Plos ONE: Razvoj kislost v želodcu in njegova pomembnost za humano Microbiome

Povzetek

kislost v želodcu, je verjetno ključni dejavnik oblikovanja raznolikost in sestavo mikrobnih združb najdemo v vretenčarjev črevesju. Mi smo opravili sistematični pregled za testiranje hipoteze, da je ključna vloga vretenčarjev želodca, da se ohrani črevesja mikrobne skupnosti z izločanjem novo mikrobov taksonov, preden gredo v črevesju. Predlagamo, da vrsta hranjenje bodisi mrhovine ali organizmov, ki so blizu filogenetski sorodniki morala zahtevajo najbolj restriktiven filter (merjena kot visoko želodčne kisline) kot zaščito pred tujimi mikrobov. Nasprotno pa je treba vrste za krmljenje na nižji trofičnega nivoja ali na hrani, ki je v daljnem, povezane z njimi (npr rastlinojedci) zahtevajo najmanj restriktivne filtra, kot je tveganje izpostavljenosti patogenov nižja. Primerjave želodčne kisline preko trofičnih skupin sesalcev in ptic taksonov kažejo, da so mrhovinarji in plenilci bistveno višje želodčnih kislin, v primerjavi z rastlinojede in mesojede živali, ki se hranijo na filogenetsko daljni plen, kot so žuželke ali ribe. Poleg tega smo ugotovili, ko želodčne kisline, se spreminja znotraj vrst, bodisi naravno (s starostjo) ali zdravljenja, kot bariatrične kirurgije, učinki na črevesno bakterijskih patogenov in skupnosti, so v skladu z našo hipotezo, da je želodec deluje kot ekološka filter. Skupaj ti rezultati poudarjajo pomen vključitve meritve pH želodca pri preiskovanju dinamike gut mikrobne okviru posameznih vrst

Navedba. Beasley DE, Koltz AM, Lambert JE, Fierer N, Dunn RR (2015) Razvoj kislost v želodcu, in njegova pomembnost človeškega Microbiome. PLoS ONE 10 (7): e0134116. doi: 10,1371 /journal.pone.0134116

Urednik: Xiangzhen Li, Chengdu inštitut za biologijo, KITAJSKA

Prejeto: 8. marec 2015; Sprejeto: 6 julij 2015; Objavljeno: 29. julij 2015

Copyright: © 2015 Beasley et al. To je prost dostop članek razširja pod pogoji Creative Commons Attribution License, ki omogoča neomejeno uporabo, distribucijo in razmnoževanje v katerem koli mediju, pod pogojem, da prvotni avtor in vir knjižijo

Razpoložljivost podatkov: Vsi pomembni podatki so v prispevku

financiranje:.. avtorji nimajo podpore ali sredstva za sporočanje

nasprotujočimi si interesi. avtorji so izjavili, da ne obstajajo konkurenčni interesi

Uvod

Pogosto vretenčar razvoj želodec se razpravlja v okviru vloge želodca v kemično zrušijo hrane in, še posebej, denaturacija proteinov preko pepsinogen in HCl [1]. Želodec očitno služi tem namenom. Vendar pa glede na naše rastoče razumevanje vloge simbiontskih mikroorganizmov na področju zdravja ljudi, je zanimivo, da ponovno oceni dodatno vlogo v želodcu kot pomembno oviro proti vstopu patogenov v prebavnem traktu [2-3]. Tukaj menimo, ekologije ptic in sesalcev želodcev in v isti luči, medicinski posegi, ki spreminjajo človeške želodčni pH in njihove posledice za odnos človek-mikrobni.

Zgodnje študije črevesne microbiome prehrano predlagal, da gut kolonizacija je stohastične in prehodno [4] in microbiome v določenem trenutku je močno vplivala zadnjih kolonisti [5]. Ta vzorec, če splošno bi predlagali skromno vlogo pri človeškem želodcu za moduliranje sestavo črevesja. Vendar nedavne raziskave v zdravstvu želodca kaže, da je pH okolje preprostih stomached vretenčarjev služi bolj pomembno funkcijo kot ekološka filter, ki lahko s svojo kislosti, ubijanje mikrobov taksonov, ki bi sicer kolonizirajo črevesje [2]. V tem kontekstu bi bilo uspešno kolonizacija je redka. Nedavne študije so pokazale, da je časovna variabilnost mikrobne sestave človeškega črevesja v odsotnosti resne motnje manj kot variabilnost med posamezniki [6-8]. Ko pride do večjih sprememb pri zdravih posameznikih, ki se pogosto pojavljajo zaradi sprememb v relativni številčnosti taksonov namesto prihoda novih linij [9]. Vse bolj se zdi, da podatki, ki kažejo, da za posamezne vrste skupnosti v človeškem črevesju zdijo relativno odporen na motnje [10-11], v veliki meri zato, ker je kisla človeški želodec preprečuje pogosto kolonizacijo črevesja veliko število mikrobov se prenašajo z živili , ne glede na to, ali so koristni ali patogeni.

Čeprav je literatura o človeški želodec, se zdi njegovo kislost in črevesja microbiome, da podpira zamisel, da želodčne kisline, razvil kot ovira za patogena kolonizacije, taka trditev popolnoma smiseln le v luči širšega primerjalnega razumevanja želodčne kisline pri pticah in sesalcih [12-13]. Toda, medtem ko se je ideja, da je želodec služi kot ovira za patogene pogosto razpravljalo [14-16], se zdi, ni študija, da so formalno v primerjavi želodčne pH v ptic ali sesalcev v odvisnosti od njihove biologije na splošno ali njihove verjetne izpostavljenosti da se prenašajo s hrano patogenov posebej.

Ker je ohranjanje kislo pH okolja je drago, bi kisle želodci prisotni predvsem v tistih primerih, ko je prilagodljiva (ali če je bila prilagodljiva v nedavnem prednika). Stroški želodčne kisline je dvojen. Gostitelj mora vložiti bistveno energije za kislinske proizvodnjo in ščiti želodec pred kislinsko-škode [17]. Poleg tega lahko kislost v želodcu preprečuje ali vsaj otežuje, pridobivanja priložnost koristnih mikrobov. Na drugo skrajnost so tisti specializirani rastlinojedci, v kateri je želodec morfologija izpeljani vključiti alkalno komoro (predželodcih ali pre-saccus) te hiše mikrobov kritične za fermentacijo prehrane rastlin [18-22]. V teh živali, kislo želodec ni le omejene vrednosti (ker je tveganje, da se prenašajo s hrano patogenov v rastlinskem materialu je nizka), lahko pa tudi odstranitev teh mikrobov, ki so v pomoč pri razgradnji rastlinskega materiala. Na splošno pa pričakujemo želodčne kisline, za ponazoritev živalske prehrane na način, ki odraža tveganje patogenov. Pričakujemo, da bodo živali hranjenje na mrhovino najbolj restriktiven filter, tj višjo kislost v želodcu. Črna ima potencial za ohranitev visoke patogenih obremenitve, ker je telo mrtvega gostitelja ustavili zatiranje bakterij. Prav tako se pričakuje, zveri in vsejedi, da imajo višje želodčnih kislin, od rastlinojedcev s specializiranimi fermentacijo predželodca, ker je bilo najdenih v plena patogeni bolj verjetno, da bo lahko okužbo plenilca kot iz rastlinskih povezana mikrobov [23]. Vendar pa bi pričakovali tudi kislost zveri in vsejed želodec odvisna tudi od filogenetske razdalje med plenilcem in plenom. Patogeni so veliko bolj verjetno, da se lahko okužijo z njimi povezane gostitelji [23], tako da bi morala ptica uživanjem žuželko srečujejo manjše tveganje okužbe se prenašajo s hrano, kot ptica zamuden ptico. Za testiranje te hipoteze smo primerjali kislost v želodcu sesalcev in ptic po raznolikosti vrst prehrane.

Glede na rezultate smo nato ponovno ekologijo človeškega želodca, svojo vlogo kot filter in verjetne posledice te vloge v kontekstu sodobnih človeških načinov življenja in zdravstvene posege. Če želodec kislost deluje kot močan filter, pričakujemo, da se raven kislosti zmanjša, bo vpliv prehrano povezana mikrobov na črevesne mikrobiote večja. Znano je, da želodčne kisline zmanjšuje s starostjo, in kot posledica nekaterih zdravljenj [24-26]. Tako, kot je kislost zmanjša in je učinkovitost filtra zmanjša, bi pričakujemo povečanje tako raznolikost mikrobne linij in patogenih bremen v črevesju. Pričakujemo tudi, da morajo biti živali, kot so ljudje, z zelo kislih filtri posebej dovzetni za negativne posledice izgube črevesno simbiontov, saj so možnosti za priložnost ponovne naselitve nizka.

Materiali in metode

vretenčarjev želodec

Tu smo se osredotočili na dva taksonomskih skupin, sesalcev in ptic, pri katerih je bila ekologija želodcev najbolje raziskanih. Znotraj teh taksonov, smo se osredotočili na prvo komoro prebavil, komoro z različnimi imeni, odvisno od organizmov in kontekst. Pri sesalcih, proizvodnja želodčne kisline in začasno skladiščenje hrane tako pride v želodcu. Pri pticah, kisline pridelava poteka v proventriculus in pojavi za shranjevanje hrane v želodec (slika 1). Osredotočeni smo na želodcev sesalcev, in tehnično, je proventriculus ptic, vendar je v nadaljevanju uporabili izraz "želodec" za preprostosti. Želodci zelo razlikujejo po svoji strukturni kompleksnosti in velikosti med vretenčarji [27], zlasti sesalcev, vendar v večini teh primerov, želodci so najbolj kislo del prebavnega trakta [28]. Izjema od tega vzorca so-predželodcih fermentacijo vrste, v katerih mikrobna fermentacija nahaja pred prebavo in absorpcijo [22]. Sesalcev rastlinojedec genotipskih skupin lahko označimo na podlagi tega, kje se dogaja v prebavnem traktu najbolj alloenzymatic (mikrobna) fermentacijo prehranskih ogljikovih hidratov. V foregut fermentorjih mikrobov prebivajo v eni več sekcij sakulirana želodcu. Med primatih, je samo en rod (podskupino Colobinae) razvil ta sistem, vendar podobne prebavne strategije najdemo v več linij za Artiodactyla kot tudi lenivci in kenguruji [18-22]. Med pticami, ki je le ena vrsta je znano, da se zanašajo na takem sistemu fermentacije (hoacin, Opisthocomus hoazin)
čeprav so mikrobi nastanjeni v specializiranih dveh prekatov pridelka, in ne tehnično, v želodcu [29] . Glede na morfologijo, saj združbe celulolitični mikroorganizmov in zdravo fermentacija zgodi najbolj produktivno v alkalnem okolju, proksimalni del, foregut fermentacijo želodec ima pH od približno 5,5-7, medtem ko distalen del ima pH okoli 3. treba ohraniti posebno pH v predželodcih brez dvoma vpliva na hranjenje odločitve. ko proizvodnja hlapnih maščobnih kislin s fermentacijo presega absorpcijo, lahko preobilica kislin povzroči padec predželodca pH, zaradi česar je včasih usodnega stiski znan kot acidoza

literatura iskanje

iskali smo prebavila biologijo, živalske fiziologije in aviarne fiziologije učbenikov za izmerjenih želodcu pH. Prav tako smo iskali Web of Science, PubMed, Google Učenjak in neobjavljene literature (npr: disertacije, konferenčni povzetkov) za ustrezne podatke. Glede na svojo primarno vlogo pri prebavi, je v želodcu pH izmerjen v veliko manj taksonov, kot bi bilo pričakovati. Na primer, za kolikor nam je znano, ni nobenih podatkov o želodčni pH za noben drug namen kot človeka hominoid, in obstaja presenetljivo malo podatkov za primatov bolj na splošno. Podobno, medtem ko je divje odločilo, da imajo hijene "zelo kislih" želodcev, posvetovanje strokovnjakov v hijene in njihovi prehrani vedelo, brez podatkov, ki dejansko neposredno menijo, da je trditev.

Za tiste taksone, za katere so na voljo podatki smo razvrščeni živali, ki jih taksonomsko skupino (ptic ali sesalcev), vrste in trofičnega skupine. Zaradi doslednosti smo dodeljena prehranjevalne skupino, ki temelji na naravnem vedenju hranjenje živali (tabela 1). Vrste, je bil razvrščen kot obvezuje odstranjevalec če krmijo predvsem na mrhovino. Nasprotno pa smo opredelili fakultativnih lovilca kot vrste, za katere je znano, da se hranijo z mrhovino, vendar ne kot primarni vir hrane. razvrščeni smo zveri, kot generalist, če krmijo brez razlikovanja na plena ali specialist, če je prehrana sestavljena predvsem iz posebnega plen postavko (to je žuželk, rib). Vrste, je bila opredeljena kot vsejed, če se hranijo na obeh rastlin in živali. V rastlinojede živali, smo se ločili foregut fermentorjev od epigastru fermenterje, da se upošteva strategijo specializirane fermentacije vključuje sakulirana želodcev.

smo izračunali povprečno vrednost pH za celoten želodec, če so vrednosti predstavljene na več lokacij, kot so Fundus, telo in pilorično regije. Če študije so tako osnovne in post-hranjenje vrednosti, smo uporabili izhodiščne pH. Ko ne na tešče, se lahko pH odvisna od dejavnikov, vključno z dieto in čas od hranjenja.

Uporabili smo splošni linearni vzorčni pristop, ki mu sledi post-hoc testa Tukey-Kramer za oceno razlike v želodcu pH v odvisnosti od trofičnih kategorija uporabo PROC GLM v SRS 9,3 (SAS Institute, Cary, NC, ZDA).

Rezultati

v celoti je naša iskanje literature smo dobili podatke o 68 vrst (25 ptic in 43 vrst sesalcev) od sedmih trofičnih skupin (tabela 1). Splošni linearni model, ki temelji na dieti je pojasnil veliko spremembo v želodcu pH (R ^{2 = 0,63, F _{1,6 = 17.63, p < 0,01). Trofičnih skupin, ki so najbolj spremenljiva glede na njihovo želodcu pH so vsejedi in zveri, ki so specializirani za uživanje žuželk ali ribe.}}

Naša hipoteza je bila, da-foregut fermentacijo rastlinojede živali in živali, ki se hranijo z plenom bolj filogenetsko oddaljeni od jih bi imela najmanj kislih želodcev. Tukey-Kramer primerjave pokazale, da imajo mrhovinarji (tako obvezuje in fakultativno) bistveno višje želodčnih kislin, v primerjavi z rastlinojede (tako foregut in epigastru) in specializiranih zveri, ki se hranijo na filogenetsko daljni plen. Natančneje, je bilo-foregut fermentacijo rastlinojedci so vsaj kislih želodcev vseh trofičnih skupin, medtem ko vsejedi in generalist zveri, z več stopnjami vmesni pH, ni bilo mogoče razločiti od katere koli druge skupine (slika 1).

Pogovor

na podlagi razpoložljivih podatkov, naša analiza kaže splošen vzorec, po katerem imajo vrste za krmljenje na mrhovino in živali bistveno višje želodčnih kislin, glede na vrste, ki se hranijo z žuželkami, listja ali sadežev. Sami, vzorci so v skladu s hipotezo, da je ena vloga v želodcu, da zavira mikrobov vstop v črevesju, čeprav bi te vzorce mogoče razložiti tudi z drugimi pojavi. Zveri potrebujejo več kislih želodcev, da se razkrajajo beljakovine v svojih mesne prehrane. Na primer, izločanje pepsinogen in njegovo vključitev v pepsis v želodcu modulirane s kislim pH (2-4) [30]. Tudi aktivnost proteaz v enostavnem kisline želodec odvisna kislem okolju (pH 2-4) [31]. Kljub temu, da bi to lahko pojasni razlike med plenilci in rastlinojede živali, ne predstavljajo zelo visoko kislost v želodcih iz lovilca, zlasti če upoštevamo, da je meso, ki ga lovilca porabi, je verjetno, da bo veliko težje prebavljiva, kot je plenilcev ne. Predlagamo, da se ti mrhovinarji zanašajo na visoko kislost svojega trebuha, da se prepreči naselitev svoje drobovje, ki se prenašajo s hrano patogenov [32]. Vsejedi in piscivores so bili najbolj spremenljivka v želodcu kislin,, kar je bilo pričakovati, saj obe diete zelo razlikujejo od vrste do vrste. Žužkojedi lahko uporabljajo različne načine za prebavo hitin žuželke, s kislost igrajo pomembno vlogo pri nekaterih, vendar ne vseh drugih primerih.

Poseben primer rastlinojedcev

Carrion hranjenje nalaga eno vrsto omejujejo o ekologiji črevesje, povečanje možnosti za povzročitelje bolezni. Herbivorija nalaga drugi strani pa je treba prebavo rastlinski material, odporne na encimsko prebavo (celuloze in lignina). Da bi prebavo teh spojin, rastlinojedci zanašajo nesorazmerno mikrobnih procesov [33]. Različnih regijah prebavil (bodisi vampu, cekum ali v primeru hoacin naguban pridelka) funkcija predvsem fermentacijskih komor. Tako je izziv, s fermentacijskih drobovje je prednost teh mikrobov, ki so koristne za prebavo in obenem zmanjšujejo nevarnost vnosa povzročitelja na črevesju. Predlagamo, da zato, ker je grožnja mikrobnih povzročiteljev bolezni je relativno nizka živih listov (čeprav glej [34]), lahko rastlinojedci privoščiti, da ohrani komoro, ki je zmerno kisla in zato manj omejeni mikrobiološko vstop. Vendar pa smo našli nekaj zanimivih izjeme tega splošnosti. Bobri, ki so znani za shranjevanje hrane predpomnilnik pod vodo, kjer obstaja visoko tveganje izpostavljenosti protozoj parazit Giardia lamblia
, imajo zelo kislih želodcev. Visoka želodčne kisline, se lahko razvila za upravljanje tega razširjeno okoljsko patogen [35]. Druga rastlinojedec v našem CCD z zelo kislim želodec je zajec, ki ponuja zanimiv primer vedenjske spremembe v želodcu okolja. Zajci so znani, da se vključijo v pogostem coprophagy, ki omogoča njihovo ponovno inokulacijo se z mikrobi [36]. Specializirane mehki peleti, da je hiša mikrobi prav tako zmanjšujejo kislost v želodcu ustvariti okolje, primerno za fermentacijo [37].

Človeška evolucija in želodec pH

To je zanimivo omeniti, da ljudi, nedvomno med primati doslej menili, se zdi, da imajo želodčne pH vrednosti bolj podobne tistim, Carrion podajalniki, kot tistim, ki večino zveri in omnivores. V odsotnosti dobrih podatkov o pH drugih hominoids, je težko napovedati, kdaj tako kislo okolje razvili. Pavijani ( Papio
spp) so trdili, da kažejo strategij najbolj človeških podobne hranjenja in iskanje hrane v smislu eklektičen omnivory, toda njihovi želodci, medtem ko na splošno ocenjen kot kisla (pH = 3,7) -Ali ne razstavljati izjemno nizka pH razvidno iz sodobnega človeka (pH = 1,5) [38]. Ena od razlag za takšno kislost lahko, da je hranjenje črna je bolj pomembno pri ljudeh (in bolj na splošno hominin) evolucija, kot trenutno velja, da je tako (čeprav glej [39]). Druga možnost je, glede na število fekalnih-oralno patogeni, ki okužijo in ubijanje ljudi, izbor morda prednost visoko kislost v želodcu, neodvisno od prehrane, zaradi svoje vloge pri preprečevanju patogenov.

Posebno tveganje za mladoletniško in starejši ljudje

Če se v zveri in Carrión-jedec, vloga želodcu je, da deluje kot ekološka filter, potem bi pričakovali tudi videti višje mikrobna raznolikost in patogenih obremenitve v primerih, ko je v želodcu pH višji. Vidimo dokaze o tem v starostjo povezane spremembe v želodcu. Baseline želodec lumen pH pri ljudeh je približno 1,5 (tabela 1). Vendar, prezgodnje dojenčki imajo manj kislih želodcev (pH > 4) in so dovzetnost za enteričnih infekcij [40]. Podobno, starejši kažejo relativno nizke želodčne kisline ([41], pH 6,6 v 80% udeležencev študijskih) in so nagnjeni k bakterijskih infekcij v želodcu in črevesju [42]. Pomembno je poudariti, da se te razlike lahko povezane z razlikami v moč imunskega sistema pa trdimo tukaj, da želodec potrebuje več pozornosti pri študiju te vzorce.

Posledice za zdravstvene posege, ki vplivajo na želodcu pH

Poleg naravnih nihanj, želodec pH vpliva tudi nekaterih medicinskih posegov, od katerih jih je več bolj pogosti. V kirurgiji izgube želodčnega obvoda teže, odstranimo približno 60 odstotkov želodcu. Posledica tega postopka je povečanje v želodčnih pH nivojih, ki segajo od 5,7 do 6,8. Mi bi napovedujejo, da bi morala biti črevesje tistih posameznikov, ki so imeli želodčni bypass operacijo bolj verjetno, da bodo imeli mikrobov zaraščanje, vzorec, ki ga podpira nedavna dela [25]. Vidimo podobne vzorce v drugih kliničnih primerov, kot so ezofagitis, v kateri zdravljenje vključuje uporabo zaviralci protonske črpalke in celiakijo, kjer je zakasnelo praznjenje želodca, povezanih z zmanjšano kislost [43-45]. Na splošno smo napovedujejo, da se bodo posamezniki, ki so v postopku posege, ki zmanjšujejo kislost njihovih želodcih biti dolgoročno povečano tveganje za pojav patogenov. Vendar pa se lahko to tveganje zmanjša, če ti posamezniki izogibajo živil, v katerih je povečano tveganje patogen, ki vključujejo (kot pri pticah in sesalcih na splošno) živila, ki spominjajo na mrhovino (surove ribe, surovo sesalce meso, itd ...), in morda tudi meso na splošno. Tako bi lahko pričakovali optimalno pH za ljudi spremeni glede na spremembe v prehranjevalnih navad.

Človeški želodec in izguba mutualistic mikrobov

Na splošno velja, želodčne kisline, se nagibajo k filter mikrobov brez prilagoditev kislem okolju. Take prilagoditve vključujejo celične stene odporne, zmogljivosti, ki tvorijo spore ali druge lastnosti, ki prinašajo toleranco do visokih kislin, in hitre spremembe v pogojih pH. Smo šteje vloga želodcu kot ovira patogenov v kontekstu človeške evolucije. Druga možna posledica visoke želodčne kisline, gledano v luči drugih primatov in sesalcev, je težavnost recolonization jih koristnih mikrobov. Veliko telo literature zdaj kaže, da različne ljudi zdravstvene težave, povezane z izgubo mutualistic črevesnih mikrobov, ali zato, ker ti Mutualisti uspelo kolonizirati v hiper-clean C-oddelek rojstev [46] ali pa so izgubili z uporabo antibiotikov [47 ], ali drugih okoliščin. PH človeškega želodcu lahko ljudje nedvomno nagnjeni k takšnih problemov. Po drugi strani pa lahko pričakujemo, da se med udomačenih živali, da bi morale biti podobne težave najpogostejša v tistih živali, ki, tako kot mi, imajo zelo kislih želodcev.

Zaključek

smo pokazati, da želodčne kisline, narašča z izpostavljenostjo povzročiteljev bolezni se prenašajo s hrano, in predlagajo, da ima želodec pomembno vlogo kot ekološkega filtra in s tem močno izbirni dejavnik v črevesni mikrobne združbe in primatov evolucije še posebej. V luči sodobnih sprememb življenjskega sloga prehrane, higiene in zdravstvene posege, ki spremenijo želodec pH, predlagamo, da se kislost v želodcu pri ljudeh dvorezen meč. Na eni strani visoka kislost človeškem želodcu preprečuje izpostavljenost patogenov ampak tudi zmanjša verjetnost recolonization s koristnimi mikrobi, če in ko gredo manjka. Vendar pa je v primerih, kadar je kislost zmanjšana, črevesje, je bolj verjetno, da bi kolonizirali patogeni. Čeprav je veliko razprav tako v medicinski in ekološki literature, podatki o pH, so pravzaprav zelo malo. Tako, da bi popolnoma razumeli vzorce izpostavil to so potrebne podrobnejše študije o črevesne mikrobiote čez želodčnih kislin, in prehrane.

Priznanja

DEB, AMK, JEL, NF in RRD prav tako prispeval k izdelava rokopisa.

• Učinki kapsaicin na Digestion
• Plos ONE: Geometrijski Mešanje, peristaltiko in Geometrično faza v želodec