardia lamblia
, têm estômagos muito ácidas. A acidez alta estômago pode ter evoluído para gerir este patógeno ambiental prevalente [35]. A outra herbívoros em nosso conjunto de dados com um estômago muito ácida é o coelho, o que representa um exemplo interessante de uma modificação comportamental do ambiente do estômago. Os coelhos são conhecidos por se envolver em coprofagia frequente que permite que eles re-inocular-se com micróbios [36]. As pelotas macias especializados que abrigam os micróbios também reduzir a acidez do estômago criando um ambiente adequado para a fermentação [37].

A evolução humana e estômago pH

É interessante notar que os seres humanos, exclusivamente entre os primatas, até agora considerados, parecem ter valores de pH do estômago mais parecidas com as de alimentadores de carniça, do que os da maioria dos carnívoros e omnívoros. Na ausência de dados de boa qualidade sobre o pH de outros hominoids, é difícil de prever quando um ambiente acídico tal evoluído. Babuínos ( Papio
spp) foram argumentou a apresentar as estratégias mais semelhante à humana da alimentação e forrageamento em termos de onívoria eclética, mas seus estômagos-while geralmente considerado ácido (pH = 3,7) -não apresentar o extremamente baixo pH observados em seres humanos modernos (pH = 1,5) [38]. Uma explicação para estas acidez pode ser que a alimentação carniça era mais importante no ser humano (e mais geralmente hominíneas) a evolução do que actualmente considerado o caso (embora ver [39]). Alternativamente, à luz do número de agentes patogénicos fecal-oral que infectam e matam os seres humanos, a selecção pode ter favorecido elevada acidez do estômago, independente de dieta, devido ao seu papel na prevenção do patógeno.

O risco especial para juvenis e seres humanos idosos

Se, em carnívoros e carniça-alimentadores, o papel do estômago é agir como um filtro ecológico então também seria de esperar para ver maior diversidade microbiana e patógenos cargas nos casos em que o pH do estômago é maior. Vemos comprovativo por mudanças relacionadas à idade no estômago. Linha de base lúmen do estômago pH em seres humanos é de cerca de 1,5 (Tabela 1). No entanto, prematuros têm estômagos menos ácidas (pH > 4) e são a susceptibilidade a infecções entéricas [40]. Do mesmo modo, os idosos mostram relativamente baixa a acidez do estômago ([41], pH 6,6 em 80% dos participantes do estudo) e são propensos a infecções bacterianas em no estômago e intestino [42]. É importante notar que essas diferenças podem estar relacionadas a diferenças na força do sistema imunológico no entanto, argumentar aqui que o estômago precisa de mais consideração ao estudar esses padrões.

Consequências para intervenções médicas que influenciam pH do estômago

Além de variação natural, pH do estômago é também afectada por algumas intervenções médicas, muitos dos quais são cada vez mais comuns. Na cirurgia de bypass gástrico perda de peso, cerca de 60 por cento do estômago é removido. Uma consequência deste processo é um aumento nos níveis de pH gástrico que variam 5,7-6,8. Gostaríamos de prever que os intestinos dos indivíduos que tiveram a cirurgia de bypass gástrico deve ser mais propensos a experimentar supercrescimento microbiano, um padrão que é apoiado por trabalhos recentes [25]. Vemos padrões semelhantes em outros casos clínicos, tais como esofagite em que o tratamento envolve a utilização de inibidores da bomba de protões e a doença celíaca, onde o esvaziamento gástrico retardado está associada com acidez reduzida [43-45]. De modo mais geral, podemos prever que indivíduos submetidos a intervenções que reduzem a acidez dos seus estômagos estará em risco a longo prazo aumentou de agentes patogénicos gastrointestinais. No entanto, este risco pode ser reduzido se esses indivíduos tendem a evitar os alimentos em que o risco de patógenos é elevada, que incluem (como para aves e mamíferos mais geral) alimentos que se assemelham a carniça (peixe cru, carne mamífero cru, etc ...), e talvez até carne em geral. Assim, pode-se esperar que o pH ideal para os seres humanos para mudar dependendo das mudanças nos hábitos alimentares.

O estômago humano ea perda de micróbios mutualistas

Em geral, a acidez do estômago tendem a filtrar os micróbios sem adaptações para um ambiente ácido. Essas adaptações incluem paredes celulares resistentes, capacidades formadoras de esporos ou de outras características que conferem tolerância a altas acidez e mudanças rápidas nas condições de pH. Nós consideramos o papel do estômago como uma barreira agente patogénico dentro do contexto da evolução humana. Outra consequência potencial de acidez alta estômago, quando considerados à luz de outros primatas e mamíferos, é a dificuldade de recolonização por micróbios benéficos. Um grande corpo de literatura sugere agora que uma variedade de problemas médicos humanos referem-se a perda de micróbios do intestino mutualistic, quer porque esses mutualistas falhou para colonizar durante partos de secção C hiper-limpo [46] ou foram perdidos através do uso de antibióticos [47 ], ou outras circunstâncias. O pH do estômago humano pode fazer humanos exclusivamente propensas a estes problemas. Por sua vez, podemos esperar que, entre os animais domesticados, que problemas semelhantes deve ser mais comum naqueles animais que, como nós, têm estômagos muito ácidas.

Conclusão

Nós demonstramos que a acidez do estômago aumenta com o risco de exposição a patógenos de origem alimentar e propor que o estômago tem um papel significativo como um filtro ecológico e, assim, um factor de selecção forte no intestino estrutura da comunidade microbiana e evolução dos primatas, em particular. À luz das mudanças de estilo de vida moderno na dieta, higiene e intervenções médicas que alteram o pH do estômago, sugerimos que a acidez do estômago em humanos é uma faca de dois gumes. Por um lado, a elevada acidez do estômago humano evita a exposição de agentes patogénicos mas também diminui a probabilidade de recolonização por micróbios benéficos, se e quando eles desaparecem. No entanto, nos casos em que a acidez é reduzida, o intestino é mais provável de ser colonizados por agentes patogénicos. Embora seja amplamente discutidos tanto na literatura médica e ecológico, os dados sobre o pH, na verdade, são muito escassos. Assim, para compreender plenamente os padrões destacados aqui são necessários estudos mais detalhados sobre a microbiota intestinal através acidez do estômago e dieta.

Reconhecimentos

DEB, AMK, JEL, NF e RRD contribuíram igualmente para o confecção do manuscrito.

• Efeitos da capsaicina sobre a digestão
• PLOS ONE: Mistura geométrica, peristaltismo, ea fase geométrica do estômago