Elizabeth Thrby

Programul de sănătate intestinală și siguranță alimentară, Institutul de cercetare a alimentelor, Norwich Research Park, Norwich NR4 7UA, Marea Britanie.

intestinului

Nathalie Juge

Programul de sănătate intestinală și siguranță alimentară, Institutul de cercetare a alimentelor, Norwich Research Park, Norwich NR4 7UA, Marea Britanie.

Abstract

Tractul gastrointestinal uman (GI) adăpostește o populație complexă și dinamică de microorganisme, microbiota intestinală, care exercită o influență marcată asupra gazdei în timpul homeostazei și al bolii. Mai mulți factori contribuie la stabilirea microbiotei intestinului uman în timpul copilăriei. Dieta este considerată drept unul dintre principalii factori care influențează microbiota intestinală de-a lungul vieții. Bacteriile intestinale joacă un rol crucial în menținerea homeostaziei imune și metabolice și în protejarea împotriva agenților patogeni. Compoziția bacteriană intestinală alterată (disbioză) a fost asociată cu patogeneza multor boli inflamatorii și infecții. Interpretarea acestor studii se bazează pe o mai bună înțelegere a variațiilor interindividuale, eterogenitatea comunităților bacteriene de-a lungul și de-a lungul tractului gastrointestinal, redundanța funcțională și necesitatea de a distinge cauza de efect în stările de disbioză. Această revizuire rezumă înțelegerea noastră actuală a dezvoltării și compoziției microbiotei GI umane și a impactului acesteia asupra integrității intestinului și a sănătății gazdei, care stă la baza necesității unor studii mecaniciste axate pe interacțiunile gazdă - microb.

Introducere

Tractul gastrointestinal uman (GI) reprezintă una dintre cele mai mari interfețe (250-400 m 2) dintre gazdă, factorii de mediu și antigenii din corpul uman. Într-o durată medie de viață, aproximativ 60 de tone de alimente trec prin tractul gastro-intestinal uman, împreună cu o abundență de microorganisme din mediu care impun o imensă amenințare asupra integrității intestinului [1]. Colecția de bacterii, arhee și eucarii care colonizează tractul gastrointestinal este denumită „microbiota intestinală” și a co-evoluat cu gazda de-a lungul a mii de ani pentru a forma o relație complicată și reciproc avantajoasă [2,3]. S-a estimat că numărul de microorganisme care locuiesc în tractul GI depășește 10 14, care cuprinde de aproximativ 10 ori mai multe celule bacteriene decât numărul de celule umane și de peste 100 de ori cantitatea de conținut genomic (microbiom) ca genomul uman [2,4 ]. Cu toate acestea, o estimare recent revizuită a sugerat că raportul dintre celulele umane și bacteriene este de fapt mai aproape de 1: 1 [5]. Ca urmare a numărului mare de celule bacteriene din organism, gazda și microorganismele care îl locuiesc sunt adesea denumite „superorganisme” [4,6].

Microbiota oferă numeroase beneficii gazdei, printr-o serie de funcții fiziologice, cum ar fi consolidarea integrității intestinului sau modelarea epiteliului intestinal [7], recoltarea energiei [8], protecția împotriva agenților patogeni [9] și reglarea imunității gazdei [10]. Cu toate acestea, există potențialul ca aceste mecanisme să fie perturbate ca urmare a unei compoziții microbiene modificate, cunoscută sub numele de disbioză. Cu metodele din ce în ce mai sofisticate de profilare și caracterizare a ecosistemelor complexe, un rol pentru microbiotă într-un număr mare de boli intestinale și extraintestinale a devenit evident [11,12]. Această revizuire rezumă înțelegerea noastră actuală a dezvoltării și compoziției microbiotei GI umane și a impactului acesteia asupra integrității intestinului și a sănătății gazdei.

Compoziția și structura microbiotei GI umane

Microbiota intestinală nu este la fel de diversă ca și comunitățile microbiene din alte situri corporale și relevă un grad ridicat de redundanță funcțională [19-21]. Recent a fost obținut un catalog extins al capacității funcționale a microbiomului intestinal uman, unde 9.879.896 gene au fost identificate printr-o combinație de 249 de probe nou secvențiate și 1018 publicate [18]. Studiul a identificat prezența semnăturilor microbiene specifice fiecărei țări, sugerând că compoziția microbiotei intestinale este modelată de factori de mediu, cum ar fi dieta și, eventual, și de genetica gazdei [18]. Cu toate acestea, trebuie remarcat și faptul că microbiota care diferă în ceea ce privește compoziția poate avea un anumit grad de redundanță funcțională, producând profiluri similare de proteine ​​sau metaboliți [22]. Aceste informații sunt cruciale pentru dezvoltarea strategiilor terapeutice de modificare și modelare a comunității microbiene în boală.

Dezvoltarea microbiotei GI umane

Biogeografia microbiotei umane în tractul GI

Compoziția microbiotei din tractul GI reflectă proprietățile fiziologice într-o anumită regiune și este stratificată atât pe axa transversală, cât și pe axa longitudinală [39]. Densitatea și compoziția microbiotei sunt afectate de gradienții chimici, nutriționali și imunologici de-a lungul intestinului. În intestinul subțire, există de obicei niveluri ridicate de acizi, oxigen și antimicrobiene și un timp de tranzit scurt [40]. Aceste proprietăți limitează creșterea bacteriană, astfel încât numai anaerobii facultativi cu creștere rapidă, cu capacitatea de a adera la epitelii/mucus, se presupune că vor supraviețui [40]. La șoareci, comunitatea microbiană a intestinului subțire este dominată în mare măsură de Lactobacillaceae [41]. În schimb, condițiile colonice susțin o comunitate densă și diversă de bacterii, în principal anaerobe cu capacitatea de a utiliza carbohidrați complecși care nu sunt digerați în intestinul subțire. În colon Prevotellaceae, Lachnospiraceae și Rikenellaceae s-au dovedit a domina [40,41].

Spre deosebire de compoziția diferită a microbiotei între diferite organe GI, microbiota diferitelor regiuni mucoase colorectale din cadrul aceluiași individ este conservată spațial atât din punct de vedere al compoziției, cât și al diversității [42,43]. Această caracteristică este evidentă chiar și în perioadele de inflamație localizată [43]. Pe de altă parte, compozițiile fecale/luminale și mucoase sunt semnificativ diferite [42,43]. De exemplu, abundența bacteroidetelor pare a fi mai mare în probele fecale/luminale decât în ​​mucoasă [42,44]. În schimb, Firmicutes, în special Clustridium cluster XIVa, sunt îmbogățite în stratul de mucus comparativ cu lumenul [44]. Interesant este faptul că experimentele recente efectuate la șoareci colonizați cu o microbiotă specifică diversă fără patogeni au arătat că mucusul exterior al intestinului gros formează o nișă microbiană unică și că speciile bacteriene prezente în mucus prezintă proliferare diferențială și utilizarea resurselor în comparație cu aceeași specie din lumenul intestinal [45]. Aceste observații evidențiază necesitatea unei analize atente în alegerea unei metode de eșantionare atunci când se analizează compoziția microbiotei.

Diferențele interindividuale în aranjamentul speciilor și subspeciilor sunt propuse pentru a depăși diferențele în aranjamentul comunitar în cadrul unui individ [42,46,47]. S-au sugerat prezența unei „microbiote de bază”, propusă a fi un set din aceleași organisme abundente prezente la toți indivizii. Cu toate acestea, se poate observa mai multă similitudine în repertoriul genelor microbiene prezente între indivizi decât profilul taxonomic, sugerând că microbiota de bază poate fi mai bine definită la nivel funcțional, mai degrabă decât la nivel de organism [46]. Recent, a fost posibil să se clasifice aranjamentele individuale ale microbiotei în „tipuri de comunități” care pot fi predictive reciproc și care sunt asociate cu fundalul [48]. Analiza multidimensională a 33 de eșantioane din diferite naționalități a relevat prezența a trei enterotipuri identificabile prin variații ale nivelului unuia dintre cele trei genuri: Bacteroides (enterotip 1), Prevotella (enterotip 2) și Ruminococcus (enterotip 3) [49]. Cu toate acestea, dovezile care înconjoară existența și formarea acestor enterotipuri sunt controversate, după cum a fost analizat în detaliu în [50].

Factori care modelează microbiota GI

Compoziția microbiotei este supusă modelării de către gazdă și presiuni selective de mediu. Pentru a proteja împotriva leziunilor și a menține homeostazia, tractul GI limitează expunerea sistemului imunitar al gazdei la microbiotă prin recrutarea unei bariere intestinale multifactoriale și dinamice. Bariera cuprinde mai multe componente integrate, inclusiv factori fizici (straturile epiteliale și mucoase), biochimice (enzime și proteine ​​antimicrobiene) și imunologice (IgA și celule imune asociate epiteliei) [51]. Longevitatea unui microb individual este determinată de faptul că acesta contribuie la gama de funcții esențiale pe care se bazează fitnessul gazdei. Se propune ca organismele care nu contribuie la funcții benefice să fie controlate și, ocazional, pot fi purjate în timpul transferului microbiotei către o nouă gazdă [52,53].

Microbii intestinali trebuie adaptați la un anumit tip de stil de viață, din cauza numărului relativ mai mic de nișe biochimice disponibile în intestin, comparativ cu alte medii bogate în microbi. În intestin, energia poate fi derivată în general prin procese precum fermentarea și reducerea sulfatului de carbohidrați din dietă și gazdă. Prin urmare, organismele care pot supraviețui în intestin sunt limitate de trăsăturile lor fenotipice [52].

Disponibilitatea compușilor sulfați în colon, fie de origine anorganică (de exemplu, sulfați și sulfiți), fie organică (de exemplu, aminoacizi alimentari și mucine gazdă), poate influența grupuri specifice de bacterii, cum ar fi bacteriile care reduc sulfatul, care sunt rezidente ale intestinului microbiota care a fost implicată în etiologia tulburărilor intestinale, cum ar fi IBD, IBS sau cancerul colorectal [111].

Distribuția acizilor biliari în intestinul subțire și gros poate afecta, de asemenea, dinamica comunității bacteriene din intestin, așa cum este revizuită cu atenție [112, 113]. Acizii biliari primari, cum ar fi taurocolatul, pot furniza semnale de aderare la bacteriile intestinale și pot promova germinarea sporilor și pot facilita, de asemenea, recuperarea microbiotei după disbioză indusă de antibiotice sau toxine [114]. Mai mult, concentrația redusă de acid biliar în intestin poate juca un rol important în permiterea extinderii taxonilor microbieni pro-inflamatori [115]. Aceste studii evidențiază rolul acizilor biliari în modelarea microbiotei GI.

Rolul microbiotei GI în sănătate

Datorită conținutului său genomic mare și a complementului său metabolic, microbiota intestinală oferă o serie de proprietăți benefice gazdei. Unele dintre cele mai importante roluri ale acestor microbi sunt de a ajuta la menținerea integrității barierei mucoasei, de a furniza substanțe nutritive precum vitaminele sau de a proteja împotriva agenților patogeni. În plus, interacțiunea dintre microbiota comensală și sistemul imunitar al mucoasei este crucială pentru o funcție imunitară adecvată.

Microbiota GI este, de asemenea, crucială pentru sinteza de novo a vitaminelor esențiale pe care gazda este incapabilă să le producă [149]. Bacteriile lactice sunt organisme cheie în producerea vitaminei B12, care nu pot fi sintetizate nici de animale, nici de plante, nici de ciuperci [149.150]. Bifidobacteriile sunt principalii producători de folat, o vitamină implicată în procesele metabolice vitale ale gazdei, inclusiv sinteza și repararea ADN-ului [151]. Alte vitamine, pe care microbiota intestinală s-a dovedit a le sintetiza la om, includ vitamina K, riboflavină, biotină, acid nicotinic, acid pantotenic, piridoxină și tiamină [152]. De asemenea, bacteriile colonice pot metaboliza acizii biliari care nu sunt reabsorbiți pentru biotransformare în acizi biliari secundari [113]. Toți acești factori vor influența sănătatea gazdei. De exemplu, o modificare a co-metabolismului acizilor biliari, acizilor grași ramificați, colinei, vitaminelor (adică niacinei), purinelor și compușilor fenolici a fost asociată cu dezvoltarea bolilor metabolice precum obezitatea și diabetul de tip 2 [153].

Concluzie

Mulțumiri

Autorii recunosc cu recunoștință sprijinul Consiliului de Cercetare în Biotehnologie și Științe Biologice (BBSRC).