микроби

Ян С. Суходолски, MedVet, DrVetMed, PhD, AGAF, DACVM
Тексаски университет A&M

Чревната микробиота включва вируси, бактерии, гъбички и протозои. В миналото думата микрофлора е била използвана за описание на тази сложна екосистема, но микробиотата (от –bios, „живи организми“) е по-подходящият термин. Микробиомът е колективният геном на всички тези микроби. Повечето проучвания до момента са фокусирани върху бактериалната микробиота, която се оценява на по-голямата част от чревната микробиота.

Около 100 трилиона микробни клетки присъстват в червата, до 10 пъти повече от броя на клетките на бозайници в цялото тяло. Комбинираните микробни гени превъзхождат броя на гостоприемниците с очакван фактор 10.

Тази сложна екосистема от чревни бактерии оказва огромно влияние върху здравето на гостоприемника. Взаимодействието между бактериите и гостоприемника се медиира чрез директен контакт между микробите и имунната система и чрез различни метаболити, получени от микробиота. Физиологичен микробиом модулира имунната система, предпазва от ентеропатогени и осигурява хранителни ползи за гостоприемника.

И обратно, промените в сложната връзка между чревните бактерии и клетките на гостоприемника влияят върху имунните реакции на гостоприемника и метаболитния статус и могат да доведат до заболяване (Фигура 1). Последните проучвания описват чревна дисбиоза (т.е. промени в чревния микробиотен състав и/или разнообразие) при различни остри и хронични стомашно-чревни (GI) нарушения. 1 Освен това първоначалните данни при модели на хора и животни свързват хроничната дисбиоза, като тази, причинена от излагане на антибиотици, с извън чревни разстройства като диабет и затлъстяване. 2,3 Тези открития подчертават значението на чревната микробиота и дисбиозата при регулирането на метаболизма на гостоприемника, като ефектите достигат далеч отвъд стомашно-чревния тракт.

Моделите на дисбиоза и метаболитните сигнатури, наблюдавани при остри и хронични стомашно-чревни заболявания и метаболитния синдром, едва започват да се описват. Подписите за дисбиоза и метаболитните промени се оценяват за техния диагностичен и терапевтичен потенциал. Тази статия предоставя преглед на бактериите в червата на кучетата и ролята на дисбиозата в етиологията на стомашно-чревните заболявания.

РЕДКИ ПОРОДИ

Всяко куче приютява уникална микробна общност, с отчетливи разлики в пропорциите на тези бактериални групи. И все пак бактериалното генно съдържание се запазва при индивидите, което предполага, че функционалните аспекти на микробиома са сходни при животните. Индивидуалните различия в микробните видове могат да предизвикат индивидуализирани реакции на различни диети, източници на фибри и пробиотици.

ЧРЕВНАТА МИКРОБИОТА В ЗДРАВЕОПАЗВАНЕТО

Идентификация и компоненти

Доскоро идентифицирането на чревните бактерии беше почти изключително постигнато чрез традиционната бактериална култура. Фекалната култура все още може да бъде полезна за откриване на специфични ентеропатогени като Salmonella или Campylobacter jejuni, тъй като този подход позволява тестване на антибиотична чувствителност на клинични проби, но по-голямата част от чревните бактерии са строги анаероби и не се откриват при използване на стандартни методи на култивиране. Следователно рутинната бактериална култура не позволява задълбочено характеризиране на сложни чревни бактериални съобщества (Фигура 2). Понастоящем се използват редица молекулярни методи за характеризиране на чревната микробиота. 4

Традиционната бактериална култура, както и молекулярните подходи разкриха разлики във вида и количеството бактерии по стомашно-чревния тракт. Бактериалният брой в дванадесетопръстника на здрави кучета варира от 10 2 до 10 9 образуващи колонии единици (cfu)/g. 5 Дебелото черво съдържа много по-големи цифри, с до 10 11 cfu/g. 6

Молекулярните инструменти са позволили идентифициране на необработени досега и следователно неизвестни бактерии. Докато дванадесетопръстника съдържа смес от аеробни и факултативни анаеробни бактерии, дебелото черво се колонизира почти изключително от строги анаероби. 7 В дебелото черво преобладават бактериалните групи Clostridiaceae, Bacteroidaceae, Prevotellaceae и Fusobacteriaceae (Фигура 2). Трябва да се отбележи, че всяко куче има уникална микробна общност, с отчетливи разлики в пропорциите на тези бактериални групи. И все пак бактериалното генно съдържание се запазва при индивидите, което предполага, че функционалните аспекти на микробиомите са сходни при животните. 8 Независимо от това, индивидуалните различия в микробните видове могат да предизвикат индивидуализиран отговор на различни диети, източници на фибри и пробиотици.

Стомашно-чревният тракт също е дом на разнообразна популация от вируси и гъбички. Едно проучване описва до 40 гъбични вида в кучешки фекални проби; повечето бяха различни Candida spp. 9 Въз основа на тези констатации се очаква при рутинни фекални цитонамазки да се наблюдават гъбични организми. Точният им принос за здравето и заболяванията остава неясен, тъй като не се съобщава за значителни разлики във видовете гъби, когато здрави кучета се сравняват с кучета с остра диария.

Фигура 2. Преобладаващи бактериални таксони във фекални проби на здрави кучета. Всяка лента представлява едно здраво куче. Имайте предвид, че наличните бактериални семейства варират значително, преобладават анаеробните бактерии и съотношенията на тези бактериални групи се различават при всяко здраво куче. Рутинната бактериална култура пропуска тези анаеробни бактерии. Фекалните цитонамазки, които оценяват съотношенията на грам-положителни към грам-отрицателни бактерии, също не са полезни за оценка на дисбиозата, тъй като всяко куче съдържа уникално съотношение на тези групи.

Роли

Балансираният микробиом е от решаващо значение за поддържането на здравето на гостоприемника. Нормалната микробиота изпълнява следните функции:

  • Модулира имунната система
  • Поддържа нахлуването на ентеропатогени под контрол
  • Осигурява хранителни вещества на гостоприемника, като метаболизира и ферментира различни хранителни компоненти

Чревните бактерии също допринасят за развитието на физиологията на червата. Това е доказано в проучвания с отгледани без микроби отгледани мишки, които показват променена епителна архитектура (напр. Намален брой лимфоидни фоликули) в сравнение с мишки, които са били изложени на бактерии при раждането.

Постоянното кръстосано препращане между чревната микробиота и имунните клетки на гостоприемника се медиира чрез комбинация от метаболити, получени от микроби (напр. Късоверижни мастни киселини [SCFA], индол, вторични жлъчни киселини), както и молекули на повърхността на бактериите, които активират рецепторите на вродената имунна система на гостоприемника (например Toll-подобни рецептори, дендритни клетки).

Коменсалните бактерии, които предотвратяват инвазията на лигавицата на преходни патогени чрез съревнование за хранителни вещества и места на адхезия на епитела, са важна част от чревната бариера. Освен това те установяват физиологично ограничителна среда за нерезидентни бактериални видове чрез секреция на антимикробни съединения и модулация на луминалното рН.

Основните бактериални групи в червата са строги или факултативни анаероби. Преобладаващите бактериални семейства в дебелото черво (Фигура 2) ферментират диетични въглехидрати (напр. нишесте, целулоза, пектин, инулин), което води до производството на SCFA (напр. ацетат, пропионат, бутират) и други метаболити. SCFA са важен източник на енергия и растежни фактори за чревните епителни клетки и имат модулиращ ефект върху чревната подвижност. Освен това SCFA са имуномодулиращи. Например, бутират индуцира имунорегулиращи Т клетки и ацетатът благоприятно модулира чревната пропускливост.

Вторичните жлъчни киселини също инхибират покълването на спорите на Clostridium difficile, докато увеличаването на първичните жлъчни киселини (ефект на дисбиоза) насърчава покълването на бактериални спори. Чревната дисбиоза води до намаляване на бактериалните видове, превръщащи жлъчните киселини и следователно е свързана с дисметаболизъм на жлъчните киселини (намаляване на вторичните и увеличаване на първичните жлъчни киселини) и потенциално системни ефекти върху метаболизма на гостоприемника. 12,13 Освен това, необичайно увеличение на първичните жлъчни киселини може да причини секреторна диария.

ДИСБИОЗА

Чревната дисбиоза се определя като разлики в съотношенията на бактериалните групи в сравнение с тези, установени при здрави кучета и често се придружава от намаляване на видовото разнообразие. Съобщава се за чревна дисбиоза при различни остри и хронични стомашно-чревни разстройства, но тя може да бъде предизвикана и чрез използване на широкоспектърни антибиотици. 1

Възникващите епидемиологични данни при хората и нашето еволюиращо разбиране за имуномодулиращите и метаболитни свойства на чревната микробиота предполагат, че правилната диагноза и корекция на дисбиозата ще бъдат важни цели при различни заболявания. Дисбиотичният микробиом може да причини вреда чрез няколко механизма (Клетка 1), които е вероятно да бъдат едновременни. Диарията може да се дължи на бактериални ентеротоксини, които стимулират секрецията на лигавична течност. Друг наскоро признат механизъм за диария при хората е малабсорбцията на жлъчните киселини поради неспособността на дисбиотичната микробиота да превръща първичната в вторичната жлъчна киселина. 13 Първоначалните проучвания предполагат, че такъв механизъм може да се появи и при кучета и налага допълнително проучване. 12,16

КУТИЯ 1

Ефекти от дисбиозата

  • Свръхпродукция и транслокация на бактериални токсини
  • Възпалително стимулиране на имунната система
  • Намаляване на противовъзпалителните метаболити (напр. SCFA, индоли, вторични жлъчни киселини)
  • Промени в ензимите на границата на четката
  • Увреждане на лигавичните рецептори
  • Състезание за хранителни вещества (напр. Витамин В12)
  • Повишена чревна пропускливост

Оценка на дисбиозата

Поради важността на коменсалната микробиота за приемане на хомеостазата е важно да се диагностицира дисбиоза. Както беше отбелязано, фекалната бактериална култура не може да характеризира многото анаероби в стомашно-чревния тракт. Смята се, че само много малък процент чревни бактерии се отглеждат със стандартни лабораторни техники. Най-добрият начин за пълна характеристика на микробиотата е чрез високопроизводителни платформи за секвениране, които могат да предоставят преглед на пропорциите на всички бактериални групи в пробата; въпреки това, разходите и дългите времена за изпълнение ограничават използването на този метод за изследователски проучвания. Използването на анализи на полимеразна верижна реакция (PCR) за насочване към специфични бактериални таксони, които постоянно се променят при кучета с хронични ентеропатии (CE) може да осигури по-бързи резултати. 1

Резултатите от тези множество PCR анализи могат да бъдат комбинирани и изразени като математическо съотношение, индексът на дисбиоза (DI; Фигура 3). Отрицателният DI (0) показва дисбиоза, свързана с CE. 17 DI след това може да се използва за проследяване на реакцията на микробиотата към терапия за CE. Първоначалните дългосрочни проследяващи проучвания при кучета с CE предполагат, че микробиома изисква няколко месеца, за да се нормализира, дори когато кучетата реагират в рамките на няколко седмици с намаляване на резултатите от клиничната активност. 18.

Неотдавнашно малко проучване, оценяващо 3 кучета с СЕ, използва DI за проследяване на фекални микробни промени в отговор на фекална микробна трансплантация. 19 Всичките 3 кучета първоначално показаха незабавно намаляване на DI, но след 3 седмици дисбиозата се върна при 1 куче (увеличение на DI над 2), което не показа подобрение в клиничните признаци. При останалите 2 кучета се наблюдава частично подобрение на клиничните признаци и техният DI остава под 0 през по-голямата част от 8-седмичния период на проследяване. Този първоначален малък набор от данни предполага потенциал за проследяване на микробиотата с течение на времето при пациенти с CE и след фекална микробна трансплантация, но са необходими повече проучвания за определяне на точността и клиничната полезност на анализа на микробиотата.

Анализът на фекални проби предоставя информация само за промените в луминалната микробиота. Използването на флуоресцентна in-situ хибридизация (FISH) на проби от чревна биопсия позволява визуализация дали бактериите са се преместили в лигавичния епител, както се наблюдава при кучета с грануломатозен колит. 20 Положителният резултат показва необходимостта от антимикробна терапия за изчистване на транслоцираните бактерии. FISH изисква специален анализ и е достъпен само в няколко референтни лаборатории.

Въпреки че оценката на фекалната микробиота е полезна за разпознаване на дисбиоза в дебелото черво, фекалните проби вероятно не отразяват точно ситуацията в тънките черва. Въпреки че фекалните проби на много кучета с тънкочревно заболяване показват дисбиоза, подгрупа кучета може да има изключително дисбиоза на тънките черва. Измерванията на серумни концентрации на кобаламин и фолати остават най-полезните маркери за дисбиоза на тънките черва. Серумният кобаламин може да бъде намален и серумните концентрации на фолат могат да бъдат увеличени при кучета с дисбиоза на тънките черва; промяната на двата параметъра е силно предполагаща за състоянието.

Последните проучвания оценяват връзките между дисбиозата и промените в различни биохимични пътища (напр. Анормален метаболизъм на жлъчните киселини, аминокиселини и триптофан), които засягат имунната система и метаболизма на гостоприемника. 18,21 Много нови метаболитни биомаркери, като концентрации на фекални жлъчни киселини, се изследват за по-добра оценка на етиологията и лечението на стомашно-чревни заболявания и те скоро могат да станат полезни за рутинната практика.

Фигура 3. Индексът на дисбиоза (DI) се увеличава при кучета с хронични ентеропатии (CE). DI е математическо съотношение, което обобщава изобилието на различни бактериални групи (например E coli, Faecalibacterium, Blautia, Fusobacterium) в едно число. DI под 0 показва нормална микробиота, а DI над 0 показва дисбиоза в дебелото черво. DI анализът се предлага в търговската мрежа чрез Стомашно-чревната лаборатория в Тексаския университет A&M.

Терапевтични съображения за корекция на дисбиоза

Микробиотата е важен играч в метаболизма на гостоприемника. Последните метаболомични проучвания ясно свързват дисбиозата с различни заболявания в и извън стомашно-чревния тракт. Необходима е обаче повече работа, за да се определи как да се модулира микробиома за най-добър терапевтичен успех и да се предскаже отговор на конкретна терапия.

Диета и антимикробна терапия

Дисбиозата присъства при много кучета с CE и може да бъде причина за диария при някои пациенти, но дисбиозата може да бъде и последица от GI възпаление при други пациенти. Вероятен е градиент от различни модели на заболяването при пациентите, като имунната система на гостоприемника и микробиомът допринасят в различна степен. Следователно, наличието на дисбиоза не се равнява на непосредствена нужда от антимикробна терапия, тъй като кучетата със СЕ, отговарящи на диетата, също могат да имат дисбиоза. Някои животни с диария реагират благоприятно на антимикробни средства, но антибиотиците могат да предизвикат диария при други. Дългосрочното приложение на антибиотик може да предизвика модели на дисбиоза, които биха могли да създадат рисков фактор за различни метаболитни заболявания, като например чрез индуциране на дисметаболизъм на жлъчните киселини. 3 Понастоящем най-добрият терапевтичен подход за хронично стомашно-чревно заболяване остава емпиричен, с последователен протокол от опити за храна, противовъзпалителни лекарства и/или антимикробни средства.

Пробиотици и пребиотици

Тъй като микробиотата е замесена в патофизиологията на хроничното GI заболяване, добавянето на пробиотична и пребиотична терапия може да е подходящо. Пробиотиците са живи микроорганизми, които, когато се прилагат в достатъчни количества, дават полза за здравето на гостоприемника. Малко проучвания са оценили ползите от пробиотиците при остри и хронични заболявания на стомашно-чревния тракт. Данните показват, че пробиотиците имат само незначителен ефект върху чревната микробиота, но техният благоприятен ефект при кучета с възпалителни заболявания на червата може да се дължи отчасти на имунната стимулация и/или засилване на чревната бариерна функция. 22 Също така изглежда, че прилагането на по-високи дози и множество щамове води до по-голяма вероятност пробиотичните бактерии да могат да колонизират червата.

Пребиотиците са ферментиращи и неферментиращи влакна, които след достигане до дебелото черво се метаболизират от чревни бактерии, за да произведат SCFA и други метаболити, които могат да бъдат имуномодулиращи. Повечето търговски чревни диети съдържат пребиотици.

Фекална микробна трансплантация

Фекалната микробна трансплантация предизвика голям интерес. Въпреки че е много успешен терапевтичен подход при хора с повтарящи се C difficile, използването му при СЕ на кучета изисква допълнителни проучвания, тъй като патофизиологията между тези заболявания се различава. Анекдотични доказателства и проучвания в малък мащаб показват, че фекалната микробна трансплантация може да бъде обещаваща при подгрупа кучета с CE, 19 но понастоящем правилният подбор на пациенти е чисто емпиричен и са необходими повече изследвания.

Ян С. Суходолски, MedVet, DrVetMed, PhD, AGAF, DACVM, спечели ветеринарна степен от Университета по ветеринарна медицина във Виена, Австрия, и докторска степен по ветеринарна микробиология от университета A&M в Тексас. Той е сертифициран по имунология от Американския колеж на ветеринарните микробиолози (ACVM) и в момента служи като доцент и асоцииран директор за изследвания в Стомашно-чревната лаборатория в Тексас A&M. Неговите изследвания са фокусирани върху тестване на стомашно-чревната функция и чревната микробна екология, с акцент върху пробиотичните и диетични интервенции като терапевтични приложения при животни с възпалителни заболявания на червата, затлъстяване и захарен диабет.