rezumat
Microbiota reprezintă întreaga comunitate microbiană prezentă în gazda intestinală. Acesta servește mai multe funcții care stabilesc o relație mutualistă cu gazda. Ultimii ani au înregistrat o explozie a numărului de studii care se concentrează pe acest subiect, în special asupra bolilor intestinale. În acest scenariu, Proteobacteriile sunt una dintre cele mai abundente filuri, cuprinzând mai mulți agenți patogeni umani cunoscuți. Această revizuire evidențiază cele mai recente descoperiri privind rolul Proteobacteriilor nu numai în bolile intestinale, ci și în cele extraintestinale. Într-adevăr, o cantitate tot mai mare de date identifică Proteobacteriile ca o posibilă semnătură microbiană a bolii. Mai multe studii demonstrează o abundență crescută de membri aparținând acestui filum în astfel de condiții. Dovezile majore implică în prezent tulburări metabolice și boli inflamatorii intestinale. Cu toate acestea, studii mai recente sugerează un rol și în bolile pulmonare, cum ar fi astmul și boala pulmonară obstructivă cronică, dar dovezile sunt încă puține. În special, toate aceste condiții sunt susținute de diferite grade de inflamație, care reprezintă astfel un aspect de bază al bolilor legate de proteobacterii.
1. Introducere
intestinul este cel mai colonizat organ uman cu până la 100 de trilioane de microbi, de aproximativ 10 ori numărul celulelor umane . La acest nivel au fost descrise mai mult de 50 de filuri, cu predominanța a doar 4 filuri majore: Firmicute, Bacteroidete, Actinobacterii și proteobacterii .
în special, tractul gastro-intestinal (GIT) este, de asemenea, colonizat de ciuperci și virus, care constituie, respectiv, micobiomul intestinal și viromul intestinal .
Metagenomica a permis estimarea numărului de gene ale microbiotei, așa-numitul microbiom, cu un număr care depășește de peste 150 de ori genomul uman (aproximativ 3,3 milioane în comparație cu aproximativ 20.000 de gene la om) , reprezentând astfel un al doilea genom real pentru gazdă.
numărul de celule microbiene afișează un gradient rostrocaudal pozitiv de-a lungul tuturor GIT: de la aproximativ 10-103 microbi pe gram în stomac și duoden, 104-107 microbi pe gram în jejun și ileon, până la 1011-1012 microbi pe gram în colon .
mai mult, compoziția microbiotei variază, de asemenea, în diferitele tracturi GI: anaerobii sunt predominanți în colon, în special familiile Bacteroidetes și Lachnospiraceae care aparțin Filului Firmicutes . Pe de altă parte, anaerobii facultativi sunt predominanți în intestinul subțire .
colonizarea microorganismelor GIT începe la naștere, cu o microbiotă dinamică care se stabilizează progresiv în primii ani de viață . La adulți, microbiota atinge o complexitate mai mare crescând în diversitate . În cele din urmă, la vârstnici, compoziția microbiotei prezintă o diversitate redusă, cu predominanța Proteobacteriilor și o scădere a bifidobacteriilor .
mai mult, mulți factori influențează compoziția microbiotei în timpul vieții, cei mai importanți fiind dieta, modul de livrare, tipul de hrănire, consumul de medicamente, în special antibioticele și, după cum sa menționat deja mai sus, vârsta .
microbiota intestinală îndeplinește multe funcții importante în gazdă, cu stabilirea unei simbioze reale. Aceste funcții includ metabolismul și sinteza nutrienților, în special vitaminele din grupa K și B, tropismul pe mucoasă, metabolismul medicamentelor și toxinelor și funcțiile de barieră . De fapt, microbiota este o componentă a așa-numitei bariere intestinale, o structură complexă de o importanță capitală care servește ca frontieră între gazdă și mediu, reglând interacțiunea dintre bacterii și celulele gazdă și modulând absorbția nutrienților .
în acest context, Proteobacteriile sunt, după cum sa menționat deja, una dintre cele mai abundente filuri din microbiota intestinului uman. Numele Proteobacteria a fost propus pentru prima dată de Stackebrandt și colab. în 1988 . Cu toate acestea, această grupare de bacterii a fost deja stabilită de Woese în 1987 cu numele informal de „bacterii violete și rudele lor” . Numele Proteus derivă din vechiul zeu grec al Mării Proteus capabil să-și asume diferite forme în ceea ce privește eterogenitatea ridicată afișată de bacteriile aparținând acestui filum . O trăsătură comună a Proteobacteriilor este colorarea Gram negativă și, astfel, prezența lipopolizaharidei în membrana exterioară. Proteobacteriile sunt în prezent cel mai mare filum din domeniul bacteriilor. Pe baza analizei filogenetice a genei ARNr 16S, Filumul Proteobacteriilor este împărțit în 6 clase (considerate anterior ca subclase ale filumului): Alfaproteobacterii, Betaproteobacterii, Gammaproteobacterii, Deltaproteobacterii, Epsilonproteobacterii și Zetaproteobacterii. Având în vedere că diviziunea claselor se bazează pe relația moleculară, nu este surprinzător faptul că nicio trăsătură morfologică sau fiziologică specifică nu caracterizează membrii din cadrul fiecărei clase. Mulți agenți patogeni umani obișnuiți se găsesc în filumul Proteobacteriilor: de exemplu, genurile Brucella și Rickettsia aparțin Alphaproteobacterii clasă, Bordetella și Neisseria la Betaproteobacterii clasă, în timp ce Escherichia, Shigella, Salmonella, și Yersinia la Gammaproteobacterii clasă și, în cele din urmă, Helicobacter la Epsilobacterii clasă. La om, Proteobacteriile sunt prezente în diferite locuri ale corpului, cum ar fi pielea, cavitatea bucală și limba și tractul vaginal, altele decât în intestinul uman și scaunul .
scopul acestei lucrări este de a revizui cele mai recente descoperiri privind rolul membrilor Proteobacteriilor în bolile intestinale, dar și extraintestinale. O atenție deosebită este acordată tulburărilor metabolice și inflamatorii.
2. Rol Metabolic
în ultimii ani, interesul pentru studierea rolului microbiotei intestinale în mai multe boli extraintestinale a crescut. Multe studii au descoperit o implicație a microbiotei și a modificărilor sale în multe afecțiuni metabolice, cum ar fi diabetul și intoleranța la glucoză, obezitatea, steatohepatita nealcoolică și bolile cardiovasculare .
multe modificări ale microbiotei au fost găsite la pacienții cu caracteristici ale sindromului metabolic. De exemplu, Lambeth și colab. a analizat compoziția bacteriană fecală a pacienților cu diabet zaharat de tip 2 (T2DM), prediabet (așa cum este definit în declarația de poziție a Asociației Americane a diabetului publicată în 2014) și controale sănătoase. Ei au descoperit o creștere semnificativă a unui gen necunoscut aparținând familiei Enterobacteriaceae (inclus în filum Proteobacteria), precum și o creștere a genului Collinsella, în grupul T2DM în comparație cu celelalte grupuri .
o legătură între inflamația de grad scăzut, susținută de lipopolizaharide (LPS), și dezvoltarea tulburărilor metabolice este bine stabilită ; cu toate acestea, ipoteza privind rolul direct al microbiotei în dezvoltarea acestei stări inflamatorii, numită endotoxemie, este mai recentă și a fost studiată, în special, de Cani și colab. . De fapt, autorii au descoperit că producția de LPS este susținută de bacterii Gram negative în intestin și că administrarea de antibiotice a redus endotoxemia metabolică și conținutul cecal al LPS .
datorită inovațiilor tehnologice și difuzării unor tehnici noi de analiză a microbiotei, și anume secvențierea ARNr 16s și secvențierea metagenomului, studii recente s-au concentrat pe identificarea bacteriilor care pot fi implicate în geneza endotoxemiei și în dezvoltarea tulburărilor metabolice. În acest context, s-a constatat frecvent creșterea Proteobacteriilor .
de exemplu, Fei și Zhao au găsit o creștere a familiei Enterobacteriaceae la un voluntar obez . Mai mult, după pierderea în greutate populația Enterobacteriaceae a fost cea mai afectată, cu o reducere semnificativă. În plus, inocularea cu un izolat clinic al populației Enterobacter la șoareci fără germeni (GF) depășește rezistența la dezvoltarea obezității după o dietă bogată în grăsimi (HFD) . De fapt, șoarecii GM sunt de obicei rezistenți la obezitatea indusă de HFD .
perspectivele majore asupra rolului microbiotei în obezitate provin din studiul foarte cunoscut realizat de Turnbaugh și colab. purtat într-un model de obezitate de șoarece, care a demonstrat că nu numai șoarecii obezi au o microbiotă disbiotică cu o creștere a Firmicutelor și o reducere a Bacteroidetelor, dar și fenotipul obez ar putea fi transferat șoarecilor fără germeni prin transplantul de microbiotă fecală. De fapt, transferul microbiotei fecale de la șoareci obezi la șoareci fără germeni a dus la o creștere mai pronunțată a greutății corporale în comparație cu șoarecii transplantați cu microbiota de la șoareci slabi .
studii suplimentare au investigat dacă efectul transplantului de microbiotă poate fi replicat la șoareci fără germeni după tratamentul cu antibiotice. Autorii au descoperit modificări similare, deși mai puțin evidente, ale parametrilor metabolici cu cele obținute la șoarecii fără germeni. În consecință, microbiota la șoarecii transplantați a fost doar temporar similară cu microbiota șoarecilor donatori, cu tendința de a reveni la starea pretransplantului în timp .
în cele din urmă, studiile la om oferă rezultate interesante, dar totuși limitate. De exemplu, Vrieze și colab. a investigat efectele transplantului microbiotei intestinale de la donatorii slabi la pacienții cu sindrom metabolic care evaluează modificările metabolismului glucozei . Pe scurt, pacienții cu sindrom metabolic au fost randomizați pentru a primi fie microbiota de la donatori slabi, fie perfuzie microbiotă autologă; sensibilitatea la insulină și compoziția microbiotei au fost evaluate la momentul inițial și după 6 săptămâni de la perfuzia fecală. După 6 săptămâni, numai grupul cu perfuzie alogenă a prezentat o îmbunătățire a sensibilității periferice la insulină, cu o creștere semnificativă a diversității microbiotei.
mai mult, diferite studii au investigat rolul microbiotei în boala hepatică grasă nealcoolică (NAFLD) și steatohepatita nealcoolică (NASH). De exemplu, Michail și colab. a examinat compoziția microbiană a copiilor cu și fără NAFLD. Autorii au descoperit ca pacientii cu NAFLD au avut Gammaproteobacterii mai abundente și Prevotella și niveluri semnificativ mai ridicate de etanol . Interesant, studiile anterioare au constatat că atât Gammaproteobacteriile, cât și Prevotella sunt asociate cu producția endogenă de alcool sugerând un mecanism pentru dezvoltarea leziunilor hepatice.
analiza compoziției microbiotei la copii a demonstrat o creștere treptată a Proteobacteriilor între copiii sănătoși, obezi și NASH . Când au analizat la nivel de familie și gen, autorii au descoperit că această diferență a fost susținută de o creștere a Enterobacteriaceae și, respectiv, Escherichia.
rezultate similare au fost obținute de Kapil și colab. . Autorii au investigat rolul supraaglomerării bacteriene intestinale mici (SIBO) în dezvoltarea NAFLD/NASH și au descoperit că până la 37,5% dintre pacienții cu NAFLD au SIBO. Interesant, în conformitate cu studiul menționat anterior, Escherichia coli a fost cel mai frecvent izolat bacterian. În cele din urmă, pacienții cu SIBO au avut, de asemenea, niveluri mai ridicate de endotoxemie .
alți autori au emis ipoteza că microbiota intestinală poate induce modificări ale axei intestin-creier pentru a explica rolul său în bolile metabolice. De fapt, Vaughn și colab. s-a constatat că șobolanii hrăniți cu HFD au fost asociați nu numai cu variațiile microbiotei, în special cu proliferarea Proteobacteriilor, ci și cu reorganizarea aferențelor vagale și activarea microgliilor în nucleul tractului solitar, centrul creierului care modulează sațietatea . Mai mult, administrarea tratamentului cu antibiotice a fost suficientă pentru a reveni la reorganizarea neuronală menționată mai sus în sistemul nervos, sugerând astfel un rol direct al microbiotei în acest fenomen .
un alt aspect important este forma microbiotei intestinale prin intermediul dietei. De exemplu, De Filippo și colab. a comparat microbiota fecală a copiilor europeni și cea a copiilor din Burkina Faso . Autorii au descoperit că microbiota copiilor din Burkina Faso s-a caracterizat printr-o bogăție și biodiversitate microbiană mai mari și, de asemenea, prin subreprezentarea Enterobacteriaceae în comparație cu copiii europeni, sugerând, din nou, un rol dăunător al Proteobacteriilor și subliniind importanța conservării biodiversității microbiene .
în cele din urmă, Proteobacteriile par a fi implicate și în bolile cardiovasculare. De exemplu, Amar și colab. s-a constatat că disbioza microbiotei din sânge și, în special, creșterea Proteobacteriilor au fost asociate cu debutul evenimentelor cardiovasculare la o populație generală după ajustarea adecvată a factorilor de risc cardiovascular cunoscuți, cum ar fi fumatul . Boala aterosclerotică se caracterizează prin îngroșarea intimei arterei datorită acumulării de lipide și celule imune, în principal macrofage și celule T care constituie placa tipică. A fost postulată o legătură între ateroscleroză și infecție . În special, studii mai recente s-au axat pe rolul diferiților agenți patogeni asupra componentelor plăcii cu dovezi ale efectelor proaterosclerotice . În acest context, există dovezi că niveluri ridicate de proteobacterii sunt prezente în placa aterosclerotică ; astfel se poate specula că aceste microorganisme pot avea efecte proinflamatorii care pot contribui la activarea plăcii. Cu toate acestea, alți autori au emis ipoteza că microorganismele ar putea contribui indirect și prin mecanisme de mimetism molecular, caz în care agentul patogen „vinovat” ar putea să nu fie găsit local .
3. Inflamația și boala inflamatorie intestinală
interacțiunea dintre microbiota și celulele gazdă din intestin este esențială pentru modelarea și modularea sistemului imunitar , multe studii raportând modificări ale compoziției microbiotei în diferite condiții susținute de inflamație atât la animale, cât și la om . În acest context, Proteobacteriile sunt adesea găsite a fi crescute în boală și au fost identificate de unii autori ca un posibil marker al instabilității microbiotei, predispun astfel la debutul bolii .
interesant, o dominanță tranzitorie a Proteobacteriilor, în special Enterobacteriaceae, a fost găsită la șoarecii nou-născuți, care, totuși, se pierde progresiv odată cu vârsta . Această modificare este, de asemenea, asociată cu o stare proinflamatorie, așa cum este dezvăluită prin cuantificările interleukinelor proinflamatorii comune. Trecerea la o microbiotă stabilă și mai puțin reactivă a fost asociată cu producerea de IgA specifice, care vizează în special Proteobacteriile, sugerând astfel un rol important al celulelor B în controlul și modularea bacteriilor intestinale prin intermediul producției de imunoglobulină. În mod consecvent, atât absența celulelor B diferențiate, așa cum se întâmplă la șoarecii Ighm−/−, cât și deficiența producției de IgA duc la persistența dominanței Proteobacteriilor chiar și la șoarecii adulți cu un fenotip inflamator persistent.
autorii, explorând în continuare rolul celulelor B, au descoperit că producția de IgA specifice împotriva membrilor Proteobacteriilor este mediată de celulele dendritice. Luate împreună, aceste date evidențiază relevanța dramatică a microbiotei în modularea sistemului imunitar gazdă .
rolul Proteobacteriilor în inflamația intestinală a fost abordat în diferite modele de colită la șoareci, cu corelații pozitive . De exemplu, Carvalho și colab. a folosit un model de șoarece predispus la inflamație, și anume șoarecii cu deficit de Receptor de Flagelină TLR5 (T5KO), pentru a studia rolul microbiotei în dezvoltarea inflamației intestinale . Autorii au descoperit că șoarecii care progresează spre colită au prezentat o semnătură microbiotă definită caracterizată prin niveluri crescute de proteobacterii, în special din genul Escherichia .
interesant, Langgartner și colab. recent a găsit o extindere a Proteobacteriilor și într-un model de șoarece pentru stresul psihosocial cronic . Aceste date susțin conceptul de axă creier-microbiotă, un concept nou care indică vorbirea încrucișată bidirecțională complexă care are loc între aceste entități aparent segregate și implică în continuare proteobacterii ca perturbatori ai homeostaziei intestinale.
bolile inflamatorii intestinale( IBD), în principal boala Crohn (CD) și colita ulcerativă (UC), sunt afecțiuni cronice caracterizate prin inflamație intestinală persistentă a cărei etiologie este încă necunoscută.
cu toate acestea, dovezile recente indică faptul că acestea pot rezulta dintr-un răspuns inflamator inadecvat și persistent la microbiota unei gazde sensibile .
majoritatea studiilor s-au concentrat pe variațiile microbiotei intestinale în IBD. În acest context, se constată adesea că Proteobacteriile sunt crescute în aceste condiții , susținând din nou că aceste microorganisme particulare pot avea caracteristici proinflamatorii.
mecanismele exacte care duc la creșterea Proteobacteriilor în timpul bolii și, în special, în timpul inflamației nu sunt complet cunoscute. Cu toate acestea, observația că în timpul inflamației intestinale există o scădere a anaerobilor obligați și o creștere a anaerobilor facultativi, cum ar fi Enterobacteriaceae, a condus la formularea „ipotezei oxigenului” . De fapt, s-a demonstrat că, în condiții fiziologice, celulele epiteliale ale colonului epuizează nivelurile de oxigen din lumen, la interfața mucoasei, prin procese de beta-oxidare, generând astfel un mediu anaerob . Pe de altă parte, în cazul inflamației intestinale, celulele epiteliale își reduc capacitatea de a suferi beta-oxidare cu consecința unei disponibilități crescute de oxigen despre care se crede că promovează disbioza și este asociată cu înflorirea Proteobacteriilor . Un alt factor important care ar putea fi implicat în dezvoltarea disbiozelor și în special în înflorirea Enterobacteriaceae este nitratul. De fapt, s-a demonstrat că nitrații produși de gazdă în condiții inflamatorii pot fi exploatați de Enterobacteriaceae comensale care devin astfel predominante . Studiile ulterioare au arătat că expresia Nos2, gena care codifică sintaza oxidului nitric, este inhibată de activitatea PPAR-XV, care, la rândul său, este activată de unele produse microbiota, cum ar fi butiratul . Pe scurt, absența unei microbiote sănătoase producătoare de butirat duce la o creștere a expresiei Nos2 și a producției de nitrați, care permite în cele din urmă înflorirea Enterobacteriaceae .
mai mult, în încercarea de a identifica mai bine membrii Proteobacteriilor specifici asociați cu IBD, un nou pathovar (adică., a fost identificată o tulpină cu caracteristici identice sau similare, diferențiată la nivel infrasubspecific de alte tulpini ale aceleiași specii sau subspecii pe baza patogenității distinctive) aparținând genului Escherichia . Acest nou grup patogen a fost numit E. coli aderent-invaziv (AIEC) datorită potențialului său de a adera și ulterior de a invada celulele epiteliale intestinale . Studiile ulterioare au arătat că AIEC au fost mai răspândite în CD în comparație cu controalele sănătoase, au fost asociate în special cu CD ileal și au fost, de asemenea, găsite ca microorganisme predominante care colonizează leziunile ileale ale acestor pacienți .
un alt studiu, realizat de Willing și colab., de asemenea, a găsit o abundență crescută de bacterii Escherichia coli în mod specific în CD-ul ileal . „Valoarea adăugată” a acestui studiu a fost analiza microbiotei gemenilor monozigoți pentru a atenua posibilii factori de confuzie legați de variabilele genetice . Având în vedere aceste date, autorii speculează că factorii de mediu, în special variațiile microbiotei, pot fi mai implicați în definirea fenotipului IBD, mai degrabă decât a factorilor genetici.
cu toate acestea, un scenariu mai complex este mai probabil, în special în patogeneza IBD. De exemplu, Knights și colab. analiza biopsiilor intestinale ale pacienților cu IBD a demonstrat că există o asociere semnificativă între numărul de alele de risc NOD2 și abundența relativă a Enterobacteriaceae . Aceste date sunt în concordanță cu conceptul actual de IBD ca tulburări multifactoriale cu un rol primordial al variațiilor microbiotei la o gazdă susceptibilă, așa cum am menționat deja.
4. Inflamație și boli pulmonare
în ciuda noțiunii comune că tractul căilor respiratorii este un mediu steril, dovezile recente demonstrează existența unui microbiom pulmonar, adăpostind aproximativ 500 de specii. O microbiotă a căilor respiratorii „de bază” a fost, de asemenea, identificată în plămânii sănătoși, cu predominanța aceleiași filuri prezente în intestin, în special: Bacteroidete, Firmicute și proteobacterii .
astmul și boala pulmonară obstructivă cronică (BPOC) sunt boli inflamatorii cronice ale plămânilor. Studii recente s-au concentrat pe analiza microbiomului pulmonar în aceste Condiții pentru a înțelege mai bine fiziopatologia și, eventual, pentru a dezvolta tratamente noi și mai eficiente. Mai multe dovezi sugerează un rol important al microbiotei în ambele boli. De exemplu, utilizarea antibioticelor se corelează cu riscul apariției astmului la copii .
mai mult, Compararea compoziției bacteriene a pacienților cu sau fără astm demonstrează, în diferite studii, o abundență mai mare de proteobacterii la pacienții astmatici . Alte rezultate includ proporții mai mari de Firmicute și Actinobacterii la pacienții sănătoși, care, totuși, nu au atins o semnificație statistică .
fumatul este principalul factor de risc pentru dezvoltarea BPOC; cu toate acestea, nu toți fumătorii dezvoltă în cele din urmă boli, sugerând astfel că ar putea fi implicați și alți factori. Biedermann și colab. de exemplu, a investigat variația compoziției microbiotei la momentul inițial și după renunțarea la fumat . După renunțarea la fumat, a fost evidentă o scădere a Proteobacteriilor. Trebuie subliniat, totuși, că analiza a fost efectuată în probe de scaun, astfel încât rezultatele implică microbiota intestinală .
în ceea ce privește astmul, diferite studii au constatat o creștere a Proteobacteriilor la pacienții cu BPOC și, în special, la pacienții cu exacerbări ale bolii . În cele din urmă, în același studiu, autorii au găsit diferite „semnături microbiene” sau profiluri microbiome, între exacerbările bacteriene și eozinofile, în special, o creștere a Proteobacteriilor în primul grup și o creștere a Firmicutelor în ultimul grup .
5. Concluzii
datorită progreselor recente în tehnologie, suntem acum capabili să evaluăm mai bine microbiota atât în sănătate, cât și în boli. Cercetarea este deosebit de activă în tulburările inflamatorii, cum ar fi IBD. În special, se demonstrează că inflamația este implicată în dezvoltarea tulburărilor metabolice, cum ar fi obezitatea, diabetul și NASH/NAFLD. Multe studii pe aceste teme se bazează pe compararea compoziției microbiotei în sănătate și boală cu observarea frecventă a abundenței crescute de proteobacterii în ultimul grup. Pe baza acestor date, autorii au propus că Proteobacteriile pot reprezenta o” semnătură microbiană ” a bolii . Astfel, microbiota poate reprezenta o țintă nouă pentru dezvoltarea de noi strategii terapeutice pentru gestionarea tulburărilor metabolice. Studiile ulterioare ar trebui să se concentreze asupra posibilității de modulare a microbiotei intestinale pentru a reveni la stările dysbiotice cu scopul final de a oferi un beneficiu gazdei. În acest context, transplantul de microbiotă fecală are caracteristicile ideale pentru a servi acestui domeniu. Studiul microbiomului pulmonar este o zonă de cercetare în expansiune, ca urmare a cantității uriașe de date generate din studiile microbiotei intestinale. În timp ce această zonă este încă în mare parte neexplorată, pot fi găsite multe asemănări cu microbiota intestinală, de exemplu, disecând legătura dintre inflamație și astm sau BPOC.
în rezumat, Proteobacteriile sunt adesea suprareprezentate în mai multe boli intestinale și extraintestinale, mai ales cu un fenotip inflamator. În timp ce cauzalitatea nu este încă dovedită, studiile care evaluează posibilele mecanisme de legătură între disbioză, în special proteobacterii, și boli sunt așteptate cu nerăbdare.
conflicte de interese
autorii declară că nu au conflicte de interese.