Хранене и микроби

Тази статия е част от изследователската тема

Млякото означава повече: Ролята на млякото в храненето, храносмилането и метаболизма през целия живот Вижте всички 15 статии

Редактиран от
Дейвид А. Села

Университет на Масачузетс Амхърст, САЩ

Прегледан от
Равиндер Нагпал

Уейк Форест Училище по медицина, САЩ

Карлос Гомес-Галего

Университет на Източна Финландия, Финландия

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.

екосистемните

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

Хипотеза и теория СТАТИЯ

  • 1 Evolve BioSystems, Inc., Дейвис, Калифорния, САЩ
  • 2 Департамент по хранителни науки и технологии, Университет на Небраска, Линкълн, Небраска, САЩ

Въведение

Нарушаването на състава и функцията на микробиома в ранните стадии на живота е признато за ролята му в нередовното имунно развитие (1, 2), метаболитните нарушения (3) и възпалението (4, 5). Няколко от тези фенотипове са реконструирани с помощта на животински модели или епидемиологични подходи, осигуряващи убедителна връзка между отклоняващото се развитие на микробиоми в ранен живот и тези отрицателни здравни резултати (6–9). По този начин, ако пандемичните незаразни заболявания като диабет тип 1, затлъстяване, алергия и астма са свързани с нарушени микробиоми по време на ранна детска възраст, както се предполага от нововъзникващи доказателства (3, 10–15), тогава съответната модулация на микробиома в ранен живот предоставя убедително решение за справяне с нарастващата тежест за общественото здраве, свързано с тези заболявания. Понастоящем обаче липсват оценъчни параметри за идентифициране на желаните микробиомни състави и тяхната потенциална взаимовръзка със здравето.

Екологични процеси, оформящи състава на микробиома на кърмените кърмачета

Фигура 1. Използване на ресурси и разнообразие в червата при определяне на устойчивостта на инвазия. Ресурсният пейзаж в човешките черва е силно повлиян от диетата. Една фундаментална функция на микробиома е да държи потенциалните патогени на разстояние чрез пряка конкуренция за пространство и ресурси (т.е. устойчивост на колонизация, регулираща услуга). Излишните ресурси (сини квадрати) представляват отворени възможности за ниши и увеличават риска от колонизация от инвазивни видове, включително патогени. Когато ресурсите се използват ефективно, рискът от успешна инвазия е значително намален поради липсата на налични ресурси за поддържане на растежа (28). При диета с твърда храна е необходим по-разнообразен състав от видове, за да се изчерпи по-голямото разнообразие от ресурси, достигащи червата (29). Въпреки това, в ранния живот и докато диетата е ограничена до майчиното мляко, използването на ресурсите е независимо от разнообразието и ще достигне максимални нива само когато присъстват специализирани видове, способни ефективно да консумират HMO.

Допълнителни екологични събития, включително произволни процеси, в крайна сметка влияят върху цялостния състав на микробиома на бебето; първоначалното инокулиране на микробиоми въз основа на режим на раждане и последващият екологичен подбор чрез осигуряване на селективни субстрати от човешкото мляко са двата основни екологични процеса, оформящи чревния микробиом на кърмачета (30–33).

Биологични съображения при определянето на здравословен микробиом на бебето в червата

Клетка 1. Разнообразие: Как се измерва и какво означава?

Има два основни типа разнообразие, изчислени в проучвания за микробна екология, особено що се отнася до профилирането на микробиоми: алфа разнообразие и бета разнообразие.

Алфа разнообразие се отнася до мярката на разнообразието в рамките на конкретна екологична общност или местност в дадена извадка. В зависимост от използвания показател, този индекс описва или видово богатство (т.е. броя на различните видове в дадена общност); или както видово богатство, така и равномерност (т.е. разпределението на изобилието на вида в общността) (40). Има няколко показателя за определяне на алфа разнообразието, всеки различен по своята чувствителност към богатство и равномерност (41). В зависимост от използвания индекс е възможно да не бъде открита промяна в алфа разнообразието въпреки наличието на силно разминаващи се композиции на общността (Фигура 2).
Бета разнообразие е мярка за разнообразие между пробите. Той отговаря на въпросите: Колко различен е микробният състав в една проба или група проби в сравнение с други? Колко вида се споделят между пробите? Подобно на алфа разнообразието, има различни показатели за установяване на бета разнообразие. Някои методи са чисто качествени въз основа на присъствие/отсъствие на видове, докато други включват количествен компонент и отчитат филогенетичното разстояние между видовете. Всеки метод представя своите присъщи пристрастия и чувствителност, улавящи промени в състава на общността.

Употреби и ограничения на разнообразието в микробната екология

Разнообразието се спекулира с цел максимизиране на функционалността в обобщение на „застрахователната хипотеза” (35, 36), което предполага, че стабилизирането на общностите срещу намаляване на функцията се подобрява чрез увеличаване на разнообразието (42, 43). По този начин често се приема, че е желателно по-голямо разнообразие. Въпреки това, освен ако в микробна общност не съществува значителна функционална излишък, всяка загуба при ключови функционални видове вероятно ще промени способността на микробиома да поддържа екосистемни услуги (44). Освен това намаляването на разнообразието не е непременно неблагоприятно за гостоприемника, особено когато е следствие от селективното обогатяване на симбионтите, които насърчават здравето.

Друго присъщо предизвикателство съществува в липсата на приета, абсолютна стойност на разнообразието за дадена общност. Освен това, както беше обсъдено по-рано [виж (39) за отлична дискусия по въпроса], разнообразието е относително и винаги е ограничено от метод на измерване. Всъщност различните индекси се различават по своята чувствителност към богатството и равномерността на видовете и направените изводи могат да се различават значително в зависимост от избраната мярка. Поради това трябва да се внимава, когато се правят заключения от който и да е индекс за разнообразие и при сравняване на констатациите в проучванията.

Като цяло опростяването на микробиома до мярка за биологичното разнообразие има очевидни ограничения, тъй като не отразява състава или функцията или съответните екосистемни свойства като стабилност, производителност или невидимост. Ние и други (37, 39) твърдим, че продължаващото използване на този индекс, без контекст на функция, отвлича вниманието от развитието на съответните хипотези, за да се получи представа за основните екологични механизми, движещи модели и процеси в микробните общности и тяхната потенциална връзка да приема здраве.

Фигура 2. Алфа разнообразието е независимо от относителното изобилие. Изобразени са три различни бактериални съобщества (A – C). Съответното относително изобилие на отделните видове в бактериалните мелници е представено чрез подредени стълбовидни графики. Бактериалните съобщества B и C имат еднакъв брой наблюдавани видове (н = 9), но относителното им изобилие е различно, като общност С е доминирана от един вид. Докато алфа разнообразието може да се изчисли с различни показатели, когато се отчита богатството на общността, видовете общности В и С имат едно и също алфа разнообразие.

Каре 2. Предимства на парадигмата на екосистемните услуги за оценка на микробиома на бебето в червата.

Прилагането на концепции, извлечени от приложни макроекологични изследвания, даде важни прозрения в механизмите, оформящи чревния микробиом, особено що се отнася до това как микробните общности се събират, функционират и еволюират (38, 49–53) и как тези процеси влияят върху човешкото здраве ( 54, 55).

За разлика от абиотичните географии за макроекологията, гостоприемниците са изправени пред хилядолетия коеволюция, за да оформят популациите на микроби, които ги колонизират. Изключително специфични механизми за избор на специфични микробни симбионти са описани за растения (56) безгръбначни (калмари, насекоми) (57) и гръбначни (58–60). Селективният натиск е оформил тези взаимодействия между гостоприемника и микробите с течение на времето и в чревния микробиом, към избора за ключовите екосистемни услуги, които подобряват здравето на гостоприемника (т.е. фитнес). Оценката на микробиома на бебето в червата през обектива на екосистемните услуги ще улесни идентифицирането на ключовите екосистемни „доставчици на услуги“ като тези видове, чиито функции са критични за предоставянето на дадена услуга. Устойчивостта на колонизация и достъпът до специализирани храни или диети (услуги за предоставяне) са примери за екосистемни услуги, при които изследванията могат да дадат улики за това как услугите в чревния микробиом са били максимизирани от взаимодействията гостоприемник и микроби под силен селективен натиск.

Рамката на екосистемните услуги се прилага широко за оценка на сухоземните и морските екосистеми (47) и наскоро беше адаптирана за оценка на червата на бозайниците (16). Погледнати през обектива на екосистемните услуги, стоките и услугите, които хората получават от своите микробиоми, могат да бъдат категоризирани като подпомагащи, предоставящи или регулиращи (Таблица 1). Услугите за предоставяне са тези, получени директно от производството на стоки, например микробно производство на витамини, антимикробни средства, органични и късоверижни мастни киселини. Регулиращите услуги са тези, които участват в поддържането на стабилни екосистемни условия, например устойчивост на патогенна инвазия. Подкрепящите услуги са тези, необходими за производството и поддръжката на всички други екосистемни услуги, например генериране на пионерски продукти.

Едно от основните предимства на прилагането на модела на екосистемната услуга за оценка на микробиома на бебето в червата е, че той улеснява системното идентифициране на ключови „доставчици на услуги“, чиито функционални черти са в основата на предоставянето на дадена услуга (61, 62). Чрез изрично свързване на функционалните черти с предоставянето на екосистемни услуги е възможно да се присвоят индекси на „функционална значимост“ и „незаменимост“ и съответно да се предскаже степента, до която загубата на ключови видове „доставчик на услуги“ може да повлияе на екологичните процеси, поддържащи екосистемата функциониращ (35, 62).

маса 1. Екосистемни услуги, функции, черти, мерки и последици от дисфункция.

В следващите раздели ние очертаваме три ключови екосистемни услуги: (1) поддържащи услуги; (2) предоставяне на услуги; и (3) регулиране на услугите, лежащи в основата на връзката между кърменото бебе и чревния микробиом въз основа на предварително определени критерии (16). По-конкретно, ние обсъждаме способността на B. infantis за ефективно използване на ресурсите (т.е. HMO) и производството на органични киселини като ключови функционални черти, които поддържат предоставянето на тези услуги.

Подпомагане и предоставяне на услуги на чревния микробиом в ранен живот

В допълнение към ролята си на пионерни субстрати в червата, органичните киселини и SCFA могат да влязат в кръвообращението и директно да повлияят на мастната тъкан, мозъка и черния дроб (69–71). Предполага се, че ацетатът има важна роля за предизвикване на противовъзпалителни ефекти чрез модулация на регулаторните Т-клетки и противовъзпалителни цитокини (70), както и за подобряване на целостта на лигавиците в червата, което води до защита от инфекциозни заболявания при животните модели (64). Лактатът преминава през кръвно-мозъчната бариера и функционира като модулатор на невронната активност и се транспортира активно от епителните клетки на червата (72–74). Ацетатът и лактатът също са предшественици на бутирата, който има противотуморогенни и противовъзпалителни свойства и осигурява енергия на епителните клетки на червата (64). Като цяло, тези микробиално произведени органични киселини имат голямо влияние върху физиологията на гостоприемника. По този начин наличието на таксони, способни ефективно да метаболизират HMO в тези ключови метаболити, е от решаващо значение за предоставянето на основни екосистемни услуги, които могат да повлияят на краткосрочното и дългосрочното здраве на растящото бебе.

Устойчивостта на колонизация и стабилността са критично важни регулиращи услуги на микробиома на бебето в червата

Фигура 3. Характеристики на високо и ниско функциониращ микробиом на бебето, базиран на предоставяне на екосистемни услуги. (А) Ниско функционираща екосистема на микробиома на бебето, където ресурсите (HMO) се използват неефективно, което води до загубата им в изпражненията (17) и потенциално кръстосано хранене с неадаптирани опортюнистични таксони. Разпространението на неадаптирани опортюнистични таксони води до загуба на стабилността на екосистемата и намалена функция на екосистемата, заедно с повишено изобилие от фактори на вирулентност и гени за резистентност към антибиотици (82, 84, 85). Свръхрастежът на разграждащи слуз бактерии и повишените нива на ендотоксин компрометират чревната бариера, което води до хронично чревно възпаление и/или повишена чувствителност към бактериална транслокация (5, 89, 90). (Б) Високо функциониращ чревен микробиом, при който функциите и стабилността на екосистемата се поддържат във времето, следствие от увеличаването на биомасата на B. infantis. HMO се използват ефективно от B. infantis и се превръща в клетъчна биомаса, органична и SCFA. Производството на органични и SCFA намалява луминалното рН (17), създавайки неблагоприятна среда за опортюнистични таксони, включително вирулентни, устойчиви на антибиотици и муколитични бактерии.

Интегриране на екосистемните услуги в оценката на микробиома на бебето в червата

Приложение на модела за оценка на симбиозата между Б. Infantis и кърменото бебе

Всички данни показват, че човешките бебета са се превърнали в партньор с ключови симбиотични чревни бактерии, специализирани в метаболизирането на предоставени от домакина ресурси под формата на HMO; обаче с времето се появява ролята на B. infantis и въздействието на липсата му от червата на бебето са замъглени, вероятно поради загубата на B. infantis предшества появата на инструменти с висока разделителна способност за изследване на чревния микробиом. Например значителната фекална екскреция на HMOs и високото фекално рН не се считат за ненормални, а значителната нестабилност на чревната микробна екосистема се счита за нормална в ранния живот (33). Историческите данни обаче показват, че бифидобактериите са били по-разпространени сред популациите на новородените в развитите нации, отколкото сочат съвременните доклади (105), а корелативни данни от големи кохортни проучвания показват, че липсата на този ключов симбионт има важни отрицателни остри и хронични последици за здравето по време на критична етап на развитие (2, 4, 103, 104, 106).

Какви са острите и хронични здравни последици от отсъствието на Б. Infantis в Детското черво?

Интересното е, че на географски места, където честотата на кърмене е висока и вагиналните раждания са широко разпространени, Bifidobacterium обикновено е в изобилие от бебешки микробиоми (66, 114, 115). За разлика от тях, чревните общности на бебетата в развитите страни са до голяма степен нестабилни и силно променливи (25, 111) и разпределението на Bifidobacterium е по-специално бимодален (26). Тази вариация е ясно очевидна при скорошно сравнение на чревния микробиом на бебета в географски сходни, но различни в развитието места, в които нивото на Bifidobacterium е установено, че е по-висока при бебета в по-ограничени ресурси, което корелира с намалена честота на автоимунни и алергични заболявания (2). Заедно тези открития повдигат въпроса дали съвременният микробиом на червата на бебето е бил основно променен от този на нашите предци и как загубата на ключови симбиотични видове и произтичащите от това нарушения в имунното развитие могат да бъдат свързани с повишената честота на метаболизма, автоимунната и алергични заболявания, наблюдавани днес в развитите страни.

Уместност, приложения и ограничения на модела

С нарастващото признаване на ролята на микробиома в човешкото здраве, включването на микробиом-базирана диагностика неизбежно ще се превърне в рутина. В действителност понастоящем редица търговски тестове са достъпни за широката общественост и от лекарите се изисква все повече да интерпретират докладите от тестовете. Понастоящем обаче ни липсва „златен стандарт“ за това, което представлява здравословен микробиом. Тук ние предложихме антропоцентричен модел, при който микробиомната функция на червата се определя по отношение на екосистемните услуги, които в крайна сметка са в полза на бебето. По този начин, съставът на микробиомите може да бъде оценен обективно по отношение на приноса му за здравето на приемника, улеснявайки тълкуването от здравните специалисти. Освен това, свързването на функционални черти със специфични екосистемни услуги може да подпомогне както развитието на прогностични инструменти за функцията на микробиома на бебето, така и пробиотичните интервенции, насочени към възстановяване на екосистемните услуги на микробиома на бебето в червата.

И накрая, надяваме се, че тази работа насърчава областта да предложи аналогични модели, които включват екологична теория и проверими рамки за идентифициране на микробиомните характеристики, благоприятни за здравето или болестите.

Принос на автора

RD, BH, GC и SF изготвиха и написаха този ръкопис. Всички автори са отговорни за идеята, критичната оценка и прегледа на ръкописа.

Конфликт на интереси

RD, BH, GC и SF са наети от Evolve BioSystems, Inc.