Abstrakt
mikrobiota representerar hela mikrobiella samhället som finns i tarmvärden. Det tjänar flera funktioner som skapar en mutualistisk relation med värden. De senaste åren har sett en explosion i antalet studier som fokuserar på detta ämne, särskilt på tarmsjukdomar. I detta scenario är Proteobakterier en av de vanligaste phyla, innefattande flera kända humana patogener. Denna översyn belyser de senaste resultaten om Proteobakteriernas roll, inte bara i tarm men också i extraintestinala sjukdomar. Faktum är att en ökande mängd data identifierar Proteobakterier som en möjlig mikrobiell signatur av sjukdom. Flera studier visar ett ökat överflöd av medlemmar som tillhör denna fylum under sådana förhållanden. Stora bevis involverar för närvarande metaboliska störningar och inflammatorisk tarmsjukdom. Nyare studier tyder dock på en roll även i lungsjukdomar, såsom astma och kronisk obstruktiv lungsjukdom, men bevis är fortfarande knappa. I synnerhet upprätthålls alla dessa tillstånd av olika grad av inflammation, vilket således representerar en kärnaspekt av Proteobakterierelaterade sjukdomar.
1. Inledning
tarmen är det mest koloniserade mänskliga organet med upp till 100 biljoner mikrober, cirka 10 gånger antalet mänskliga celler . På denna nivå har mer än 50 phyla beskrivits med övervägande av endast 4 stora phyla: Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria och Proteobacteria .
i synnerhet koloniseras mag-tarmkanalen (GIT) också av svampar och virus, som utgör respektive tarmmycobiomen och tarmviromen .
Metagenomics tillät uppskattning av antalet gener av mikrobiota, den så kallade mikrobiomen, med ett antal som överstiger mer än 150 gånger det mänskliga genomet (cirka 3,3 miljoner jämfört med cirka 20 000 gener hos människor) , vilket representerar ett verkligt andra genom för värden.
antalet mikrobiella celler visar en positiv rostrocaudal gradient längs hela GIT: från cirka 10-103 mikrober per gram i mage och tolvfingertarm, 104-107 mikrober per gram i jejunum och ileum, till 1011-1012 mikrober per gram i tjocktarmen .
dessutom varierar mikrobiotakompositionen också i de olika GI-kanalerna: anaerober är dominerande i tjocktarmen, särskilt Bacteroidetes och lachnospiraceae-familjer som tillhör Firmicutes phylum . Å andra sidan är fakultativa anaerober dominerande i tunntarmen .
mikroorganismer kolonisering av GIT börjar vid födseln, med en dynamisk mikrobiota som gradvis stabiliseras under de första åren av livet . Hos vuxna når mikrobiota högre komplexitet som ökar i mångfald . Slutligen, hos äldre, visar mikrobiotakompositionen minskad mångfald med övervägande av Proteobakterier och en minskning av Bifidobacterium .
dessutom påverkar många faktorer mikrobiotasammansättningen under livslängden, den viktigaste är kost, leveransläge, utfodringstyp, läkemedelsanvändning, särskilt antibiotika och, som redan nämnts ovan, ålder .
tarmmikrobiota utför många viktiga funktioner i värden, med upprättandet av en verklig symbios. Dessa funktioner inkluderar metabolism och syntes av näringsämnen, särskilt vitamin K och B-grupp vitaminer, tropism på slemhinnan, droger och toxiner metabolism och barriärfunktioner . Faktum är att mikrobiota är en komponent i den så kallade tarmbarriären, en komplex struktur av största vikt som fungerar som en gräns mellan värden och miljön, som reglerar interaktionen mellan bakterier och värdceller och modulerar absorption av näringsämnen .
i detta sammanhang är Proteobakterier, som redan nämnts, en av de vanligaste phyla i människans tarmmikrobiota. Namnet Proteobakterier föreslogs först av Stackebrandt et al. 1988 . Denna gruppering av bakterier etablerades emellertid redan av Woese 1987 med det informella namnet ”lila bakterier och deras släktingar” . Namnet Proteus härstammar från den antika grekiska havsguden Proteus som kan anta olika former med avseende på den höga heterogeniteten som visas av bakterierna som tillhör denna fylum . Ett vanligt drag hos Proteobakterier är den gramnegativa färgningen och sålunda närvaron av lipopolysackariden i det yttre membranet. Proteobakterier är för närvarande den största fylumen inom bakteriedomänen. Baserat på fylogenetisk analys av 16S rRNA-genen är Proteobacteria phylum uppdelad i 6 klasser (tidigare betraktad som underklasser av phylum): Alphaproteobacteria, Betaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Deltaproteobacteria, Epsilonproteobacteria och Zetaproteobacteria. Med tanke på att klassdelningen är baserad på molekylär släktskap är det inte förvånande att inget specifikt morfologiskt eller fysiologiskt drag kännetecknar medlemmar inom varje klass. Många vanliga mänskliga patogener finns i Proteobacteria phylum: till exempel tillhör Brucella-och Rickettsia-släkten Alphaproteobacteria-klassen, Bordetella och Neisseria till Betaproteobacteria-klassen, medan Escherichia, Shigella, Salmonella och Yersinia till Gammaproteobacteria-klassen och slutligen Helicobacter till Epsilobacteria-klassen. Hos människor finns Proteobakterier närvarande på olika kroppsställen, såsom hud, munhålan och tunga och vaginala kanaler än i människans tarm och avföring .
syftet med detta dokument är att granska de senaste resultaten om Proteobakteriemedlemmarnas roll i tarm, men också extraintestinala sjukdomar. Särskild uppmärksamhet ägnas åt metaboliska och inflammatoriska störningar.
2. Metabolisk Roll
under de senaste åren har intresset för att studera rollen av tarmmikrobiota i flera extraintestinala sjukdomar ökat. Många studier fann en implikation av mikrobiota och dess förändringar i många metaboliska tillstånd, såsom diabetes och glukosintolerans, fetma, icke-alkoholisk steatohepatitoch hjärt-kärlsjukdomar .
många förändringar i mikrobiota har hittats hos patienter med funktioner i det metaboliska syndromet. Till exempel Lambeth et al. analyserade den fekala bakteriekompositionen hos patienter med typ 2-diabetes (T2DM), prediabetes (enligt definitionen i American Diabetes Association position statement publicerad 2014) och friska kontroller. De fann en signifikant ökning av ett okänt släkt som tillhör familjen Enterobacteriaceae (ingår i phylum Proteobacteria), liksom en ökning av släktet Collinsella, i T2DM-gruppen jämfört med de andra grupperna .
en koppling mellan låggradig inflammation, upprätthållen av lipopolysackarider (LPS) och utvecklingen av metaboliska störningar är väl etablerad ; men hypotesen om mikrobiotas direkta roll i utvecklingen av detta inflammatoriska tillstånd, kallad endotoxemi, är nyare och studerades särskilt av Cani et al. . Faktum är att författarna fann att produktionen av LPS upprätthålls av gramnegativa bakterier i tarmen och att administrering av antibiotika minskade metabolisk endotoxemi och cecal innehåll av LPS .
tack vare tekniska innovationer och diffusion av nya tekniker för att analysera mikrobiota, nämligen 16S rRNA-sekvensering och metagenomsekvensering, har nya studier fokuserat på identifiering av bakterier som kan vara inblandade i uppkomsten av endotoxemi och i utvecklingen av metaboliska störningar. I detta sammanhang befanns Proteobakterier ofta öka .
till exempel fann Fei och Zhao en ökning av Enterobacteriaceae-familjen hos en överviktig volontär . Dessutom, efter viktminskning var Enterobacteriaceae-befolkningen den mest drabbade, med en signifikant minskning. Dessutom övervinner inokulering med ett kliniskt isolat av Enterobacterpopulationen i bakteriefria (GF) möss motståndet mot utvecklingen av fetma efter en fettrik diet (HFD) . I själva verket är GM-möss vanligtvis resistenta mot HFD-inducerad fetma .
stora insikter i mikrobiotas roll i fetma kommer från den mycket välkända studien av Turnbaugh et al. bärs i en musmodell av fetma, vilket visade att inte bara feta möss hade en dysbiotisk mikrobiota med en ökning av Firmicutes och en minskning av Bacteroidetes, men också den feta fenotypen kunde överföras till bakteriefria möss genom transplantation av fekal mikrobiota. Faktum är att överföring av fekal mikrobiota från feta möss i bakteriefria möss resulterade i en mer uttalad ökning av kroppsvikt jämfört med möss transplanterade med mikrobiota från magra möss .
ytterligare studier undersökte om effekten av mikrobiottransplantation kunde replikeras i icke-bakteriefria möss efter antibiotikabehandling. Författarna fann liknande, men mindre uppenbara, förändringar i metaboliska parametrar till de som uppnåtts i bakteriefria möss. Följaktligen liknade mikrobiota i de transplanterade mössen endast tillfälligt mikrobiota hos givarmössen, med tendensen att återgå till pretransplantstatusen över tiden .
slutligen ger studier på människor intressanta men fortfarande begränsade resultat. Till exempel Vrieze et al. undersökte effekterna av transplantation av tarmmikrobiota från magra givare till patienter med metaboliskt syndrom som bedömde förändringar i glukosmetabolismen . I korthet randomiserades patienter med metaboliskt syndrom för att få antingen mikrobiota från magra givare eller autolog mikrobiotainfusion; insulinkänslighet och mikrobiotakomposition utvärderades vid baslinjen och efter 6 veckor från fekal infusion. Efter 6 veckor visade endast den allogena infusionsgruppen en förbättring av perifer insulinkänslighet med också en signifikant ökning av mikrobiota-mångfalden.
dessutom undersökte olika studier mikrobiotas roll i nonalcoholic fettleversjukdom (NAFLD) och nonalcoholic steatohepatitis (NASH). Till exempel Michail et al. undersökte den mikrobiella sammansättningen av barn med och utan NAFLD. Författare fann att patienter med NAFLD hade rikligare Gammaproteobakterier och Prevotella och signifikant högre nivåer av etanol . Intressant visade tidigare studier att både Gammaproteobakterier och Prevotella är associerade med endogen alkoholproduktion vilket tyder på en mekanism för utveckling av leverskador.
analys av mikrobiotasammansättning hos barn har visat en gradvis ökning av Proteobakterier mellan friska, överviktiga och NASH-barn . Vid analys på familje-och släktnivåer fann författarna att denna skillnad upprätthölls av en ökning av Enterobacteriaceae respektive Escherichia.
liknande resultat erhölls av Kapil et al. . Författare undersökte rollen av bakteriell överväxt i tunntarmen (SIBO) i utvecklingen av NAFLD/NASH och de fann att upp till 37,5% av patienterna med NAFLD har SIBO. Intressant, i enlighet med den tidigare nämnda studien, var Escherichia coli det vanligaste bakteriella isolatet. Slutligen hade patienter med SIBO också högre nivåer av endotoxemi .
andra författare antog att tarmmikrobiota kan inducera förändringar i tarm-hjärnaxeln för att förklara dess roll i metaboliska sjukdomar. Faktiskt, Vaughn et al. fann att råttor matade med HFD var associerade inte bara med mikrobiotavariationer, i synnerhet med proliferation av Proteobakterier, men också med omorganisation av vagala afferenter och mikroglia-aktivering i kärnan i den ensamma kanalen, hjärncentret som modulerar mättnad . Dessutom var administrering av antibiotikabehandling tillräcklig för att återställa den ovannämnda neurala omorganisationen i nervsystemet, vilket tyder på en direkt roll av mikrobiota i detta fenomen .
en annan viktig aspekt är formen av tarmmikrobiota med hjälp av kosten. Till exempel De Filippo et al. jämförde fekal mikrobiota hos Europeiska barn och barn från Burkina Faso . Författarna fann att mikrobiota av Burkina Faso-barn kännetecknades av en högre mikrobiell rikedom och biologisk mångfald och även genom underrepresentation av Enterobacteriaceae jämfört med Europeiska barn som återigen föreslår en skadlig roll av Proteobakterier och belyser vikten av att bevara mikrobiell biologisk mångfald .
slutligen verkar Proteobakterier också vara inblandade i hjärt-kärlsjukdomar. Till exempel Amar et al. fann att blodmikrobiota dysbios och i synnerhet ökning av Proteobakterier var associerade med uppkomsten av kardiovaskulära händelser i en allmän population efter adekvat justering för kända kardiovaskulära riskfaktorer, såsom rökning . Aterosklerotisk sjukdom kännetecknas av förtjockning av artärintima på grund av ackumulering av lipider och immunceller, främst makrofager och T-celler som utgör den typiska placken. En koppling mellan ateroskleros och infektion har postulerats . I synnerhet nyare studier fokuserade på rollen av olika patogener på plackens komponenter med bevis på proaterosklerotiska effekter . I detta sammanhang finns det bevis för att höga nivåer av Proteobakterier finns i den aterosklerotiska placken ; således kan det spekuleras att dessa mikroorganismer kan ha proinflammatoriska effekter som kan bidra till aktiveringen av plack. Andra författare antog emellertid att mikroorganismer också kan bidra indirekt genom mekanismer för molekylär mimik, i vilket fall den ”skyldige” patogenen kanske inte hittas lokalt .
3. Inflammation och inflammatorisk tarmsjukdom
interaktion mellan mikrobiota och värdceller i tarmen är väsentlig för formning och modulering av immunsystemet , med många studier som rapporterar förändring i mikrobiotasammansättningen vid olika inflammatoriska ihållande tillstånd både hos djur och hos människor . I detta sammanhang har Proteobakterier ofta visat sig vara ökade vid sjukdom och har identifierats av vissa författare som en möjlig markör för mikrobiotainstabilitet, vilket predisponerar för sjukdomsutbrott .
intressant nog hittades en övergående dominans av Proteobakterier, särskilt Enterobacteriaceae, hos nyfödda möss, som emellertid gradvis förloras med åldern . Denna förändring är också associerad med ett proinflammatoriskt tillstånd som avslöjas genom kvantifieringar av vanliga proinflammatoriska interleukiner. Övergång till en stabil och mindre reaktiv mikrobiota associerades med produktionen av specifik IgA, som riktar sig särskilt mot Proteobakterier, vilket tyder på en viktig roll av B-celler i kontrollen och moduleringen av tarmbakterierna med hjälp av immunoglobulinproduktion. Konsekvent leder både frånvaron av differentierade B-celler, som förekommer i ighm−/− Möss, och brist i Iga-produktion till uthållighet i Proteobakteriens dominans även hos vuxna möss med också en ihållande inflammatorisk fenotyp.
författarna, som ytterligare undersökte B-cellernas Roll, fann att produktionen av specifika iga mot Proteobakteriemedlemmar medieras av dendritiska celler. Sammantaget belyser dessa data den dramatiska relevansen av mikrobiota i moduleringen av värdimmunsystemet .
proteobakteriernas roll i tarminflammation har behandlats i olika mössmodeller av kolit, med positiva korrelationer . Till exempel Carvalho et al. används en inflammationsbenägen musmodell, nämligen Flagellinreceptorn TLR5-bristande möss (T5KO), för att studera mikrobiotas roll i utvecklingen av tarminflammation . Författarna fann att möss som utvecklades till kolit visade en bestämd mikrobiota-signatur kännetecknad av ökade nivåer av Proteobakterier, särskilt av Escherichia-släktet .
intressant, Langgartner et al. nyligen hittade en expansion av Proteobakterier också i en musmodell för kronisk psykosocial stress . Dessa data stöder begreppet en hjärn-mikrobiotaaxel, ett nytt koncept som indikerar det komplexa Dubbelriktade korssamtalet som uppstår mellan dessa uppenbarligen segregerade enheter och innebär vidare Proteobakterier som störare av tarmhomeostasen.
inflammatoriska tarmsjukdomar (IBD), främst Crohns sjukdom (CD) och ulcerös kolit (UC), är kroniska tillstånd som kännetecknas av ihållande tarminflammation vars etiologi fortfarande är okänd.
nya bevis tyder dock på att de kan bero på ett olämpligt och ihållande inflammatoriskt svar på mikrobiota hos en mottaglig värd .
de flesta studier fokuserade på variationerna av tarmmikrobiota i IBD. I detta sammanhang finns Proteobakterier ofta ökade under dessa förhållanden , vilket återigen stöder att dessa specifika mikroorganismer kan bära proinflammatoriska egenskaper.
de exakta mekanismerna som leder till ökningen av Proteobakterier under sjukdom och i synnerhet under inflammation är inte helt kända. Observationen att under tarminflammation finns en minskning av obligatoriska anaerober och en ökning av fakultativa anaerober, såsom Enterobacteriaceae, ledde emellertid till formuleringen av ”syrehypotesen” . I själva verket har det visat sig att kolon epitelceller under fysiologiska omständigheter bryter ut syrenivåer i lumen, vid slemhinnans gränssnitt, genom beta-oxidationsprocesser, vilket genererar en anaerob miljö . Å andra sidan, vid tarminflammation minskar epitelcellerna sin förmåga att genomgå beta-oxidation med konsekvensen av en ökad tillgänglighet av syre som tros främja dysbios och det är associerat med Proteobakterier blommar . En annan viktig faktor som kan vara inblandad i utvecklingen av dysbios och i synnerhet i Enterobacteriaceae-blomningen är nitrat. Det har faktiskt visats att nitrat som produceras av värden under inflammatoriska tillstånd kan utnyttjas av kommensala Enterobacteriaceae som därmed blir dominerande . Ytterligare studier visade att uttrycket av Nos2, genen som kodar för kväveoxidsyntas, hämmas av aktiviteten av PPAR-XXL, som i sin tur aktiveras av vissa mikrobiotaprodukter, såsom butyrat . Sammanfattningsvis leder frånvaron av en hälsosam butyratproducerande mikrobiota till ett ökat Nos2-uttryck och nitratproduktion som slutligen tillåter blomningen av Enterobacteriaceae .
vidare, i försöket att bättre identifiera specifika proteobakteriemedlemmar associerade med IBD, en ny patovar (dvs., en stam med samma eller liknande egenskaper, differentierad på infrasubspecifik nivå från andra stammar av samma art eller underart på grundval av distinkt patogenicitet) som tillhör släktet Escherichia identifierades . Denna nya patogena grupp kallades vidhäftande invasiv E. coli (AIEC) på grund av dess potential att vidhäfta och därefter invadera tarmepitelceller . Ytterligare studier avslöjade att AIEC var vanligare i CD jämfört med friska kontroller, var särskilt associerade med ileal CD och hittades också som de vanliga mikroorganismerna som koloniserar ilealskador hos dessa patienter .
en annan studie, utförd av Willing et al., fann också ett ökat överflöd av Escherichia coli-bakterier specifikt i ileal CD . ”Mervärdet” av denna studie var mikrobiotaanalysen av monozygotiska tvillingar för att mildra möjliga förvirrande faktorer kopplade till genetiska variabler . Med tanke på dessa data spekulerar författarna att miljöfaktorer, särskilt mikrobiotavariationer, kan vara mer inblandade i definitionen av IBD-fenotypen snarare än genetiska faktorer.
ett mer komplext scenario är dock mer troligt, särskilt i patogenesen av IBD. Till exempel riddare et al. analys av tarmbiopsier hos patienter med IBD visade att det finns en signifikant samband mellan NOD2-riskallelantal och relativ överflöd av Enterobacteriaceae . Dessa data är i linje med det nuvarande begreppet IBD som multifaktoriella störningar med en viktig roll av mikrobiotavariationer i en mottaglig värd, som redan nämnts.
4. Inflammation och lungsjukdomar
trots den gemensamma uppfattningen att luftvägarna är en steril miljö, visar de senaste bevisen förekomsten av en lungmikrobiom som rymmer cirka 500 arter. En” kärna ” luftvägsmikrobiota identifierades också i friska lungor med övervägande av samma phyla närvarande i tarmen, i synnerhet: Bacteroidetes, Firmicutes och Proteobacteria .
astma och kronisk obstruktiv lungsjukdom (kol) är kronisk inflammatorisk sjukdom i lungorna. Nya studier fokuserade på analysen av lungmikrobiomen under dessa förhållanden för att bättre förstå patofysiologin och eventuellt utveckla nya och effektivare behandlingar. Flera bevis tyder på en viktig roll för mikrobiota i båda sjukdomarna. Till exempel korrelerar användningen av antibiotika med risken för astma hos barn .
dessutom visar jämförelse av bakteriesammansättning hos patienter med eller utan astma i olika studier ett högre överflöd av Proteobakterier hos astmatiska patienter . Andra resultat inkluderar högre andelar Firmicutes och aktinobakterier hos friska patienter, som dock inte nådde statistisk signifikans .
rökning är den viktigaste riskfaktorn för utveckling av KOL; men inte alla rökare utvecklar slutligen sjukdom, vilket tyder på att andra faktorer kan vara inblandade. Biedermann et al., till exempel, undersökte variationen av mikrobiotasammansättning vid baslinjen och efter rökstopp . Efter rökavvänjning var en minskning av Proteobakterier uppenbar. Det måste dock betonas att analysen utfördes i avföringsprover, så resultaten involverar tarmmikrobiota .
när det gäller astma fann olika studier en ökning av Proteobakterier hos patienter med KOL och i synnerhet hos patienter med förvärringar av sjukdom . Slutligen fann författarna i samma studie olika” mikrobiella signaturer ” eller mikrobiomprofiler mellan bakteriella och eosinofila exacerbationer, specifikt en ökning av Proteobakterier i den tidigare gruppen och en ökning av Firmicutes i den senare gruppen .
5. Slutsatser
tack vare de senaste tekniska framstegen kan vi nu bättre utvärdera mikrobiota både i hälsa och sjukdom. Forskning är särskilt aktiv vid inflammatoriska störningar, såsom IBD. I synnerhet visas inflammation vara inblandad i utvecklingen av metaboliska störningar, såsom fetma, diabetes och NASH/NAFLD. Många studier om dessa ämnen bygger på jämförelsen av mikrobiotasammansättning i hälsa och sjukdom med frekvent observation av ökat överflöd av Proteobakterier i den senare gruppen. Baserat på dessa data Har författare föreslagit att Proteobakterier kan representera en ”mikrobiell signatur” av sjukdom . Således kan mikrobiota representera ett nytt mål för utveckling av nya terapeutiska strategier för att hantera metaboliska störningar. Ytterligare studier bör fokusera på möjligheten att modulera tarmmikrobioten för att återställa dysbiotiska tillstånd med det slutliga målet att ge en fördel för värden. I detta sammanhang har fekal mikrobiottransplantation de ideala egenskaperna för att tjäna detta omfång. Studien av lungmikrobiomen är ett expanderande forskningsområde, i kölvattnet av den enorma mängden data som genereras från studier av tarmmikrobiota. Även om detta område fortfarande är mestadels outforskat, kan många likheter med tarmmikrobioten hittas, till exempel dissekera länken mellan inflammation och astma eller KOL.
Sammanfattningsvis är Proteobakterier ofta överrepresenterade i flera tarm-och extraintestinala sjukdomar, mestadels med en inflammatorisk fenotyp. Medan orsakssamband ännu inte har bevisats, väntar ivrigt på studier som utvärderar möjliga länkningsmekanismer mellan dysbios, särskilt Proteobakterier och sjukdomar.
intressekonflikter
författarna förklarar att de inte har några intressekonflikter.