Josiane L. Broussard

1 Лаборатория за сън и хронобиология, Катедра по интегративна физиология, Университет на Колорадо Боулдър, Боулдър, Колорадо, САЩ

пейзаж

Сузане Девкота

2 Фондация „Изследователски институт за възпалителни черва и имунобиология“ на Фондация „Widjaja“, Медицински център „Cedars-Sinai“, Лос Анджелис, Калифорния, САЩ

Резюме

Заден план

Последните 50–100 години са белязани от рязкото нарастване на така наречените „западни болести“ в онези страни, които са претърпели голям индустриален напредък и промени към урбанизирания живот. Тези заболявания включват затлъстяване, диабет тип 2, възпалителни заболявания на червата и хранителни алергии, при които хроничната дисрегулация на метаболитните и/или имунните процеси изглежда е свързана и вероятно е страничен продукт от новите влияния на околната среда върху нашия древен геном. Това, което сега оценяваме, е, че този геном се състои както от човешки, така и от съ-еволюирали микробни гени на трилионите микроби, обитаващи нашето тяло. Заедно взаимодействията гостоприемник-микроби могат да се определят от променящите се диети и поведения на западния начин на живот, влияещи върху етиопатогенезата на болестите от „нова епоха“.

Обхват на прегледа

Този преглед възприема антропологичен подход към потенциалното взаимодействие на гостоприемника и чревния му микробиом в пост-индустриализационния възход при хронични възпалителни и метаболитни заболявания. Дискусията подчертава както промените в диетата и физическата среда, които са възникнали едновременно с тези заболявания, така и най-новите доказателства, демонстриращи ролята на взаимодействията между гостоприемника и микробите при разбирането на биологичните реакции на променящата се среда.

Основни заключения

Технологичният напредък, довел до промени в селското стопанство и инженерството, промени поведението ни на хранене и живот по начини, които никога преди не са били възможни в човешката история. Тези промени също са променили бактериалните съобщества в човешкото тяло по начини, които изглежда са свързани с появата на много чревни и системни метаболитни и възпалителни заболявания. Прозренията за механизмите на този взаимен обмен между околната среда и микробиома на човешките черва могат да дадат потенциал за отслабване на хроничните здравословни състояния, които нарушават качеството на живот. Тази статия е част от специален брой за микробиотата.

1. Въведение

В началото на 19-ти век бележи началото на индустриалната революция в Съединените щати, водеща както до културни, така и до икономически промени. Производството и индустрията са променили начина, по който хората взаимодействат и се държат във физическата среда. Хранителното поведение и предпочитанията се изместиха към удобството, опаковката и вкуса. Сънят вече може да се манипулира чрез изкуствено осветление, а трудът и обитаването се превърнаха предимно в дейности на закрито. Докато индустриализацията и съвременната медицина почти премахнаха смъртните случаи от остри инфекциозни заболявания и увеличиха средната продължителност на живота, те също така създадоха нова ера на заболяването, белязана от субакутна, хронична дисрегулация на метаболитните и имунологични процеси. Диабетът, затлъстяването, хранителните алергии и възпалителните заболявания на червата са сред негативните последици за здравето, чието нарастване на разпространението по време на индустриализацията е свързано със съвременните диети и нашите стерилни, произведени местообитания [1], [2].

В нарастването на тези заболявания участват множество фактори. Нараства обаче оценката за приноса на естествената бактериална среда на индивида за сложността на тези заболявания. Бактериите в човешкото тяло и гените, които притежават, колективният микробиом, играят важна роля в развитието на образованието на чревната имунна система [3]. За имунното развитие са необходими специфични видове бактерии и в ранните етапи от живота тези бактерии са придобити от майката и околната среда [4]. Поради това е важно да се помисли дали промените в нашата физическа среда през новата история са довели до промяна в бактериалните общности. Относителната роля на нашия микробиом в човешкото здраве и болести и адаптивната му еволюция към „уестернизацията“ вероятно ще съдържа важни, идентифицируеми улики за етиопатогенезата на съвременните заболявания.

2. Еволюция на западната диета и микробна селекция

2.1. Западните диетични тенденции

Еволюцията представлява непрекъснато взаимодействие между генома на индивида и околната среда в продължение на няколко поколения. Когато околната среда остава относително постоянна, се запазват генетични признаци, които представляват оптимално оцеляване за популацията като цяло. Тъй като условията на околната среда се променят, насоченият подбор премества средния геном на популацията към нова норма. Лицата, притежаващи предишния оптимален геном, изпитват еволюционно несъответствие между генома и околната среда, което се проявява фенотипично като повишена заболеваемост и смъртност и намалена репродуктивна годност [5].

Има доказателства, че значителните диетични промени, настъпили с въвеждането на земеделие и животновъдство, са настъпили твърде скоро в еволюционна времева скала, за да може човешкият геном да се адаптира успешно [6]. Резултатът от това несъответствие между нашата древна, генетично детерминирана биология и диетичните модели на днешните западни популации е безбройните така наречени „ню ейдж” заболявания, характеризиращи се с хронични състояния на метаболитно разстройство и заблудени имунни отговори [7], [8], [9].

Преди развитието на земеделието и животновъдството, ранните предци, диетичният избор на хората е бил ограничен до минимално преработени, диви растителни и животински храни. Въпреки това, с първоначалното опитомяване на растения и животни, първоначалните характеристики на хранителните вещества на тези предишни диви храни се променят, първоначално едва доловимо, но по-бързо с напредването на технологиите след индустриалната революция [10]. Освен това появата на селското стопанство въвежда нови храни като основни продукти, за които човешкият геном има малко еволюционен опит. Млечните храни, зърнените култури, рафинираните захари, рафинираните растителни масла, алкохолът, солта и мастните опитомени меса не присъстват в диетата преди земеделието. Сега те съставляват основните съставки на типичната западна диета след селското стопанство и се консумират с калориен излишък. Количествата на трите основни макронутриенти, въглехидрати, мазнини и протеини, станаха изкривени в западната диета и техният състав се промени драстично [11].

Например в САЩ консумацията на глава от населението на всички рафинирани захари през 2000 г. е 69 кг, докато през 1970 г. тя е 56 кг [12]. Тази 30-годишна тенденция за увеличена консумация на захар е представителна за много по-голяма световна тенденция. Например потреблението на рафинирана захароза на глава от населението в Англия нараства непрекъснато от 6,8 кг през 1815 г. до 54,5 кг през 1970 г. [13]. Подобни тенденции са отчетени по време на индустриалната ера за други държави в Северна Европа [14]. Тези промени в консумацията на захар се отразяват не само в количеството, но и във все по-преработения характер на консумираните захари. С появата на хроматографска технология за обогатяване на фруктоза в края на 70-те години стана икономически целесъобразно производството на високофруктозен царевичен сироп (HFCS) в масово количество [15]. През 1970 г. от консумираните 56 кг захар на глава от населението 46,2% идват от захароза и 0,2% идват от HFCS, докато през 2000 г. от 69,1 kg на глава от населението 29,8% идват от захароза и 28,9% идват от HFCS [12]. С индустриализацията дойде не само преработката и усъвършенстването на захари, но и на мазнини и това се доказва най-вече от използването на рафинирани растителни масла.

През периода от 1909 до 1999 г. настъпва поразително нарастване на употребата на растителни масла. Потреблението на салата и олио за готвене, мазнини и маргарин на глава от населението се увеличава съответно със 130%, 136% и 410% [11]. Тези тенденции станаха възможни благодарение на индустриализацията и механизацията на маслодайната индустрия. Появата на механично задвижвани стоманени експулси и процеси на екстракция на хексан позволиха по-голяма производителност на растителни масла в световен мащаб, докато новите процедури за пречистване позволиха използването на нетрадиционно консумирани масла, като памучни семена [16]. Новите производствени процедури позволиха на растителните масла да придобият нетипични структурни характеристики [17]. В резултат на това широкомащабното добавяне на рафинирани растителни масла към световните доставки на храни след Индустриалната революция дълбоко промени много аспекти на приема на мазнини.

2.2. Отговорите на чревния микробиом към западните и незападните диети

Този технологичен напредък на хранителната промишленост вероятно е несравним във всяка друга точка от нашата биологична история и следователно не е случайно, че метаболитните и възпалителни заболявания на западните популации бързо са се увеличили. Ако в гостоприемника възникне несъответствие между гените и околната среда, същото вероятно е вярно и за микробиотата в чревната среда. Всъщност доказателствата за несъответствие в чревния микробиом се подкрепят от множество проучвания, изследващи микробиоми от местни популации на множество континенти с местни диетични практики. Yatsunenko et al. демонстрира, че чревната микробиота на индивиди в Съединените щати е далеч по-малко разнообразна от микробиотата на местните популации на Амазония и Малави. Повишеното бактериално разнообразие в червата обикновено се приема като маркер за здравето. В американските черва не само има по-малко микробно разнообразие, но и съставът на бактериите е различен [18]. Поразително е, че микробните разлики в богатството и разнообразието се появяват след отбиването при адаптиране към местната диета [18].

По подобен начин, скорошно проучване сравнява микробиомите на пигмеите БаАка в Централна Африка, местно население на ловци и събирачи, със съседната им земеделска общност Банту, представляваща „преходен“ хранителен режим, който е комбинация от древна диета на ловец-събирач и съвременната дневни диети на индустриализираните нации. Докато относително малка група от проучвания от 29 индивида от всяка група, данните за секвениране разкриват, че съставът на чревната микробиота на пигмеите BaAka е по-подобен на известния състав на дивите примати, докато съставът на Bantu е по-подобен на западните микробиоми [19]. Авторите предполагат, че тези популации могат да изяснят промените, настъпили в микробиома на човешките черва в отговор на променящите се селскостопански и диетични практики и произтичащата от това съвременна западна диета.

Една от възможните механистични основи за тези потенциално вредни микробни промени може да бъде намалената консумация на микробно достъпни въглехидрати (MAC) под формата на храни, богати на фибри. Sonnenburg и сътр. демонстрира, че при гризачите намалената консумация на MAC през следващите поколения може да доведе до пълна загуба на цели родове или видове микробиоти, подчертавайки, че „нездравословните“ микробиоми могат да бъдат наследени трайно, ако диетите продължават да губят фибрен компонент. Още по-фрапираща беше констатацията, че повторното въвеждане на MAC в диетата не е в състояние да възстанови изгубените видове в по-голяма и по-голяма степен с всяко следващо поколение, което предполага изчезване от чревната микробиота [20], [21]. Дългосрочните последици от изчезването на специфични видове не са известни, но значимо значение би било намаляване на бактериално произведените късоверижни мастни киселини (SCFA's) с течение на времето.

Отвъд червата, SCFA играят роля в системния метаболизъм, потенциално като сигнални молекули. Изследванията на гризачи са показали повишена активност на AMPK в черния дроб и скелетните мускули при прилагане на SCFA [29], [30], както и повишени PGC1-алфа и UCP1 в кафяв адипоз [29]. Полученото увеличение на термогенезата и окисляването на мастните киселини предполага, че предизвиканото от диетата затлъстяване може да бъде предотвратено от SCFA. Често обаче объркващ парадокс е, че ферментацията на MAC в цекума дава yield600 mmol SCFAs на ден, което води до производство на SCFA от 0,24–0,38 kg телесно тегло, което допринася ∼10% от човешките калории [31]. Следователно може да изглежда, че повишените SCFAs могат да доведат до увеличаване на наличните калории и наддаване на тегло. Всъщност проучвания с гризачи показват, че затлъстелият микробиом може да бъде по-способен да произвежда SCFAs [32], а проучванията при хора са установили, че концентрацията на SCFA в изпражненията е по-висока при затлъстели в сравнение с слаби индивиди [33]. Необходими са обаче по-задълбочени сравнителни проучвания, за да се изследва метаболитната съдба на SCFA във и извън червата при слаби и затлъстели индивиди, както и при западни и незападни диети, за да се направи заключение дали тези човешки SCFA ефекти са причина или ефект от наддаване на тегло.

5. Заключения

Финансиране

Тази работа беше подкрепена от Общество в науката, Стипендия Бранко Вайс, администрирана от ETH Цюрих и Фондация за общество за изследване на съня.

Конфликт на интереси

Авторите нямат потенциални конфликти на интереси, свързани с тази статия.