Abstrakt
Mikroflóry představuje celé mikrobiální společenství přítomné ve střevě hostitele. Slouží několika funkcím navazujícím vzájemný vztah s hostitelem. V posledních letech došlo k nárůstu počtu studií zaměřených na toto téma, zejména na střevní onemocnění. V tomto scénáři jsou proteobakterie jednou z nejhojnějších kmenů, které obsahují několik známých lidských patogenů. Tento přehled zdůrazňuje nejnovější poznatky o úloze proteobakterií nejen ve střevech, ale také v extraintestinálních onemocněních. Rostoucí množství údajů skutečně identifikuje proteobakterie jako možný mikrobiální podpis nemoci. Několik studií prokazuje zvýšené množství členů patřících do tohoto kmene za takových podmínek. Hlavní důkazy v současné době zahrnují metabolické poruchy a zánětlivé onemocnění střev. Nicméně, nedávné studie naznačují roli také při onemocnění plic, jako je astma a chronická obstrukční plicní nemoc, ale důkazy jsou stále mizivé. Zejména jsou všechny tyto stavy udržovány různým stupněm zánětu, který tak představuje základní aspekt onemocnění souvisejících s Proteobakteriemi.
1. Úvod
střevo je nejvíce kolonizovaným lidským orgánem s až 100 biliony mikrobů, což je asi 10násobek počtu lidských buněk . Na této úrovni více než 50 kmenů byly popsány, nicméně, převaha pouze 4 hlavních kmenů: Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria a Proteobacteria .
zejména gastrointestinální trakt (GIT) je také kolonizován houbami a virem, které tvoří střevní mykobiom a střevní virom .
Metagenomika dovoleno, odhad počtu genů, z mikroflóry, tzv. mikrobiomem, s počtem překročení o více než 150 krát lidského genomu (asi 3,3 milionu ve srovnání s přibližně 20.000 genů u člověka) , tedy skutečný druhé genomu hostitele.
počet mikrobiálních buněk vykazuje pozitivní rostrocaudální gradient podél všech GIT: z o 10-103 mikrobů za gram v žaludku a dvanáctníku, 104-107 mikrobů za gram v jejunu a ileu, 1011-1012 mikrobů za gram v tlustého střeva .
Kromě toho mikroflóry složení se také liší v různých GI traktu: anaerobní bakterie převládají v tlustém střevě, zejména Bacteroidetes a Lachnospiraceae rodin, které patří do kmene Firmicutes . Na druhé straně v tenkém střevě převládají fakultativní anaerobní látky .
Mikroorganismů kolonizace GIT začíná při narození, s dynamickým mikroflóry, která se postupně stabilizuje v prvních letech života . U dospělých dosahuje mikrobiota vyšší složitosti zvyšující se rozmanitost . A konečně, ve stáří, složení mikroflóry zobrazuje snížená diverzita s převahou Proteobacteria a snížení Bifidobacterium .
Navíc, mnoho faktorů, které ovlivňují složení mikroflóry v průběhu života, nejdůležitější je strava, způsob realizace, typ krmení, užívání drog, zejména antibiotika, a, jak již bylo uvedeno výše, věk .
střevní mikrobiota plní v hostiteli mnoho důležitých funkcí se zavedením skutečné symbiózy. Mezi tyto funkce patří metabolismus a syntéza živin, zejména vitamínů skupiny vitaminu K A B, tropismus na sliznici, metabolismus léků a toxinů a bariérové funkce . Střevní bariérou, komplexní strukturou prvořadého významu, která slouží jako hranice mezi hostitelem a prostředím, reguluje interakci mezi bakteriemi a hostitelskými buňkami a moduluje vstřebávání živin .
v této souvislosti jsou proteobakterie, jak již bylo zmíněno, jednou z nejhojnějších kmenů v lidské střevní mikrobiotě. Název proteobakterie byl poprvé navržen Stackebrandtem a kol. v roce 1988 . Toto seskupení bakterií však Woese založil již v roce 1987 s neformálním názvem „fialové bakterie a jejich příbuzní“. Jméno Proteus pochází od starověkého řeckého boha moře Proteus schopného převzít různé tvary s ohledem na vysokou heterogenitu projevenou bakteriemi patřícími do tohoto kmene . Společným znakem proteobakterií je gramnegativní barvení a tím i přítomnost lipopolysacharidu ve vnější membráně. Proteobakterie jsou v současné době největším kmenem v doméně bakterií. Na základě fylogenetické analýzy 16S rRNA gene kmen Proteobacteria je rozdělena do 6 tříd (dříve považován za podtřídy kmenu): Alphaproteobacteria, Betaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Deltaproteobacteria, Epsilonproteobacteria, a Zetaproteobacteria. Vzhledem k tomu, že rozdělení tříd je založeno na molekulární příbuznosti, není divu, že žádný specifický morfologický nebo fyziologický rys charakterizuje členy v každé třídě. Mnohé běžné lidské patogeny se nacházejí v kmen Proteobacteria: například, Brucella a Rickettsia rodů patří k Alphaproteobacteria třídy, Bordetella a Neisseria na Betaproteobacteria třídy, zatímco Escherichia, Shigella, Salmonella a Yersinia do třídy Gammaproteobacteria a, konečně, Helicobacter k Epsilobacteria třídy. U lidí jsou proteobakterie přítomny v různých místech těla, jako je kůže, ústní dutina a jazyk a vaginální trakt jiné než v lidském střevě a stolici .
cílem této práce je přezkoumat nejnovější poznatky týkající se role členů proteobakterií ve střevních, ale i extraintestinálních onemocněních. Zvláštní pozornost je věnována metabolickým a zánětlivým poruchám.
2. Metabolická Role
v posledních letech se zvýšil zájem o studium role střevní mikrobioty u několika extraintestinálních onemocnění. Mnoho studií našel důsledky mikrobiální flóru a její změny v mnoha metabolických podmínek, jako je cukrovka a glukózy-intolerance, obezita, nealkoholická steatohepatitida, a kardiovaskulárních onemocnění .
u pacientů s rysy metabolického syndromu bylo zjištěno mnoho změn v mikrobiotě. Například Lambeth et al. analyzoval fekální bakteriální složení pacientů s diabetem typu 2 (T2DM ), prediabetes (jak je definováno v prohlášení American Diabetes Association position zveřejněné v roce 2014) a zdravé kontroly. Zjistili výrazné zvýšení neznámého rodu, které patří do rodiny Enterobacteriaceae (je součástí kmene Proteobacteria), stejně jako zvýšení rodu Collinsella, v T2DM skupiny ve srovnání s ostatními skupinami .
spojení mezi low-grade zánět, vzniklé lipopolysacharidů (LPS), a rozvoj metabolického onemocnění je dobře zaveden ; nicméně hypotézu o přímé role mikroflóry v rozvoji tohoto zánětlivého stavu, tzv. endotoxemia, je novější a byla zkoumána, a to zejména tím, Cani et al. . Ve skutečnosti, autoři zjistili, že produkce LPS je udržována Gram negativních bakterií ve střevě, a že podávání antibiotik snižuje metabolickou endotoxemia a cekální obsah LPS .
Díky technologické inovace a šíření nových technik pro analýzu mikroflóry, a to, 16s rRNA sekvenční a metagenome sekvenování, nedávné studie zaměřené na identifikaci bakterií, které mohou být zapojeny do vzniku endotoxemia a v rozvoji metabolických poruch. V této souvislosti bylo často zjištěno, že proteobakterie byly zvýšeny .
například Fei a Zhao zjistili nárůst čeledi Enterobacteriaceae u obézního dobrovolníka . Po úbytku hmotnosti byla navíc nejvíce postižena populace Enterobacteriaceae s výrazným snížením. Kromě toho očkování u klinického izolátu z Enterobacter populace v germ-free (GF) myši překonává odpor k rozvoji obezity po vysokým obsahem tuku strava (HASIČE) . Ve skutečnosti jsou GM myši obvykle rezistentní na obezitu vyvolanou HFD .
Hlavní poznatky do role mikroflóry v obezity pochází z velmi dobře známé studie Turnbaugh et al. prováděny na myším modelu obezity, která prokázala, že nejen, že obézní myši přístav dysbiotic mikroflóry s nárůstem Firmicutes a snížení Bacteroidetes, ale také obézní fenotyp by mohla být převedena do germ-free myši prostřednictvím transplantace fekální mikroflóry. Ve skutečnosti převod fekální mikroflóry z obézních myší v germ-free myši za následek výraznější nárůst tělesné hmotnosti ve srovnání s myší transplantovaných s mikroflóry z hubených myší .
další studie zkoumaly, zda by účinek transplantace mikrobioty mohl být replikován u myší bez zárodků po léčbě antibiotiky. Autoři zjistili podobné, i když méně patrné změny metabolických parametrů jako změny dosažené u myší bez zárodků. Proto mikroflóry v transplantovaných myší byla pouze dočasně podobné mikroflóry dárců myši, s tendencí vrátit se k pretransplant stav v průběhu času .
konečně studie na lidech poskytují zajímavé, ale stále omezené výsledky. Například Vrieze a kol. zkoumány účinky transplantace střevní mikroflóry z libového dárců pro pacienty s metabolickým syndromem hodnocení změn v metabolismu glukózy . Stručně řečeno, u pacientů s metabolickým syndromem byli randomizováni buď mikroflóry z libového dárci nebo autologní mikroflóry infuze; citlivost na inzulín a složení mikrobioty byly hodnoceny na začátku a po 6 týdnech od fekální infuze. Po 6 týdnech pouze alogenní infuzní skupina vykázala zlepšení periferní citlivosti na inzulín s významným zvýšením rozmanitosti mikrobioty.
kromě toho, různé studie zkoumala role mikroflóry v nealkoholická steatóza jater (NAFLD) a nealkoholické steatohepatitis (NASH). Například Michail et al. zkoumal mikrobiální složení dětí s NAFLD a bez NAFLD. Autoři zjistili, že pacienti s NAFLD měli hojnější Gammaproteobakterie a Prevotella a významně vyšší hladiny ethanolu . Zajímavé je, že předchozí studie zjistily, že jak Gammaproteobakterie, tak Prevotella jsou spojeny s endogenní produkcí alkoholu, což naznačuje mechanismus vývoje poškození jater.
Analýza složení mikroflóry u dětí prokázala postupný nárůst Proteobacteria mezi zdravé, obézní, a NASH děti . Při analýze na úrovni rodiny a rodu, autoři zjistili, že tento rozdíl byl udržován zvýšením Enterobacteriaceae a Escherichia, resp.
podobné výsledky byly získány Kapil et al. . Autoři zkoumali roli nadměrného růstu bakterií tenkého střeva (SIBO) ve vývoji NAFLD/NASH a zjistili, že až 37,5% pacientů s NAFLD má SIBO. Je zajímavé, že v souladu s výše uvedenou studií byla Escherichia coli nejčastějším bakteriálním izolátem. Konečně pacienti se SIBO měli také vyšší hladiny endotoxémie .
jiní autoři předpokládali, že střevní mikrobiota může vyvolat změny v ose střeva a mozku, aby vysvětlila svou roli v metabolických onemocněních. Ve skutečnosti, Vaughn a kol. zjistil, že krysy krmeny HASIČE byly spojeny nejen s mikroflóry změny, zejména s šířením Proteobacteria, ale také s reorganizací aferentní vagové a aktivace mikroglie v jádru osamělé traktu, mozku centrum, které reguluje pocit sytosti . Kromě toho, podávání antibiotické léčby byla dostatečná, aby se vrátit výše uvedených neurální reorganizace v nervovém systému, což naznačuje přímé role mikroflóry v tento jev .
dalším důležitým aspektem je tvar střevní mikrobioty pomocí stravy. Například de Filippo et al. porovnal fekální mikrobiotu evropských dětí a mikrobiotu dětí z Burkiny Faso . Autoři zjistili, že mikrobiální flóru Burkina Faso děti byly charakterizovány vyšší mikrobiální bohatství a rozmanitosti a také nedostatečným zastoupením Enterobacteriaceae ve srovnání s Evropskými dětí, což opět naznačuje, negativní roli Proteobacteria a zdůraznit význam zachování mikrobiální rozmanitosti .
konečně se zdá, že proteobakterie se podílejí také na kardiovaskulárních onemocněních. Například Amar et al. zjistil, že krev mikroflóry dysbiózou, a zejména zvýšení Proteobacteria byly spojeny s nástupem kardiovaskulární příhody v populaci po odpovídající úpravě pro známo, že kardiovaskulární rizikové faktory, jako je kouření . Aterosklerotické onemocnění je charakterizováno zahušťováním tepny intima v důsledku akumulace lipidů a imunitních buněk, zejména makrofágů a T-buněk, které tvoří typický plak. Předpokládá se souvislost mezi aterosklerózou a infekcí . Zejména novější studie se zaměřily na roli různých patogenů na složkách plaku s důkazy proaterosklerotických účinků . V této souvislosti, tam je důkaz, že vysoké hladiny Proteobacteria jsou přítomny uvnitř aterosklerotického plátu ; tak to může být spekuloval, že tyto mikroorganismy mohou mít prozánětlivých účinků, které mohou přispět k aktivaci plaku. Jiní autoři však předpokládali, že mikroorganismy mohou také přispět nepřímo prostřednictvím mechanismů, molekulární mimikry, v takovém případě „viníka“ patogen nemusí být lokálně .
3. Zánět a Zánětlivých Onemocnění Střev
Interakce mezi mikroflóry a hostitelských buněk ve střevě je nezbytná pro utváření a modulace imunitního systému , s mnoha studiích hlášení změny ve složení mikroflóry v různých zánětlivých-trvalé podmínek, a to jak u zvířat a u lidí . V této souvislosti, Proteobacteria jsou často zjištěno, že být zvýšena v nemoci a byly identifikovány tím, že někteří autoři jako možný marker mikroflóry nestability, a tím, predisponující ke vzniku nemoci .
je zajímavé, že přechodná dominance proteobakterií, zejména Enterobacteriaceae, byla nalezena u novorozených myší, které se však s věkem postupně ztrácejí . Tato změna je také spojena s prozánětlivých státu, tak jak ji odhalila čísla společného prozánětlivých interleukinů. Přechod na stabilní a méně reaktivní mikroflóry byla spojena s výrobou specifických IgA, které se zaměřují zejména Proteobacteria, což naznačuje důležitou úlohu B-buněk v ovládání a modulace střevní bakterie prostřednictvím imunoglobulinu výroby. Důsledně jak nepřítomnost diferencovaných B-buněk, jak se vyskytuje u myší Ighm -/ -, tak nedostatek produkce IgA vedou k přetrvávání dominance proteobakterií i u dospělých myší s perzistentním zánětlivým fenotypem.
autoři, dále zkoumá úlohu B-buněk, zjistili, že produkce specifických IgA proti Proteobacteria členů je zprostředkován dendritických buněk. Společně tyto údaje zdůrazňují dramatický význam mikrobioty při modulaci imunitního systému hostitele .
úloha proteobakterií při zánětu střev byla řešena u různých myších modelů kolitidy s pozitivními korelacemi . Například Carvalho a kol. používá se model myši náchylný k zánětu, jmenovitě myši s deficitem TLR5 receptoru (T5KO), ke studiu role mikrobioty ve vývoji střevního zánětu . Autoři zjistili, že myši postupující do kolitidy vykazovaly určitý podpis mikrobioty charakterizovaný zvýšenými hladinami proteobakterií, zejména rodu Escherichia .
zajímavé je, že Langgartner et al. nedávno bylo zjištěno rozšíření proteobakterií také v myším modelu pro chronický psychosociální stres . Tyto údaje podporují koncepci mozku mikroflóry osy, román pojem, který označuje komplexní obousměrné cross-talk, která se vyskytuje mezi tyto zdánlivě oddělené subjekty a dále znamená, Proteobacteria jako disruptory střevní homeostázy.
zánětlivá onemocnění střev (IBD), zejména Crohnova choroba (CD) a ulcerózní kolitida (UC), jsou chronické stavy charakterizované přetrvávajícím střevním zánětem, jehož etiologie je stále neznámá.
nedávné důkazy však naznačují, že mohou být důsledkem nevhodné a přetrvávající zánětlivé odpovědi na mikrobiotu u vnímavého hostitele .
většina studií se zaměřila na variace střevní mikrobioty v IBD. V této souvislosti, Proteobacteria jsou často zjištěno, že být zvýšena v těchto podmínkách , znovu podporovat tyto konkrétní mikroorganismy mohou provádět prozánětlivých vlastnosti.
přesné mechanismy, které vedou ke zvýšení proteobakterií během onemocnění a zejména během zánětu, nejsou zcela známy. Nicméně, pozorování, že v průběhu střevní zánět, tam je pokles v obligátní anaeroby a zvýšení fakultativně anaerobních bakterií, jako jsou Enterobacteriaceae, vedla k formulaci „kyslík hypotéza“ . Ve skutečnosti bylo prokázáno, že za fyziologických okolností epiteliální buňky tlustého střeva vyčerpávají hladiny kyslíku v lumenu, na slizničním rozhraní, beta-oxidačními procesy, čímž vytvářejí anaerobní prostředí . Na druhé straně, v případě, že střevní zánět epitelové buňky snížit jejich schopnost projít beta-oxidace s důsledkem zvýšené dostupnosti kyslíku, který je myšlenka, aby podporovaly dysbiózou a je spojena s Proteobacteria květu . Dalším důležitým faktorem, který by mohl být zapojen do vývoje dysbiózy a zejména v květu Enterobacteriaceae, je dusičnan. Ve skutečnosti bylo prokázáno, že dusičnany produkované hostitelem během zánětlivých stavů mohou být využívány komenzálními Enterobacteriaceae, které se tak stávají převládajícími . Další studie ukázala, že exprese Nos2, gen kódující oxidu dusnatého, je inhibována aktivita PPAR-γ, který, podle pořadí, je aktivován tím, že některé mikroflóry produkty, jako je butyrát . Stručně řečeno, absence zdravé mikrobioty produkující butyrát vede ke zvýšené expresi Nos2 a produkci dusičnanů, která konečně umožňuje rozkvět Enterobacteriaceae .
dále ve snaze lépe identifikovat specifické členy proteobakterií spojené s IBD, nový patovar (tj., byl identifikován kmen se stejnými nebo podobnými vlastnostmi, diferencovaný na infrasubspecifické úrovni od jiných kmenů stejného druhu nebo poddruhu na základě charakteristické patogenity) patřící do rodu Escherichia . Tento nový patogenní skupiny byl nazýván přilnavé-invazivní E. coli (ALEC), vzhledem k jeho potenciálu dodržovat a následně napadnout střevní epitelové buňky . Další studie odhalila, že ALEC byl více převládající v CD ve srovnání se zdravými kontrolami, byly spojeny zejména s ileální CD, a byly také zjištěny jako převládající mikroorganismy kolonizovat ileální poškození těchto pacientů .
další studie, kterou provedli Willing et al., také zjistil zvýšené množství bakterií Escherichia coli specificky v ileálním CD . „Přidanou hodnotou“ této studie byla mikrobiotická analýza monozygotních dvojčat s cílem zmírnit možné matoucí faktory spojené s genetickými proměnnými . Vzhledem k těmto údajům autoři spekulují, že faktory prostředí, konkrétně variace mikrobioty, mohou být více zapojeny do definice fenotypu IBD spíše než genetické faktory.
složitější scénář je však pravděpodobnější, zejména v patogenezi IBD. Například rytíři a kol. analýza střevních biopsií pacientů s IBD prokázala, že existuje významná souvislost mezi počtem rizikových alel NOD2 a relativním množstvím Enterobacteriaceae . Tyto údaje jsou v souladu se současným konceptem IBD jako multifaktoriálních poruch s prvořadou rolí variací mikrobioty u vnímavého hostitele, jak již bylo zmíněno.
4. Zánět a Onemocnění Plic
i Přes společný názor, že dýchacích cest je sterilní prostředí, nedávné důkazy prokázat existenci plicního mikrobiomu, přechovávání kolem 500 druhů. „Jádro“ dýchacích cest mikroflóry byl také identifikován ve zdravé plíce s převahou stejných kmenů přítomných ve střevech, zejména: Bacteroidetes, Firmicutes a Proteobacteria .
astma a chronická obstrukční plicní nemoc (CHOPN) jsou chronické zánětlivé onemocnění plic. Nedávné studie zaměřené na analýzu plicního mikrobiomu v těchto podmínkách s cílem lépe pochopit patofyziologii a případně vyvinout nové a účinnější léčby. Několik důkazů naznačuje důležitou roli mikrobioty u obou nemocí. Například použití antibiotik koreluje s rizikem nástupu astmatu u dětí .
Navíc, srovnání bakteriální složení pacientů s nebo bez astmatu ukazuje, v různých studiích, vyšší množství Proteobacteria u astmatických pacientů . Mezi další výsledky patří vyšší podíl Firmicutes a Aktinobakterií u zdravých pacientů, které však nedosáhly statistické významnosti .
Kouření je hlavním rizikovým faktorem pro rozvoj CHOPN; nicméně, ne všichni kuřáci nakonec vyvinout onemocnění, což naznačuje, že jiné faktory mohou být zapojeny. Biedermann a kol. například zkoumala změnu složení mikrobioty na začátku a po ukončení kouření . Po ukončení kouření byl patrný pokles proteobakterií. Je třeba zdůraznit, nicméně, že analýza byla provedena ve vzorcích stolice, takže výsledky zahrnují střevní mikroflóry .
pokud jde o astma, různé studie zjistily zvýšení proteobakterií u pacientů s CHOPN a zejména u pacientů s exacerbací onemocnění . Konečně, ve stejné studii autoři zjistili různé „mikrobiální podpisů,“ nebo mikrobiomu profily, mezi bakteriální a eozinofilní exacerbací, konkrétně zvýšení Proteobacteria v bývalé skupiny a zvýšení Firmicutes ve druhé skupině .
5. Závěry
díky nedávnému technologickému pokroku jsme nyní schopni lépe vyhodnotit mikrobiotu jak ve zdraví, tak v nemoci. Výzkum je zvláště aktivní u zánětlivých poruch, jako je IBD. Zejména je prokázáno, že zánět je zapojen do vývoje metabolických poruch, jako je obezita, diabetes a NASH/NAFLD. Mnoho studií o těchto tématech je založeno na srovnání složení mikrobioty ve zdraví a nemoci s častým pozorováním zvýšeného množství proteobakterií v druhé skupině. Na základě těchto údajů autoři navrhli, že proteobakterie mohou představovat „mikrobiální podpis“ nemoci . Tak mikroflóry může představovat neobvyklý cíl pro vývoj nových terapeutických strategií spravovat metabolických poruch. Další studie by se měly zaměřit na možnosti modulace střevní mikroflóry s cílem vrátit dysbiotic státy s cílem zajistit prospěch pro hostitele. V této souvislosti má transplantace fekální mikrobioty ideální vlastnosti, které slouží tomuto rozsahu. Studium plicního mikrobiomu je rozšiřující se oblastí výzkumu v důsledku obrovského množství údajů získaných ze studií střevní mikrobioty. I když je tato oblast stále většinou neprozkoumaná, lze nalézt mnoho podobností se střevní mikroflórou, například pitvu spojení mezi zánětem a astmatem nebo CHOPN.
Stručně řečeno, proteobakterie jsou často nadměrně zastoupeny u několika střevních a extraintestinálních onemocnění, většinou se zánětlivým fenotypem. Zatímco kauzalita ještě není prokázána, studie hodnotící možné mechanismy propojení mezi dysbiózou, zejména Proteobakteriemi, a nemoci jsou netrpělivě očekávány.
střet zájmů
autoři prohlašují, že nemají žádný střet zájmů.