Микробна имунология

Тази статия е част от изследователската тема

Разбиране и експлоатация на взаимодействието домакин-коменсал за борба с патогените Вижте всички 17 статии

Редактиран от
Фернанда С. Петерсен

Университет в Осло, Норвегия

Прегледан от
Фернандо Гомес-Чавес

Национален съвет за наука и технологии (CONACYT), Мексико

Håkon Valen

Скандинавски институт по дентални материали, Норвегия

Принадлежностите на редактора и рецензенти са най-новите, предоставени в техните профили за проучване на Loop и може да не отразяват тяхното положение по време на прегледа.

взаимодействия

  • Изтеглете статия
    • Изтеглете PDF
    • ReadCube
    • EPUB
    • XML (NLM)
    • Допълнителни
      Материал
  • Цитат за износ
    • EndNote
    • Референтен мениджър
    • Прост ТЕКСТ файл
    • BibTex
СПОДЕЛИ НА

Преглед на СТАТИЯ

  • Департамент по селскостопанска, хранителна и хранителна наука, Университет на Алберта, Едмънтън, AB, Канада

Микробиомът на стомашно-чревния тракт играе критична роля в регулирането на вродените и адаптивни имунни реакции на гостоприемника срещу патогенни бактерии. Дисбиоза, свързана с болести и предизвикани от околната среда обиди, като антибиотично лечение, могат да доведат до повишена податливост към инфекция, особено в болнични условия. Диетичната намеса е най-добрият инструмент на разположение за модифициране на микробиома и поддържане на устойчивостта на патогени. Някои диетични компоненти могат да поддържат здравословен устойчив на болести микробиом, докато други могат да допринесат за дисбалансирана микробна популация, нарушавайки чревната бариерна функция и имунитета. Характеризирането на ефектите на диетичните компоненти през оста гостоприемник-микроб, тъй като се отнася до здравето на стомашно-чревния тракт, е от жизненоважно значение за осигуряване на основани на факти диетични интервенции за смекчаване на инфекциите. Този преглед ще обхване ефекта на хранителните компоненти (въглехидрати, фибри, протеини, мазнини, полифенолни съединения, витамини и минерали) върху интестиналната цялост и ще подчертае способността им да модулират взаимодействията между гостоприемника и микробите, за да подобрят устойчивостта на патогени.

Въведение

Инфекциозните чревни заболявания са основна причина за заболеваемост и смъртност в световен мащаб и представляват особено безпокойство в болничните условия и развиващите се страни. Според Световната здравна организация инфекциозните чревни заболявания са една от първите 10 причини за смърт, водещи до над два милиарда случая и един милион смъртни случая в целия свят през 2010 г. (1). Устойчивостта на гостоприемника към нахлуващи патогени изисква строга регулация на стомашно-чревната среда, поддържана чрез синергична връзка между имунната система на гостоприемника и микробиома. Нарушаването на чревната хомеостаза на гостоприемника, включително обиди от диета, стрес, лечение с антибиотици и лекарства, алергии, рак и свързани заболявания може да направи домакина уязвим за ентерични патогени (2). Добре се разбира, че диетата може да играе важна роля за здравето чрез положително и отрицателно оформяне на стомашно-чревната екология (3, 4) и следователно трябва да бъде основен фокус при смекчаване на тежестта на инфекцията.

Въпреки че хората успешно са намалили излагането на патогени чрез ефективни санитарни практики, приемането на „западна диета“, свръхсанитацията и липсата на физически упражнения се предполага, че са допринесли за нарастването на автоимунните нарушения (5). „Западната диета“ се характеризира с прекомерна консумация на мазнини, протеини, рафинирана захар и нисък прием на диетични фибри. Други диетични модели като средиземноморската, вегетарианската, японската и кетогенната диети могат да регулират положително имунната реакция, за да намалят имунната активност и да поддържат здравето (6). Въпреки това, изследванията на човешката епидемиология върху диетата са склонни да изключват важни междуиндивидуални вариации, които управляват стомашно-чревната микробиота и могат да обяснят различните твърдения, за които храните са известни като „защитни“ и „вредни“ (7). Установяването на механистична връзка между отделните компоненти на диетата с помощта на взаимодействия между микроби и гостоприемници ще помогне да се предоставят препоръки, основани на доказателства, които да помогнат за контролиране на свръхактивен имунен отговор.

Свръхактивната имунна система е свързана с автоимунни нарушения като раздразнително заболяване на червата (IBD), което засяга имунната активност на гостоприемника и води до повишена честота на инфекции (8, 9). По същия начин, "западните диети" показаха, че подобряват Ешерихия коли колонизация и свързано с тях възпаление при мишки чрез промяна на слоя гостоприемна слуз, повишаване на чревната пропускливост и нарушаване на имунната функция (10). Диетичните фибри и други достъпни до микробиота въглехидрати (MAC) са ключов компонент, който липсва в „западния режим на хранене“, който при повторното им въвеждане осигурява благоприятен баланс за здравето на приемника и микробиома (11). Фибрите се изучават изчерпателно като микробен ферментационен субстрат, който произвежда късоверижни мастни киселини (SCFA) с известни ползи за приемането на чревната хомеостаза и здравето (12). Опасяваме се обаче, че този фокус върху полезните ефекти от производството на SCFA, свързано с фибри, е накарал изследователите да пренебрегнат други често срещани хранителни компоненти, които могат да повлияят положително или отрицателно върху стомашно-чревната среда и здравето на приемника.

Диетичната интервенция трябва да се счита за ценен инструмент за манипулиране на оста гостоприемник-микроб, за да се поддържа чревната хомеостаза и резистентност към инфекция. Диетичните компоненти като въглехидрати, липиди, протеини, фитохимикали, минерали и витамини притежават уникални структурни и химични (физикохимични) свойства, които влияят пряко и непряко на устойчивостта на патогена на гостоприемника чрез микробиома. Преодоляването на разликата между диетата, гостоприемника и микробиома, тъй като те се отнасят до имунитета и резистентността към болести, е многостранно поле, което изисква разбиране на техните комбинирани ефекти върху чревната хомеостаза (Фигура 1). Този преглед изследва ролята на общите диетични компоненти върху взаимодействията гостоприемник и микроби, които модулират устойчивостта и толерантността на гостоприемника към често срещаните инфекциозни заболявания. Ние подчертаваме възможността за подобряване на резултатите, но все пак признаваме, че настоящите знания ограничават възможността за предоставяне на конкретни съвети относно диетата. Това е частично ограничено от факта, че изследванията за резистентност към инфекция, насочени към диета, са оскъдни и трудни за превод на хората.

Фигура 1. Диетата допринася за черна кутия от преплетени механизми между микробиотата, гостоприемника и патогена, които тепърва трябва да бъдат изяснени.

GALT и Microbiome регулират защитата на домакините

Свързаната с червата лимфоидна тъкан (GALT) играе решаваща роля в регулирането на чревната хомеостаза и се състои от лимфни възли, ламина проприа и епителни клетки, които заедно осигуряват на гостоприемника защитна бариера и имунна защита срещу нахлуващи патогени (13). От друга страна, микробиотата осигурява физическо присъствие, което може директно да предотврати колонизацията на патогени, като се конкурира за местата на прикрепване или хранителните ресурси. Непряко микробиотата помага за подобряване на устойчивостта на гостоприемника чрез модулиране на интестиналната цялост чрез слузния слой, протеините с плътно свързване и антимикробните пептиди (AMP: кателицидини, лектини от С-тип и дефензини) (14, 15). Муцините, секретирани от бокаловите клетки, осигуряват първата линия на защита, като образуват физическа бариера, съставена от силно гликозилирани и взаимосвързани протеини между луминалните бактерии и епителните клетки на гостоприемника (16). Слузният слой осигурява лубрикант и се метаболизира от муциноразграждащи (муколитични) бактерии, образуващи хлабаво прикрепения слой (17), докато прилепващият слой, когато се формира правилно, осигурява баланс на AMP на гостоприемника и имунни фактори, поддържащи чревната хомеостаза (18).

Фигура 2. Диетата и натоварването с имунна активност (алергии, рак, други заболявания и др.) Определят интестиналната цялост на гостоприемника към нахлуващи патогени. Диетата влияе директно върху чревната цялост чрез стимулиране на IEC, ILC и микробни общности и индиректно чрез странични продукти от микробна ферментация (SCFA, H2S и др.). Здравият индивид след балансирана диета за поддържане на симбиоза между гостоприемници и микробни популации има повишена интестинална цялост с дебел вътрешен и външен слой слуз, който задържа AMP и други съединения, за да предпази гостоприемника от колонизация на патогени (А). Болен гостоприемник с повишена имунна активност поддържа симбиоза, като консумира диетични компоненти, които защитават и засилват вродената защита на гостоприемника (IgA, AMP, слуз, фукозилиране) и адаптивни имунни отговори за предотвратяване на колонизацията на патогени (Б). Докато болните индивиди с повишена имунна активност, консумиращи лоша диета, са по-податливи на ентерични инфекции поради нарушена защита на гостоприемника, която не може да контролира дисбиотичната чревна среда (° С).

Въглехидрати

Диетичните въглехидрати често се класифицират по степента на полимеризация на моно-, ди-, олиго- или полизахариди и състав на техните монозахариди: глюкоза, фруктоза, галактоза и ксилоза. Обикновено въглехидратите се категоризират като смилаеми или несмилаеми (фибри). Свързващите и структурните свойства на въглехидратите диктуват глюкозидазните ензими, необходими за разпадане на връзките в техните основни единици за усвояване (32). Смилаемите въглехидрати, излизащи от храносмилането в тънките черва, заедно с диетичните фибри, стават достъпни като микробни енергийни субстрати и са в състояние да променят съществено чревната екосистема и структурата на общността (33).

Диетични фибри

Ефектите на различни несмилаеми фибри върху здравето и микробиотата са подробно прегледани (12, 45, 46). Като цяло, диетичните фибри могат да модифицират стомашно-чревната функция директно чрез групиране на фекалии и индиректно чрез модифициране на структурата на микробната общност и чрез увеличаване на микробната биомаса и продуктите на ферментация (45). Ферментацията на влакна води до полезни SCFA (главно ацетат, пропионат и бутират), но също така и нежелани газове като въглероден диоксид, водород и метан (56). Повишеното газообразуване, изпъкналостта на изпражненията и забавеното изпразване на стомаха могат да доведат до дискомфорт, подуване на корема и плоскост при много хора (45). Микробните ферментационни продукти като SCFA взаимодействат с чревния епител, за да насърчат определени защитни механизми. По-специално, микробното производство на бутират осигурява енергиен субстрат на епителните клетки (57), поддържа хипоксичната среда (58) и насърчава подобрена бариерна функция чрез индуцируем от хипоксия фактор (HIF) (59). Индукцията на HIF транскрипционен фактор впоследствие стимулира сигнализирането надолу по веригата, за да увеличи производството на слуз (60) и експресията на AMP (61), като в крайна сметка спомага за минимизиране на факултативния растеж на патогени.

Като цяло, увеличаването на фибрите ще промени микробиома и ще подобри здравето на стомашно-чревния тракт. Както беше посочено по-рано, ползите, свързани с консумацията на хранителни източници или добавки с високо съдържание на фибри, са индивидуализирани и трябва да бъдат внимателно наблюдавани за странични ефекти.

Мазнините са основен хранителен макронутриент, които са критикувани и често се избягват в развитите страни с цел намаляване на теглото, нивата на холестерола и риска от сърдечно-съдови заболявания. Избягването на мазнини и последващото разчитане на прости въглехидрати за приемане на калории с намален разход на енергия се смята, че са допринесли за неволното нарастване на затлъстяването в световен мащаб (87). При здрави индивиди повечето мазнини се емулгират и абсорбират в тънките черва; обаче в излишък и по време на чревен стрес мазнините могат да пътуват към дебелото черво като субстрат за микробиотата (88). Проучванията при хора и животни показват, че чревните микроби имат способността да променят хомеостазата на приемника чрез различни метаболити, включително канцерогенни и цитотоксични вторични жлъчни киселини (89). Ефектите на микробиотата върху хомеостазата на гостоприемника са чрез промяна в метаболизма на липидите в черния дроб и жлъчката, обратния транспорт на холестерола, енергийните разходи и инсулиновата чувствителност в периферната тъкан (90). В това отношение диетичните липиди са в състояние директно да въздействат върху гостоприемника и микробиома, като същевременно индиректно променят хомеостазата на гостоприемника чрез микробиома и техните метаболити.

Протеин

Протеиновата хомеостаза е от решаващо значение за здравето на гостоприемника, физиологията и имунното развитие, които заедно стимулират бързодействащ имунен отговор към патогени. Ролята на хранителните протеини и аминокиселините върху имунната функция на гостоприемника, свързана с недохранването с диетата и взаимодействията с патогени, е подробно прегледана (101, 102). Аминокиселините играят основна роля в регулирането на имунната клетъчна активация, клетъчната редокс хомеостаза, пролиферацията на лимфоцити и производството на цитокини, цитотоксини и антитела (101). Известно е, че дефицитът на протеини влошава имунитета и резистентността към инфекции, особено по време на стрес и заболявания, дължащи се на малабсорбция на протеини и протеинови процеси като възстановяване на тъканите (103). Доказано е, че протеиновият дефицит изостря паразитните Криптоспоридий инфекции при мишки чрез нарушаване на базовия (първичен) Th1-тип лигавичен имунитет (104). Освен това, лишените от протеини диети намаляват пролиферацията на тънкочревния макрофаг и производството на IL-10 независимо от микробиотата (105).

Фигура 3. Диетата променя механизмите за производство и консумация на слуз от страна на гостоприемника-микробиота-патоген. Муколитичните специалисти, които усвояват слузните О-гликани и впоследствие кръстосано хранене с други бактерии и патогени, могат да доведат до по-нататъшни промени в микробиотата и промени в целостта на лигавицата.

Източникът на диетични протеини, количеството и обработката могат да променят тяхното въздействие и ефекти в стомашно-чревната среда. Ясно е, че храносмилането на протеина на приемника споделя интимна връзка с чревния микробиом и техните ферментационни продукти (132). Препоръчва се балансирана макронутриентна или ниско несмилаема протеинова диета, за да се обезсърчат протеолитичните бактерии от свръхпроизводство на цитотоксични, генотоксични и канцерогенни странични продукти, които нарушават чревната цялост и увеличават риска от инфекция (106).

Фитохимикали

Витамини и минерали

Заключение

Принос на автора

Концепцията на този преглед е разработена от BW и AF. Този преглед е написан от AF и JF и е редактиран от BW, AF и JF.

Финансиране

BW беше подкрепена от програмата на канадския изследователски стол. JF беше подкрепен от докторантска стипендия на Съвета за природни науки и инженерни изследвания.

Изявление за конфликт на интереси

Авторите декларират, че изследването е проведено при липса на каквито и да било търговски или финансови отношения, които биха могли да се тълкуват като потенциален конфликт на интереси.