Microbiologie in hapklare porties
Is er een verband tussen lichaamsgrootte en darmmicrobioom?
Het zal je misschien verbazen dat de lichaamsgrootte van gewervelde dieren, die sterk varieert, positief geassocieerd is met de alfadiversiteit van het darmmicrobioom, dat verwijst naar de meting van de verscheidenheid en overvloed van soorten binnen een specifiek ecosysteem of gemeenschap (zoals het darmmicrobioom van een individueel organisme). Grotere dieren, met grotere darmen, hebben de neiging om meer microben te herbergen. Eerdere studies gebruikten een oudere methode met 16S rRNA-genamplicons en elektroforese om de alfadiversiteit te kwantificeren. Met deze methode konden verschillende taxa worden geïdentificeerd en gekwantificeerd. Recent onderzoek met een groot menselijk cohort heeft ook aangetoond dat langere individuen een grotere alfadiversiteit van het darmmicrobioom hebben. Dit patroon lijkt op de soort-gebied relaties (SAR’s) die worden waargenomen in ecosystemen waar grotere gebieden meer soorten herbergen. De mechanismen die dit SAR-achtige gedrag in de darm veroorzaken, zijn echter nog niet onderzocht.
Sommige literatuur suggereert dat neutrale processen, zoals beschreven door de eiland biogeografie theorie (IBT), deze patronen zouden kunnen verklaren. IBT stelt dat grotere gebieden meer individuen ondersteunen, wat leidt tot een groter aantal soorten. De hypothese was dat IBT de grootte-diversiteit relaties bij gewervelde dieren en mensen zou kunnen verklaren. Om dit te testen, bouwden Sarmiento et al. 2024 een individu-gebaseerd model dat IBT in de darm simuleert, de lengte van het systeem varieert en immigratie, emigratie en voortplanting omvat (Figuur 1). De simulaties, die rekening hielden met de lichaamsgrootte van gewervelde dieren en de lengtevariatie van de mens, werden vervolgens vergeleken met empirische gegevens, wat intrigerende inzichten in de diversiteit van het darmmicrobioom opleverde. Dit op het individu gebaseerde model toonde aan dat de darmlengte positief correleert met de soortendiversiteit, wat een afspiegeling is van de patronen die we zien bij gewervelde dieren en mensen. Dit suggereert dat zelfs basismodellen, die ervan uitgaan dat alle soorten een gelijke kans hebben om te overleven en zich voort te planten, kunnen helpen bij het verklaren van de grote patronen die we zien in de verscheidenheid aan microben die leven in de darmen van verschillende dieren en mensen. De manier waarop lichaamsgrootte en diversiteit aan darmbacteriën samenwerken, zou het risico op darminfecties kunnen beïnvloeden.
Een lagere alfadiversiteit van het darmmicrobioom wordt in verband gebracht met een hoger risico op infecties, waarschijnlijk als gevolg van de nicheverzadigingshypothese. Deze hypothese suggereert dat een diverse microbengemeenschap alle beschikbare ecologische niches bezet, waardoor er weinig ruimte overblijft voor schadelijke ziekteverwekkers om zich te vestigen en infecties te veroorzaken.
Figuur 1: Een simulatiemodel van darmmicrobioomdiversiteit in de loop van de tijd met behulp van een individu-gebaseerde benadering. Op het initiële tijdstip (T0) worden individuen gegenereerd uit een lognormale populatie en komen ze het systeem binnen met een vaste immigratiesnelheid, terwijl individuen zich willekeurig voortplanten en het systeem verlaten via de uitgang. Als het systeem geen stationariteit heeft bereikt, gaat de simulatie verder met de volgende tijdstap (T1001 de 1001e tijdstap), waarbij het proces herhaald wordt totdat de stationariteit bereikt is. De grafiek onderaan de afbeelding laat zien dat de diversiteit in de loop van de tijd toeneemt en uiteindelijk een stabiel niveau bereikt, wat het punt van stationariteit in de simulatie aangeeft. Afbeelding gecrediteerd door Sarmiento et al. (2024).
Clostridioides difficile, een veelvoorkomende darmziekteverwekker die in ziekenhuizen voorkomt, wordt vaak in verband gebracht met verstoringen in de diversiteit van de darmmicrobiota, zoals die worden veroorzaakt door antibiotica of diarree. Infecties worden meestal behandeld met orale antibiotica, maar recidief komt vaak voor, vooral bij mensen met een aanvankelijk lage microbioom diversiteit. Klinisch gezien verhoogt een lagere alfadiversiteit van het darmmicrobioom de gevoeligheid voor ziekteverwekkers zoals Clostridioides difficile. De resultaten in dit artikel geven aan dat kortere individuen vatbaarder zijn voor darminfecties vanwege een lagere diversiteit. Op basis hiervan stelden ze een mechanistische verklaring voor gebaseerd op de eiland biogeografie theorie aangepast aan de darmomgeving. Voedingsfactoren, met name groente-inname, hebben een significante invloed op de darmdiversiteit en het infectierisico. Een hogere groente-inname werd sterk geassocieerd met een grotere darmdiversiteit en een lager infectierisico, wat het belang van voeding bij het beheren van de darmgezondheid benadrukt.
Eerdere studies hebben verschillende factoren geïdentificeerd die de diversiteit van het darmmicrobioom bij gewervelde dieren beïnvloeden, waaronder darmmorfologie, evolutionaire geschiedenis en dieet. Zo vertonen dieren met een complexere darmanatomie, zoals voordarm- en achterdarmfermentoren, een hogere microbiële rijkdom dan carnivoren. In dit onderzoek werd een sterke correlatie gevonden tussen de lichaamsgrootte van de gastheer en de alfadiversiteit van de darmen, onafhankelijk van het dieet.
Bij mensen is lengte positief gerelateerd aan de alfadiversiteit van het darmmicrobioom, ongeacht leeftijd, geslacht, BMI, frequentie van stoelgang en dieet. Studies tonen aan dat factoren zoals leeftijd, met verschillende effecten op diversiteit, en geslacht, waarbij vrouwen vaak een hogere diversiteit hebben, van invloed zijn op de diversiteit van het darmmicrobioom. Obesitas en BMI correleren negatief met diversiteit door een lagere vezelinname en meer ontstekingen. Constipatie correleert met een hogere diversiteit, terwijl diarree correleert met een lagere diversiteit. Plantaardige diëten bevorderen ook een hogere alfadiversiteit.
Deze studie toonde aan dat darmdiversiteit de effecten medieerde van zowel lengte als groenteconsumptie bij mensen met een Clostridioides difficile infectiegeschiedenis. De effecten van lengte werden volledig gemedieerd door diversiteit, terwijl groenteconsumptie een gedeeltelijk bemiddelingseffect had, wat betekent dat het zowel direct als indirect via diversiteit de gezondheid van het darmmicrobioom beïnvloedde. Dit geeft aan dat lichaamsgrootte weliswaar een rol speelt, maar dat voedingsgewoonten een grotere invloed hebben op de gezondheid van het darmmicrobioom. Statistische analyse bevestigde de bemiddelingseffecten en benadrukte de relatie tussen deze factoren.
In deze studie namen de onderzoekers verschillende factoren in overweging om het verband tussen lichaamsgrootte en diversiteit van het darmmicrobioom te verklaren, maar geen enkele verklaarde de waargenomen patronen volledig. Hoewel hun darmmodel een mogelijke verklaring biedt, zouden andere factoren, zoals de diversiteit van darmmicroben in het vroege leven, ook de lengte op volwassen leeftijd kunnen beïnvloeden. Het model was vereenvoudigd, maar bevat nog steeds belangrijke aspecten zoals nieuwe microben die de darm binnenkomen (immigratie), hoe ze groeien en hoe ze in één richting door het spijsverteringsstelsel bewegen, die allemaal van invloed zijn op de verscheidenheid aan microben in de darm. Deze studie kan echter te weinig kracht hebben gehad omdat de steekproefgrootte of diversiteit van deelnemers misschien niet groot genoeg was om een sterk verband tussen lengte en de voorgeschiedenis van microbiële infecties te detecteren. Dit suggereert dat er meer onderzoek nodig is met grotere en meer gevarieerde groepen mensen om beter te begrijpen hoe lengte het risico op deze infecties zou kunnen beïnvloeden. Aangezien de wetenschap op dit gebied nog in ontwikkeling is, benadrukken deze bevindingen het belang van verder onderzoek om meer definitieve antwoorden te vinden.
Link to the original post: Katherine Ramos Sarmiento, Alex Carr, Christian Diener, Kenneth J Locey, Sean M Gibbons, Island biogeography theory provides a plausible explanation for why larger vertebrates and taller humans have more diverse gut microbiomes, The ISME Journal, Volume 18, Issue 1, January 2024, wrae114, https://doi.org/10.1093/ismejo/wrae114
Featured image: created by by author in DALL-E3
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 