Határok a táplálkozásban

Táplálkozás és mikrobák

Ez a cikk a kutatási téma része

A tej többet jelent: A tej szerepe a táplálkozásban, az emésztésben és az anyagcserében az egész életen át Az összes 15 cikk megtekintése

Szerkesztette

David A. Sela

Massachusettsi Egyetem, Amherst, Egyesült Államok

Felülvizsgálta

Ravinder Nagpal

Wake Forest Orvostudományi Kar, Egyesült Államok

Carlos Gómez-Gallego

Kelet-Finnországi Egyetem, Finnország

A szerkesztő és a lektorok kapcsolatai a legfrissebbek a Loop kutatási profiljukban, és nem feltétlenül tükrözik a felülvizsgálat idején fennálló helyzetüket.

Cikk letöltése
- PDF letöltése
- ReadCube
- EPUB
- XML (NLM)
- Kiegészítő
  Anyag
Exportálás
- EndNote
- Referencia menedzser
- Egyszerű TEXT fájl
- BibTex

OSZD MEG

Hipotézis és elmélet CIKK

1 Evolve BioSystems, Inc., Davis, Kalifornia, Egyesült Államok
2 Élelmiszertudományi és Technológiai Tanszék, Nebraskai Egyetem, Lincoln, NE, Egyesült Államok

Bevezetés

A korai élet bél mikrobiomjának összetételében és működésében bekövetkező zavarokat felismerték a szabálytalan immunfejlődésben (1, 2), anyagcserezavarokban (3) és gyulladásban (4, 5) játszott szerepük miatt. Ezen fenotípusok közül több állatmodellekkel vagy epidemiológiai megközelítéssel rekonstruálható, amely meggyőző kapcsolatot teremt a korai életben előforduló rendellenes mikrobiómák fejlődése és ezek a negatív egészségügyi eredmények között (6–9). Tehát, ha a pandémiás nem fertőző betegségek, például az 1-es típusú cukorbetegség, az elhízás, az allergia és az asztma a csecsemőkorban károsodott mikrobiómákkal társulnak, amint azt a felmerülő bizonyítékok sugallják (3, 10–15), akkor a mikrobióm releváns modulációja a korai életben kényszerítő megoldást nyújt az e betegségekkel összefüggő növekvő közegészségügyi terhek kezelésére. Jelenleg azonban hiányoznak az értékelési paraméterek a kívánatos mikrobiomakompozíciók azonosítására és az egészséggel való lehetséges kapcsolatukra.

A szoptatott csecsemőbél mikrobiómájának összetételét formáló ökológiai folyamatok

1.ábra. Erőforrás-felhasználás és sokféleség a bélben az inváziós ellenállás meghatározásakor. Az emberi bélben lévő erőforrás-tájat nagyban befolyásolja az étrend. A mikrobiom egyik alapvető feladata, hogy a potenciális kórokozókat távol tartsa a térért és az erőforrásokért folytatott közvetlen verseny révén (azaz ko-lonizációs ellenállás, szabályozó szolgáltatás). A felesleges erőforrások (kék négyzetek) nyitott rést jelentenek, és növelik az invazív fajok - beleértve a kórokozókat is - kolonizációjának kockázatát. Az erőforrások hatékony kihasználása esetén a sikeres invázió kockázata nagymértékben csökken a növekedés fenntartására rendelkezésre álló erőforrások hiánya miatt (28). Szilárd táplálék esetén a bélbe jutó erőforrások nagyobb változatosságának kimerítéséhez a fajok összetettebb összetételére van szükség (29). Azonban a korai életkorban, és bár az étrend az anyatejre korlátozódik, az erőforrás-felhasználás független a sokféleségtől, és csak akkor éri el a maximális szintet, ha olyan speciális fajok vannak jelen, amelyek képesek hatékonyan fogyasztani a HMO-kat.

További ökológiai események, beleértve a véletlenszerű folyamatokat is, végül befolyásolják a csecsemő bél mikrobiomjának teljes összetételét; a szülésmódon alapuló kezdeti mikrobiómás oltás és az azt követő környezeti szelekció az anyatejből történő szelektív szubsztrátok biztosításával a két fő ökológiai folyamat, amely a szoptatott csecsemők bélmikrobiómáját alakítja (30–33).

Biológiai szempontok az egészséges csecsemőbél mikrobiómájának meghatározásakor

1. rovat. Sokszínűség: Hogyan mérik és mit jelent?

A mikrobiológiai ökológiai vizsgálatokban két fő változatosságot számolnak ki, különösen ami a mikrobiom profilozására vonatkozik: alfa és béta változatosság.

Alfa sokféleség egy adott ökológiai közösségben vagy egy adott településen belüli sokféleség mérésére utal. Az alkalmazott mérőszámtól függően ez az index bármelyik fajgazdagságot (azaz a közösségben a különféle fajok számát) írja le; vagy mind a fajgazdagság, mind az egyenletesség (vagyis a fajok tömegének megoszlása a közösségben) (40). Az alfa sokféleség meghatározásához több mutató is létezik, amelyek mindegyike különbözik a gazdagságra és az egyenletességre való érzékenységükben (41). Az alkalmazott index függvényében lehetséges, hogy az alfa változatosság változása nem mutatható ki a nagyon eltérő közösségi összetételek jelenléte ellenére (2. ábra).
Béta változatosság a minták közötti sokféleség mértéke. Válaszol a kérdésekre: Mennyire különbözik egy minta vagy mintacsoport mikrobiális összetétele a többitől? Hány faj van megosztva a minták között? Az alfa sokféleséghez hasonlóan különböző mutatók léteznek a béta változatosság megállapításához. Egyes módszerek pusztán kvalitatívak a fajok jelenlétén/hiányán alapulnak, míg mások kvantitatív komponenst tartalmaznak, és figyelembe veszik a fajok közötti filogenetikai távolságot. Mindegyik módszer bemutatja saját belső torzításait és érzékenységét, amelyek rögzítik a közösség összetételében bekövetkezett változásokat.

A sokféleség felhasználása és korlátai a mikrobiális ökológiában

A sokszínűség a funkcionalitás maximalizálása érdekében feltételezhető a „biztosítási hipotézis” általánosításában (35, 36), ami arra utal, hogy a közösségek stabilizálódását a funkció csökkenésével szemben javítja a diverzitás növelése (42, 43). Így a magasabb változatosságot gyakran feltételezzük kívánatosnak. Azonban, hacsak nem létezik lényeges funkcionális redundancia egy mikrobiális közösségben, a legfontosabb funkcionális fajok esetleges elvesztése valószínűleg megváltoztatja a mikrobiom azon képességét, hogy támogassa az ökoszisztéma szolgáltatásait (44). Továbbá a sokféleség csökkenése nem feltétlenül kedvezőtlen a gazda számára, különösen akkor, ha az egészséget elősegítő szimbiontusok szelektív gazdagításának következménye.

Egy másik benne rejlő kihívás a sokféleség elfogadott, abszolút értékének hiánya az adott közösség számára. Ezenkívül, amint arról korábban tárgyaltunk [az ügy kiváló vitáját lásd (39)], a sokféleség relatív és mindig korlátozza a mérési módszer. Valójában a különböző indexek különböznek a fajok gazdagságára és egyenletességére való érzékenységükben, és az elvégzett következtetések a választott mértéktől függően nagymértékben eltérhetnek. Ezért körültekintően kell eljárni, ha következtetéseket vonunk le bármely diverzitásindexből, és összehasonlítjuk a megállapításokat a tanulmányok között.

Összességében a mikrobiom egyszerűsítése a biológiai sokféleség mértékévé nyilvánvaló korlátozásokkal jár, mivel nem tükrözi az összetételét vagy működését, vagy az ökoszisztéma releváns tulajdonságait, például stabilitását, termelékenységét vagy láthatatlanságát. Mi és mások (37, 39) azzal érvelünk, hogy ennek az indexnek a folytatása, a funkció kontextusa nélkül, elvonja a teret a releváns hipotézisek kialakulásától, hogy betekintést nyerjünk a mikrobiális közösségek mintázatába és folyamataiba vezető ökológiai mechanizmusokba és azok lehetséges kapcsolatába hogy befogadja az egészséget.

2. ábra. Az alfa sokféleség független a relatív bőségtől. Három különböző baktériumközösséget ábrázolnak (A – C). Az egyes fajok relatív bőségét a baktériumok aprításában a halmozott oszlopdiagramok ábrázolják. A B és C baktériumközösségeknél ugyanannyi megfigyelt faj található (n = 9), de relatív bőségük eltérő, a C közösségben egy faj dominál. Míg az alfa sokféleség különböző mérőszámokkal kiszámítható, a közösség gazdagságának figyelembevételével a B és C közösségek alfa változatossága azonos.

2. rovat. Az ökoszisztéma-szolgáltatási paradigma előnyei a csecsemő bél mikrobiomjának értékelésére.

Az alkalmazott makroökológiai kutatásokból nyert fogalmak alkalmazása fontos betekintést engedett a bél mikrobiomját formáló mechanizmusokba, főleg, mivel arra vonatkozik, hogy a mikrobiális közösségek hogyan gyűlnek össze, működnek és fejlődnek (38, 49–53), és hogy ezek a folyamatok hogyan befolyásolják az emberi egészséget ( 54, 55).

A makroökológiai abiotikus földrajzokkal ellentétben a gazdaszervezetek több évezredes koevolúcióval szembesültek az őket gyarmatosító mikrobák populációjának alakításában. A növények (56) gerinctelenek (tintahal, rovarok) (57) és a gerincesek (58–60) esetében kimondottan specifikus mechanizmusokat írtak le a mikrobiális szimbiontok kiválasztására. A szelektív nyomás az idõ folyamán és a bélmikrobiomban formálta ezeket a kölcsönhatásokat a gazda és a mikroba között, a kiválasztott ökoszisztéma-szolgáltatások számára, amelyek javítják a gazda egészségi állapotát (azaz a fitneszet). A csecsemőbél mikrobiomjának értékelése az ökoszisztéma-szolgáltatások lencséjén keresztül megkönnyíti a legfontosabb ökoszisztéma-„szolgáltatók” azonosítását, mint olyan fajokat, amelyek funkciói kritikusak az adott szolgáltatás nyújtása szempontjából. A kolonizációval szembeni ellenálló képesség és a speciális ételekhez vagy étrendekhez való hozzáférés (ellátási szolgáltatások) az ökoszisztéma-szolgáltatások példái, ahol a kutatás nyomokat kínálhat arra vonatkozóan, hogy a bél mikrobiómjában lévő szolgáltatásokat miként maximalizálták a gazda-mikroba kölcsönhatások erős szelektív nyomás alatt.

Az ökoszisztéma-szolgáltatások keretrendszerét széles körben alkalmazzák a szárazföldi és tengeri ökoszisztémák értékelésére (47), és nemrég adaptálták az emlős bél értékelésére (16). Az ökoszisztéma-szolgáltatások szemszögéből nézve az emberek mikrobiómájukból megszerzett termékei és szolgáltatásai támogató, ellátó vagy szabályozó kategóriába sorolhatók (1. táblázat). A szolgáltató szolgáltatásokat közvetlenül áruk előállításával kapják, például vitaminok, antimikrobiális szerek, szerves és rövid szénláncú zsírsavak mikrobiális előállításával. A szabályozó szolgáltatások azok, amelyek részt vesznek az ökoszisztéma stabil állapotainak fenntartásában, például a kórokozók invázióval szembeni ellenállásban. Támogató szolgáltatások azok, amelyek minden más ökoszisztéma-szolgáltatás előállításához és fenntartásához szükségesek, például úttörő termékek előállításához.

Az ökoszisztéma-szolgáltatási modell alkalmazásának egyik fő előnye a csecsemő bél mikrobiomjának értékelésében az, hogy megkönnyíti azon kulcsfontosságú „szolgáltatók” szisztematikus azonosítását, amelyek funkcionális tulajdonságai megalapozzák az adott szolgáltatás nyújtását (61, 62). A funkcionális tulajdonságok kifejezett összekapcsolásával az ökoszisztéma-szolgáltatás nyújtásával lehetőség van „funkcionális fontosság” és „pótolhatatlanság” indexek hozzárendelésére, és ennek megfelelően megjósolni, hogy a kulcsfontosságú „szolgáltató” fajok elvesztése milyen mértékben befolyásolhatja az ökoszisztémát fenntartó ökológiai folyamatokat működő (35, 62).

Asztal 1. Az ökoszisztéma szolgáltatásai, funkciói, tulajdonságai, intézkedései és működési zavarainak következményei.

A következő szakaszokban három fő ökoszisztéma-szolgáltatást vázolunk fel: (1) támogató szolgáltatások; (2) szolgáltatásnyújtás; és (3) a szoptatott csecsemő és a bélmikrobiom közötti kapcsolat alapjául szolgáló szolgáltatások szabályozása a korábban meghatározott kritériumok alapján (16). Konkrétan megvitatjuk a képességét B. infantis az erőforrások (azaz a HMO-k) hatékony kihasználása és a szerves savak előállítása mint kulcsfontosságú funkcionális tulajdonság, amely fenntartja e szolgáltatások nyújtását.

A bélmikrobiom támogatása és nyújtása a korai életben

A bélben úttörő szubsztrátként betöltött szerepük mellett a szerves savak és az SCFA bejuthatnak a keringésbe, és közvetlenül befolyásolhatják a zsírszövetet, az agyat és a májat (69–71). Az acetát fontos szerepet játszik a gyulladáscsökkentő hatások kiváltásában a szabályozó T-sejtek és a gyulladáscsökkentő citokinek modulálásával (70), valamint javítja a nyálkahártya hám integritását a bélben, ami védelmet nyújt az állatok fertőző betegségei ellen. modellek (64). A laktát átjut a vér-agy gáton és az idegi aktivitás modulátoraként működik, és a bél hámsejtjei aktívan szállítják (72–74). Az acetát és a laktát szintén prekurzorai a butirátnak, amely tumorellenes és gyulladáscsökkentő tulajdonságokkal rendelkezik, és energiát szolgáltat a bél hámsejtjeihez (64). Összességében ezek a mikrobiálisan előállított szerves savak nagyban befolyásolják a gazdaszervezet fiziológiáját. Így az olyan taxonok jelenléte, amelyek képesek hatékonyan metabolizálni a HMO-kat ezekbe a kulcsfontosságú metabolitokba, kritikus fontosságú az alapvető ökoszisztéma-szolgáltatások nyújtása szempontjából, amelyek befolyásolhatják a növekvő csecsemő rövid és hosszú távú egészségét.

A kolonizációs rezisztencia és a stabilitás a csecsemőbél mikrobiomjának kritikus szabályozó szolgáltatásai

3. ábra. Az ökoszisztéma-szolgáltatások nyújtásán alapuló, magas és alacsony szinten működő csecsemőbél-mikrobiom jellemzői. (A) Alacsonyan működő csecsemőbél-mikrobiom ökoszisztéma, ahol az erőforrásokat (HMO-kat) nem hatékonyan használják fel, ami a székletben való veszteségükhöz vezet (17) és a nem adaptált opportunista taxonok kereszt-táplálékához vezethet. A nem adaptált opportunista taxonok elterjedése az ökoszisztéma stabilitásának elvesztéséhez és az ökoszisztéma működésének csökkenéséhez, valamint a virulencia faktorok és az antibiotikum-rezisztencia gének megnövekedett mennyiségéhez vezet (82, 84, 85). A nyálkát lebontó baktériumok túlszaporodása és az endotoxin emelkedett szintje veszélyezteti a bélgátat, amely krónikus enterális gyulladáshoz és/vagy fokozott fogékonyságot okoz a baktériumok transzlokációjára (5, 89, 90). (B) Magasan működő bélmikrobiom, ahol az ökoszisztéma funkciói és stabilitása az idő múlásával fennmarad, ennek következménye a biomassza növekedése. B. infantis. A HMO-kat hatékonyan hasznosítja a B. infantis és átalakul sejt biomasszává, szervessé és SCFA-vá. A szerves és SCFA előállítása csökkenti a luminális pH-t (17), ami kedvezőtlen környezetet teremt az opportunista taxonok számára, beleértve a virulens, antibiotikumokkal szemben rezisztens és mukolitikus baktériumokat.

Az ökoszisztéma-szolgáltatások integrálása a csecsemőbél mikrobiómájának értékelésében

A modell alkalmazása a közötti szimbiózis értékelésére B. Infantis és a szoptatott csecsemő

Minden adat azt mutatja, hogy az emberi csecsemők olyan kulcsszimbiotikus bélbaktériumokkal léptek kapcsolatba, amelyek a gazdaszervezet által biztosított források HMO-k formájában történő metabolizálására szakosodtak; azonban idővel megjelenik a szerepe B. infantis és a csecsemő bélből való hiányának hatása elhomályosult, valószínűleg a B. infantis megelőzte a bél mikrobiomjának vizsgálatára szolgáló nagy felbontású eszközök megjelenését. Például a HMO-k jelentős mértékű ürülékkiválasztása és a magas széklet pH-értéke nem tekinthető kórosnak, és a bél mikrobiális ökoszisztémájának jelentős instabilitása normálisnak tekinthető a korai életkorban (33). A történelmi feljegyzések azonban azt sugallják, hogy a bifidobaktériumok a fejlett nemzetek csecsemőpopulációjában még egyszer elterjedtebbek voltak, mint amit a korabeli jelentések jeleznek (105), és a nagy kohorszos vizsgálatokból származó korrelatív bizonyítékok szerint ennek a kulcsszimbiontnak a hiánya fontos negatív akut és krónikus egészségügyi következményekkel jár egy kritikus állapotban fejlődési szakasz (2., 4., 103., 104., 106.).

Milyen akut és krónikus egészségi következményei vannak a betegség hiányának B. Infantis a Csecsemő belében?

Érdekes, hogy olyan földrajzi helyeken, ahol a szoptatás aránya magas, és a hüvelyi születés elterjedt, Bifidobacterium normálisan bőséges a csecsemő mikrobiomákban (66, 114, 115). Ezzel szemben a fejlett országokban a csecsemők bélközösségei nagyrészt instabilak és erősen változóak (25, 111), és a Bifidobacterium nevezetesen bimodális (26). Ez a különbség egyértelműen megmutatkozik a csecsemők bélmikrobiomájának közelmúltbeli összehasonlításában olyan földrajzilag hasonló, de fejlődési szempontból eltérő helyeken, ahol a Bifidobacterium megállapították, hogy magasabb az erőforrásokkal szűkebb helyeken élő csecsemőknél, ami korrelált az autoimmun és allergiás megbetegedések csökkenésével (2). Ezek a megállapítások együtt vetik fel azt a kérdést, hogy a modern csecsemőbél mikrobiómáját alapvetően megváltoztatták-e őseinkét, és hogy a kulcsfontosságú szimbiotikus fajok elvesztése és az ebből eredő immunfejlődés-zavart hogyan lehet összekapcsolni a metabolikus, autoimmun és a fejlett országokban ma megfigyelt allergiás betegségek.

A modell relevanciája, alkalmazásai és korlátai

A mikrobiom emberi egészségben betöltött szerepének egyre növekvő felismerésével a mikrobioma alapú diagnosztika beépítése elkerülhetetlenül rutinszerűvé válik. Valójában jelenleg számos kereskedelmi teszt áll a nyilvánosság rendelkezésére, és az orvosokat egyre inkább felkérik a vizsgálati jelentések értelmezésére. Jelenleg azonban hiányzik az egészséges mikrobiom „arany standardja”. Javasoltunk egy antropocentrikus modellt, amelyben a bél mikrobiómájának működését meghatározzuk az ökoszisztéma szolgáltatásai szempontjából, amelyek végül a csecsemő számára kedveznek. Így a mikrobiómák összetétele objektíven értékelhető a fogadó egészségéhez való hozzájárulás szempontjából, megkönnyítve az egészségügyi szakemberek általi értelmezést. Ezenkívül a funkcionális tulajdonságok és az ökoszisztéma-szolgáltatások összekapcsolása elősegítheti mind a csecsemő mikrobiom funkciójának prognosztikai eszközeinek kidolgozását, mind pedig a probiotikus beavatkozásokat, amelyek célja a csecsemő bél mikrobiomjának ökoszisztéma szolgáltatásainak helyreállítása.

Végül reméljük, hogy ez a munka arra ösztönzi a terepet, hogy javasoljon hasonló modelleket, amelyek ökológiai elméletet és tesztelhető kereteket foglalnak magukban az egészséget vagy betegségeket elősegítő mikrobiom-jellemzők azonosítására.

Szerző közreműködései

RD, BH, GC és SF elkészítette és megírta ezt a kéziratot. Minden szerző felelős az ötletgondozásért, a kritikai értékelésért és a kéziratok áttekintéséért.

Összeférhetetlenség

RD-t, BH-t, GC-t és SF-t az Evolve BioSystems, Inc. alkalmazza.