Ерика Д. Соненбург

1 Катедра по микробиология и имунология, Медицински факултет на Университета Станфорд, 259 Campus Drive, Станфорд, Калифорния 94305, САЩ

гладуване

Джъстин Л. Соненбург

1 Катедра по микробиология и имунология, Медицински факултет на Университета Станфорд, 259 Campus Drive, Станфорд, Калифорния 94305, САЩ

Резюме

Чревната микробиота: Контролен център за човешка биология

Човешките черва съдържат разнообразна екосистема от трилиони микробни клетки (Costello et al., 2012; Qin et al., 2010). Традиционната гледна точка, че ефектите върху чревната микробиота са ограничени до храносмилателния тракт на гостоприемника или по-скоро се разширяват до метаболизма и имунния статус, отстъпи място на осъзнаването, че тези микроби могат да имат широко въздействие върху различни аспекти на физиологията на гостоприемника (Sommer и Backhed 2013). Външно приложените сили, като диета или антибиотици, водят до бързи изменения на микробиотата, като по този начин засягат състоянието на връзките гостоприемник и микробиота (David et al., 2014; Dethlefsen et al., 2008; Dethlefsen and Relman, 2010; Walker et ал., 2011). Ковкостта на нашите жители на червата допълнително преформулира ролята на тази общност като платформа за рационална манипулация на биологията на гостоприемника: микробиотата осигурява управляем лост за подобряване на човешкото здраве и за лечение или предотвратяване на болести (Sonnenburg and Fischbach, 2011; van Nood et al., 2013; Vrieze et al., 2012).

На по-фундаментално ниво самата пластичност, която прави чревната микробиота привлекателен терапевтичен път, може да доведе до неволни и дезадаптивни промени или дисбиоза. Множество проучвания за изброяване на микробиоти през последните години са включили дисбиоза на микробиота в нарастващ списък от западни заболявания, като метаболитен синдром, възпалителни заболявания на червата и рак. Тези проучвания разчитат на сравняване на микробиотата на болни индивиди с тези, които са здрави. Приносът на дисбиотичната микробиота към фенотипа на заболяването е илюстриран чрез трансплантация на микробиота в няколко случая (Koren et al., 2012; Liou et al., 2012; Ridaura et al., 2013; Turnbaugh et al., 2006; Vijay-Kumar и др., 2010). Използването на термина „дисбиотик“ обаче трябва да бъде придружено от признанието, че определението за здравословна микробиота, която трябва да служи като референтна рамка, все още е слабо дефинирано. Възможно е микробиотата на здрав западняк също да е дисбиотик, което значително увеличава риска от развитие на заболявания, характеризиращи се с прекомерни или неподходящи имунни възпалителни реакции.

Достъпни до микробиота въглехидрати: Храна за масите

Голяма част от въглерода и енергията за членовете на микробиотата произхождат от растителни и животински диетични въглехидрати (Koropatkin et al., 2012; Salyers et al., 1977). Тези въглехидрати са съставени от монозахариди, които са свързани чрез множество видове гликозидни връзки и, в някои случаи, допълнително модифицирани от химически заместители като ацетил и сулфатни групи. Разликата в техния химичен състав, разтворимост и размер диференцира тези въглехидрати в широк спектър от екологични ниши. Въпреки това, микробната конкуренция в червата е интензивна за метаболитен достъп до енергията и въглерода, отделени в тези молекули. Жителите на микробиотата са оборудвани със специализирана колекция от ензими като гликозидни хидролази и полизахаридни лиази, които могат да разграждат сложни въглехидратни връзки до консумиращи се олигозахариди или монозахариди (Cantarel et al., 2009; Martens et al., 2011). Модел, съдържащ микробиота

160 вида имат над 9000 гликозидни хидролази и 2000 полизахаридни лиази, които служат като врата към сложна микробна хранителна мрежа в червата (El Kaoutari et al., 2013). При екстраполация на

1000 вида, една човешка чревна микробиота може да съдържа над 60 000 ензими, разграждащи въглехидратите. Човешкият геном, от друга страна, има само малък брой гликозидни хидролази (

17) и няма полизахаридни лиази, които участват в храносмилането в червата.

Когато говорим за въглехидратите, които могат да бъдат метаболитно използвани от чревните микроби, ние предлагаме термина „въглехидрати, достъпни за микробиота“ (MAC; вж. Каре 1 за разширено обсъждане на MAC). MAC служат като селективни агенти, променящи състава на микробиотата, но също така диктуват функционалността и метаболитния изход. Многобройни проучвания показват, че диетата може да служи като селективна мощна сила при преоформянето на микробиотата (David et al., 2014; Walker et al., 2011; Wu et al., 2011). Силно контролирани експерименти с мишки показват, че количеството и видът на въглехидратите, които хранят микробиотата, променят опростените и сложни микробни съобщества (Faith et al., 2011; Kashyap et al., 2013a; Sonnenburg et al., 2010; Turnbaugh et al., 2009b). Хората, които ядат контролирана диета, допълнена с полизахариди без нишесте или резистентно нишесте, и двете с високи нива на потенциални MAC, показват индуцирани от диетата промени в състава на микробиотата (Walker et al., 2011). Поради ролята на „шлюз” на първичните ферментатори в екосистемата на дебелото черво, MACs могат да промотират определени микроби или директно (тези, които консумират субстрат), или индиректно (чрез кръстосани взаимодействия) (Fischbach and Sonnenburg, 2011). Въпреки голямата пропаст в нашето разбиране за това как разнообразието и количеството на диетичните MAC влияят върху здравето на гостоприемника, много изследвания укрепват връзките между MAC, разнообразието на микробиоти и метаболизма и здравето на гостоприемника.

MAC и разнообразие на микробиота

Натрупващите се данни показват, че здравето на гостоприемника е свързано с диетични MAC-индуцирани промени в състава и разнообразието на микробиотата. Диетична интервенция, извършена върху 49 затлъстели индивида, показва увеличаване на генното богатство на микробиота, когато участниците намаляват енергийния прием и увеличават консумацията на диетични фибри за 6 седмици (Cotillard et al., 2013). При мишките намаляването на хранителните влакна има пряк ефект върху разнообразието на микробиота и производството на мастни киселини с къса верига; последното е индикация, че действително диетичните фибри включват MAC (Kashyap et al., 2013b; Trompette et al., 2014). Наскоро при хора се наблюдава значителна и обратима разлика в състава на микробиотата, която преминава към диета от всички растения или към един от всички животински продукти, илюстрираща въздействието на диетата върху състава на микробиотата (David et al., 2014). Въпреки това, въпреки значително увеличение на приема на диетични фибри (и вероятно MAC) по време на 4-дневната растителна диета, не се наблюдава увеличаване на разнообразието от микробиоти. Четири дни с повишен хранителен MAC може да бъде недостатъчен период от време, за да процъфтяват по-рано редки (неоткриваеми) видове или да се укрепят микробите, придобити в околната среда. Остава да се определи дали опростената западна микробиота е загубила видове, които не могат да бъдат възстановени при повишен хранителен MAC.

Допълнителни проучвания при хора свързват увеличената диетична консумация на MAC със състава на микробиотата, разнообразието и здравето. Чревната микробиота на деца от селско село в Буркина Фасо разкри явни разлики в сравнение със „здравата“ западна кохорта в Италия (De Filippo et al., 2010). В допълнение към различията в представените филотипове, по отношение на европейците, африканската група показа (1) променено съотношение на двете доминиращи фили на човешката микробиота, с увеличено представителство на Bacteroidetes спрямо Firmicutes (обратното на изчерпването на Bacteroidetes, свързано с затлъстяване в няколко проучвания) (Ley et al., 2005, 2006; Turnbaugh et al., 2009a); (2) увеличено разнообразие от микробиоти; и (3) голямо увеличение на производството на SCFA, включително 4 пъти повече бутират и пропионат. Тези промени съвпадат с почти двойния прием на диетични фибри в африканската група в сравнение с европейската група.

Нашата древна микробиота

Докато проучването в Буркина Фасо затвърждава връзката между диетата и разнообразието на микробиотите, то дава и първия поглед върху това как може да изглежда човешката микробиота по време на неолитната революция в селското стопанство, когато хората приемат култивирани храни. Независимо проучване на селски групи в Малави и Венецуела по подобен начин разкрива по-голямо бактериално разнообразие и ярки разлики в микробиотния състав на немодерните общества спрямо западните групи (Фигура 2). Микробиотите от трите традиционни аграрни групи в Малави, Венецуела и Буркина Фасо бяха по-сходни помежду си в разнообразието на микробиоти и производството на SCFA, отколкото на западните им колеги (Yatsunenko et al., 2012). В допълнение към подкрепата на мнението, че съвременната микробиота се отклонява значително от състоянието на предците, тези открития сочат към необходимостта да се направи извод за микробиотата в допълнителни моменти от човешката еволюция, като тази на предземеделските хора.