PLoS ONE: L'evoluzione di stomaco acidità e la sua rilevanza per il microbioma umano

Astratto

acidità gastrica è probabilmente un fattore chiave plasmare la diversità e la composizione delle comunità microbiche presenti nell'intestino dei vertebrati. Abbiamo condotto una revisione sistematica per verificare l'ipotesi che un ruolo chiave dello stomaco dei vertebrati è quello di mantenere la comunità microbica intestinale filtrando romanzo taxa microbica prima di passare nell'intestino. Proponiamo che le specie alimentazione sia su carogne o sugli organismi che sono stretti parenti filogenetici dovrebbero richiedere il filtro più restrittivo (misurata come alta acidità di stomaco) come protezione dai microbi stranieri. Al contrario, le specie si nutrono di un livello trofico basso o il cibo che è lontanamente legati ad essi (ad esempio erbivori) dovrebbero richiedono il filtro meno restrittiva, come il rischio di esposizione agente patogeno è più bassa. I confronti di acidità di stomaco tra i gruppi trofici in mammiferi e uccelli taxa dimostrare che spazzini e carnivori hanno acidità di stomaco significativamente più elevati rispetto a erbivori o carnivori si nutrono di prede filogeneticamente distante come insetti o pesci. Inoltre, troviamo quando l'acidità di stomaco varia all'interno di specie sia naturalmente (con l'età) o in trattamenti come la chirurgia bariatrica, gli effetti sulla intestinali patogeni e comunità batteriche sono in linea con la nostra ipotesi che lo stomaco si comporta come un filtro ecologico. Insieme, questi risultati sottolineano l'importanza di includere misure di pH gastrico nell'ambito delle indagini sulla dinamica intestino microbiche all'interno e tra le specie

Visto:. Beasley DE, Koltz AM, Lambert JE, Fierer N, Dunn RR (2015) L'evoluzione del acidità di stomaco e la sua rilevanza per il microbioma umano. PLoS ONE 10 (7): e0134116. doi: 10.1371 /journal.pone.0134116

Editor: Xiangzhen Li, Chengdu Istituto di Biologia, CINA

Ricevuto: 8 marzo 2015; Accettato: 6 Luglio 2015; Pubblicato: 29 luglio 2015

Copyright: © 2015 Beasley et al. Questo è un articolo ad accesso libero distribuito sotto i termini della Creative Commons Attribution License, che permette l'uso senza restrizioni, la distribuzione e la riproduzione con qualsiasi mezzo, a condizione che l'autore originale e la fonte sono accreditati

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Conflitto di interessi:. Gli autori hanno dichiarato che non esistono interessi in competizione

Introduzione

Spesso, vertebrati evoluzione stomaco è discusso nel contesto del ruolo del stomaco a rompere chimicamente il cibo e, in particolare, denaturazione delle proteine ​​tramite pepsinogeno e HCl [1]. Lo stomaco serve chiaramente questi scopi. Tuttavia alla luce della nostra crescente comprensione del ruolo simbionti microbici 'in salute umana, è interessante rivalutare ruolo aggiuntivo dello stomaco come una barriera importante contro l'ingresso degli agenti patogeni nel tratto gastrointestinale [2-3]. Qui consideriamo l'ecologia di uccelli e mammiferi stomaco e, nella stessa luce, interventi medici che alterano il pH gastrico umano e le loro implicazioni per il rapporto uomo-microbo.

I primi studi del microbioma intestinale umano suggerito che intestino la colonizzazione era stocastico e transitoria [4] e il microbioma in qualsiasi momento particolare è stato fortemente influenzato dalle recenti coloni [5]. Questo modello, se generale, avrebbe suggerito un ruolo modesto per stomaco umano nel modulare la composizione degli intestini. Tuttavia, la ricerca recente nella salute gastrica suggerisce che l'ambiente pH dei vertebrati semplici-digerito serve una funzione più prominente come filtro ecologico, in grado, attraverso la sua acidità, di uccidere taxa microbica che altrimenti colonizzare l'intestino [2]. In questo contesto, la colonizzazione successo sarebbe poco frequenti. Recenti studi dimostrano che, in assenza di grave perturbazione, la variabilità temporale nella composizione microbica dell'intestino umano è minore variabilità tra individui [6-8]. Quando grandi cambiamenti si verificano in individui sani, essi appaiono spesso a causa di cambiamenti nella relativa abbondanza dei taxa, piuttosto che l'arrivo di nuovi lignaggi [9]. Sempre di più, i dati sembrano suggerire che le specie-specifiche comunità nell'intestino umano sembrano relativamente resistente alla perturbazione [10-11], in gran parte perché l'acido dello stomaco umano impedisce frequente colonizzazione dell'intestino da un gran numero di microbi di origine alimentare , indipendentemente dal fatto che siano benefico o patogeni.

Mentre la letteratura sul stomaco umano, la sua acidità e la microbiome intestino, sembra sostenere l'idea che l'acidità di stomaco evoluta come una barriera per la colonizzazione patogeno, tale asserzione fa pieno senso solo alla luce di una più ampia comprensione comparativa di acidità di stomaco di uccelli e mammiferi [12-13]. Tuttavia, mentre l'idea che lo stomaco funge da barriera ai patogeni è stato spesso discusso [14-16], nessuno studio sembra essere formalmente confrontato il pH dello stomaco in uccelli o mammiferi in funzione della loro biologia in generale o loro probabile esposizione ai patogeni di origine alimentare in particolare.

Poiché il mantenimento di un ambiente pH acido è costosa, stomaci acide dovrebbe essere presente soprattutto in quei casi in cui è adattivo (o dove era adattiva in un recente antenato). Il costo di acidità di stomaco è duplice. L'host deve investire energie significativo sia per la produzione di acido e proteggere lo stomaco dai danni da acido-correlata [17]. Inoltre, l'acidità dello stomaco può precludere, o almeno rendere più difficile, acquisizione possibilità di microbi benefici. All'estremo opposto sono quei erbivori specializzati in cui la morfologia stomaco è derivato per includere una camera alcalina (forestomach o pre-saccus) che i microbi case critici per la fermentazione una dieta pianta [18-22]. In questi animali, acidità di stomaco non è solo un valore limitato (perché il rischio di agenti patogeni di origine alimentare in materiale vegetale è basso), può anche rimuovere quei microbi che aiutano nella ripartizione del materiale vegetale. In generale poi, ci aspettiamo che l'acidità di stomaco a specchio diete animali in modi che riflettono il rischio patogeno. Ci aspettiamo che gli animali si nutrono di carogne avranno il filtro più restrittivo, cioè maggiore acidità di stomaco. Carrion ha il potenziale per sostenere carichi elevati patogeni perché il corpo del padrone di morti ha smesso di sopprimere la crescita batterica. Allo stesso modo, carnivori e onnivori sarebbero tenuti ad avere acidità di stomaco più elevati rispetto erbivori con forestomachs fermentazione specializzati perché gli agenti patogeni si trovano in preda hanno maggiori probabilità di essere in grado di infettare il predatore di microbi vegetali associati [23]. Tuttavia, ci aspettiamo anche l'acidità dello stomaco carnivoro e onnivoro di dipendere anche dalla distanza filogenetica tra predatore e preda. Gli agenti patogeni sono di gran lunga più probabile che sia in grado di infettare gli host connessi [23], in modo tale che un uccello che consumano un insetto deve affrontare un rischio più basso di una infezione di origine alimentare di un uccello che consumano un uccello. Per verificare queste ipotesi, mettiamo a confronto l'acidità di stomaco di mammiferi e uccelli attraverso una varietà di tipi di dieta.

Alla luce dei risultati, abbiamo poi rivisitare l'ecologia dello stomaco umano, il suo ruolo di filtro e la probabili conseguenze di questo ruolo all'interno del contesto di stili di vita umani moderni e interventi medici. Se l'acidità di stomaco agisce come un filtro forte, ci aspettiamo che, quando i livelli di acidità sono ridotti, l'influenza della dieta associata microbi sul microbiota intestinale sarà maggiore. È noto che l'acidità di stomaco diminuisce con l'età e come conseguenza di alcuni trattamenti medici [24-26]. Così, come diminuisce l'acidità e l'efficacia del filtro è ridotta, ci si aspetterebbe di vedere aumenti sia la diversità dei lignaggi microbiche e carichi patogeni nell'intestino. Ci aspettiamo inoltre che gli animali, come gli esseri umani, con filtri molto acide devono essere particolarmente predisposti a conseguenze negative della perdita di simbionti intestinali perché le probabilità di possibilità ricolonizzazione sono bassi.

Materiali e Metodi

vertebrati stomaco

Qui ci concentriamo su due gruppi tassonomici, mammiferi e uccelli, in cui è stato meglio studiato l'ecologia di stomaco. All'interno di questi taxa, ci concentriamo sulla prima camera del tratto gastrointestinale, una camera con nomi diversi a seconda degli organismi e contesto. Nei mammiferi, la produzione di acido gastrico e conservazione degli alimenti temporanea sia verificano nello stomaco. Negli uccelli, la produzione di acido avviene nel proventricolo e conservazione degli alimenti avviene nel ventriglio (Fig 1). Ci concentriamo sui stomaco dei mammiferi e, tecnicamente, la proventricolo degli uccelli, ma d'ora in poi usiamo il termine "stomaco" per semplicità. Stomaci variano notevolmente nella loro complessità strutturale e dimensioni tra i vertebrati [27], in particolare mammiferi, ma nella maggior parte dei casi, gli stomaci sono la componente più acida del tratto digestivo [28]. L'eccezione a questo modello sono le specie forestomach-fermentazione in cui fermentazione microbica precede digestione e l'assorbimento [22]. cladi erbivori mammiferi possono essere caratterizzati sulla base di dove si verifica nel tratto gastrointestinale più alloenzymatic (microbica) fermentazione di carboidrati alimentari. In fermentatori foregut, microbi risiedono in uno a diverse sezioni di uno stomaco sacculated. Tra i primati, solo un lignaggio (sottofamiglia colobinae) si è evoluto questo sistema, ma le strategie digestivi analoghe si trovano in diversi lignaggi di artiodattili così come bradipi, e canguri [18-22]. Tra gli uccelli, una sola specie è noto a fare affidamento su un tale sistema di fermentazione (hoatzin, Opisthocomus hoazin)
anche se i microbi sono alloggiati in una speciale coltura a due camere, e non, tecnicamente, nello stomaco [29] . Indipendentemente morfologia, perché le comunità di microrganismi cellulosolitici e fermentazione sano verificano più produttivo in ambiente alcalino, la porzione prossimale dello stomaco foregut fermentazione ha un pH di circa 5,5 a 7, mentre le porzioni distali hanno un pH di circa 3. L' necessità di mantenere un determinato pH il prestomaco senza dubbio influenze alimentazione decisioni:. quando la produzione di acidi grassi volatili dalla fermentazione supera assorbimento, la sovrabbondanza di acidi può causare una diminuzione del pH forestomach, causando un dolore a volte fatale noto come acidosi

Letteratura di ricerca

Abbiamo cercato biologia gastrointestinale, fisiologia animale e libri di testo di fisiologia aviaria pH dello stomaco misurati. Abbiamo cercato anche Web of Science, PubMed, Google Scholar e la letteratura inedita (cioè tesi, abstract conferenza) per i dati rilevanti. Dato il suo ruolo primario nella digestione, il pH dello stomaco è stato misurato in numero molto minore di quanto taxa ci si potrebbe aspettare. Per esempio, per quanto a nostra conoscenza, non esistono dati sul pH dello stomaco per qualsiasi ominidi diversi da esseri umani, ed esistono sorprendentemente pochi dati per i primati più in generale. Allo stesso modo, mentre è selvaggiamente dichiarato che le iene hanno lo stomaco "molto acide", consultazione di esperti in iene e le loro diete erano a conoscenza di alcun dato che in realtà direttamente considerato questa affermazione.

Per chi taxa per i quali erano disponibili i dati , abbiamo classificato gli animali dal gruppo tassonomico (uccelli o mammiferi), le specie e il gruppo trofica. Per coerenza, abbiamo assegnato gruppo trofico sulla base di comportamento alimentare naturale degli animali (Tabella 1). Una specie è stata classificata come un tesoro obbligato se alimentato principalmente di carogne. Al contrario, abbiamo definito spazzini facoltativi come le specie che sono noti per nutrirsi di carogne, ma non come una fonte primaria di cibo. Abbiamo classificato carnivori come un generalista se alimentato indiscriminatamente su prede o uno specialista, se la dieta consisteva principalmente di uno specifico elemento preda (cioè insetti, pesce). Una specie è stata classificata come un onnivoro se alimentato da entrambe le piante e gli animali. All'interno di erbivori, ci siamo separati fermentatori foregut da fermentatori hindgut per tenere conto della strategia di fermentazione specializzata che coinvolge lo stomaco sacculated.

abbiamo calcolato un pH media per l'intero stomaco se i valori sono stati presentati per più sedi, come il fondo, il corpo e regioni pilorica. Se gli studi forniti entrambi i valori di base e post-alimentazione, abbiamo usato il pH della linea di base. Quando non è il digiuno, il pH può variare a seconda di fattori tra cui la dieta e il tempo da quando l'alimentazione.

Abbiamo usato un generale approccio modello lineare seguito da un test post-hoc Tukey-Kramer per valutare le differenze di pH dello stomaco in funzione della categoria trofica utilizzando PROC GLM a SAS 9.3 (SAS Institute, Cary, NC, USA).

Risultati

in totale, la nostra ricerca della letteratura ha prodotto i dati sulle 68 specie (25 uccelli e 43 mammiferi) da sette gruppi trofici (Tabella 1). Un modello lineare generale basata sulla dieta spiegato gran parte della variazione del pH dello stomaco (R ^{2 = 0,63, F _{1,6 = 17,63, p < 0.01). I gruppi trofici che sono stati più variabili in termini di pH dello stomaco erano onnivori e carnivori che si specializzano nel mangiare insetti o pesci.}}

La nostra ipotesi era che erbivori foregut-fermentazione e gli animali che si nutrono di prede più filogeneticamente distante da li avrebbero stomaci meno acide. confronti Tukey-Kramer indicato che spazzini (sia obbligare e facoltativo) avevano acidità di stomaco significativamente più elevati rispetto a erbivori (sia foregut e hindgut) e carnivori specializzati si nutrono di prede filogeneticamente distante. In particolare, erbivori foregut-fermentazione avevano lo stomaco meno acidi di tutti i gruppi trofici mentre onnivori e carnivori generalisti, con più livelli di pH intermedi, non erano distinguibili da qualsiasi altro gruppo (Figura 1).

Discussione

in base ai dati disponibili, la nostra analisi mostra uno schema generale in cui le specie si nutrono di carogne e gli animali hanno acidità di stomaco significativamente più elevati rispetto alle specie si nutrono di insetti, foglie, o frutta. Da soli, i modelli sono in linea con l'ipotesi che una funzione dello stomaco è di impedire l'accesso microbica nell'intestino, se questi modelli potrebbero essere spiegati da altri fenomeni. Carnivori bisogno stomaci più acidi per lisare le proteine ​​nella loro dieta a base di carne. Ad esempio, la secrezione del pepsinogeno e la sua attivazione per pepsis nello stomaco è modulata da un pH acido (2-4) [30]. Inoltre, l'attività di proteasi in un semplice acido dello stomaco dipende da un ambiente acido (pH 2-4) [31]. Tuttavia, mentre questo potrebbe spiegare le differenze tra i predatori e gli erbivori, non tiene conto per l'altissimo acidità nello stomaco di spazzini, soprattutto se si considera che la carne consumata da spazzini, non è probabile che sia molto più difficile da digerire rispetto a quella dei predatori. Suggeriamo che questi spazzini si basano sul alta acidità di stomaco per impedire la colonizzazione delle loro viscere da agenti patogeni di origine alimentare [32]. Onnivori e piscivori sono stati più variabili in acidità di stomaco, che ci si può aspettare da entrambe le diete molto diverse da specie a specie. Insettivori possono utilizzare diversi mezzi per digerire chitina degli insetti, con acidità giocare un ruolo in alcuni ma non in altri casi.

Il caso particolare di erbivori

alimentazione Carrion impone una sorta di limitare sull'ecologia del l'intestino, l'aumento del potenziale di agenti patogeni. Erbivoria impone un'altra, la necessità di digerire materiale vegetale refrattari alla digestione enzimatica (cellulosa e lignina). Al fine di digerire questi composti, erbivori si affidano in modo sproporzionato sui processi microbici [33]. Le diverse regioni del tratto gastrointestinale (sia del rumine, intestino cieco o, nel caso del hoatzin una coltura piegato) funzione principalmente come camere di fermentazione. Così, una sfida con coraggio fermentativi sta favorendo quei microbi che sono utili per la digestione, riducendo il rischio di ingresso patogeni nell'intestino. Si suggerisce che, a causa della minaccia di patogeni microbici è relativamente bassa sulle foglie dal vivo (anche se vedi [34]), erbivori possono permettersi di mantenere una camera che è modestamente acido e quindi meno restrittive all'ingresso microbica. Tuttavia, troviamo diversi interessanti eccezioni a questa generalità. Castori, che sono noti per archiviare le cache alimentari sott'acqua dove c'è un alto rischio di esposizione ad un protozoo parassita Giardia lamblia
, hanno stomaci molto acide. L'acidità di stomaco alta potrebbe essersi evoluto per gestire questo patogeno ambientale prevalente [35]. L'altra herbivore nel nostro insieme di dati con uno stomaco molto acido è il coniglio, che fornisce un interessante esempio di una modifica del comportamento dell'ambiente dello stomaco. I conigli sono noti per impegnarsi in coprofagia frequente che consente loro stessi re-inoculare con microbi [36]. Le palline morbide specializzati che i microbi casa riducono anche l'acidità di stomaco creando un ambiente adatto per la fermentazione [37].

L'evoluzione umana e dello stomaco pH

E 'interessante notare che gli esseri umani, in modo univoco tra il primati finora considerati, sembrano avere valori di pH dello stomaco più simili a quelle di alimentatori carogne che a quelli della maggior parte dei carnivori e onnivori. In assenza di buoni dati sul pH di altre hominoids, è difficile prevedere quando un tale ambiente acido evoluto. I babbuini ( Papio
spp) sono stati sostenuto per esporre le strategie più human-like di alimentazione e foraggiamento in termini di onnivoria eclettico, ma il loro stomaco, mentre considerato generalmente acido (pH = 3.7) -non esporre la estremamente basso pH visto in esseri umani moderni (pH = 1.5) [38]. Una spiegazione di tale acidità può essere che l'alimentazione carogne era più importante nell'uomo (e più in generale hominin) evoluzione di quanto attualmente considerato il caso (sebbene si veda [39]). In alternativa, alla luce del numero di agenti patogeni fecale-orale che infettano e uccidono gli esseri umani, la selezione può aver favorito alta acidità di stomaco, indipendente dalla dieta, a causa del suo ruolo nella prevenzione patogeno.

Il rischio speciale per i minorenni e gli esseri umani anziani

Se, in carnivori e carogne-alimentatori, il ruolo dello stomaco è quello di agire come un filtro ecologico allora dovremmo anche aspettarci di vedere più alta diversità microbica e patogeni carichi nei casi in cui il pH dello stomaco è più alto. Vediamo la prova di questo in cambiamenti legati all'età nello stomaco. Baseline stomaco lumen pH nell'uomo è di circa 1,5 (Tabella 1). Tuttavia, i neonati prematuri hanno lo stomaco meno acidi (pH > 4) e sono suscettibilità alle infezioni enteriche [40]. Allo stesso modo, lo spettacolo anziani relativamente bassa acidità di stomaco ([41], pH 6,6 a 80% dei partecipanti allo studio) e sono soggetti a infezioni batteriche nello stomaco e nell'intestino [42]. E 'importante notare che queste differenze possono essere correlate a differenze nella forza del sistema immunitario ma sosteniamo qui che lo stomaco ha bisogno di più considerazione quando si studia questi modelli.

Conseguenze per interventi medici che influenzano il pH dello stomaco

In aggiunta alle variazioni naturali, il pH dello stomaco è influenzata anche da alcuni interventi medici, molti dei quali sono sempre più comuni. In perdita di peso chirurgia di bypass gastrico, circa il 60 percento dello stomaco è rimosso. Una conseguenza di questo procedimento è un aumento dei livelli di pH gastrico che vanno da 5.7 al 6.8. Vorremmo prevedere che gli intestini di quegli individui che hanno subito un intervento chirurgico di bypass gastrico dovrebbe essere più probabile che l'esperienza proliferazione microbica, un modello che è supportato da recenti lavori [25]. Vediamo modelli simili in altri casi clinici quali esofagite in cui il trattamento comporta l'uso di inibitori della pompa protonica e celiachia dove ritardato svuotamento gastrico è associato a ridotta acidità [43-45]. Più in generale, si prevede che gli individui sottoposti a interventi che riducono l'acidità di stomaco saranno a termine un aumento del rischio a lungo di agenti patogeni gastrointestinali. Tuttavia, questo rischio può essere ridotto se tali individui tendono ad evitare gli alimenti in cui è elevato il rischio patogeno, che comprendono (come per uccelli e mammiferi, più in generale) gli alimenti che assomigliano carogne (pesce crudo, carne mammifero cruda, ecc ...), e, forse, anche la carne in generale. Così, ci si potrebbe aspettare il pH ottimale per gli esseri umani di cambiare a seconda cambiamenti nelle abitudini alimentari.

Lo stomaco umano e la perdita di microbi mutualistiche

In generale, l'acidità di stomaco tendono a filtrare i microbi senza adattamenti un ambiente acido. Tali adeguamenti comprendono pareti cellulari resistenti, capacità di spore o altri tratti che conferiscono la tolleranza alle alte acidità e rapidi cambiamenti delle condizioni di pH. Abbiamo considerato il ruolo dello stomaco come barriera patogeno nel contesto dell'evoluzione umana. Un altro potenziale conseguenza di alta acidità di stomaco, se considerato alla luce di altri primati e mammiferi, è la difficoltà di ricolonizzazione da microbi benefici. Una grande quantità di letteratura suggerisce ora che una varietà di problemi medici umani riguardano la perdita di microbi intestinali mutualistiche, sia perché quei mutualisti non sono riusciti a colonizzare durante le nascite C-sezione iper-pulito [46] o sono stati persi attraverso l'uso di antibiotici [47 ], o altre circostanze. Il pH dello stomaco umano può rendere umani univoco incline a tali problemi. A sua volta, potremmo aspettarci che, tra gli animali domestici, che i problemi simili dovrebbero essere più comune in quegli animali che, come noi, hanno stomaci molto acide.

Conclusione

dimostrare che lo stomaco acidità aumenta con il rischio di esposizione dei patogeni di origine alimentare e propongono che lo stomaco svolge un ruolo significativo come un filtro ecologico e quindi un forte fattore di selezione in budello struttura della comunità microbica e l'evoluzione dei primati in particolare. Alla luce dei cambiamenti dello stile di vita moderno nella dieta, igiene e interventi medici che alterano il pH dello stomaco, suggeriamo che l'acidità di stomaco negli esseri umani è una spada a doppio taglio. Da un lato, l'alta acidità dello stomaco umano impedisce esposizione patogeno ma diminuisce anche la probabilità di ricolonizzazione da microbi benefici se e quando scompaiono. Tuttavia, nei casi in cui l'acidità è ridotta, l'intestino è più probabile essere colonizzato da patogeni. Anche se è ampiamente discusso sia nella letteratura medica ed ecologico, dati sul pH sono in realtà molto scarse. Così, per comprendere appieno i motivi evidenziati qui sono necessari studi più dettagliati sulla flora intestinale attraverso acidità di stomaco e la dieta.

Riconoscimenti

DEB, AMK, JEL, NF e RRD ha contribuito anche alla realizzazione del manoscritto.

• Effetti della capsaicina sulla digestione
• PLoS ONE: miscelazione geometrica, Peristalsi, e la fase geometrica del Stomach