A nyugati társadalom változó mikrobiális tája: étrend, lakások és diszkordancia

Josiane L. Broussard

1 Alvási és kronobiológiai laboratórium, Integratív Élettani Tanszék, Colorado Egyetem Boulder, Boulder, CO, USA

Suzanne Devkota

2 F. Widjaja Alapítvány gyulladásos bél- és immunbiológiai kutatóintézete, Cedars-Sinai Orvosi Központ, Los Angeles, Kalifornia, USA

Absztrakt

Háttér

Az elmúlt 50–100 évet az úgynevezett „nyugati betegségek” meredek növekedése jellemezte azokban az országokban, amelyek jelentős ipari előrelépéseket és elmozdulásokat tapasztaltak az urbanizált élet felé. Ezek a betegségek magukban foglalják az elhízást, a 2-es típusú cukorbetegséget, a gyulladásos bélbetegségeket és az ételallergiákat, amelyekben az anyagcsere és/vagy immunfolyamatok krónikus szabályozatlansága vesz részt, és valószínűleg ősi genomunk új környezeti hatásainak melléktermékei. Amit most értékelünk, az az, hogy ez a genom a testünkben élő billió mikrobák emberi és együtt fejlődő mikrobiális génjeiből áll. A gazda – mikroba kölcsönhatásokat együttesen meghatározhatja a nyugati életmód változó étrendje és viselkedése, befolyásolva az „újkori” betegségek etiopatogenezisét.

A felülvizsgálat hatálya

Ez az áttekintés antropológiai megközelítést alkalmaz a gazda és bélmikrobiomjának lehetséges kölcsönhatásairól a krónikus gyulladásos és anyagcsere-betegségek posztindusztrializációs növekedése során. A megbeszélés rávilágít az étrendben és a fizikai környezetben bekövetkezett változásokra, amelyek együtt jártak ezekkel a betegségekkel, valamint a legfrissebb bizonyítékokkal, amelyek bemutatják a gazda-mikroba kölcsönhatások szerepét a változó környezetre adott biológiai válaszok megértésében.

Főbb következtetések

Az olyan technológiai fejlődés, amely a mezőgazdaság és a műszaki fejlődés változásaihoz vezetett, olyan módon változtatta meg étkezési és életmódbeli viselkedésünket, ahogyan az emberiség történetében még soha nem volt lehetséges. Ezek a változások olyan módon is megváltoztatták az emberi test baktériumközösségeit, amely látszólag számos bélrendszeri és szisztémás anyagcsere- és gyulladásos betegség kialakulásához kapcsolódik. A környezet és az emberi bél mikrobiomjának kölcsönös cseréjének mechanizmusaiba való betekintés potenciálisan felkínálhatja az életminőséget lesikló krónikus egészségi állapotokat. Ez a cikk a mikrobiotával foglalkozó különszám része.

1. Bemutatkozás

A 19. század elején kezdődött az ipari forradalom az Egyesült Államokban, amely kulturális és gazdasági elmozdulásokat eredményezett. A gyártás és az ipar megváltoztatta az emberek interakcióját és viselkedését a fizikai környezetben. Az étkezési szokások és preferenciák a kényelem, a csomagolás és az ízlés felé mozdultak el. Az alvás ma már mesterséges megvilágítással is manipulálható, és a munka és a tartózkodás elsősorban beltéri tevékenységgé vált. Míg az iparosítás és a modern orvostudomány szinte kiküszöbölte az akut fertőző betegségek okozta halálozásokat és az átlagos élettartam növekedését, a betegség új korszakát is létrehozták, amelyet az anyagcsere és az immunológiai folyamatok szubakut, krónikus diszregulációja jellemez. A cukorbetegség, az elhízás, az ételallergia és a gyulladásos bélbetegségek az egészségre gyakorolt negatív következmények közé tartoznak, amelyek előfordulásának növekedése az iparosodás során a modern étrendhez és a steril, előállított élőhelyeinkhez kapcsolódik [1], [2].

E betegségek kialakulásában több tényező is szerepet játszik. Azonban egyre inkább felértékelődik az egyén őshonos bakteriális közegének hozzájárulása e rendellenességek összetettségéhez. Az emberi testben található baktériumok és a birtokukban lévő gének, a kollektív mikrobiom fontos szerepet játszanak a bél immunrendszerének nevelésében [3]. Az immunfejlődéshez specifikus baktériumfajokra van szükség, és az élet korai szakaszában ezek a baktériumok anyai és környezeti szempontból megszerezhetők [4]. Ezért fontos megfontolni, hogy a közelmúltbeli fizikai környezetünkben bekövetkezett változások a bakteriális közösségek elmozdulásához vezettek-e. Mikrobiomunk relatív szerepe az emberi egészségben és a betegségekben, valamint adaptív evolúciója a „nyugatiasodáshoz” valószínűleg fontos, azonosítható nyomokat fog hordozni a modern betegségek etiopatogenezisében.

2. A nyugati étrend és a mikrobiális szelekció alakulása

2.1. Nyugati étrendi trendek

Az evolúció az egyén genomja és környezete közötti folyamatos kölcsönhatást jelenti több generáció során. Ha a környezet viszonylag állandó marad, akkor megmaradnak azok a genetikai tulajdonságok, amelyek az egész populáció számára optimális túlélést jelentenek. A környezeti viszonyok elmozdulásával az irányított szelekció az átlagos populációs genomot egy új norma felé mozgatja. Azok az egyének, akik korábban optimális genommal rendelkeztek, evolúciós különbségeket tapasztalnak a genom és a környezet között, amely fenotípusosan fokozott morbiditásként és mortalitásként, valamint csökkent reprodukciós alkalmasságként nyilvánul meg [5].

Bizonyíték van arra, hogy a mezőgazdaság és az állattenyésztés bevezetésével bekövetkezett jelentős étrendi változások evolúciós időskálán túl későn történtek, hogy az emberi genom sikeresen alkalmazkodhasson [6]. Az ősi, genetikailag meghatározott biológiánk és a mai nyugati populációk táplálkozási szokásai közötti ezen ellentmondások eredménye a számtalan úgynevezett „újkori” betegség, amelyekre a metabolikus zavar és a téves immunválaszok krónikus állapota jellemző [7], [8], [9].

A mezőgazdaság és az állattenyésztés fejlődése előtt, a korai ősöknél, az emberek étrendi választása a minimálisan feldolgozott, vadon élő növényi és állati ételekre korlátozódott. A növények és állatok kezdeti háziasításával azonban e korábban vadon élő élelmiszerek eredeti tápanyagjellemzői eleinte finoman, de az ipari forradalom után haladó technológiával gyorsabban megváltoztak [10]. Ezenkívül a mezőgazdaság megjelenése olyan új ételeket vezetett be, mint olyan alapanyagokat, amelyek esetében az emberi genomnak kevés evolúciós tapasztalata volt. A tejtermékek, a gabonafélék, a finomított cukrok, a finomított növényi olajok, az alkohol, a só és a zsíros háziasított húsok nem voltak jelen a mezőgazdaság előtti étrendben. Most alkotják a poszt-agrár, tipikus nyugati étrend elsődleges alkotóelemeit, és kalóriatúlban fogyasztják őket. A három fő makrotápanyag, a szénhidrátok, a zsírok és a fehérjék mennyisége torzult a nyugati étrendben, és összetételük drámai módon megváltozott [11].

Például az Egyesült Államokban az összes finomított cukor egy főre eső fogyasztása 2000-ben 69 kg volt, míg 1970-ben 56 kg volt [12]. A megnövekedett cukorfogyasztásnak ez a 30 éves tendenciája sokkal nagyobb globális tendenciát képvisel. Az egy főre jutó finomított szacharózfogyasztás például Angliában folyamatosan emelkedett az 1815-ös 6,8 kg-ról 1970-ben 54,5 kg-ra [13]. Hasonló tendenciákról számoltak be az ipari korszakban Észak-Európa más nemzetei esetében is [14]. A cukorfogyasztás ezen változásai nemcsak a mennyiségben, hanem az elfogyasztott cukrok egyre feldolgozottabb jellegében is megmutatkoznak. A kromatográfiai fruktózdúsítási technológia megjelenésével az 1970-es évek végén gazdaságilag megvalósíthatóvá vált a magas fruktóz tartalmú kukoricaszirup (HFCS) tömegmennyiségben történő előállítása [15]. 1970-ben az egy főre elfogyasztott 56 kg cukor 46,2% -a szacharózból és 0,2% -a HFCS-ből származott, míg 2000-ben az egy főre eső 69,1 kg-ból 29,8% származott szacharózból és 28,9% HFCS-ből származott [12]. Az iparosítással nemcsak a cukrok, hanem a zsírok feldolgozása és finomítása is bekövetkezett, és ezt leginkább a finomított növényi olajok bizonyítják.

Az 1909 és 1999 közötti időszakban a növényi olajok felhasználása markánsan megnőtt. Az egy főre eső saláta- és étolajfogyasztás, a rövidítés és a margarin 130% -kal, 136% -kal és 410% -kal nőtt [11]. Ezeket a tendenciákat az olajos magvak iparosítása és gépesítése tette lehetővé. A mechanikusan meghajtott acélhajtók és a hexán-extrakciós folyamatok megjelenése nagyobb növényi olajtermelékenységet eredményezett az egész világon, míg az új tisztítási eljárások lehetővé tették a nem hagyományosan fogyasztott olajok, például a gyapotmag felhasználását [16]. Az új gyártási eljárások lehetővé tették, hogy a növényi olajok atipikus szerkezeti jellemzőket vegyenek fel [17]. Ennek eredményeként a finomított növényi olajok nagy mennyiségű hozzáadása a világ élelmiszerellátásához az ipari forradalom után mélyen megváltoztatta a zsírbevitel számos aspektusát.

2.2. Bélmikrobiómás válaszok a nyugati és a nem nyugati étrendre

Az élelmiszeripar ezen technológiai fejlődése valószínűleg nem volt hasonló biológiai történelmünk bármely más pontján, és ezért valószínűleg nem véletlen, hogy a nyugati populációk anyagcsere- és gyulladásos betegségei gyorsan növekedtek. Ha a gének és a környezet közötti eltérés a gazdaszervezetben fordul elő, akkor valószínűleg ez igaz a bélkörnyezet mikrobiotájára is. Valójában a bélmikrobiomában tapasztalható diszkordancia bizonyítékát több olyan tanulmány is alátámasztja, amelyek több kontinensen őshonos populációkból származó mikrobiómákat kutatnak őshonos táplálkozási gyakorlattal. Yatsunenko et al. kimutatta, hogy az Egyesült Államokban az egyének bélmikrobiotája sokkal kevésbé változatos, mint az ausztráliai és malawi őshonos populációk mikrobiotája. A bélben megnövekedett baktériumok sokfélesége általánosan elfogadott az egészség jelzőjeként. Az amerikai bélben nemcsak kevesebb a mikrobiális sokféleség, a baktériumok összetétele is különbözik [18]. Meglepő módon a gazdagságban és a sokféleségben rejlő mikrobiális különbségek az elválasztást követően jelentkeznek a natív étrendhez való alkalmazkodáskor [18].

Hasonlóképpen, egy nemrégiben készült tanulmány összehasonlította a közép-afrikai BaAka pigmeusok, az őshonos vadász-gyűjtögető populációk mikrobiomáit szomszédos mezőgazda bantu közösségükkel, amely egy „átmeneti” táplálkozási mintát képvisel, amely egy ősi vadász-gyűjtögető étrend és a modern az iparosodott nemzetek napi étrendje. Míg egy csoportból viszonylag kicsi, 29 egyénből álló vizsgálati kohorsz, a szekvenálási adatok azt mutatták, hogy a BaAka pigmeusok bél mikrobiotájának összetétele jobban hasonlít a vadon élő főemlősök ismert összetételére, míg a bantu összetétel inkább a nyugati mikrobiomákra [19]. A szerzők azt sugallják, hogy ezek a populációk fel tudják deríteni az emberi bél mikrobiómájában bekövetkezett változásokat, reagálva a fejlődő mezőgazdasági és táplálkozási gyakorlatokra és az ebből eredő modern nyugati étrendre.

E potenciálisan káros mikrobiális változások egyik lehetséges mechanisztikus alátámasztása lehet a mikrobiálisan hozzáférhető szénhidrátok (MAC) csökkent rostban gazdag ételek formájában történő fogyasztása. Sonnenburg és mtsai. kimutatta, hogy rágcsálóknál a MAC-ok csökkenése az egymást követő generációk során a teljes nemzetségek vagy mikrobiota-fajok teljes elvesztését eredményezheti, kiemelve, hogy az „egészségtelen” mikrobiómák tartósan öröklődhetnek, ha az étrend továbbra is elveszíti rostkomponensét. Még szembetűnőbb volt az a megállapítás, hogy a MAC-k újbóli bevezetése az étrendbe nem volt képes az elvesztett fajokat minden egyes következő generációval nagyobb és nagyobb mértékben helyreállítani, ami a bél mikrobiotájából való kihalásra utal [20], [21]. A fajok kihalásának hosszú távú következményei nem ismertek, de értelmes következménye a baktérium által termelt rövid szénláncú zsírsavak (SCFA) csökkenése lenne az idő múlásával.

A bélen túl az SCFA-k szerepet játszanak a szisztémás anyagcserében, potenciálisan jelátviteli molekulákként. Rágcsálókkal végzett vizsgálatok kimutatták az AMPK aktivitásának fokozódását a májban és a vázizmokban SCFA alkalmazásával [29], [30], valamint megnövekedett PGC1-alfát és UCP1-t barna zsírban [29]. Az ebből eredő termogenezis és zsírsav oxidáció növekedése arra utal, hogy az étrend okozta elhízást az SCFA-k megakadályozhatják. Gyakran zavaró paradoxon azonban, hogy a MAC-ek fermentációja a vakbélben ~ 600 mmol SCFA-t eredményez naponta, ami az SCFA-termelés 0,24–0,38 kg testtömeg, ami hozzájárul az emberi kalóriaigény ~ 10% -ához [31]. Ezért úgy tűnhet, hogy a megnövekedett SCFA-k növelhetik az elérhető kalóriákat és súlygyarapodást. Valóban, rágcsálókkal végzett vizsgálatok kimutatták, hogy az elhízott mikrobiom jobban képes SCFA-k termelésére [32], és humán vizsgálatok szerint az SCFA-k székletkoncentrációja magasabb az elhízott és a sovány egyéneknél [33]. Alaposabb összehasonlító vizsgálatokra van azonban szükség az SCFA-k metabolikus sorsának vizsgálatához a bélben és a belen belül sovány és elhízott egyéneknél, valamint a nyugati és nem nyugati étrenden keresztül annak megállapítása érdekében, hogy ezek az emberi SCFA-okok ok-e okot vagy a súlygyarapodás hatása.

5. Következtetések

Finanszírozás

Ezt a munkát a Társaság a tudományban, a Branco Weiss ösztöndíj támogatta, amelyet az ETH Zürich és az Alváskutató Társaság Alapítvány igazgat.

Összeférhetetlenség

A szerzőknek nincsenek a cikk szempontjából releváns lehetséges összeférhetetlenségei.