A bél nyálkahártya integritását és a fertőzésekkel szembeni ellenállást befolyásoló étrend-mikrobi-gazda kölcsönhatások

Absztrakt

A gyomor-bél traktus mikrobioma kritikus szerepet játszik a gazdaszervezet veleszületett és adaptív immunválaszainak szabályozásában a patogén baktériumok ellen. A betegséggel járó diszbiózis és a környezet által kiváltott sértések, például az antibiotikum-kezelések fokozottan hajlamosak a fertőzésekre, különösen kórházi körülmények között. Az étrendi beavatkozás a rendelkezésre álló legnagyobb eszköz a mikrobiom módosítására és a kórokozókkal szembeni rezisztencia támogatására. Néhány étrendi komponens fenntarthatja az egészséges, betegségekkel szemben rezisztens mikrobiomot, míg mások hozzájárulhatnak az egyensúlyhiányos mikrobiális populációhoz, rontva a bélsorompó funkcióját és immunitását. Az étrendi összetevők hatásainak jellemzése a gazda-mikroba tengelyen keresztül, mivel ez kapcsolódik a gyomor-bélrendszer egészségéhez, elengedhetetlen a bizonyítékokon alapuló étrendi beavatkozások biztosításához a fertőzések enyhítésére. Ez a felülvizsgálat kitér az étrendi összetevők (szénhidrátok, rostok, fehérjék, zsírok, polifenolos vegyületek, vitaminok és ásványi anyagok) hatására a bél integritására, és kiemeli azok képességét a gazda-mikroba kölcsönhatások modulálására a kórokozókkal szembeni ellenállás javítása érdekében.

Bevezetés

A fertőző bélbetegségek világszerte a morbiditás és a halálozás egyik fő okát jelentik, és különös aggodalomra adnak okot kórházi környezetben és a fejlődő országokban. Az Egészségügyi Világszervezet szerint a fertőző bélbetegségek az első tíz halálozási ok közé tartoznak, ami 2010-ben világszerte több mint kétmilliárd esethez és egymillió halálhoz vezet (1). A behatoló kórokozókkal szembeni gazda rezisztencia megköveteli a gyomor-bél környezet szigorú szabályozását, amelyet a gazda immunrendszere és a mikrobiom közötti szinergikus kapcsolat tart fenn. A befogadó bél homeosztázisának megzavarása, beleértve az étrend, a stressz, az antibiotikum- és gyógyszerkezelés, az allergia, a rák és a kapcsolódó betegségek sértését, a gazdaszervezet sebezhetővé válhat az enterális kórokozókkal szemben (2). Jól ismert, hogy az étrend fontos szerepet játszhat az egészségben azáltal, hogy pozitívan és negatívan alakítja a gyomor-bélrendszer ökológiáját (3, 4), ezért kiemelt figyelmet kell fordítania a fertőzés súlyosságának enyhítésére.

Bár az emberek hatékony higiéniai gyakorlatokkal sikeresen csökkentették a kórokozók expozícióját, feltételezhetően a „nyugati étrend” elfogadása, a túlzott higiénia és a testmozgás hiánya hozzájárult az autoimmun rendellenességek növekedéséhez (5). A „nyugati étrendet” a túlzott zsír-, fehérje-, finomított cukor- és alacsony étkezési rostfogyasztás jellemzi. Más étrendi szokások, például a mediterrán, vegetáriánus, japán és ketogén típusú étrendek pozitívan szabályozhatják az immunreakciót az immunaktivitás csökkentése és az egészség támogatása érdekében (6). Az étrendre vonatkozó emberi epidemiológiai vizsgálatok azonban általában kizárják a gyomor-bélrendszer mikrobiotáját irányító fontos, az egyének közötti eltéréseket, és megmagyarázhatják azokat a különféle állításokat, amelyekre az ételek „védő” és „káros” néven ismertek (7). Az egyes étrendkomponensek közötti mechanisztikus kapcsolat létrehozása a mikroba-gazda interakciók segítségével elősegíti a túlaktív immunválasz kezelésének bizonyítékokkal vezérelt ajánlásokat.

A túlaktív immunrendszer olyan autoimmun rendellenességekkel jár, mint az irritábilis bélbetegség (IBD), amelyek befolyásolják a gazdaszervezet immunaktivitását, és a fertőzés fokozott előfordulásához vezetnek (8, 9). Hasonlóképpen, a „nyugati étrendek” kimutatták, hogy fokozzák az egerek Escherichia coli kolonizációját és a kapcsolódó gyulladásokat a gazda nyálka rétegének megváltoztatásával, a bél áteresztőképességének növelésével és az immunfunkció károsodásával (10). Az étrendi rostok és más mikrobiotához hozzáférhető szénhidrátok (MAC-ok) kulcsfontosságú elemek hiányoznak a „nyugati étrendből”, amelyek újbóli bevezetése jótékony egyensúlyt biztosít a fogadó egészség és a mikrobiom számára (11). A rostot kimerítően tanulmányozzák mikrobiális fermentációs szubsztrátként, amely rövid láncú zsírsavakat (SCFA) termel, ismert előnyökkel a bél homeosztázisának és egészségének szempontjából (12). Attól tartunk azonban, hogy a rosttal társult SCFA-termelés jótékony hatásaira való összpontosítás arra késztette a kutatókat, hogy figyelmen kívül hagyják az egyéb olyan általános étrendi összetevőket, amelyek pozitívan vagy negatívan befolyásolhatják a fogadó emésztőrendszert és az egészséget.

A diétás beavatkozást értékes eszköznek kell tekinteni a gazda-mikroba tengely manipulálására, amely elősegíti a bél homeosztázisának és a fertőzésekkel szembeni ellenálló képesség fenntartását. Az olyan étrendi összetevők, mint a szénhidrátok, lipidek, fehérjék, fitokemikáliák, ásványi anyagok és vitaminok, mind egyedülálló szerkezeti és kémiai (fizikai-kémiai) tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek a mikrobiomon keresztül közvetlenül és közvetve befolyásolják a gazda kórokozóinak ellenállását. Az étrend, a gazdaszervezet és a mikrobiom közötti különbség áthidalása, mivel kapcsolódnak az immunitáshoz és a betegségekkel szembeni rezisztenciához, sokrétű terület, amely megköveteli a bél homeosztázisára gyakorolt együttes hatásuk megértését (1. ábra). Ez az áttekintés a közös táplálkozási összetevők szerepét vizsgálja a gazda-mikroba kölcsönhatásokban, amelyek modulálják a gazda rezisztenciáját és toleranciáját a gyakori fertőző betegségek iránt. Kiemeljük az eredmények javításának lehetőségét, ugyanakkor elismerjük, hogy a jelenlegi ismeretek korlátozzák a konkrét étrendi tanácsadás lehetőségét. Ezt részben korlátozza az a tény, hogy az étrendre összpontosító fertőzésrezisztencia-kutatások szűkösek és nehezen fordíthatók az emberek számára.

Az étrend hozzájárul a mikrobiota, a gazdaszervezet és a kórokozó közötti összefonódó mechanizmusok fekete dobozához, amelyeket még meg kell tisztázni.

A GALT és a Microbiome szabályozza a gazdavédelmet

A bélhez kapcsolódó limfoid szövet (GALT) kulcsfontosságú szerepet játszik a bél homeosztázisának szabályozásában, és nyirokcsomókból, lamina propriaból és hámsejtekből áll, amelyek együttesen védőgátat és immunvédelmet biztosítanak a befogadó kórokozókkal szemben (13). Másrészt a mikrobiota olyan fizikai jelenlétet biztosít, amely közvetlenül megakadályozhatja a kórokozók kolonizációját azáltal, hogy verseng a kötődési helyekért vagy a tápanyagforrásokért. Közvetett módon a mikrobiota segít javítani a gazda rezisztenciáját azáltal, hogy modulálja a bél integritását a nyákrétegen, a szoros kapcsolódási fehérjéken és az antimikrobiális peptideken (AMP-k: katelicidinek, C-típusú lektinek és defenzinek) keresztül (14, 15). A serlegsejtek által kiválasztott nyálkahártyák biztosítják az első védelmi vonalat azáltal, hogy erősen glikozilezett és összekapcsolt fehérjékből álló fizikai akadályt képeznek a luminalis baktériumok és a gazdasejt hámsejtjei között (16). A nyákréteg síkosító anyagot biztosít, és a lazán csatlakozó réteget képező mucinbontó (mukolitikus) baktériumok metabolizálják, míg a tapadó réteg megfelelő formában biztosítja a bél homeosztázisát fenntartó AMP-k és immunfaktorok egyensúlyát (18).

Az étrend és az immunaktivitás terhelése (allergia, rák, egyéb betegség stb.) Meghatározza a gazda bél integritását a betolakodó kórokozókkal szemben. Az étrend közvetlenül befolyásolja a bél integritását az IEC-k, az ILC-k és a mikrobiális közösségek stimulálásával, és közvetett módon a mikrobiális fermentációs melléktermékek (SCFA-k, H2S stb.) Révén. A gazdaszervezet és a mikrobiális populáció közötti szimbiózis fenntartása érdekében kiegyensúlyozott étrendet követõ egészséges egyén fokozta a bél integritását vastag belsõ és külsõ nyálka réteggel, amely megtartja az AMP-ket és más vegyületeket, hogy megvédje a gazdaszervezetet a kórokozó kolonizációjától (A). A megnövekedett immunaktivitással rendelkező beteg gazdaszervezet fenntartja a szimbiózist olyan táplálkozási összetevők fogyasztásával, amelyek megvédik és fokozzák a gazdaszervezet veleszületett védekezőképességét (IgA, AMP-k, nyálka, fukoziláció) és adaptív immunválaszokat a kórokozó-kolonizáció megakadályozására (B). Mivel a rossz táplálkozást fogyasztó, megnövekedett immunaktivitású betegek hajlamosabbak az enterális fertőzésekre a károsodott gazda védekezés miatt, amelyek nem tudják ellenőrizni a diszbiotikus bélkörnyezetet (C).

Szénhidrátok

Az étrendi szénhidrátokat gyakran polimerizációs fokuk szerint osztályozzák mono-, di-, oligo- vagy poliszacharidokká, valamint monoszacharidjaik összetétele: glükóz, fruktóz, galaktóz és xilóz. A szénhidrátokat általában emészthető vagy emészthetetlen (rost) kategóriákba sorolják. A szénhidrátok megkötése és szerkezeti tulajdonságai diktálják a glükozidáz enzimeket, amelyek szükségesek ahhoz, hogy a kötések az abszorpcióhoz alapvető egységeikre szakadjanak (32). Az emészthető szénhidrátok, amelyek elkerülik a vékonybél emésztését, az élelmi rostokkal együtt mikrobiális szubsztrátként válnak elérhetővé, és képesek jelentősen megváltoztatni a bél ökoszisztémáját és a közösség szerkezetét (33).

Élelmi rost

A különféle nem emészthető rostok egészségre és mikrobiotára gyakorolt hatásait alaposan áttekintjük (12, 45, 46). Az élelmi rost általában módosíthatja a gyomor-bél traktus működését a széklet ömlesztésével és közvetett módon a mikrobiális közösség szerkezetének módosításával, valamint a mikrobiális biomassza és fermentációs termékek növelésével (45). A rost fermentáció előnyös SCFA-khoz vezet (főleg acetát, propionát és butirát), de nemkívánatos gázokhoz is, például szén-dioxidhoz, hidrogénhez és metánhoz (56). A fokozott gáztermelés, a széklet ömlesztése és a késleltetett gyomorürülés sok embernél kellemetlen érzéshez, puffadáshoz és lepedékhez vezethet (45). A mikrobiális fermentációs termékek, például az SCFA-k kölcsönhatásba lépnek a bélhámmal bizonyos védekezési mechanizmusok elősegítése érdekében. Különösen a butirát mikrobiális termelése nyújt energiaszubsztrátot a hámsejtekhez (57), fenntartja a hipoxiás környezetet (58), és elősegíti a jobb gátfunkciót a hipoxia által indukálható faktor (HIF) révén (59). A HIF transzkripciós faktor indukciója ezután stimulálja a downstream jelátvitelt, hogy növelje a nyáktermelést (60) és az AMP-k expresszióját (61), ami végül segít minimalizálni a fakultatív patogén növekedést.

Általában a növekvő rost megváltoztatja a mikrobiomot és javítja a gyomor-bél egészségét. Mint korábban említettük, a magas rosttartalmú élelmiszer-források vagy kiegészítők fogyasztásának előnyei egyediek, és gondosan ellenőrizni kell a mellékhatásokat.

A zsírok elengedhetetlen étrendi makrotápanyagok, amelyeket kritizáltak és általában elkerülnek a fejlett országokban a súly, a koleszterinszint és a szív- és érrendszeri betegségek kockázatának csökkentése céljából. A zsírkerülés és az egyszerű szénhidrátok utáni támaszkodás a csökkentett energiafelhasználású kalóriabevitelhez vélhetően hozzájárult az elhízás nem kívánt növekedéséhez világszerte (87). Egészséges egyénekben a legtöbb zsír emulgeálódik és felszívódik a vékonybélben; azonban a bélfeszültség feleslegében és közben a zsír a vastagbél felé utazhat, mint a mikrobiota szubsztrátja (88). Emberi és állatkísérletek kimutatták, hogy a bélmikrobák képesek megváltoztatni a gazda homeosztázisát számos metabolit révén, beleértve a rákkeltő és a citotoxikus másodlagos epesavakat (89). A mikrobiota hatása a gazda homeosztázisára a máj lipid- és epe-anyagcseréjének megváltozásán, a fordított koleszterin transzporton, az energiafelhasználáson és az inzulinérzékenységen keresztül történik a perifériás szövetekben (90). Ebből a szempontból az étrendi lipidek képesek közvetlenül befolyásolni a gazdaszervezetet és a mikrobiomot, míg a mikrobiomon és metabolitjaikon keresztül közvetett módon megváltoztatják a gazdaszervezet homeosztázisát.

Fehérje

A fehérje homeosztázis döntő fontosságú a gazda egészsége, fiziológiája és immunfejlesztése szempontjából, amelyek együttesen elősegítik a kórokozókkal szembeni gyors hatású immunválaszt. Az étrendi fehérje és aminosavak szerepét a táplálék alultápláltságával és a kórokozók kölcsönhatásával kapcsolatos gazdaszervezet immunfunkcióiban alaposan áttekintették (101, 102). Az aminosavak fő szerepet játszanak az immunsejtek aktivációjának, a sejt redox homeosztázisának, a limfociták proliferációjának, valamint a citokinek, citotoxinok és antitestek termelésének szabályozásában (101). A fehérjehiányról köztudott, hogy károsítja az immunitást és a fertőzésekkel szembeni ellenállást, különösen stressz és betegség idején, a fehérje felszívódásának és a fehérjefogyasztási folyamatoknak, például a szövetek helyreállításának köszönhetően (103). Kimutatták, hogy a fehérje hiány súlyosbítja a parazita Cryptosporidium fertőzéseket egerekben a kiindulási (elsődleges) Th1 típusú nyálkahártya immunitás megzavarása révén (104). Ezenkívül a fehérje nélkülözött étrend a mikrobiotától függetlenül csökkentette a vékonybél makrofág proliferációját és az IL-10 termelését (105).