abstrakt
mikrobiota repræsenterer hele det mikrobielle samfund, der er til stede i tarmværten. Det tjener flere funktioner, der etablerer et gensidigt forhold til værten. De seneste år har set et udbrud i antallet af undersøgelser med fokus på dette emne, især på tarmsygdomme. I dette scenario er proteobakterier en af de mest rigelige phyla, der omfatter flere kendte humane patogener. Denne gennemgang fremhæver de seneste fund om Proteobakteriernes rolle ikke kun i tarm, men også i ekstraintestinale sygdomme. Faktisk identificerer en stigende mængde data proteobakterier som en mulig mikrobiel signatur af sygdom. Flere undersøgelser viser en øget overflod af medlemmer, der tilhører denne phylum under sådanne forhold. Større beviser involverer i øjeblikket metaboliske lidelser og inflammatorisk tarmsygdom. Nyere undersøgelser antyder imidlertid en rolle også i lungesygdomme, såsom astma og kronisk obstruktiv lungesygdom, men bevis er stadig ringe. Især opretholdes alle disse tilstande af forskellige grader af betændelse, hvilket således repræsenterer et kerneaspekt af Proteobakterierelaterede sygdomme.
1. Introduktion
tarmen er det mest koloniserede menneskelige organ med op til 100 billioner mikrober, cirka 10 gange antallet af humane celler . På dette niveau er mere end 50 phyla blevet beskrevet med imidlertid overvejelsen af kun 4 større phyla: Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria og Proteobacteria .
især er mave-tarmkanalen (GIT) også koloniseret af svampe og virus, som udgør henholdsvis tarmmycobiomet og tarmviromet .
Metagenomics tillod estimering af antallet af gener af mikrobiota, det såkaldte mikrobiom, med et tal , der overstiger mere end 150 gange det humane genom (ca.3,3 millioner sammenlignet med omkring 20.000 gener hos mennesker), hvilket repræsenterer et reelt andet genom for værten.
antallet af mikrobielle celler viser en positiv rostrocaudal gradient langs hele GIT: fra ca. 10-103 mikrober pr .gram i mave og duodenum, 104-107 mikrober pr. gram i jejunum og ileum til 1011-1012 mikrober pr. gram i tyktarmen.
desuden varierer mikrobiota-sammensætningen også i de forskellige GI-kanaler: anaerober er dominerende i tyktarmen, især Bacteroidetes og Lachnospiraceae-familier, der hører til Firmicutes phylum . På den anden side er fakultative anaerober dominerende i tyndtarmen .
mikroorganismer kolonisering af GIT begynder ved fødslen med en dynamisk mikrobiota, der gradvist stabiliseres i de første leveår . Hos voksne når mikrobiota højere kompleksitet stigende i mangfoldighed . Endelig viser mikrobiota-sammensætningen hos ældre reduceret mangfoldighed med overvejende proteobakterier og et fald i Bifidobacterium .
desuden påvirker mange faktorer mikrobiotasammensætningen i løbet af levetiden, hvor det vigtigste er diæt, Leveringsmodus, fodringstype, medicinbrug, især antibiotika, og som allerede nævnt ovenfor alder .
tarmmikrobiota udfører mange vigtige funktioner i værten med etablering af en reel symbiose. Disse funktioner omfatter metabolisme og syntese af næringsstoffer, især vitamin K og B-gruppe vitaminer, tropisme på slimhinden, stoffer og toksiner metabolisme og barrierefunktioner . Faktisk er mikrobiota en komponent i den såkaldte tarmbarriere, en kompleks struktur af afgørende betydning, der tjener som en grænse mellem værten og miljøet, der regulerer interaktionen mellem bakterier og værtsceller og modulerer absorption af næringsstoffer .
i denne sammenhæng er proteobakterier som allerede nævnt en af de mest rigelige phyla i den humane tarmmikrobiota. Navnet Proteobacteria blev først foreslået af Stackebrandt et al. i 1988 . Denne gruppering af bakterier blev imidlertid allerede etableret i 1987 med det uformelle navn “lilla bakterier og deres slægtninge” . Navnet Proteus stammer fra den antikke græske havgud Proteus, der er i stand til at antage forskellige former med hensyn til den høje heterogenitet, der vises af bakterierne, der tilhører denne stamme . Et fælles træk ved proteobakterier er den gramnegative farvning og dermed tilstedeværelsen af lipopolysaccharidet i den ydre membran. Proteobacteria er i øjeblikket den største stamme inden for bakteriedomænet. Baseret på fylogenetisk analyse af 16S rRNA-genet Proteobacteria phylum er opdelt i 6 klasser (tidligere betragtet som underklasser af phylum): Alphaproteobacteria, Betaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Deltaproteobacteria, Epsilonproteobacteria og Tsetaproteobacteria. I betragtning af at klassedeling er baseret på molekylær sammenhæng, er det ikke overraskende, at intet specifikt morfologisk eller fysiologisk træk karakteriserer medlemmer inden for hver klasse. Mange almindelige humane patogener findes i Proteobacteria phylum: for eksempel hører Brucella-og Rickettsia-slægterne til Alphaproteobacteria-klassen, Bordetella og Neisseria til Betaproteobacteria-klassen, mens Escherichia, Shigella, Salmonella og Yersinia til Gammaproteobacteria-klassen og endelig Helicobacter til Epsilobacteria-klassen. Hos mennesker er proteobakterier til stede på forskellige kropssteder, såsom hud, mundhule og tunge og vaginal kanal bortset fra i den menneskelige tarm og afføring .
formålet med dette papir er at gennemgå de seneste fund vedrørende Proteobakteriemedlemmers rolle i tarm, men også ekstraintestinale sygdomme. Der lægges særlig vægt på metaboliske og inflammatoriske lidelser.
2. Metabolisk rolle
i de senere år er interessen for at studere tarmmikrobiotas rolle i flere ekstraintestinale sygdomme steget. Mange undersøgelser fandt en implikation af mikrobiota og dens ændringer i mange metaboliske tilstande, såsom diabetes og glukoseintolerance, fedme, ikke-alkoholisk steatohepatitis og hjerte-kar-sygdomme .
mange ændringer i mikrobiota er fundet hos patienter med træk ved det metaboliske syndrom. For eksempel Lambeth et al. analyseret den fækale bakteriesammensætning hos patienter med type 2-diabetes (T2DM), prediabetes (som defineret i American Diabetes Association position statement offentliggjort i 2014) og sunde kontroller. De fandt en signifikant stigning i en ukendt Slægt tilhørende Enterobacteriaceae-familien (inkluderet i phylum Proteobacteria) samt en stigning i slægten Collinsella i T2DM-gruppen sammenlignet med de andre grupper .
en forbindelse mellem lavgradig inflammation, opretholdt af lipopolysaccharider (LPS) og udviklingen af metaboliske lidelser er veletableret ; hypotesen om mikrobiotas direkte rolle i udviklingen af denne inflammatoriske tilstand, kaldet endotoksæmi, er imidlertid nyere og blev undersøgt især af Cani et al. . Faktisk fandt forfatterne, at produktionen af LPS opretholdes af gramnegative bakterier i tarmen, og at administration af antibiotika reducerede metabolisk endotoksæmi og cecal indhold af LPS .
takket være teknologiinnovationerne og diffusionen af nye teknikker til analyse af mikrobiota, nemlig 16S rRNA-sekventering og metagenomsekventering, har nylige undersøgelser fokuseret på identifikation af de bakterier, der kan være impliceret i dannelsen af endotoksæmi og i udviklingen af metaboliske lidelser. I denne sammenhæng blev proteobakterier ofte fundet at være forøget .
for eksempel fandt Fei og Jhao en stigning i Enterobacteriaceae-familien hos en overvægtig frivillig . Desuden var Enterobacteriaceae-populationen efter vægttab den mest berørte med en signifikant reduktion. Derudover overvinder inokulation med et klinisk isolat af Enterobacterpopulationen i kimfrie (GF) mus modstanden mod udviklingen af fedme efter en fedtfattig diæt (HFD) . Faktisk er GM-mus normalt resistente over for HFD-induceret fedme .
større indsigt i mikrobiotas rolle i fedme kommer fra den meget velkendte undersøgelse af Turnbaugh et al. båret i en musemodel af fedme, som viste, at ikke kun overvægtige mus havde en dysbiotisk mikrobiota med en stigning i Firmicutes og en reduktion i Bacteroidetes, men også den overvægtige fænotype kunne overføres til kimfrie mus gennem transplantation af fækal mikrobiota. Faktisk resulterede overførsel af fækal mikrobiota fra overvægtige mus i kimfrie mus i en mere markant stigning i kropsvægt sammenlignet med mus transplanteret med mikrobiota fra magre mus .
yderligere undersøgelser undersøgte, om effekten af mikrobiotatransplantation kunne replikeres i ikke-kimfrie mus efter antibiotikabehandling. Forfatterne fandt lignende, skønt mindre tydelige, ændringer i metaboliske parametre til dem, der blev opnået i kimfrie mus. Følgelig svarede mikrobiota i de transplanterede mus kun midlertidigt til mikrobiota hos donormusene med tendensen til at vende tilbage til status for prætransplantation over tid .
endelig giver undersøgelser hos mennesker interessante, men stadig begrænsede resultater. For eksempel Vries et al. undersøgte virkningerne af transplantation af tarmmikrobiota fra magre donorer til patienter med metabolisk syndrom, der vurderede ændringer i glukosemetabolismen . Kort fortalt blev patienter med metabolisk syndrom randomiseret til at modtage enten mikrobiota fra magre donorer eller autolog mikrobiota-infusion; insulinfølsomhed og mikrobiotasammensætning blev evalueret ved baseline og efter 6 uger efter fækal infusion. Efter 6 uger viste kun den allogene infusionsgruppe en forbedring i perifer insulinfølsomhed med også en signifikant stigning i mikrobiota-mangfoldighed.
desuden undersøgte forskellige undersøgelser mikrobiotas rolle i ikke-alkoholisk fedtleversygdom (NAFLD) og ikke-alkoholisk steatohepatitis (NASH). For eksempel Michail et al. undersøgt den mikrobielle sammensætning af børn med og uden NAFLD. Forfattere fandt, at patienter med NAFLD havde mere rigelige Gammaproteobakterier og Prevotella og signifikant højere niveauer af ethanol . Interessant nok fandt tidligere undersøgelser, at både Gammaproteobakterier og Prevotella er forbundet med endogen alkoholproduktion, hvilket tyder på en mekanisme til udvikling af leverskade.
analyse af mikrobiota sammensætning hos børn har vist en gradvis stigning i proteobakterier mellem sunde, overvægtige og NASH børn . Ved analyse på familie-og slægtsniveauer fandt forfatterne, at denne forskel blev opretholdt af en stigning i henholdsvis Enterobacteriaceae og Escherichia.
lignende resultater blev opnået af Kapil et al. . Forfattere undersøgte rollen som tyndtarmsbakteriel overvækst (SIBO) i udviklingen af NAFLD/NASH, og de fandt ud af, at op til 37,5% af patienterne med NAFLD har SIBO. Interessant nok var Escherichia coli i overensstemmelse med den tidligere nævnte undersøgelse det mest almindelige bakterieisolat. Endelig havde patienter med SIBO også højere niveauer af endotoksæmi .
andre forfattere antog, at tarmmikrobiota kan inducere ændringer i tarmhjerneaksen for at forklare dens rolle i metaboliske sygdomme. Faktisk, Vaughn et al. fundet, at rotter fodret med HFD ikke kun var forbundet med mikrobiota-variationer, især med proliferation af proteobakterier, men også med omorganisering af vagale afferenter og mikroglia-aktivering i kernen i den ensomme kanal, hjernecentret, der modulerer mæthed . Desuden var administration af antibiotikabehandling tilstrækkelig til at vende tilbage til den førnævnte neurale omorganisering i nervesystemet, hvilket antyder en direkte rolle af mikrobiota i dette fænomen .
et andet vigtigt aspekt er formen af tarmmikrobiota ved hjælp af kosten. For eksempel De Filippo et al. sammenlignet den fækale mikrobiota hos europæiske børn og hos børn fra Burkina Faso . Forfattere fandt, at mikrobiota af Burkina Faso-børn var præget af en højere mikrobiel rigdom og biodiversitet og også af underrepræsentation af Enterobacteriaceae sammenlignet med europæiske børn, der igen antyder en skadelig rolle for proteobakterier og fremhæver vigtigheden af at bevare mikrobiel biodiversitet .
endelig synes proteobakterier også at være impliceret i hjerte-kar-sygdomme. For eksempel Amar et al. fundet, at blodmikrobiota dysbiose og især stigning i proteobakterier var forbundet med begyndelsen af kardiovaskulære hændelser i en generel befolkning efter tilstrækkelig justering for kendte kardiovaskulære risikofaktorer, såsom rygning . Aterosklerotisk sygdom er kendetegnet ved fortykkelse af arterien intima på grund af ophobning af lipider og immunceller, hovedsageligt makrofager og T-celler, der udgør den typiske plak. En forbindelse mellem aterosklerose og infektion er blevet postuleret . Især nyere undersøgelser fokuserede på forskellige patogeners rolle på plakkens komponenter med tegn på proaterosklerotiske virkninger . I denne sammenhæng er der tegn på, at høje niveauer af proteobakterier er til stede i den aterosklerotiske plak ; det kan således spekuleres i, at disse mikroorganismer kan have proinflammatoriske virkninger, der kan bidrage til aktiveringen af plaketten. Andre forfattere antog imidlertid, at mikroorganismer også kunne bidrage indirekte gennem mekanismer for molekylær efterligning, i hvilket tilfælde den “skyldige” patogen muligvis ikke findes lokalt .
3. Inflammation og inflammatorisk tarmsygdom
interaktion mellem mikrobiota og værtsceller i tarmen er afgørende for formningen og moduleringen af immunsystemet , med mange undersøgelser, der rapporterer ændring i mikrobiotasammensætningen under forskellige inflammatoriske vedvarende tilstande både hos dyr og hos mennesker . I denne sammenhæng findes proteobakterier ofte at være øget i sygdom og er blevet identificeret af nogle forfattere som en mulig markør for mikrobiota ustabilitet, således disponerer for sygdomsdebut .
interessant nok blev der fundet en forbigående dominans af proteobakterier, især Enterobacteriaceae, hos nyfødte mus, som dog gradvist går tabt med alderen . Denne ændring er også forbundet med en proinflammatorisk tilstand som afsløret ved kvantificering af almindelige proinflammatoriske interleukiner. Overgang til en stabil og mindre reaktiv mikrobiota var forbundet med produktionen af specifik IgA, der især er målrettet mod proteobakterier, hvilket antyder en vigtig rolle af B-celler i kontrol og modulering af tarmbakterierne ved hjælp af immunoglobulinproduktion. Konsekvent fører både fraværet af differentierede B-celler, som forekommer i Ighm−/− mus, og mangel på IgA-produktion til persistens i Proteobacteria-dominansen, selv hos voksne mus med også en vedvarende inflammatorisk fænotype.
forfatterne, der yderligere udforskede B-cellernes rolle, fandt ud af, at produktionen af specifikke IgA mod Proteobakteriemedlemmer medieres af dendritiske celler. Samlet set fremhæver disse data den dramatiske relevans af mikrobiota i moduleringen af værtsimmunsystemet .
Proteobakteriernes rolle i tarmbetændelse er blevet behandlet i forskellige musemodeller af colitis med positive korrelationer . For eksempel Carvalho et al. brugte en betændelsesudsat musemodel, nemlig Flagellinreceptoren TLR5-mangelfulde mus (T5KO), til at undersøge mikrobiotas rolle i udviklingen af tarmbetændelse . Forfatterne fandt, at mus, der udviklede sig til colitis, viste en bestemt mikrobiota-signatur, der var kendetegnet ved øgede niveauer af proteobakterier, især af Escherichia-slægten .
interessant, Langgartner et al. for nylig fundet en udvidelse af proteobakterier også i en musemodel for kronisk psykosocial stress . Disse data understøtter konceptet med en hjerne-mikrobiota-akse, et nyt koncept, der angiver den komplekse tovejs krydssnak, der forekommer mellem disse tilsyneladende adskilte enheder og yderligere indebærer proteobakterier som forstyrrende stoffer i tarmhomeostasen.
inflammatoriske tarmsygdomme (IBD), hovedsageligt Crohns sygdom (CD) og ulcerøs colitis (UC), er kroniske tilstande, der er kendetegnet ved vedvarende tarmbetændelse, hvis etiologi stadig er ukendt.
nylige beviser indikerer imidlertid, at de kan skyldes en upassende og vedvarende inflammatorisk respons på mikrobiota i en modtagelig vært .
de fleste undersøgelser fokuserede på variationerne af tarmmikrobiota i IBD. I denne sammenhæng viser det sig, at proteobakterier ofte øges under disse forhold , hvilket igen understøtter, at disse særlige mikroorganismer kan have proinflammatoriske egenskaber.
de nøjagtige mekanismer, der fører til stigningen i proteobakterier under sygdom og især under inflammation, er ikke helt kendt. Observationen om, at der under tarmbetændelse er et fald i obligatoriske anaerober og en stigning i fakultative anaerober, såsom Enterobacteriaceae, førte imidlertid til formuleringen af “ilthypotesen” . Faktisk er det blevet vist, at kolonepitelceller under fysiologiske omstændigheder nedbryder iltniveauer i lumen ved slimhindegrænsefladen gennem betaoksideringsprocesser, hvilket genererer et anaerobt miljø . På den anden side reducerer epithelcellerne i tilfælde af tarmbetændelse deres evne til at gennemgå beta-iltning med konsekvensen af en øget tilgængelighed af ilt, som menes at fremme dysbiose, og det er forbundet med Proteobakterieblomstring . En anden vigtig faktor, der kan være impliceret i udviklingen af dysbiose og især i Enterobacteriaceae-blomst, er nitrat. Det er faktisk blevet påvist, at nitrat produceret af værten under inflammatoriske tilstande kan udnyttes af commensal Enterobacteriaceae, som således bliver dominerende . Yderligere undersøgelser afslørede, at ekspression af Nos2, genet, der koder for nitrogensyntase, hæmmes af aktiviteten af PPAR-reluris, som igen aktiveres af nogle mikrobiotaprodukter, såsom butyrat . Sammenfattende fører fravær af en sund butyratproducerende mikrobiota til en øget nos2-ekspression og nitratproduktion, som endelig tillader blomstring af Enterobacteriaceae .
desuden i forsøget på bedre at identificere specifikke proteobakterier medlemmer forbundet med IBD, en ny pathovar (dvs., en stamme med samme eller lignende egenskaber, differentieret på infrasubspecifik niveau fra andre stammer af samme art eller underart på grundlag af karakteristisk patogenicitet), der tilhører Escherichia-slægten, blev identificeret . Denne nye patogene gruppe blev kaldt adherent-invasiv E. coli (AIEC) på grund af dets potentiale til at klæbe og efterfølgende invadere tarmepitelceller . Yderligere undersøgelser afslørede, at AIEC var mere udbredt i CD sammenlignet med sunde kontroller, var især forbundet med ileal CD og blev også fundet som de fremherskende mikroorganismer, der koloniserede ileal læsioner hos disse patienter .
en anden undersøgelse udført af villig et al., fandt også en øget overflod af Escherichia coli bakterier specifikt i ileal CD . “Merværdien” af denne undersøgelse var mikrobiota-analysen af enæggede tvillinger for at afbøde mulige forvirrende faktorer forbundet med genetiske variabler . I betragtning af disse data spekulerer forfatterne i, at miljøfaktorer, specifikt mikrobiota-variationer, kan være mere impliceret i definitionen af IBD-fænotypen snarere end genetiske faktorer.
imidlertid er et mere komplekst scenario mere sandsynligt, især i patogenesen af IBD. For eksempel Knights et al. analyse af tarmbiopsier hos patienter med IBD viste, at der er en signifikant sammenhæng mellem NOD2-risikoalleltælling og relativ overflod af Enterobacteriaceae . Disse data er i tråd med det nuværende koncept for IBD som multifaktorielle lidelser med en vigtig rolle af mikrobiota variationer i en modtagelig vært, som allerede nævnt.
4. Betændelse og lungesygdomme
på trods af den almindelige opfattelse af, at luftvejene er et sterilt miljø, viser nylige beviser eksistensen af et lungemikrobiom, der huser omkring 500 arter. En” kerne ” luftvejsmikrobiota blev også identificeret i sunde lunger med overvejelsen af den samme phyla, der var til stede i tarmen, især: Bacteroidetes, Firmicutes og Proteobacteria .
astma og kronisk obstruktiv lungesygdom (KOL) er kronisk inflammatorisk sygdom i lungerne. Nylige undersøgelser fokuserede på analysen af lungemikrobiomet under disse forhold for bedre at forstå patofysiologien og muligvis at udvikle nye og mere effektive behandlinger. Flere beviser tyder på en vigtig rolle af mikrobiota i begge sygdomme. For eksempel korrelerer brugen af antibiotika med risikoen for astma hos børn .
desuden viser sammenligning af bakteriesammensætning hos patienter med eller uden astma i forskellige undersøgelser en højere overflod af proteobakterier hos astmatiske patienter . Andre resultater inkluderer højere andele af Firmicutes og Actinobacteria hos raske patienter, som dog ikke nåede statistisk signifikans .
rygning er den vigtigste risikofaktor for udvikling af KOL; imidlertid udvikler ikke alle rygere i sidste ende sygdom, hvilket antyder, at andre faktorer kan være impliceret. Biedermann et al. undersøgte for eksempel variationen af mikrobiotasammensætning ved baseline og efter rygestop . Efter rygestop var et fald i proteobakterier tydeligt. Det skal dog understreges, at analysen blev udført i afføringsprøver, så resultaterne involverer tarmmikrobiota .
hvad angår astma, fandt forskellige undersøgelser en stigning i proteobakterier hos patienter med KOL og især hos patienter med forværringer af sygdommen . Endelig fandt forfatterne i samme undersøgelse forskellige” mikrobielle signaturer ” eller mikrobiomprofiler mellem bakterielle og eosinofile eksacerbationer, specifikt en stigning i proteobakterier i den tidligere gruppe og en stigning i Firmicutes i sidstnævnte gruppe .
5. Konklusioner
takket være de nylige fremskridt inden for teknologi er vi nu i stand til bedre at evaluere mikrobiota både i sundhed og sygdom. Forskning er især aktiv i inflammatoriske lidelser, såsom IBD. Især er inflammation påvist at være impliceret i udviklingen af metaboliske lidelser, såsom fedme, diabetes og NASH/NAFLD. Mange undersøgelser om disse emner er baseret på sammenligningen af mikrobiotasammensætning i sundhed og sygdom med hyppig observation af øget overflod af proteobakterier i sidstnævnte gruppe. Baseret på disse data har forfattere foreslået, at proteobakterier kan repræsentere en “mikrobiel signatur” af sygdom . Således kan mikrobiota repræsentere et nyt mål for udvikling af nye terapeutiske strategier til styring af metaboliske lidelser. Yderligere undersøgelser bør fokusere på muligheden for at modulere tarmmikrobiota for at vende tilbage dysbiotiske tilstande med det endelige mål at give en fordel for værten. I denne sammenhæng har fækal mikrobiota-transplantation de ideelle egenskaber til at tjene dette omfang. Undersøgelsen af lungemikrobiomet er et ekspanderende forskningsområde i kølvandet på den enorme mængde data, der genereres fra undersøgelser af tarmmikrobiota. Mens dette område stadig er for det meste uudforsket, kan der findes mange ligheder med tarmmikrobiota, for eksempel dissekere forbindelsen mellem betændelse og astma eller KOL.
Sammenfattende er proteobakterier ofte overrepræsenteret i flere tarm-og ekstraintestinale sygdomme, for det meste med en inflammatorisk fænotype. Mens kausalitet endnu ikke er bevist, afventer undersøgelser, der vurderer mulige forbindelsesmekanismer mellem dysbiose, især proteobakterier, og sygdomme.
interessekonflikter
forfatterne erklærer, at de ikke har nogen interessekonflikter.