Patrick Hanaway

Institutul de Medicină Funcțională, Federal Way, Washington, Statele Unite.

diversitate

Discuțiile despre diversitate aduc o mare varietate de răspunsuri sociale, politice, emoționale și intelectuale. Biodiversitatea sau diversitatea biologică descrie varietatea și populația tuturor formelor de viață într-un anumit loc - plante, animale, bacterii, viruși, ciuperci etc. Biodiversitatea descrie, de asemenea, structurile și funcțiile care susțin această varietate și îi permit să se adapteze la circumstanțele de mediu în schimbare. Microbiota gastrointestinală umană este unul dintre cele mai complexe și diverse ecosisteme de pe planetă, fiecare dintre noi oferind o casă mai mult de 100 de miliarde de organisme, 150 până la 300 de specii, de 100 de ori mai mult ADN decât fiecare celulă umană și o serie de elemente esențiale funcții fără de care nu am putea trăi.

Locuiesc în Munții Blue Ridge din vestul Carolinei de Nord, una dintre cele mai bogate și mai diverse păduri temperate cu frunze late din lume. Cu mai mult de 158 de specii de copaci (mai mult decât există în toată Europa), mai mult de 4000 de specii de plante și 2000 de specii de ciuperci, casa mea ocupă locul cel mai înalt printre ecosisteme pentru diversitatea florală totală, precum și cel mai mare total de floră și specii de faună din America de Nord. Microhabitatele unice și stabilitatea geologică care au favorizat această biodiversitate au dat loc modernității și am văzut mai mult de 80% din habitatul acestui ecosistem modificat în ultimii 100 de ani. De asemenea, am văzut modificări ale diversității microflorei intestinale în cadrul locuitorilor umani în aceeași perioadă de timp.

La fel ca Blue Ridge, (micro) organismele din tractul gastrointestinal uman creează un ecosistem divers. Interacționând cu corpul uman, „microbiomul intestinal” asigură o varietate de funcții, inclusiv: furnizarea de energie pentru celulele gastrointestinale, susținerea digestiei, sintetizarea vitaminelor, educarea sistemului imunitar adaptativ, acționând ca modulatori ai inflamației, inhibând bacteriile patogene prin biofilme, peptide antimicrobiene și competiția pentru nutrienți și stimularea răspunsului imun. În comunicarea cu pacienții mei, folosesc exemplul că atunci când mergem la „o plimbare prin pădure” observăm o pierdere de diversitate în flora acestor dealuri și munți. Vedem dezechilibrul din cadrul ecosistemului manifestat prin schimbări, cum ar fi mușchiul castanului american din secolul trecut (o ciupercă a ucis mai mult de 4 miliarde de copaci) și parazitul Hemlock Woolly Adelgid, care a ucis mai mult de jumătate din copacii cucușilor din ultimii 30 de ani. Când există o pierdere a diversității în microflora intestinală, descoperim că acest dezechilibru duce la nenumărate boli la pacienții noștri.

Cu doar 10 ani în urmă, se credea că, odată stabilită în copilărie și în copilăria timpurie, microflora intestinală a fost stabilă într-un individ de-a lungul vieții sale. S-a observat că o varietate de factori afectează dezvoltarea timpurie, distribuția și diversitatea microflorei, inclusiv: istoricul familiei, vârsta gestațională, modul de livrare, locul de livrare, tipul de hrănire a sugarului, vârsta consumului de alimente solide, expunerea la antibiotice și expunerea dietetică timpurie. 1 Primii colonizatori sunt adesea aerobi precum Staphylococcus, Streptococcus și Enterobacteria, urmat mai târziu de colonizatori anaerobi precum Clostridia. După aceste stadii incipiente, microbiota sugarilor alăptați este dominată de Bifidobacterii. Odată cu înțărcarea, introducerea alimentelor solide promovează o microbiotă stabilă, asemănătoare adulților, caracterizată printr-o biodiversitate remarcabilă. Pacienții urmăriți longitudinal se observă că au o diversitate și stabilitate crescândă în filul principal: Major = Bacteroidetes (inclusiv Prevotella) și Firmicutes (incluzând Clostridia, Lactobacilli și Streptococci); Minor = Actinobacteria (inclusiv Bifidobacteria), Proteobacteria (inclusiv Enterobacteria) și Verucomicrobia. 2 Arheea metanogenă, eucariotele (în principal drojdie) și virusurile sunt de asemenea prezente.

DeFillippo și colab. Au urmărit lucrările timpurii ale lui Gordon și Ley 4 pentru a evalua co-evoluția microbiotei în diferite diete umane. Microbiomul intestinal al copiilor din Burkina Faso (a cărui dietă era săracă în grăsimi și zahăr și bogată în amidon, fibre și polizaharide din plante) a fost comparată cu cea a copiilor din Italia (a cărei dietă era bogată în proteine ​​animale, grăsimi, zahăr, și amidon rafinat și sărac în fibre). Microbiomul fecal african conținea gene care ar putea descompune celuloza și fibrele vegetale și constau în cantități mai mari de Bacteroidetes phyla, în comparație cu cantități mai mari de phyla Firmicutes în rândul copiilor din Europa de Vest. 5

Compoziția generală a intestinului depinde de vârstă, sănătate, dietă și chiar locația geografică a individului. 6 Vedem că distribuția și diversitatea microbiomului intestinal sunt mediate în principal de dieta și de starea noastră nutrițională. Claesson și proiectul Cork ELDERMET au efectuat o analiză unică a pacienților vârstnici în diferite setări, de la comunitate la spital până la reabilitare pe termen scurt până la facilități de îngrijire pe termen lung. Au putut observa că odată cu scăderea diversității microbiotei, starea de sănătate a scăzut. O analiză suplimentară a arătat că aceste modificări ale microbiomului între instituții s-au corelat cu scăderea diversității dietetice, așa cum este definit de indicele de diversitate alimentară sănătoasă. Schimbarea microbiomului alimentat de dietă se corelează cu scăderea sănătății (adică fragilitatea) în timpul îmbătrânirii. 7

După cum s-a văzut în evaluările vârstnice și interculturale menționate anterior, Wu a constatat, de asemenea, că compoziția microbiotei la americani era asociată cu dieta - adică, Bacteroides era mai răspândită în dietele pe bază de animale și Prevotella crescută era asociată cu dietele pe bază de plante. 8 Consorțiul european METAHIT (similar proiectului US Microbiome Human) a postulat în 2011 ideea a trei „enterotipuri” distincte 9, un analog gastrointestinal al grupelor de sânge obișnuite, dar analiza și dezbaterile ulterioare au estompat această distincție. 10 Așa cum s-a văzut în studiile de mai sus, dieta pe bază de animale se corelează cu enterotipul Bacteroides, iar dieta pe bază de plante este asociată cu enterotipul Prevotella. Enterotipul propus de Ruminococcus pare acum mai puțin probabil să fie o entitate separată și a fost inclus de unii cercetători ca o variantă a dietei pe bază de animale cu predominanță Prevotella. 11

Modelele dietetice pe termen lung influențează în mod clar taxonomia și capacitatea funcțională a microbiomului. Acum este clar că o schimbare pe termen scurt a macronutrienților (două diete, câte 5 zile fiecare + perioada de spălare 12 a reușit să schimbe rapid microbiomul intestinal; cu reduceri ale Prevotella din dieta pe bază de animale, precum și creșteri ale acidului biliar secundar, acid deoxicolic (DCA), care este derivat din metabolismul microbian (a se vedea raportul de caz aferent în acest număr).

Odată cu conștientizarea tot mai mare a compoziției și funcției microbiomului intestinal, au început să apară experimente care evaluează diversitatea microbiomului (denumită și „bogăție”) pentru a stratifica profilurile de risc metabolice. Bogăția/diversitatea scăzută a microbiotei intestinale a fost raportată la pacienții cu tulburare inflamatorie intestinală (IBD), pacienții vârstnici cu inflamație și la persoanele obeze, dar diferențele de bogăție în cadrul acestor grupuri sau în rândul persoanelor neobeze nu au fost detectate anterior. Deoarece compoziția microbiotei intestinale pare a fi destul de stabilă pe perioade lungi de maturitate, bogăția sa poate fi o trăsătură caracteristică a unui individ. 13 Alte studii au extins aceste evaluări ale diversității (adică bogăția) pentru a demonstra că intervențiile alimentare îmbunătățesc bogăția genomică (număr mare de gene vs număr scăzut de gene) și ameliorează indicatorii fenotipici ai inflamației. 14

Aceste studii au stabilit că există multiple mecanisme de evaluare a diversității. Măsurile de cercetare privind diversitatea alfa (diversitatea medie a speciilor într-un habitat) și diversitatea beta (diversitatea dintre habitate) sunt utile atunci când se măsoară 100 de specii și 100 de metaboliți. Până în prezent, aceste măsuri de cercetare nu oferă instrumentele clinice esențiale pentru a evalua diversitatea microbiomului intestinal în rândul și în cadrul pacienților. Aceasta este o considerație curioasă, pentru că recunoaștem că echilibrul macroscopic va recapitula holografic ecosistemul microscopic.

Înțeles, încercările actuale de a măsura bacteriile aerobe și facultative anaerobe din cultura scaunului ne oferă doar o mică fereastră către bogăția generală și abundența microbiotei gastrointestinale. Microbiota intestinală este un sistem robust care se interconectează și este controlat de mai mulți factori și la mai multe niveluri. Când întregul sistem este dezechilibrat (adică scăderea diversității alfa), constatăm că măsuri precum cultura scaunelor, sondele ADN, distribuția acizilor grași cu lanț scurt, 15 și activitatea β-glucuronidazei 16 ne pot oferi o fereastră către bogăție/diversitatea și abundența întregului ecosistem intestinal. Implicațiile clinice ale acestui lucru sunt vaste, deoarece putem obține o perspectivă asupra homeostaziei uman-microbiene prin măsurători ale funcției bacteriene (SCFA, 17 β-glucuronidază); identificarea microbiologică a aerobilor/anaerobilor (cultură, MALDI-TOF); și măsuri bazate pe 16S-ARN (FISH, tRFLP, PCR, MicroArray, PyroSequencing) 18 ale unităților taxonomice organizaționale bacteriene (OTU), filuri, genuri, specii și tulpini.

La fel și atunci când ne plimbăm prin pădure, putem simți diferența dintre o pădure în creștere veche și o a doua (sau a treia) pădure în creștere, chiar dacă nu suntem în stare să identificăm o singură specie. Acest lucru are implicații pentru recunoașterea dezechilibrului microbiotei intestinale prin simptome clinice, cum ar fi sindromul intestinului iritabil (IBS), boala inflamatorie a intestinului (IBD), bolile atopice precum eczemele și astmul și numeroase boli autoimune. Aceste sindroame și boli clinice au microflora intestinală dezechilibrată (deseori numită disbioză) ca factor esențial, deși nu neapărat cauzal.

Având în vedere întregul sistem al microbiomului intestinal, recunoaștem că intervențiile punct-sursă, cum ar fi un probiotic singular, nu sunt susceptibile de a oferi un punct de pârghie suficient pentru a schimba întregul sistem. De asemenea, antibioticele pot provoca modificări pe scară largă în tractul gastro-intestinal și microbiom, dar nu tind să modifice condițiile de bază (dietă, mediu, stres, gene etc.) care au furnizat condițiile pentru o creștere bacteriană dezechilibrată în primul rând. În timp ce antibioticele și probioticele pot modifica distribuția microbiotei intestinale pe termen scurt, doar câteva studii au demonstrat efectele clinice pe termen lung ale acestor agenți; și atunci când au, cum ar fi efectele antiinflamatoare impresionante ale VSL-3 în colita ulcerativă, 19 este cu doze masive (3,6 trilioane de unități care formează colonii) și multiple (8) specii/tulpini pleomorfe. 20 Pe măsură ce descoperim baza moleculară a interacțiunilor om-microb, începem să înțelegem cum să selectăm probiotice pentru diferite indicații pe baza efectelor lor metabolice, antiinflamatorii, imunomodulatoare și antimicrobiene. 21

Diversitatea promovează autoorganizarea și vindecarea în cadrul unui ecosistem; este o sursă de potențial evolutiv, inovație, rezistență, oportunitate și schimbare. Promovarea diversității ne impune să analizăm componentele care oferă contextul pentru care diversitatea să apară inițial. Când evaluăm dezvoltarea microbiomului intestinal, vedem că diversitatea și stabilitatea apar între vârstele de 2 până la 4 ani - în momentul în care copiii încep să mănânce alimente solide! Dieta este motorul final al diversității microbiotei intestinale, după cum se observă în evaluările fenotipice (adică, metabolomică) și structurale/populaționale (adică, metagenomice). O revizuire notează că modificările dietetice explică 57% din variația structurală totală a microbiotei intestinale, în timp ce modificările genetice au reprezentat nu mai mult de 12%. 22 Dietele occidentale cu conținut ridicat de zahăr modifică populațiile și transformă microbiota intestinală sănătoasă în configurații care induc boli, 23 în timp ce fermentația alimentelor prebiotice poate produce o schimbare semnificativă a microbiotei intestinale către echilibru. 24

Niciunul dintre noi nu ar trebui să fie o surpriză că „Suntem ceea ce mâncăm”. O mulțime de delicii gastronomice și disponibilitatea de alimente din orice ecosistem din întreaga lume, în orice moment, au mutat corpul uman și microbiomul său de la o relație directă cu „a mânca corect cu anotimpurile”. 25 Diversitatea fitonutrienților dintr-un spectru de tip, culoare, sursă și pregătire este necesară pentru a promova diversitatea microbiotei, care este necesară pentru redundanța și reziliența necesare pentru optimizarea funcției intestinale. În acest fel, ne deplasăm în amonte - de la intestin la gură până la recompensa diversă și frumoasă a naturii - pentru a oferi ALIMENTUL necesar sănătății și bunăstării. Bucurați-vă!