Il microbioma

Revisione

 

Il microbioma: trilioni di microorganismi, che mantengono la salute e causano le malattie negli esseri umani e negli animali da compagnia

 

  1. Rodrigues Hoffmann 1, L. M. Proctor 2, M. G. Surette 3 e J. S. Suchodolski 4

 

1 Department of Veterinary Pathobiology, College of Veterinary Medicine and Biomedical Sciences, Texas A&M University, College Station, TX, USA

2 National Human Genome Research Institute, National Institute of Health, Bethesda, MD, USA

3 Department of Medicine, Department of Biochemistry and Biomedical Sciences, Faculty of Health Sciences, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, Canada

4 Department of Small Animal Clinical Sciences, College of Veterinary Medicine and Biomedical Sciences, Texas A&M University, College Station, TX, USA

Corresponding Author: A. Rodrigues Hoffmann, Department of Veterinary Pathobiology, College of Veterinary Medicine & Biomedical Sciences, Texas A&M University, College Station, TX 77843, USA.

Email: arodrigues@cvm.tamu.edu

 

Riassunto

Il microbioma è il complesso insieme dei microrganismi, dei loro geni e dei loro metaboliti, che colonizzano le superfici mucosali umane e animali, l’apparato digerente e la pelle. È ormai noto che il microbioma interagisce con il suo ospite, assistendolo nella digestione e nella disintossicazione, sostenendolo nell’immunità, proteggendolo contro gli agenti patogeni, e mantenendo la salute.

Gli studi finora pubblicati hanno dimostrato che gli individui sani sono spesso colonizzati con microbiomi differenti, rispetto a quelli con malattie che coinvolgono vari apparati.

Questa recensione riguarda una breve storia dello sviluppo del campo del microbioma, gli obiettivi principali dello Human Microbiome Project (Progetto del Microbioma Umano), ed i microbiomi più comuni che abitano il tratto respiratorio umano, il tratto digestivo degli animali da compagnia, e la pelle, negli esseri umani e negli animali da compagnia.

Essa descrive i principali cambiamenti nel microbioma di pazienti con lesioni polmonari, gastrointestinali e cutanee.

 

Parole-chiave

microbioma, ecologia microbica, progetto del microbioma umano, respiratorio, gastrointestinale, pelle

[br]

I diversi microrganismi (funghi, protozoi, batteri, archaea, batteriofagi, e virus di eucarioti), che vivono nel corpo e sul corpo degli esseri umani e degli altri animali, sono più di una semplice collezione di microbi.

Il microbioma comprende la serie completa dei microrganismi, dei loro geni e dei loro metaboliti.

Il microbioma si è co-sviluppato con gli esseri umani ed animali, aiutandoli in tal modo nella digestione e nella disintossicazione, supportando l’immunità, proteggendoli contro gli agenti patogeni invasori, e mantenendone la salute globale.

Con 1014 specie, comprendenti almeno 20 milioni di geni microbici unici, il microbioma costituisce la più grande componente genetica del super-organismo umano ed animale. Gli ecologisti microbici, che hanno studiato i microrganismi e le comunità microbiche nell’ambiente, hanno subito riconosciuto che la maggior parte dei microrganismi in natura non era facilmente colturabile, e così hanno sviluppato approcci alternativi allo studio delle comunità microbiche.

Un approccio precoce ed ampiamente adottato, per indagare i microrganismi nell’ambiente, è stato quello dell’uso del gene 16 S dell’RNA ribosomiale (rRNA) come marker tassonomico, per investigare la diversità batterica in natura 71. Con la crescita delle tecniche molecolari basate sulla non-coltura, per studiare i microrganismi e le comunità ambientali, alcuni medici microbiologi hanno iniziato a utilizzare questi strumenti per studiare il corpo umano, ed hanno trovato una diversità microbica molto maggiore del previsto, anche in siti ben studiati, come la cavità orale 7,15,70.

Nel campo delle malattie infettive, cresceva il riconoscimento che molte malattie non potevano soddisfare i postulati di Koch, poiché la loro patogenesi sembrava coinvolgere più microrganismi.

Il termine “malattie polimicrobiche” è stato coniato per descrivere queste malattie derivanti da un’infezione concomitante con più agenti infettivi 11, come si è visto per gli ascessi, le infezioni opportunistiche legate all’AIDS, la congiuntivite, la gastroenterite, l’epatite, l’otite media, le malattie periodontali, le malattie respiratorie e le infezioni genitali. Tuttavia, ora riconosciamo la complessità aggiunta in queste malattie, posto che le vediamo come intere comunità microbiche, e cominciamo a capire come i batteri, che le compongono, interagiscano tra loro e con l’ospite.

In un saggio sulla storia della microbiologia e delle malattie infettive, Lederberg 73 ha coniato il termine “microbioma”, ed ha chiesto una “metafora più ecologico-informata’’ per capire il rapporto tra gli esseri umani ed i microbi.

Questa revisione include un’introduzione al Progetto del Microbioma Umano (HMP) degli Istituti Nazionali della Salute (NIH), e considera il microbiota che abita il tratto respiratorio umano, l’apparato digerente negli animali da compagnia, e la pelle negli esseri umani e nei cani, in salute e malattia.

Il progetto sul microbioma umano (HMP) del NIH

Al fine di valutare meglio il ruolo del microbioma nella salute e nella malattia, il NIH ha lanciato il HMP, che si è concentrato sul rilevamento dei microbiomi presenti nei diversi sistemi di organi (www.commonfund.nih.gov/hmp).

Il NIH-HMP è stato diviso in 2 fasi:

  • La Fase 1 ha esaminato i microbiomi delle principali regioni del corpo, in individui sani ed in pazienti malati,
  • La Fase 2 ha esaminato le proprietà biologiche di questi microbiomi.

Gli studi iniziali si sono focalizzati sul tratto digestivo 23,39, ed hanno dimostrato l’enorme complessità, così come il potenziale funzionale, del microbioma umano.

Fase 1 – Studio sulla coorte di adulti sani

Durante la prima fase dello HMP (2007-2012), i principali obiettivi erano:

1) l’esame dei microbiomi di adulti sani, per produrre un set di dati di riferimento

2) lo sviluppo di un catalogo di sequenze genomiche dei ceppi microbici di riferimento

3) la valutazione delle caratteristiche dei microbiomi associati a malattie specifiche, in una raccolta di progetti di dimostrazione HMP (Tabella 1) 96.

 

Sono stati esaminati i microbiomi in 5 grandi regioni del corpo di adulti sani (vie respiratorie, pelle, cavità orale, tratto digerente e vagina).

Da questi studi, il Consorzio HMP ha pubblicato 2 documenti fondamentali nel 2012, che descrivono la gamma della normale variazione microbica tra gli adulti sani, in una popolazione occidentale 49,50. Una scoperta importante è stata quella per cui, anche se la struttura della comunità microbica varia notevolmente tra gli habitat del corpo, le potenziali capacità metaboliche codificate nei metagenomi di queste comunità erano molto più costanti. Vale a dire: anche se la composizione tassonomica microbica variava tra gli individui sani, le loro funzioni metaboliche collettive rimanevano notevolmente stabili, all’interno di ciascun sito del corpo 1.

Un’altra risorsa-chiave di questa fase è stata il catalogo della sequenza microbica del genoma di riferimento HMP, che comprende la più grande collezione di sequenze genomiche microbiche umane-associate, tra cui

batteri, batteriofagi, virus di eucarioti ed eucarioti microbici (NCBI, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/43021; Bioproject PRJNA28331).

Ciononostante, con decine di migliaia di ceppi batterici, e con un numero imprecisato di ceppi fungini, virali e protisti nel microbioma umano, resta molto lavoro da fare, per creare un catalogo completo dei genomi di riferimento 31.

Circa il 15% dei campioni raccolti nello studio sulla coorte dei sani sono stati sequenziati col sequenziamento completo del genoma shotgun (WGS), per produrre sequenze metagenomiche per le 5 principali regioni del corpo nello studio.

Per valutare e confrontare lo studio della coorte dei sani con altri individui, sono stati lanciati 15 studi di Progetto Dimostrativo, concentrati sulle malattie gastrointestinali (morbo di Crohn, colite ulcerosa, sindrome infiammatoria intestinale pediatrica, enterocolite necrotizzante neonatale, adenocarcinoma esofageo, e febbre pediatrica idiopatica), sulle condizioni urogenitali (vaginosi batterica, uomini con circoncisione), sulle malattie della pelle (eczema, psoriasi, acne), e sui pazienti con obesità.

I risultati della Fase 1 hanno compiuto molte cose per questo “campo”, anche se hanno sollevato anche nuove domande circa i migliori approcci per l’identificazione dei fenotipi a firma caratteristica. È stato osservato che, in molti casi, la composizione tassonomica dei soli microbiomi non era sufficiente a definire un “microbioma centrale” associato a specifiche malattie o a stati di salute.

Piuttosto, le predette vie metaboliche di questi microbiomi sembravano avvicinarci a questo obiettivo.

 

Fase 2 dello HMP (2013-2015)

La Fase 2 dello HMP (2013-2015) si è focalizzata sullo sviluppo di un insieme di dati di molteplici proprietà biologiche del microbioma e dell’ospite, da studi ben caratterizzati sulla coorte (www.hmp2.org).

Una proprietà cardinale dei microbi è la loro versatile capacità metabolica, che non è specifica del taxon.

In altre parole, più di 2 microbi indipendenti possono avere la capacità di scomporre un componente comune nella nostra dieta, e questo può significare che la composizione della comunità microbica potrebbe non essere la migliore proprietà del biomarcatore per caratterizzare le condizioni umane specifiche. Pertanto, la Fase 2 è stata progettata per raccogliere le proprietà biologiche multi-omiche del microbioma, quali i profili di espressione genica (cioè, il metatranscriptoma) 33,48,128, i profili proteici (cioè, il metaproteoma) 127 , i profili dei metaboliti dell’ospite ed il microbioma (cioè, il metaboloma) 16, e relative proprietà pertinenti dell’ospite, da coorti ben caratterizzate.

Questi studi si stanno concentrando sul microbioma e sull’ospite (madre e figlio) per le donne incinte a rischio di parto pre-termine, sui microbiomi intestinali delle coorti a rischio di malattia infiammatoria intestinale (IBD), e sull’intestino e sui microbiomi nasali di coorti a rischio di diabete di tipo 2 54.

Questi dati, e l’insieme risultante integrato di dati, che saranno depositati in banche-dati pubbliche, permetteranno alla comunità scientifica di valutare le proprietà del microbioma o le combinazioni di proprietà, e forniranno nuove informazioni sul ruolo del microbioma nella salute e nella malattia.

 

Il microbioma del tratto respiratorio superiore

Il tratto respiratorio superiore dell’uomo (URT), che comprende il naso, la gola e la cavità orale, è colonizzato da una comunità microbica complessa e dinamica. Collettivamente, le vie aeree superiori, in particolare la cavità orale, rappresentano il sito del microbioma più vario nel corpo, che ospita anche una ricchezza di specie batteriche maggiore di quella del tratto digestivo 51,75,111.

Quale sito delle interazioni iniziali con molti microbi ambientali, attraverso la respirazione e l’ingestione, un ruolo importante del microbiota commensale è l’essere la prima linea di difesa contro gli agenti patogeni di potenziali patogeni “supercompetenti” e colonizzatori (antagonismo microbico) 65,82.

In sostanza, occupando tutti i siti di legame nel tratto respiratorio superiore (URT), qualsiasi agente patogeno invasore deve in qualche modo combattere con questi organismi, oltre che con le difese dell’ospite.

È importante sottolineare che il microbiota delle vie respiratorie, come quelli di altre superfici mucosali, è solidale nell’adescamento e nell’educazione del sistema immunitario 72 e nel regolare l’immunità nei polmoni in risposta alle infezioni 52. Fino ad oggi, la maggior parte dei ricercatori hanno utilizzato il sequenziamento del gene 16 S rRNA, per caratterizzare le comunità batteriche delle vie respiratorie. Non sono state studiate le comunità fungine e virali, con l’eccezione degli studi focalizzati sui patogeni.

I passaggi del naso e dell’orofaringe ospitano un microbiota distinto. Negli adulti sani, i passaggi nasali sono tipicamente dominati da Actinobacteria (Propionibacterium, Corynebacterium) e Firmicutes (Staphylococcus), mentre i Firmicutes (Veillonella, Streptococcus, Staphylococcus) sono più prevalenti nell’orofaringe 14,51,740 (Fig. 1).

È importante sottolineare che il microbiota residente nelle vie aeree superiori include molti batteri patogeni che colonizzano in modo asintomatico, come lo Streptococcus pneumoniae, lo Staphylococcus aureus, la Moraxella catarrhalis, e l’Haemophilus influenzae 35. Per questi organismi, la distinzione tra patogeni commensali e opportunisti è sfocata.

Quando le difese dell’ospite sono compromesse in questi siti e nel tratto respiratorio inferiore (LRT), l’aspirazione di batteri dall’URT nei polmoni può causare gravi infezioni respiratorie 27,103.

Oltre agli agenti patogeni, il microbiota commensale può anche essere un serbatoio di geni di resistenza antibiotica e di virulenza 35,76. Posto che molti commensali e patogeni del tratto respiratorio sono naturalmente competenti, ossia hanno la capacità di accogliere il DNA esogeno (ad esempio, Streptococcus, Haemophilus, Neisseria) 56,58, sotto pressione selettiva, la resistenza agli antibiotici può probabilmente diffondersi rapidamente in questa comunità.

La maggior parte degli studi sul microbiota dell’URT sono stati compiuti su adulti sani 14,24,74. Tuttavia, è importante considerare che i gruppi più a rischio di infezioni respiratorie sono i giovanissimi e gli anziani 3,60.

Bogaert et al. 10 hanno esaminato in profondità i bambini sotto i 2 anni di età nei Paesi Bassi, ed hanno osservato 4 gruppi, 3 dei quali dominati da una singola unità operativa tassonomica (Moraxella, Haemophilus o Streptococcus), ed uno che era misto 10. Risultati simili sono stati osservati in un recente studio su bambini sani di una città canadese, tranne che un gruppo Haemophilus-dominante non osservato 110.

Il microbiota di bambini piccoli (<2 anni) era distinto da quello degli adulti, mentre quello dei bambini più grandi, in questo studio (fino a 4 anni), era simile a quello degli adulti, anche se pochissimi individui sono stati campionati in questa fascia di età per poter fare conclusioni decisive.

La rinofaringe degli adulti è stata colonizzata da una maggiore percentuale di Firmicutes e Actinobacteria, mentre i bambini più piccoli avevano gruppi simili, ma minor diversità del loro microbioma, e proporzioni più grandi di Proteobacteria, Firmicutes, ed Enterococcus.

Questi risultati suggeriscono cambiamenti nella composizione del microbioma dell’URT, che possono essere paragonati (correlati) alla maturazione del sistema immunitario, come si osserva nel tratto digestivo 66,95.

La coltura quantitativa suggerisce anche che la carica batterica totale è molto più alta nei bambini più piccoli, e diminuisce dopo i primi anni di vita 110. È interessante notare che il microbiota orofaringeo in questo studio era più simile tra i bambini, che non tra gli adulti.

Le variazioni stagionali del microbiota nei bambini piccoli possono anche contribuire alla suscettibilità alla tonsillite pediatrica ed alle infezioni dell’orecchio 10.

Uno studio complementare del microbiota dell’URT negli anziani (età >65) ha mostrato notevoli differenze tra il microbiota di questa fascia di età e quello degli adulti sani più giovani (età 18-43) 125.

Mentre c’è una chiara distinzione tra il microbiota nasale e quello orofaringeo nei giovani adulti 14,51,74, e perfino nei bambini 111, questa differenza topografica si perde negli anziani 125.

In generale, c’è stata un’abbondanza relativa aumentata degli streptococchi (in particolare, le specie del gruppo Streptococcus salivarius ma non di quello dello Streptococcus pneumoniae) nell’orofaringe degli anziani.

Questi studi sul microbiota dell’URT di giovani e anziani, il gruppo più vulnerabile alle infezioni respiratorie, suggeriscono che il microbiota che cambia, in combinazione con un sistema immunitario in maturazione e in senescenza, rispettivamente nei giovanissimi e negli anziani, gioca un ruolo in questa suscettibilità. Questo non vale solo per gli esseri umani, e probabilmente si verifica per tutti i mammiferi.

Attualmente, mancano gli studi sul microbioma degli animali da compagnia, che si concentrino sulle vie respiratorie superiori e inferiori nei giovani, negli adulti e negli animali anziani.

Dei pochi studi pubblicati fino ad oggi, la Moraxella sp. è stata spesso identificata in campioni da narice e cavo orale di cani sani 99,112, pari a circa il 33% dei batteri che colonizzano la narice. I batteri del genere Moraxella sono stati isolati da tamponi orali di cani sani 61, e da campioni bronchiali di cani con collasso tracheale 57.

Figura 1. Differenti comunità microbiche colonizzano il tratto respiratorio superiore e inferiore nell’uomo. Gli individui con infezioni croniche sono colonizzati da anaerobi obbligati, batteri patogeni, e batteri presenti nel tratto respiratorio superiore. Modificato da Marieb EN, Hoehn K., “Anatomia e fisiologia umana”, ottava edizione, 2010. Stampata e riprodotta elettronicamente con il permesso di Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, New Jersey.

 

Microbioma delle basse vie respiratorie

Le vie aeree inferiori sono state considerate come un sito sterile in individui sani o, più appropriatamente, come un sito effettivamente sterile. Durante la respirazione normale, le vie aeree inferiori in un essere umano adulto sono esposte a 105 microrganismi per giorno, attraverso gli aerosol. Si pensa che questi siano efficacemente trattati dalle difese immunitarie delle vie aeree 9,21. Tuttavia, questa continua esposizione ai microbi ha spinto le indagini sulle vie aeree inferiori di individui sani, e ha portato a domandarsi se ci possa essere una colonizzazione microbica vitale (praticabile) dei polmoni.

La sfida, per gli studi che affrontano queste domande, è nella contaminazione del campione durante la broncoscopia, e nella suggestione che la comunità diversificata osservata rappresenti una contaminazione, piuttosto che una vera colonizzazione delle vie aeree inferiori.

Per far fronte a questo, i profili del microbiota orale sono stati confrontati con lavaggio bronco-alveolare (BAL) 6. Se ci fosse una vera comunità nelle vie aeree inferiori, si prevede che la composizione sembrerebbe diversa rispetto al microbiota orale negli stessi individui. Anche se le vie aeree inferiori fossero colonizzate dalle vie aeree superiori, come ambiente ecologico diverso, alcune specie ma non tutte sarebbero simili, e differirebbero nelle loro abbondanze relative. I dati di recenti studi sull’uomo suggeriscono un microbioma delle vie aeree inferiori, ma questo non è stato convincente in tutti i campioni 77,90.

Questi 2 studi hanno confrontato i lavaggi orali e quelli con BAL, ed hanno osservato differenze distinte nella composizione del microbioma, con Enterobacteriaceae, Haemophilus, Methyllobacterium e Ralstonia che erano sproporzionatamente più abbondanti nei polmoni. Sorprendentemente, non vi erano differenze statistiche nel microbiota tra individui sani e fumatori. Un altro risultato inaspettato è stato la prevalenza del Tropheryma whipplei nei campioni delle vie respiratorie inferiori 77,90.

Il T. whipplei è l’agente eziologico della malattia di Whipple, una malattia sistemica rara, associata principalmente ad infezioni gastointestinali 28. Il significato clinico di questi reperti non è noto.

Un altro studio sul microbiota del LRT, che utilizza confronti simili ma effettuato sul BAL ottenuto attraverso la via nasale per ridurre al minimo la contaminazione orofaringea, ha osservato il microbiota dell’URT in alcuni ma non in tutti gli individui 104. In altri campioni, è stato rilevato il DNA batterico, ma probabilmente esso rappresentava contaminanti a basso livello del DNA nel fluido BAL.

Ancora più importante è il fatto che un’infiammazione di basso livello sia stata rilevata nei fluidi BAL, quando la firma del microbiota delle URT è stato recuperato, e ciò ha fornito ulteriore supporto per la presenza di batteri nelle vie aeree inferiori. Nessun T. whipplei è stato ritrovato in questo studio.

Questi studi forniscono prove della presenza di batteri nel LRT di individui umani sani. Tuttavia, essi non forniscono la prova di un unico microbioma stabile nelle vie aeree inferiori. Infatti, i risultati di Segal et al. 104 sono coerenti con questi microbioti nel LRT, ed essi sono transitori negli individui sani. Inoltre, come tutti gli studi molecolari, essi prevedono la prova di un DNA batterico, e non necessariamente di organismi vitali.

I prodotti batterici sarebbero sufficienti ad indurre una risposta immunitaria indipendente dalla presenza di organismi vitali.

Tuttavia, questi studi indicano che il LRT è costantemente esposto, ed ogni compromesso per la difesa dell’ospite o per la soppressione immunitaria potrebbe provocare un rapido sviluppo di infezioni del LRT.

La soppressione stress-mediata del sistema immunitario, nella febbre da trasporto di bestiame, ne è un esempio 46. Le infezioni del LRT sono spesso responsabili di alta morbilità e mortalità, sia nel mondo sviluppato che in quello in via di sviluppo. Per i pazienti con polmonite grave, anche se diagnosticata con cura, un agente eziologico (batterico o virale) si identifica in meno del 50% dei casi 6,12,84.

I microbioti commensali sono spesso recuperati, ma clinicamente respinti come contaminazione. È possibile che potremmo sottovalutare il potenziale patogenico di organismi che dichiariamo commensali del tratto respiratorio superiore.

Nel caso di malattie croniche delle basse vie aeree (per esempio, nella fibrosi cistica [CF] 80, nella malattia polmonare ostruttiva cronica e nell’asma), ed anche nelle infezioni più acute nell’uomo, è ora ampiamente accettato il fatto che la colonizzazione delle vie aeree inferiori sia polimicrobica (Fig . 1) 9,47,79,97,120.

Queste comunità includono molti membri del microbioma delle vie aeree superiori, oltre agli attesi patogeni delle LRT.

Negli stati di malattia, come nella CF, diversi studi hanno dimostrato che il microbioma dell’espettorato o del BAL è distinto in composizione microbica ed abbondanza relativa, rispetto al microbioma orale 100, con esclusione della contaminazione quale fonte principale di questi organismi. Soprattutto, gli anaerobi obbligati costituiscono una porzione significativa dei microbiomi delle vie aeree inferiori.

Anche negli studi del microbioma delle LRT di individui sani, gli anaerobi obbligati (ad esempio, Prevotella e Veillonella) sono tra i più comuni batteri identificati 77,90,104. Il ruolo di questi microbi supplementari nella malattia non è compreso. Utilizzando modelli animali, è stato dimostrato che i batteri isolati dalle vie aeree di pazienti CF, che hanno un potenziale patogeno piccolo o assente, possono sinergizzare con agenti patogeni che permettono di accrescere la virulenza, suggerendo un ruolo delle interazioni polimicrobiche nella progressione della malattia 22,105.

Questa sinergia coinvolge interazioni microbo-microbo, che si traducono nella modulazione dell’espressione genica del fattore della virulenza batterica 105. È probabile che la maggior parte delle infezioni delle vie aeree inferiori siano polimicrobiche 80,107. Non è noto se questo possa influenzare la progressione della malattia.

 

Il Microbioma nel tratto digestivo

Il Microbioma nel tratto digestivo in salute

Si stima che dalle 1010 alle 1014 cellule microbiche siano presenti nell’intestino dei mammiferi, il che è circa 10 volte più del numero di cellule dell’ospite. L’analisi di sequenza del gene 16 S rRNA ha rivelato un ecosistema altamente complesso all’interno del tratto GI umano 123, canino 43,44,114 e felino 44. Questo microbiota intestinale complesso ha un impatto significativo sulla salute e sulla malattia. Diverse recensioni hanno trattato in profondità il microbioma del tratto digestivo umano 64,109,123.

Questa sezione si concentrerà principalmente sul microbioma del tratto digestivo, negli animali da compagnia. Il numero esatto di specie batteriche nel tratto digestivo rimane sconosciuto, soprattutto a causa delle difficoltà tecniche nel descrivere accuratamente questo complesso ecosistema. In generale, la composizione del microbiota intestinale è in qualche modo simile per esseri umani, cani e gatti.

Almeno 200 filotipi batterici sono stimati come presenti nell’intestino tenue canino, mentre il colon canino ospita da poche centinaia a migliaia di filotipi batterici 44,114. I Firmicutes ed i Bacteroidetes sono i principali phyla batterici nell’intestino di cani e gatti (Fig. 2) 2,3.

I phyla meno abbondanti nei cani sono: Proteobacteria, Actinobacteria, Spirochete, Fusobatteri, Tenericutes, Verrucomicrobia, Cianobatteri e Chloroflexi.

Il phylum Firmicutes comprende numerosi gruppi batterici distinti. Di questi, i gruppi XIVa e IV di Clostridium sono i più abbondanti, e comprendono molti importanti gruppi batterici produttori di acidi grassi a catena corta (cioè Lachnospiraceae, Ruminococcus, Dorea, Faecalibacterium). C’è un graduale aumento nella ricchezza delle specie, ed un’abbondanza di batteri dall’intestino tenue al crasso. Lo stomaco del cane ospita un microbioma che è spesso dominato dall’Helicobacter spp., che in uno studio comprendeva il 99% delle sequenze del gene 16 S rRNA 34. Le conte batteriche nel duodeno del cane e del gatto sono tipicamente comprese tra 102 e 105 colonie formanti unità per grammo (cfu / g) di contenuti. Tuttavia, fino a 109 cfu / g sono state segnalate in cani e gatti sani 37,59.

La carica batterica totale nel colon è compresa tra circa 109 e 1011 cfu / g.

L’apparato digerente ospita non solo i batteri, ma anche vari tipi di funghi, archaea, protozoi e virus. Studi recenti hanno fornito un’analisi più approfondita sulla diversità di questi microrganismi in individui sani, ma le loro interazioni, le loro influenze sull’ospite, e il loro ruolo nella malattia rimangono poco chiari. L’analisi per ibridazione fluorescente in situ (FISH) e l’analisi del sequenziamento shotgun del DNA, di DNA fecale, ottenute da soggetti sani umani e canini, hanno stimato che i batteri costituiscono circa il 98% di tutte le sequenze, mentre gli organismi fungini e gli archeobatteri costituiscono, insieme, <2% 102,121.

Analogamente, il sequenziamento shotgun del DNA di campioni di feci feline ha rivelato che il 97% delle sequenze ha origine batterica, l’1% da eukarioti, lo 0,1% da archaea, e lo 0,1% da virus del DNA 122.

Il pirosequenziamento del gene fungino 18 S rRNA ha riportato l’Aspergillus e il Saccharomyces come i generi fungini più abbondanti nei campioni fecali raccolti dei gatti 44. In un altro studio, il 76% dei cani era positivo per DNA fungino su biopsie duodenali 118. In questo studio, sono stati descritti 51 diversi filotipi fungini, e Pichia, Cryptococcus, Candida e Trichosporon erano quelli più frequentemente osservati.

Un complesso microbioma fungino è stato descritto anche in campioni fecali di cani 32. Cinque distinti phyla fungini sono stati identificati in cani sani e cani con diarrea. I phyla Ascomyceti (97% delle sequenze fungine) e Basidiomiceti (1%) erano quelli predominanti. I cani ospitavano una mediana di 28 (range, 4-69) generi fungini, e la Candida era il genere più comunemente osservato in questo studio.

 

Figura 2. I batteri più comuni individuati nel tratto digestivo e nelle feci di cani e gatti sani, e di quelli con malattia gastrointestinale acuta e cronica.
Figura 3. I phyla e le famiglie di batteri più comuni, identificati nella pelle di cani sani e allergici.

 

Il microbioma intestinale esercita benefici sull’ospite, attraverso molti meccanismi. I batteri commensali forniscono una barriera difensiva contro i patogeni transitori. Essi aiutano nella digestione dei nutrienti, e forniscono importanti metaboliti per l’ospite. Inoltre, i microbi hanno una funzione importante nel modulare il sistema immunitario dell’ospite 113. Gli studi col sequenziamento shotgun del DNA hanno descritto le proprietà funzionali della flora batterica intestinale, fornendo informazioni sui geni microbici presenti nell’intestino.

Ad esempio, le categorie più abbondanti, tra i geni funzionali del microbioma nei gatti, riguardavano i carboidrati microbici e il metabolismo delle proteine (rispettivamente il 13%/15% ed il 6%/8% del metagenoma felino), il metabolismo del DNA (7%/8%), i fattori di virulenza (6%/7%), il metabolismo degli aminoacidi (6% / 8%), la parete cellulare e la capsula (7%), e cofattori, vitamine, gruppi prostetici e pigmenti (6%) 8,122.

 

Il microbioma nelle malattie gastrointestinali

Diversi studi hanno riportato comunità microbiche alterate nelle malattie gastrointestinali acute e croniche, per cani e gatti 5,17,20,38,55,88,89,115,117,119,126.

Questi cambiamenti microbici sono accompagnati da sottostanti suscettibilità del sistema immunitario innato di cani e gatti con enteropatie croniche, come l’IBD idiopatica, dimostrando ulteriormente la relazione tra il microbiota intestinale e la salute dell’ospite 55,62,63,78,86.

È stato dimostrato che il microbiota dei cani cambia con la diarrea, con più profondi cambiamenti per i cani con diarrea emorragica acuta (AHD) 117, caratterizzati da una diminuzione significativa della Blautia, delle Ruminococcaceae tra cui il Faecalibacterium prausnitzii, e del Turicibacter spp., e gli aumenti significativi nei generi Sutterella e Clostridium perfringens, rispetto ai cani sani (Fig. 2). L’analisi dei gruppi di batteri selezionati mediante PCR quantitativa in campioni fecali da cani sani, da cani con enteropatie croniche (CE), e da cani con AHD, ha mostrato pronunciate diminuzioni del Faecalibacterium prausnitzii, del Turicibacter e delle Ruminococcaceae, con aumenti significativi dell’E. coli e del C. perfringens in CE e AHD 83. In particolare, il Faecalibacterium spp. appare spesso impoverito nella malattia GI canina 83,88,101.

Questo gruppo batterico è anche correlato con il miglioramento dell’indice di attività clinica dell’IBD, e ciò suggerisce che esso potrebbe essere un indicatore (marker) utile per monitorare il miglioramento della disbiosi fecale 101,117.

Nell’IBD canina e felina, i pazienti sono spesso presentati con segni GI persistenti o intermittenti.

Viene raggiunta una diagnosi di IBD, con l’esclusione di altre enteropatie croniche, quali quelle che rispondono al trattamento con cambiamenti dietetici, di antibiotici o di glucocorticoidi. Esistono ora forti prove che, oltre ai fattori ambientali ed alle alterazioni genetiche, il microbiota intestinale svolga un ruolo importante nella patogenesi dell’IBD, dovuta principalmente agli squilibri nelle popolazioni microbiche GI, vale a dire la disbiosi microbica.

La diminuzione dei phyla dei Firmicutes e dei Bacteroidetes, e l’aumento dei Proteobatteri e degli Actinobatteri sono stati associati all’IBD 94.

Nei cani con IBD, il microbiota aderente alla mucosa dell’intestino tenue è principalmente costituito da Proteobatteri, in particolare da organismi simili all’E. coli 126, o da Pseudomonas 119, con proporzioni inferiori di Firmicutes e Bacteroidetes rispetto ai cani sani 115.

I cani Boxer e Bulldog francesi, con colite granulomatosa, hanno anche una disbiosi del loro microbioma intestinale. L’analisi del microbiota, basata sul sequenziamento del gene 16 S rRNA, in combinazione con la FISH, ha rivelato batteri invasivi di E. coli presenti nei gruppi multifocali all’interno dei macrofagi nella mucosa del colon 106.

Questi cani spesso rispondono bene al trattamento antibiotico, con remissione dei segni clinici, il che suggerisce una relazione causale tra questi batteri e la malattia 106. Data l’associazione tra colite granulomatosa e batteri invasivi, la FISH può essere utilizzata come strumento diagnostico sulle biopsie intestinali, per meglio orientare le decisioni di trattamento 81.

Ad oggi, sono disponibili informazioni limitate sulla disbiosi microbica nell’IBD felina 98. In uno studio basato sull’analisi FISH, le Enterobacteriaceae erano aumentate nelle biopsie duodenali dei gatti con IBD, con un rapporto significativo tra la gravità dell’infiammazione istologica ed il maggior numero di batteri 55.

In un altro studio, sulla valutazione del numero dei batteri usando la FISH, i campioni fecali dei gatti con IBD avevano un numero inferiore di Bacteroides e Bifidobacterium ed un numero maggiore di Desulfovibrio, rispetto ai gatti sani 53, sebbene un altro studio analogo non abbia identificato differenze tra i gatti sani e quelli con malattia gastrointestinale 2.

Uno studio recente, che utilizza il sequenziamento di nuova generazione dei geni 16 S rRNA, ha descritto il microbioma fecale dei gatti con diarrea acuta o cronica 116. Come in altre specie animali, i principali cambiamenti sono stati negli aumenti delle Enterobacteriaceae, con diminuzioni concorrenti dei Bacteroidetes e dei membri di Clostridium del gruppo XIVa.

Inoltre, questi cambiamenti microbici erano accompagnati da un alterato contenuto genico funzionale batterico: metabolismo alterato di glicosfingolipidi, acidi grassi, biotina, triptofano, ascorbato ed aldarato.

La prevalenza e l’identificazione degli organismi fungini sono state valutate anche nei cani con enteropatie croniche 118.

Oltre ai taxa fungini osservati nel tratto digestivo di cani sani, quelli con malattie gastrointestinali avevano anche patogeni fungini opportunistici 118.

Un altro studio, che ha valutato il microbioma fungino in cani sani ed in quelli con malattia gastrointestinale, non ha identificato differenze significative nelle proporzioni relative delle comunità fungine, tra cani sani e malati 32.

Pertanto, sono necessari ulteriori studi per chiarire l’importanza dei funghi sulla salute intestinale e sulla malattia degli animali.

È probabile che la disbiosi del microbioma alteri i metaboliti prodotti dai batteri intestinali, che a loro volta possono sregolare le risposte immunitarie innate ed adattative. Questo può infine portare ad infiammazione e/o alla perdita di protezione contro l’infezione. Alcuni batteri intestinali possono produrre tossine, come l’ammoniaca, il D-lattato, l’endotossina (lipopolisaccaride) e l’esotossina (enterotossina), che possono aggravare ulteriormente le lesioni intestinali. D’altra parte, i batteri intestinali hanno anche un importante ruolo di protezione nell’omeostasi gastrointestinale. Ad esempio, le Lachnospiraceae, le Ruminococcaceae ed il Faecalibacterium, quali importanti produttori di acidi grassi a catena corta (SCFA), sono stati trovati esauriti nella malattia GI.

La ridotta produzione di SCFA può compromettere la capacità dell’ospite di ridurre le reazioni immunitarie intestinali. Gli studi iniziali, eseguiti su cani con malattia intestinale, hanno dimostrato un’associazione tra la disbiosi intestinale e il metabolismo alterato. In uno studio, l’analisi dei metaboliti del siero nei cani con IBD suggeriva un’associazione tra la disbiosi fecale e il metabolismo energetico alterato, ed un aumento dello stress ossidativo dei cani affetti 89.

Un altro studio ha valutato i metaboliti sierosi e fecali nei cani con diarrea acuta, ed ha riportato variazioni nel metabolismo del triptofano, nei cani malati 42. Sono necessari ulteriori studi che correlino la disbiosi microbica con i cambiamenti funzionali nell’intestino degli animali da compagnia.

 

 

Il microbioma della pelle

Il microbioma della pelle nello stato di salute

Come si vede in altri sistemi di organo, la pelle è un ecosistema complesso, colonizzato da un’ampia varietà di microrganismi, tra cui batteri, funghi e virus 41.

Un microbiota “normale” della pelle è necessario per una forma ottimale della pelle, modulandone la risposta immunitaria innata e prevenendo la colonizzazione di microrganismi potenzialmente patogeni 124.

Gli studi con sequenziamento del gene 16 S rRNA hanno rivelato che le superfici cutanee degli esseri umani e degli animali da compagnia sono abitate da un microbiota molto diversificato che, in passato, non è stato apprezzato dai metodi basati sulla coltura 40,41,67,69. Inoltre, esistono differenze topografiche nelle varie superfici cutanee, con i microbioti provenienti da situazioni simili di pelle di diverse persone che sono più strettamente correlati rispetto alle diverse posizioni della pelle dello stesso individuo 41.

La temperatura, il pH, l’umidità, il contatto con l’ambiente e il contatto con le mucose sono alcuni dei fattori che possono influenzare la variabilità dell’abbondanza batterica e della sua distribuzione sulla pelle 41,108.

Negli esseri umani, i Propionibacterium colonizzano principalmente le aree sebacee; gli Staphylococcus e i Corynebacterium sono comunemente presenti nelle aree umide; gli organismi gram-negativi hanno maggiori probabilità di colonizzare aree cutanee secche, come l’avambraccio o la gamba 41.

Il microbiota della pelle cambia anche con l’età, con i neonati che hanno popolazioni microbiche significativamente diverse rispetto agli adulti. Per esempio, le abbondanze relative di Staphylococchi e Streptococchi nella pelle della fronte sono diminuite, mentre il Propionibacterium che abita la fronte è aumentato con l’età 13.

La composizione del microbiota della pelle negli esseri umani può essere alterata anche dal contatto, ad esempio negli sport che coinvolgono il contatto tra pelle e pelle 87. Tali studi, valutando i cambiamenti relativi all’età ed all’ambiente, sono attualmente mancanti per gli animali da compagnia.

La diversità del microbiota cutaneo, negli esseri umani adulti, è influenzata anche dalla convivenza con animali domestici, in particolare i cani 108, e le persone che convivono con i cani condividono un microbiota più simile, rispetto a quelle che non possiedono cani.

Al contrario, l’essere proprietari di gatti domestici non sembra influenzare la diversità e la composizione del microbioma della pelle tra gli individui adulti conviventi.

Il microbioma della pelle si estende anche oltre la superficie epidermica. Utilizzando il sequenziamento 16 S rRNA, la colorazione Gram e l’analisi FISH, il DNA batterico e l’antigene sono stati rilevati all’interno del tessuto dermico e sottocutaneo nell’uomo 91. Tuttavia, a causa dei metodi utilizzati in questo studio, non è stato possibile concludere se i batteri vivi abitino queste regioni.

La pelle umana ospita anche un diverso microbioma fungino 29. Il genere Malassezia era il più abbondante in tutte le regioni cutanee, con 11 delle 14 specie note di Malassezia identificate tra i siti della pelle. Il tallone plantare era il sito più diverso con una rappresentazione più elevata di diversi generi fungini, tra cui la Malassezia, l’Aspergillus, il Cryptococcus, la Rhodotorula e l’Epicoccum.

Un recente studio ha valutato la diversità del microbiota cutaneo in diverse aree cutanee e mucocutanee nei cani sani 99. Come per gli esseri umani 41, i diversi siti della pelle di ciascun cane erano abitati da un microbioma variabile e unico, con una significativa variabilità individuale tra i campioni di diversi cani, e tra diversi siti della pelle 99.

Sono stati identificati un gran numero di microbi precedentemente incolti o raramente isolati, e si è dimostrato che la pelle dei cani è abitata da diverse comunità microbiche. La più alta diversità microbica è stata osservata nella pelle pelosa (ascella, inguine, perioculare, pinna, naso dorsale, interdigitale, lombare), rispetto alle superfici mucose o alle giunzioni mucocutanee (labbra, naso, orecchio e congiuntiva) 99. La narice e la congiuntiva mostravano la più bassa diversità microbica, mentre l’ascella e l’aspetto dorsale del naso ne mostravano quella più alta 99. In media, sul naso dorsale del cane sono stati identificati circa 300 diversi generi batterici. I phyla più abbondanti su tutte le superfici erano: Proteobacteria, Firmicutes, Actinobacteria e Bacteroidetes (Fig. 3). La famiglia delle Moraxellaceae era la più abbondante nella narice 99.

 

Il Microbioma della pelle nelle malattie cutanee

In molte malattie della pelle, non è chiaro se i cambiamenti nel microbioma svolgano un ruolo causale in dette malattie, o siano piuttosto il risultato della malattia 129. Negli esseri umani con dermatite atopica (AD) e psoriasi, i cambiamenti nel microbioma cutaneo sono stati proposti come il risultato di una funzione alterata della barriera epidermica, o come difetti dei Toll-like receptor 2, o come diminuzioni dei peptidi antimicrobici e/o come aumentata espressione di proteine della matrice extracellulare 18.

Questi meccanismi sono ritenuti responsabili di un aumento dell’abbondanza di Staphylococcus aureus, e della suscettibilità alle infezioni stafilococciche nei pazienti con AD 18.

L’infezione da S. aureus si correla con la gravità clinica nell’uomo con AD 45.

Le infezioni ricorrenti da Staphylococcus sp. sono molto comuni nei cani AD; in alcuni cani, i prodotti batterici possono anche innescare lesioni di AD, forse a causa di una funzione alterata della barriera epidermica 19,85.

Nei bambini, una marcata riduzione della diversità microbica, ed un aumento del S. aureus cutaneo, sono stati osservati durante le vampate di AD, e si è proposto che questi cambiamenti precedano un aumento della gravità dell’AD 68.

Oltre allo S. aureus, il commensale della pelle S. epidermidis è aumentato anche durante le vampate non trattate. Gli autori hanno suggerito che il rapporto commensale tra questi 2 batteri potrebbe migliorare la resistenza comune ai peptidi antimicrobici, o migliorarne il legame con le proteine della matrice extracellulare esposta nella pelle infiammata. In questi bambini atopici, i farmaci antimicrobici o antinfiammatori (bagni di ipoclorito) hanno ridotto l’abbondanza relativa, ma non hanno eliminato lo S. aureus. I cambiamenti nella diversità microbica durante le vampate sono stati invertiti anche prima che il miglioramento clinico fosse osservato 68.

Le differenze tra i ceppi, piuttosto che la presenza o l’assenza di alcune specie, possono spiegare l’insorgenza di alcune malattie. È noto che il Propionibacterium acnes sia associato all’acne 30. È notevole che questo batterio sia uno dei principali commensali identificati nelle aree sebacee 41, e le abbondanze relative del P. acnes sono molto simili tra gli individui sani e quelli con acne 30.

Gli individui con l’acne sono colonizzati da differenti ceppi di P. acnes, che trasportano geni di virulenza già identificati in altri organismi. Questi probabilmente contribuiscono alla virulenza e alla patogenicità del P. acnes nelle persone con acne 30. I pazienti umani con placca psoriatica hanno un diverso microbioma rispetto agli individui sani, con aumento di Corynebacterium, Propionibacterium, Staphylococcus e Streptococcus 4.

Gli studi che utilizzano la coltura batterica hanno dimostrato che le membrane delle mucose nasali, negli individui atopici umani 10 e canini 12, sono più spesso colonizzate, rispettivamente, da S. aureus e da S. pseudintermedius, rispetto agli individui sani. Al contrario, l’analisi genomica della diversità microbica nel naso, negli uomini con AD, non ha rivelato alcuna associazione tra l’abbondanza relativa di S. aureus e la gravità della malattia, in quanto la proporzione relativa di S. aureus non è cambiata né prima, né durante, né dopo le vampate 9.

D’altra parte, l’antecubito (davanti al gomito) e le pieghe poplitee, siti comuni per le lesioni cutanee dell’AD nei bambini, erano dominate in modo significativo dallo S. aureus durante le vampate 9. È stato proposto che la specificità del sito di alcune comunità batteriche della pelle sia importante per l’iniziazione e la perpetuazione di alcune malattie della pelle 9.

Nella maggior parte dei cani con AD, le lesioni cutanee primarie sono caratterizzate da macchie eritematose con intenso prurito e chiazze, che prevalgono principalmente sulle zampe anteriori e posteriori, sull’ascella e sulla regione inguinale 25. Queste lesioni, di solito, riflettono il corso cronico della malattia.

Le infezioni batteriche e/o fungine concomitanti, più comunemente da S. pseudintermedius e Malassezia sp. 26, provocano spesso esacerbazioni delle lesioni cutanee e sviluppo di papule, pustole e croste 93.

Èstato valutato Il microbioma cutaneo, che colonizza la pelle pelosa dei cani con malattia cutanea allergica, e questo ha mostrato una diminuzione della diversità batterica rispetto agli stessi siti di pelle (ascella, inguine e pelle interdigitale) dei cani sani 99.

Differenze significative nei taxa batterici sono state osservate anche tra cani allergici e sani, in particolare l’abbondanza più alta di Betaproteobacteria nella pelle dei cani sani. I generi batterici più frequentemente identificati nella pelle dei cani allergici comprendevano Alicyclobacillus, Bacillus, Corynebacterium, Staphylococcus e Sphingomonas (Fig. 3).

L’importanza del microbioma della pelle va oltre le sue capacità commensali o patogeniche. Il microbioma della pelle modula anche le risposte immunitarie innate e adattive.

In un recente studio, condotto sui topi, per valutare la relazione del microbioma con la segnalazione del complemento, è stato dimostrato che il bloccaggio / l’inibizione del recettore C5a ha determinato una diminuzione della ricchezza e della diversità microbica 92. Il microbioma della pelle può influenzare direttamente la funzione delle cellule T e la risposta infiammatoria locale, oltre a promuovere l’immunità protettiva contro altri agenti patogeni, come i protozoi 36.

 

Conclusioni e direttive future

Gli studi qui presentati dimostrano che le interazioni tra ospite e microbi svolgono un ruolo importante nella salute, nella suscettibilità all’infezione e nella risposta al trattamento di singoli pazienti predisposti a malattie respiratorie, gastrointestinali o cutanee. Stiamo appena cominciando ad apprezzare questi complessi rapporti con l’ospite, e come essi siano influenzati da vari fattori ambientali, dall’età e dalle malattie.

Gli studi, che utilizzano metodi coltura-indipendenti, hanno rivelato questa complessità, ma si sono concentrati in gran parte sulle popolazioni batteriche. Molto meno si sa circa i contributi virali e fungini alla salute ed alle malattie.

C’è una mancanza di studi completi, sia nella letteratura umana che in quella veterinaria, che valutino le conseguenze funzionali di queste alterazioni e come i cambiamenti nel microbiota siano correlati con i cambiamenti morfologici e metabolici nei tessuti. L’esame di queste interazioni tra ospiti e microbi, nei diversi organi umani e animali, ci permetterà di comprendere meglio la fisiopatologia delle malattie e il modo in cui il microbioma contribuisce all’iniziazione e/o all’aggravamento della malattia.

Comprendere i percorsi, attraverso cui i microbioti si formano e/o il modo in cui essi sono formati dal sistema immunitario, consentiranno lo sviluppo di terapie finalizzate alla modulazione delle comunità microbiche e dei loro metaboliti prodotti, riducendo così la suscettibilità alle infezioni.

 

Contributi dell’Autore

Tutti gli autori hanno contribuito in misura eguale a questo manoscritto.

 

Dichiarazione di interessi conflittuali

Gli autori non hanno dichiarato potenziali conflitti di interesse rispetto alla ricerca, alla paternità e/o alla pubblicazione di questo articolo.

 

Finanziamenti

Gli autori non hanno ricevuto alcun sostegno finanziario per la ricerca, la paternità e/o la pubblicazione di questo articolo.

 

 

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Review

 

The Microbiome: The Trillions of Microorganisms That Maintain Health and Cause Disease in Humans and Companion Animals        

 

A.Rodrigues Hoffmann 1, L. M. Proctor 2, M. G. Surette 3, and J. S. Suchodolski 4

 

1Department of Veterinary Pathobiology, College of Veterinary Medicine and Biomedical Sciences, Texas A&M University, College Station, TX, USA

2National Human Genome Research Institute, National Institute of Health, Bethesda, MD, USA

3Department of Medicine, Department of Biochemistry and Biomedical Sciences, Faculty of Health Sciences, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, Canada

4Department of Small Animal Clinical Sciences, College of Veterinary Medicine and Biomedical Sciences, Texas A&M University, College Station, TX, USA

Corresponding Author:

  1. Rodrigues Hoffmann, Department of Veterinary Pathobiology, College of Veterinary Medicine & Biomedical Sciences, Texas A&M University, College Station, TX 77843, USA.

Email: arodrigues@cvm.tamu.edu

[br]

Abstract

The microbiome is the complex collection of microorganisms, their genes, and their metabolites, colonizing the human and animal mucosal surfaces, digestive tract, and skin. It is now well known that the microbiome interacts with its host, assisting in digestion and detoxification, supporting immunity, protecting against pathogens, and maintaining health. Studies published to date have demonstrated that healthy individuals are often colonized with different microbiomes than those with disease involving various organ systems. This review covers a brief history of the development of the microbiome field, the main objectives of the Human Microbiome Project, and the most common microbiomes inhabiting the human respiratory tract, companion animal digestive tract, and skin in humans and companion animals. The main changes in the microbiomes in patients with pulmonary, gastrointestinal, and cutaneous lesions are described.

 

Keywords

microbiome, microbial ecology, human microbiome project, respiratory, gastrointestinal, skin

[br]

 

The various microorganisms (fungi, protozoa, bacteria, archaea, bacteriophages, and viruses of eukaryotes) that live in and on the bodies of humans and other animals are more than a simple collection of microbes. The microbiome encompasses the full complement of microorganisms, their genes, and their metabolites. The microbiome has co-evolved with humans and animals, thereby assisting in digestion and detoxification, supporting immunity, protecting against invading pathogens, and maintaining overall health.

At 1014 species, comprising at least 20 million unique microbial genes, the microbiome constitutes the largest genetic component of the human and animal superorganism. Microbial ecologists who studied microorganisms and microbial communities in the environment recognized early on that most microorganisms in nature were not readily culturable and so developed alternate approaches to the study of microbial communities. An early and broadly adopted approach for investigating microorganisms in the environment was the use of the 16 S ribosomal RNA (rRNA) gene as a taxonomic marker for interrogating bacterial diversity in nature 71. With the growth of non–culture-based molecular techniques to study environmental microorganisms and communities, some medical microbiologists started using these tools to study the human body and found far greater microbial

diversity than expected, even in well-studied sites such as the oral cavity 7,15,70.

In the infectious diseases field, recognition was growing that many diseases could not satisfy Koch’s postulates as their pathogenesis appeared to involve multiple microorganisms. The term polymicrobial diseases was coined to describe these diseases resulting from concurrent infection with multiple infectious agents 11, as seen with abscesses, AIDS-related opportunistic infections, conjunctivitis, gastroenteritis, hepatitis, otitis media, periodontal diseases, respiratory diseases, and genital infections. However, we now recognize added complexity in these diseases, as we see these as entire microbial communities and begin to understand how the bacteria that comprise them interact with each other and with the host. In an essay on the history of microbiology and infectious disease, Lederberg73 coined the term microbiome and called for ‘‘a more ecologically-informed metaphor’’ to understand the relationship between humans and microbes.

This review includes an introduction to the National Institutes of Health (NIH) Human Microbiome Project (HMP) and considers the microbiota inhabiting the human respiratory tract, the digestive tract in companion animals, and the skin in humans and dogs in health and disease.

 

The NIH Human Microbiome Project

In order to better evaluate the role of the microbiome in health and disease, the NIH launched the HMP, which focused on surveying microbiomes present in different organ systems (www.commonfund.nih.gov/hmp). The NIH-HMP was divided into 2 phases: Phase 1 surveyed the microbiomes of major body regions in healthy individuals and in those with disease, and Phase 2 focused on the biological properties of these microbiomes. The initial studies focused on the digestive tract 23,39 and demonstrated the tremendous complexity as well as the functional potential of the human microbiome.

 

Phase 1 Healthy Adult Cohort Study

During the first phase of HMP (2007–2012), the major objectives were to (1) survey the microbiomes of healthy adults to produce a reference data set, (2) develop a catalog of genome sequences of microbial reference strains, and (3) evaluate the properties of microbiomes a­­ssociated with specific diseases in a collection of HMP Demonstration Projects (Table 1) 96. The microbiomes were surveyed in 5 major body regions of healthy adults (airway, skin, oral cavity, digestive tract, and vagina). From these studies, the HMP Consortium published 2 landmark papers in 2012 describing the range of normal microbial variation among healthy adults in a Western population 49,50. One major finding was that even though microbial community structure varied greatly between body habitats, the potential metabolic capabilities encoded in these communities’ metagenomes were much more constant. That is, although microbial taxonomic composition varied among healthy individuals, their collective metabolic functions remained remarkably stable within each body site 1.

Another key resource from this phase was the HMP reference microbial genome sequence catalog, which includes the largest collection of human-associated microbial genomes sequences, including bacteria, bacteriophages, viruses of eukaryotes, and microbial eukaryotes (NCBI, http://www.ncbi. nlm.nih.gov/bioproject/43021; Bioproject PRJNA28331). Nonetheless, with tens of thousands of bacterial strains and unknown numbers of fungal, viral, and protists in the human microbiome, much work remains to create a complete catalog of reference genomes 31. Approximately 15% of the samples collected in the healthy cohort study were sequenced by whole genome shotgun (WGS) sequencing to produce metagenomic sequences for the 5 major body regions of the study.

To evaluate and compare the healthy cohort study with other individuals 15, Demonstration Project studies were launched focusing on gastrointestinal diseases (Crohn’s disease, ulcerative colitis, pediatric inflammatory bowel syndrome, neonatal necrotizing enterocolitis, esophageal adenocarcinoma, and idiopathic pediatric fever), urogenital conditions (bacterial vaginosis, men with circumcision), skin diseases (eczema, psoriasis, and acne), and patients with obesity.

The outcomes from Phase 1 accomplished many things for the field though it also raised new questions about the best approaches for identifying characteristic signature phenotypes. It was noted that in many cases, taxonomic composition of the microbiomes alone was not sufficient to define a core microbiome associated with specific diseases or states of health. Rather, predicted metabolic pathways of these microbiomes appeared to move us closer to this goal.

 

Phase 2 of the HMP (2013–2015)

Phase 2 of the HMP (2013–2015) focused on developing a data set of multiple biological properties of the microbiome and host from well-characterized cohort studies (www.hmp2.org). A cardinal property of microbes is their versatile metabolic capabilities, which are not taxon specific. In other words, more than 2 unrelated microbes may have the ability to break down a common component in our diet, and this can mean that microbial community makeup may not be the best biomarker property to characterize specific human conditions. Therefore, Phase 2 was designed to collect multi-omic biological proper-

ties of the microbiome, such as the gene expression profiles (ie, the metatranscriptome) 33,48,128, protein profiles (ie, the metaproteome) 127, profiles of metabolites from host and microbome (ie, the metabolome) 16, and related relevant host properties from well-characterized cohorts. These studies are focusing on the microbiome and host (mother and child) for pregnant women at risk for preterm birth, the gut microbiomes of cohorts at risk for inflammatory bowel disease (IBD), and the gut and nasal microbiomes from cohorts at risk for type 2 diabetes 54.

These data and the resultant integrated data set, which will be deposited in public databases, will allow the scientific community to evaluate microbiome properties or combinations of properties and provide new insights into the role of the microbiome in health and in disease.

 

The Respiratory Tract Microbiome

The Upper Respiratory Tract Microbiome

The human upper respiratory tract (URT), including the nose, throat, and oral cavities, is colonized by a complex and dynamic microbial community. Collectively, the upper airways, in particular the oral cavity, represents the most diverse microbiome site in the body, even harboring more bacterial species richness than the digestive tract 51,75,111. As the site of initial interactions with many environmental microbes through breathing and ingestion, an important role of the commensal microbiota is the first line of defense against pathogens by outcompeting potential colonizing pathogens (microbial antagonism) 65,82. Essentially, by occupying all binding sites in the URT, any invading pathogen must somehow contend with these organisms, in addition to the host defenses. Importantly, the microbiota of the airways, like those at other mucosal surfaces, are integral in priming and educating the immune system72 and regulating immunity in the lung in response to infection 52. To date, most of the research has used 16 S rRNA gene sequencing to characterize the bacterial communities of the respiratory tract. Fungal and viral communities have not been studied, with the exception of pathogen-focused studies.

The nasal passages and oropharynx harbor a distinct microbiota. In healthy adults, the nasal passages are typically dominated by Actinobacteria (Propionibacterium, Corynebacterium) and Firmicutes (Staphylococcus), whereas Firmicutes (Veillonella, Streptococcus, Staphylococcus) are more prevalent in the oropharynx (Fig. 1) 14,51,74. Importantly, the resident microbiota of the upper airways includes many pathogenic bacteria that colonize asymptomatically such as Streptococcus pneumoniae, Staphylococcus aureus, Moraxella catarrhalis, and Haemophilus influenzae 35. For these organisms, the distinction between commensal and opportunistic pathogen is blurred. When host defense at these sites and in the lower respiratory tract (LRT) are compromised, aspiration of bacteria from the URT into the lungs can result in severe respiratory infection.27,103 In addition to pathogens, the commensal microbiota can also be a reservoir of antibiotic resistance and virulence genes 35,76. As many commensals and pathogens of the respiratory tract are naturally competent, namely, have the ability to take up exogenous DNA (eg, Streptococcus, Haemophilus, Neisseria) 56,58, under selective pressure, antibiotic resistance can likely spread rapidly through this community.

Most studies on the URT microbiota have focused on healthy adults 14,24,74. However, it is important to consider that the groups most susceptible to respiratory infections are the very young and the elderly 3,60.

Bogaert et al 10 looked in depth at children under 2 years of age in the Netherlands and observed 4 clusters, 3 dominated by a single operational taxonomic unit (Moraxella, Haemophilus, or Streptococcus) and 1 that was mixed 10. Similar results were observed in a recent study of healthy children from a Canadian city, except that a Haemophilus-dominant group was not observed 110. The microbiota of young children (<2 years) was distinct from that of adults, while that of older children in this study (up to 4 years) was similar to adults, although too few individuals were sampled in this age group to make strong conclusions. The nasopharynx of adults was colonized with larger proportions of Firmicutes and Actinobacteria, whereas younger children had similar groups, but less diversity of their microbiome, and larger proportions of Proteobacteria, Firmicutes, and Enterococcus. These results suggest changes in composition of the URT microbiome that may parallel maturation of the immune system as is observed in the digestive tract 66,95. Quantitative culture also suggests that the total bacterial burden is much higher in young children and decreases after the first few years of life 110. Interestingly, the oropharyngeal microbiota in this study was more similar between children than adults. Seasonal variations in microbiota in young children may also contribute to susceptibility to pediatric tonsillitis and ear infections 10.

A complementary study of the microbiota of the URT of the elderly (age >65) showed marked differences between the microbiota of this age group compared to younger healthy adults (age 18–43) 125.

While there is a clear distinction between the nasal and oropharyngeal microbiota in younger adults 14,51,74 and even young children 111, this topographic difference is lost in the elderly 125. Overall, there was an increased relative abundance of streptococci (specifically species of the Streptococcus salivarius group but not Streptococcus pneumoniae) in the oropharynx of elderly.

These studies on the URT microbiota of the young and elderly, the group most vulnerable to respiratory infections, suggest that the changing microbiota, in combination with a maturing and senescing immune system in the very young and elderly, respectively, play a role in this susceptibility. This will not be unique to humans but likely occurs in all mammals.

Microbiome studies in companion animals focusing on the upper and lower respiratory tract in young, adult, and aged animals are currently lacking. Of the few studies published to date, Moraxella sp. was frequently identified in samples from the nostril and oral cavity of healthy dogs 99,112, accounting for approximately 33% of the bacteria colonizing the nostril. Bacteria in the genus Moraxella were also isolated from oral swabs from healthy dogs 61 and from bronchial samples from dogs with tracheal collapse 57.

 

Figure 1. Different microbial communities colonize the upper and lower respiratory tract in humans. Individuals with chronic infections are colonized by obligate anaerobes, pathogenic bacteria, and bacteria found in the upper respiratory tract. Modified from Marieb EN, Hoehn K. Human Anatomy and Physiology. 8th ed. 2010. Printed and electronically reproduced by permission of Pearson Education, Inc, Upper Saddle River, New Jersey.

 

The Lower Respiratory Tract Microbiome

The lower airways have been considered to be a sterile site in healthy individuals or more appropriately an effectively sterile site. During normal breathing, the lower airways in an adult human are exposed to 105 microorganisms per day through aerosols. These were thought to be effectively dealt with by the airway immune defense 9,21. However, this continued exposure to microbes has prompted investigations of the lower airways in healthy individuals and led to questions of whether there may be a viable microbial colonization of the lungs. The challenge for studies addressing these questions is contamination of the sample during bronchoscopy and the suggestion that the diverse community observed represents contamination rather than true colonization of the lower airways. To address this, oral microbiota profiles were compared to bronchoalveolar lavage (BAL) 6. If there were a true lower airway community, it is predicted that the composition would look different than the oral microbiota in the same individuals. Even if the lower airways were colonized from the upper airways, as a different ecological environment, some but not all species would be similar, and they would differ in their relative abundances. The data from recent human studies suggest a lower airway microbiome, but it was certainly not convincing in all samples 77,90. These 2 studies compared oral washes to BAL fluid and observed distinct differences in the microbiome composition, with Enterobacteriaceae, Haemophilus, Methyllobacterium, and Ralstonia being disproportionally more abundant in the lungs. Surprisingly, there were no statistical differences in the microbiota between healthy individuals and smokers. Another unexpected finding was the prevalence of Tropheryma whipplei in the samples from the lower airways 77,90. T. whipplei is the causative agent of Whipple’s disease, a rare systemic disease primarily associated with gastointestinal infections 28. The clinical significance of these findings is unknown. Another study examining the LRT microbiota using similar comparisons but carried out on BAL obtained through the nasal route to minimize oropharyngeal contamination observed URT microbiota in some but not all individuals 104. In other samples, bacterial DNA was detected but most likely represented low-level DNA contaminants in the BAL fluid. More importantly, low-level inflammation was detected in the BAL fluids when the URT microbiota signature was recovered, providing further support for the presence of bacteria in the lower airways. No T. whipplei was reported in this study.

These studies provide evidence for presence of bacteria in the LRT of healthy human individuals. They do not provide evidence of a stable unique lower airway microbiome, however. Indeed, the results of Segal et al 104 are consistent with these microbiota in the LRT being transient in healthy individuals. Furthermore, like all molecular studies, they provide evidence for bacterial DNA and not necessarily viable organisms. Bacterial products would be sufficient to induce an immune response independent of the presence of viable organisms. However, these studies do indicate that the LRT are constantly exposed and any compromise to host defense or immune suppression could result in rapid development of LRT infections. Stress-mediated suppression of the immune system in shipping fever of cattle is an example 46. LRT infections are often responsible for high morbidity and mortality in both the developed and developing world. For patients with severe pneumonia, even when carefully diagnosed, an etiological agent (bacterial or viral) is identified in less than 50% of cases 6,12,84.

Commensal microbiota are often recovered but dismissed clinically as contamination. It is possible that we may be underestimating the pathogenic potential of organisms we dismiss as commensals of the upper repiratory tract.

In the case of chronic lower airway disease (eg, in cystic fibrosis [CF] 80, chronic obstructive pulmonary disease, and asthma) and even in more acute infections in humans, it is now widely accepted that the lower airway colonization is polymicrobial (Fig. 1) 9,47,79,97,120. These communities include many members of the upper airway microbiome in addition to the expected LRT pathogens. In disease states, such as in CF, several studies have shown that the sputum or BAL microbiome is distinct in microbial composition and relative abundance compared to the oral microbiome 100, ruling out contamination as a major source of these organisms. Importantly, obligate anaerobes make up a significant portion of these lower airway microbiomes. Even in the studies of the LRT microbiome from healthy individuals, obligate anaerobes (eg, Prevotella and Veillonella) are among the most common bacteria detected 77,90,104. The role of these additional microbes in disease is not understood. Using animal models, it has been shown that bacteria isolated from the airways of CF patients, which have little or no pathogenic potential, can synergize with pathogens to enhance virulence, suggesting a role for polymicrobial interactions in disease progression 22,105. This synergy involves microbe-microbe interactions that result in the modulation of bacterial virulence factor gene expression 105. It is likely that most lower airway infections are polymicrobial 80,107. Whether this will influence the progression of disease is not known.

 

The Microbiome in the Digestive Tract

The Digestive Tract Microbiome in Health

An estimated 1010 to 1014 microbial cells are present in the intestine of mammals, which is approximately 10 times more than the number of host cells. Sequence analysis of 16 S rRNA genes has revealed a highly complex ecosystem within the human 123, canine 43,44,114 and feline 44 GI tract. This complex intestinal microbiota has a significant impact on health and disease. Several reviews have covered the human digestive tract microbiome in depth 64,109,123. This section will focus primarily on the digestive tract microbiome of companion animals. The exact number of bacterial species in the digestive tract remains unknown, mostly due to the technical difficulties in accurately describing this complex ecosystem. Generally, the composition of the gut microbiota is to some extent similar across humans, dogs, and cats. At least 200 bacterial phylotypes are estimated to be present in the canine small intestine, while the canine colon harbors a few hundred to thousand bacterial phylotypes 44,114. The Firmicutes and Bacteroidetes are the major bacterial phyla in the gut of dogs and cats (Fig. 2) 2,3. Less abundant phyla in dogs are Proteobacteria, Actinobacteria, Spirochaetes, Fusobacteria, Tenericutes, Verrucomicrobia, Cyanobacteria, and Chloroflexi. The phylum Firmicutes comprises many distinct bacterial groups. Of those, Clostridium clusters XIVa and IV are the most abundant and encompass many important short-chain fatty acid–producing bacterial groups (ie, Lachnospiraceae, Ruminococcus, Faecalibacterium, Dorea). There is a gradual increase in species richness and abundance of bacteria from the small to the large intestine. The canine stomach harbors a microbiome that is often dominated by Helicobacter spp., which comprised 99% of 16 S rRNA sequences in one study.34 Bacterial counts in the canine and feline duodenum typically range from 102 to 105 colony forming unit per gram (cfu/g) of content. However, up to 109 cfu/g have been reported in healthy dogs and cats 37,59.

The total bacterial count in the colon ranges between approximately 109 and 1011 cfu/g.

The digestive tract harbors not only bacteria but also various fungi, archaea, protozoa, and viruses. Recent studies have provided more in-depth analysis about the diversity of these microorganisms in healthy individuals, but their interactions, influences on the host, and role in disease remain unclear. Analysis by fluorescence in-situ hybridization (FISH) and DNA shotgun sequencing analysis of fecal DNA obtained from healthy humans and canines have estimated that bacteria make up approximately 98% of all sequences, and fungal organisms and archaea together make up <2%.102,121 Similarly, DNA shotgun sequencing of feline fecal samples revealed 97% of sequences as of bacterial origin, 1% from eukaryota, 0.1% from archaea, and 0.1% from DNA viruses 122.

Pyrosequencing of the fungal 18 S rRNA gene reported Aspergillus and Saccharomyces as the most abundant fungal genera in pooled fecal samples of cats 44. In another study, 76% of dogs were positive for fungal DNA on duodenal biopsies 118. In this study, 51 different fungal phylotypes were described, with Pichia, Cryptococcus, Candida, and Trichosporon being most frequently observed. A complex fungal microbiome has been also described in fecal samples of dogs 32. Five distinct fungal phyla were identified across healthy dogs and dogs with diarrhea. The phyla Ascomycota (97% of fungal sequences) and Basidiomycota (1%) predominated. Dogs harbored a median of 28 (range, 4–69) fungal genera, with Candida as the most commonly observed genus in this study.

Figure 2. The most common bacteria identified in the digestive tract and feces in healthy dogs and cats and those with acute and chronic gastrointestinal disease.
Figure 3. The most common phyla and families of bacteria identified in the skin of healthy and allergic dogs. Modified from Rodrigues Hoffmann et al.99

 

The intestinal microbiome exerts benefits on the host through many mechanisms. Commensal bacteria provide a defensive barrier against transient pathogens. They aid in nutrient digestion and provide important metabolites for the host. Furthermore, microbes have an important function in modulating the immune system of the host 113. Studies using shotgun DNA sequencing have described functional properties of the intestinal microbiota by providing information about the microbial genes present in the intestine. For example, the most abundant functional gene categories of the microbiome in cats pertained to microbial carbohydrate and protein metabolism (13%–15% and 6%–8% of the feline metagenome, respectively), DNA metabolism (7%–8%), virulence factors (6%–7%), amino acid metabolism (6%– 8%), cell wall and capsule (7%), and cofactors, vitamins, prosthetic groups, and pigments (6%) 8,122.

 

The Microbiome in Gastrointestinal Diseases

Several studies have reported altered microbial communities in acute and chronic GI diseases of dogs and

Cats 5,17,20,38,55,88,89,115,117,119,126. These microbial changes are accompanied by underlying susceptibilities in the innate immune system of dogs and cats with chronic enteropathies, such as idiopathic IBD, further demonstrating the relationship between gut microbiota and host health 55,62,63,78,86.

It is been shown that the canine microbiota changes with diarrhea, with the most profound changes in dogs with acute hemorrhagic diarrhea (AHD) 117, and characterized by significant decreases in Blautia, Ruminococcaceae including Faecalibacterium, and Turicibacter spp., and significant increases in genus Sutterella and Clostridium perfringens compared to healthy dogs (Fig. 2). Analysis of selected bacterial groups by quantitative PCR in fecal samples from healthy dogs, dogs with chronic enteropathies (CE), and dogs with AHD showed pronounced decreases in Faecalibacterium, Turicibacter, and Ruminococcaceae, with significant increases in E. coli and C. perfringens in CE and AHD 83. Particularly, Faecalibacterium spp. appears frequently depleted in canine GI disease 83,88,101.

This bacterial group also correlated with improvement in the clinical IBD activity index, suggesting that it might be a useful marker for monitoring improvement of fecal dysbiosis 101,117.

In canine and feline IBD, patients are often presented with persistent or intermittent GI signs. A diagnosis of IBD is reached by excluding other chronic enteropathies, such as those that respond to treatment with dietary change, antibiotics, or glucocorticoids. There is now strong evidence that besides environmental factors and genetic alterations, the gut microbiota plays an important part in the pathogenesis of IBD, mostly due to imbalances in the GI microbial populations, namely, microbial dysbiosis. A decrease in the phyla Firmicutes and Bacteroidetes and an increase in Proteobacteria and Actinobacteria have been associated with IBD 94. In dogs with IBD, the mucosa-adherent microbiota of the small intestine is primarily comprised of Proteobacteria, especially E. coli-like organisms 126 or Pseudomonas 119, with lower proportions of Firmicutes and Bacteroidetes compared to healthy dogs 115.

Boxer dogs and French Bulldogs with granulomatous colitis also have dysbiosis of their intestinal microbiome. Microbiota analysis based on sequencing of 16 S rRNA genes in combination with FISH has revealed invasive E. coli bacteria present in multifocal clusters within macrophages in the colonic mucosa 106. These dogs often respond well to antibiotic treatment, with remission of clinical signs, suggesting a causal relationship between these bacteria and the disease 106. Given the association of granulomatous colitis with invasive bacteria, FISH can be utilized as a diagnostic tool on intestinal biopsies to better guide treatment decisions 81.

To date, limited information is available about microbial dysbiosis in feline IBD 98. In 1 study based on FISH analysis, Enterobacteriaceae were increased in duodenal biopsies of cats with IBD, with a significant relationship between severity of histological inflammation and increased numbers of bacteria 55. In another study evaluating number of bacteria using FISH, fecal samples from cats with IBD had lower numbers of Bacteroides and Bifidobacterium and higher numbers of Desulfovibrio compared to healthy cats 53, although another similar study did not identify differences between healthy cats and those with GI disease 2. A recent study, using next-generation sequencing of 16 S rRNA genes, described the fecal microbiome of cats with acute or chronic diarrhea 116. As in other animal species, the major changes were in increases in Enterobacteriaceae, with concurrent decreases in Bacteroidetes and members of Clostridium Cluster XIVa. Furthermore, these microbial changes were accompanied by altered bacterial functional gene content: altered metabolism of glycosphingolipids, fatty acids, biotin, tryptophan, ascorbate, and aldarate.

The prevalence and identification of fungal organisms have also been evaluated in dogs with chronic enteropathies 118. Besides the fungal taxa observed in the digestive tract of healthy dogs, those with gastrointestinal disease also harbored opportunistic fungal pathogens 118. Another study that evaluated the fungal microbiome in healthy dogs and those with gastrointestinal disease did not identify significant differences in the relative proportions of fungal communities between healthy and diseased dogs 32.

Therefore, additional studies are needed to elucidate the importance of fungi on intestinal health and disease of animals.

It is likely that dysbiosis of the microbiome alters the metabolites produced by gut bacteria, which in turn may dysregulate innate and adaptive immune responses. This may ultimately lead to inflammation and/or loss of protection against infection. Certain gut bacteria can produce toxins, such as ammonia, Dlactate, endotoxin (lipopolysaccharide), and exotoxin (enterotoxin), which can further aggravate intestinal lesions. On the other hand, gut bacteria also have an important protective role in gastrointestinal homeostasis. For example, Lachnospiraceae, Ruminococcaceae, and Faecalibacterium, important producers of short-chain fatty acids (SCFA), have been found to be depleted in GI disease. The reduced production of SCFA may impair the capability of the host to down-regulate intestinal immune responses. Initial studies performed in dogs with intestinal disease have demonstrated an association between intestinal dysbiosis and altered metabolism. In 1 study, analysis of serum metabolites in dogs with IBD suggested an association between fecal dysbiosis and altered energy metabolism and an increase in oxidative stress of affected dogs 89. Another study evaluated serum and fecal metabolites in dogs with acute diarrhea and reported changes in tryptophan metabolism in diseased dogs 42. Further studies are warranted that correlate microbial dysbiosis with functional changes within the intestine of companion animals.

 

The Skin Microbiome

The Skin Microbiome in Health

As seen in other organ systems, the skin is a complex ecosystem and is colonized by a wide variety of microorganisms, including bacteria, fungi, and viruses 41. The normal skin microbiota is necessary for optimal skin fitness, modulating the innate immune response and preventing colonization of potentially pathogenic microorganisms 124.

Studies using sequencing of 16 S rRNA genes have revealed that the skin surfaces of humans and companion animals are inhabited by a highly diverse microbiota that was previously not appreciated by culture-based methods 40,41,67,69. Furthermore, there are topographic differences in the various skin surfaces, with the microbiota from similar skin locations of different people being more closely related than different skin locations from the same individual 41. Temperature, pH, moisture, environmental contact, and contact with mucous membranes are some of the factors that may influence the variability of bacterial abundance and distribution on the skin 41,108. In humans, Propionibacterium predominantly colonize the sebaceous areas, Staphylococcus and Corynebacterium are commonly found in moist areas, and gram-negative organisms are more likely to colonize dry skin areas such as the forearm or leg 41.

The skin microbiota also changes with age, with infants having significantly different microbial populations than adults. For instance, the relative abundances of Staphylococcus and Streptococcus in the forehead skin decreased, while Propionibacterium inhabiting the forehead increased with age 13. The composition of the skin microbiota in humans can also be altered by contact, for example in sports involving skin-to-skin contact 87. Such studies, evaluating changes related to age and environment, are currently lacking in companion animals. The diversity of the skin microbiota in adult humans is also influenced by cohabitation with pets, in particular dogs 108, with people who cohabit with dogs sharing a more similar microbiota than those who do not own dogs.

In contrast, ownership of indoor cats did not appear to influence the diversity and composition of the skin microbiome among cohabiting adult individuals.

The skin microbiome also extends beyond the epidermal surface. By utilizing 16 S rRNA sequencing, Gram staining, and FISH analysis, bacterial DNA and antigen were detected within the dermis and subcutaneous tissues in humans 91. However, due to the methods used in this study, it was not possible to conclude whether live bacteria inhabit these regions.

The human skin also harbors a diverse fungal microbiome 29. The genus Malassezia was most abundant in all skin regions, with 11 of the 14 known Malassezia species being identified among skin sites. The plantar heel was the most diverse site with higher representation of different fungal genera, including Malassezia, Aspergillus, Cryptococcus, Rhodotorula, and Epicoccum.

A recent study evaluated the diversity of the skin microbiota in different cutaneous and mucocutaneous regions in healthy dogs 99. Similar to humans 41, the different skin sites from each dog were inhabited by a variable and unique microbiome, with significant individual variability between samples from different dogs and between different skin sites 99. A large number of previously uncultured or rarely isolated microbes were identified, demonstrating that the skin of dogs is inhabited by diverse microbial communities.

Higher microbial diversity was observed in the haired skin (axilla, groin, periocular, pinna, dorsal nose, interdigital, lumbar) compared to mucosal surfaces or mucocutaneous junctions (lips, nose, ear, and conjunctiva) 99. The nostril and conjunctiva showed the lowest, while the axilla and dorsal aspect of the nose showed highest microbial diversity 99. On average, around 300 different bacterial genera were identified on the canine dorsal nose. The most abundant phyla across all surfaces were Proteobacteria, Firmicutes, Actinobacteria, and Bacteroidetes (Fig. 3). The family Moraxellaceae was most abundant in the nostril 99.

 

The Skin Microbiome in Cutaneous Diseases

In many skin conditions, it remains unclear if changes in the microbiome play a causal role in skin diseases or are rather the result of the disease 129. In humans with atopic dermatitis (AD) and psoriasis, the changes in the cutaneous microbiome have been proposed to be the result of an altered epidermal barrier function, Toll-like receptor 2 defects, decreases in antimicrobial peptides, and/or increased expression of extracellular matrix proteins 18. These mechanisms are thought to be responsible for an increased abundance of Staphylococcus aureus and susceptibility to staphylococcal infections in AD patients 18. Infection with S. aureus correlates with clinical severity in humans with AD 45. Recurrent infections with Staphylococcus sp. are very common in AD dogs, and in some dogs bacterial products can also trigger lesions of AD, possibly due to an altered epidermal barrier function 19,85. A marked reduction in microbial diversity and an increase in cutaneous S. aureus were observed in children during AD flares, and it was proposed that these changes precede an increase in the severity of AD 68.

Besides S. aureus, the skin commensal S. epidermidis was also increased during non-treated flares. The authors suggested that the commensal relationship between these 2 bacteria could enhance common resistance to antimicrobial peptides or enhance binding to exposed extracellular matrix proteins in inflamed skin. In these atopic children, antimicrobial or antiinflammatory medications (hypochlorite baths) decreased the relative abundance but did not eliminate S. aureus. The changes in the microbial diversity during flares were reversed even before clinical improvement was seen 68.

Strain differences rather than presence or absence of certain species may explain the onset of certain diseases. It is well known that Propionibacterium acnes is associated with acne 30. Remarkably, this bacterium is 1 of the main commensals identified in sebaceous areas 41, and the relative abundances of P. acnes are very similar among healthy individuals and those with acne 30. Individuals with acne are colonized with different strains of P. acnes carrying virulence genes previously identified in other organisms. These likely contribute to the virulence and pathogenicity of P. acnes in individuals with acne 30. Human patients with psoriatic plaque have a different microbiome compared to healthy individuals, with increased Corynebacterium, Propionibacterium, Staphylococcus, and Streptococcus 4.

Studies utilizing bacterial culture have shown that the nasal mucous membranes of atopic humans 10 and dogs 12 are more often colonized with S. aureus and S. pseudintermedius, respectively, compared to healthy individuals. In contrast, genomic analysis of the microbial diversity in the nose of humans with AD did not reveal any association between the relative abundance of S. aureus and disease severity, as the relative proportion of S. aureus did not change prior to, during, or after flares 9. On the other hand, the antecubital (in front of the elbow) and popliteal creases, common sites for skin lesions of AD in children, were markedly dominated by S. aureus during flares 9. It was proposed that the site specificity of certain skin bacterial communities are important in the initiation and perpetuation of certain skin diseases 9.

In most dogs with AD, primary skin lesions are characterized by intensely pruritic erythematous macules and patches, mainly affecting the front and hind paws, axilla, and inguinal region 25. These lesions usually reflect the chronic course of the disease. Concomitant bacterial and/or fungal infections, most commonly by S. pseudintermedius and Malassezia sp. 26, often result in exacerbation of skin lesions and development of papules, pustules, and crusts 93. The skin microbiome colonizing the haired skin of dogs with allergic skin disease was evaluated and showed decreased bacterial diversity compared to the same skin sites (axilla, groin, and interdigital skin) of healthy dogs 99. Significant differences in bacterial taxa were also observed between allergic and healthy dogs, especially higher abundance of Betaproteobacteria in the skin of healthy dogs. The most frequently identified bacterial genera in the skin of allergic dogs included Alicyclobacillus, Bacillus, Corynebacterium, Staphylococcus, and Sphingomonas (Fig. 3).

The importance of the skin microbiome goes beyond its commensal or pathogenic capabilities. The skin microbiome also modulates the innate and adaptive immune responses. In a recent study conducted in mice to evaluate the relationship of the microbiome with complement signaling, it was demonstrated that blocking/inhibiting C5a receptor resulted in decreased microbial richness and diversity 92. The skin microbiome can directly influence T-cell function and the local inflammatory response, besides promoting protective immunity against other pathogens, such as protozoa 36.

 

Conclusion and Future Directions

The studies presented here demonstrate that the interactions between host and microbes play an important role in health, susceptibility to infection, and the response to treatment of individual patients who are predisposed to respiratory, gastrointestinal, or skin diseases. We are only beginning to appreciate these complex relationships with the host and how they are influenced by various environmental factors, age, and disease.

Studies using culture-independent methods have revealed this complexity but have largely focused on the bacterial populations. Much less is known about viral and fungal contributions to health and disease states. There is a lack of comprehensive studies both in the human and veterinary literature evaluating the functional consequences of these alterations and how changes in the microbiota correlate with morphologic and metabolic changes in tissues. Examining these host and microbial interactions in the different organ systems in humans and animals will allow us to better understand the pathophysiology of diseases and how the microbiome contributes to initiation and/or aggravation of disease. Understanding the pathways by which the microbiota shape and/or are shaped by the immune system will allow the development of therapies, aimed in modulating microbial communities and their produced metabolites, and thereby reducing susceptibility to infections.

 

Author Contributions

All authors contributed equally for this manuscript.

 

Declaration of Conflicting Interests

The author(s) declared no potential conflicts of interest with respect to the research, authorship, and/or publication of this article.

 

Funding

The author(s) received no financial support for the research, authorship, and/or publication of this article.

 

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