A bél mikrobiómája egy időszakos, alacsony fehérjetartalmú étrenden a metabolikus állapot javulásával függ össze

Zhencheng Li

1 Molekuláris élettani szekció, Táplálkozás, Testmozgás és Sport Tanszék, Koppenhágai Egyetem, Koppenhága, Dánia

Torben Sølbeck Rasmussen

2 Mikrobiológia és erjesztés, Élelmiszertudományi Tanszék, Koppenhágai Egyetem, Frederiksberg, Dánia

Mette Line Rasmussen

1 Molekuláris élettani szekció, Táplálkozás, Testmozgás és Sport Tanszék, Koppenhágai Egyetem, Koppenhága, Dánia

Jingwen Li

1 Molekuláris élettani szekció, Táplálkozás, Testmozgás és Sport Tanszék, Koppenhágai Egyetem, Koppenhága, Dánia

Carlos Henríquez Olguín

1 Molekuláris élettani szekció, Táplálkozás, Testmozgás és Sport Tanszék, Koppenhágai Egyetem, Koppenhága, Dánia

Witold Kot

3 Környezettudományi Tanszék, Aarhusi Egyetem, Roskilde, Dánia

Dennis Sandris Nielsen

2 Mikrobiológia és erjesztés, Élelmiszertudományi Tanszék, Koppenhágai Egyetem, Frederiksberg, Dánia

Thomas Elbenhardt Jensen

1 Molekuláris élettani szekció, Táplálkozás, Testmozgás és Sport Tanszék, Koppenhágai Egyetem, Koppenhága, Dánia

Társított adatok

Az Illumina Nextseq kimeneti adatai a PRJEB31608 csatlakozási számmal állnak rendelkezésre az EMBL-EBI oldalon.

Absztrakt

Bevezetés

A 25 kg/m 2 feletti testtömeg-indexként (BMI) definiált túlsúlyt a 2-es típusú cukorbetegség új eseteinek körülbelül 65–80% -ának teszik ki (Kahn et al., 2006). Megállapították, hogy a gyomor-bél traktus mikrobiomja egészséges emberekben 1100–2000 baktérium taxont tartalmaz (Rajilic-Stojanovic és de Vos, 2014). A bélmikrobiomák (GM) diszbiózisa okozati összefüggésben van az elhízás kialakulásával, és hatással lehet az emlős gazdaszervezet anyagcseréjére, hogy befolyásolja számos metabolikus betegség, köztük az inzulinrezisztencia és a 2-es típusú cukorbetegség megnyilvánulását és súlyosságát (Khan et al., 2014).

Az étrend olyan fő környezeti tényező, amely befolyásolja mind a géntechnológiát, mind annak gazdáját (Khan et al., 2014). Az elhízottak a sovány emberekhez képest általában csökkent alfa változatosságot mutatnak, vagyis csökkent baktériumok gazdagságát csökkent génszám mellett (Turnbaugh et al., 2009; Cotillard et al., 2013). Rágcsáló modellekben a krónikus, magas zsírtartalmú étrend (HFD) obezigenikus, és rontja az egész test inzulinérzékenységét több szervben, beleértve a májat, a fehér zsírszövetet és a vázizmokat (Kleinert et al., 2018). Érdekes módon ez az étrend csökkenti a GM sokféleségét és elősegíti számos opportunista kórokozó túlszaporodását (Khan et al., 2014). Ezt javasolják a HFD-vel összefüggő patológiák ösztönzésére a bélpermeabilitás növelésével, valamint az alacsony fokú gyulladás és anyagcserezavarok elősegítésével, amit egereken történő együttes elhelyezés, antibiotikumok és széklettranszplantációs vizsgálatok bizonyítanak (Khan és mtsai, 2014; Murphy és mtsai, 2015 ).

Az étkezési zsíron kívül a többi táplálék-összetételű makrotápanyag, a szénhidrát és a fehérje is jelentősen befolyásolja az egerek egész testének inzulinérzékenységét, a magas szénhidráttartalmú/alacsony fehérjetartalmú étrend jelentősen növekszik, az alacsony szénhidráttartalmú/magas fehérjetartalmú étrend pedig csökken, az inzulinérzékenység ( Newgard és mtsai, 2009; Solon-Biet és mtsai, 2014, 2015). Érdekes módon a szénhidrát és a fehérje a nem emésztett ételek fő makroelem-összetevője, amelyek fermentációs szubsztrátként szolgálnak a bélben, és számos fermentációs termék felszabadítására tettek javaslatot a gazda inzulinérzékenységének befolyásolására (Khan et al., 2014). Egy nemrégiben végzett tanulmány, amely összehasonlította az egerek makrotápanyag-összetételében különbözõ 25 étrend hatását, azt találta, hogy az elhízáshoz társuló mikrobiómában bekövetkezett változásokat a táplálék zsírtartalma helyett a szénhidrát és a nitrogén hozzáférhetõsége szabta meg (Holmes et al., 2017). Az egész életet átfogó Bacteroidetes/Firmicutes (B/F) -arány fordítottan társult a teljes fehérjebevitelhez (Holmes és mtsai., 2017), bár ezeknek a phyláknak az altatéka eltérő válaszokat mutatott az étrendre. Összességében ez azt sugallja, hogy az alacsony étkezési fehérjebevitel jótékony változásokat okoz a GM-ben, ami megmagyarázhatja az ilyen étrendek egészségi és élettartamát kiterjesztő előnyeit (Laeger et al., 2014; Solon-Biet et al., 2014, 2015; Fontana és mtsai, 2016; Maida és mtsai, 2016).

A testedzés egy másik környezeti tényező, amelyről ismert, hogy befolyásolja az egész test inzulinérzékenységét például az inzulinfüggő és független vázizom glükózfelvételének növelésével (Sylow et al., 2016). Érdekes, hogy az egereken végzett különböző edzésprogramok szintén kifejezetten befolyásolják a GM-t, védve a HFD által kiváltott mikrobiómák sokféleségének csökkenésétől (Denou et al., 2016), és növelve bizonyos taxonokat, beleértve a Butyricimonas, Prevotella és Akkermansia muciniphila (Everard et al., 2013; Lamoureux és mtsai, 2017; Liu és mtsai, 2017).

Egy nemrégiben készült tanulmányban megvizsgáltuk egy periodizált, 14 napos alacsony fehérjetartalmú/magas szénhidráttartalmú (pLPHC) étrend/14 napos HFD-ciklusok 3 hónapon át tartó hatását az önkéntes futókerék-edzéssel (innen tovább nevezett edzőedzés) együtt fejlődés, az egész test anyagcseréje, az inzulinérzékenység és a sejtek szignalizációja a májban és a vázizmokban (Li et al., 2018a). Kontroll kontroll étrendünkben chow, 60% HFD, LPHC étrend és HPLC étrend volt tartósan 3 hónapon át (Li et al., 2018b). A gazdaszervezet anyagcseréjére gyakorolt hatások vizsgálatán kívül gyűjtöttünk cecumot, hogy elvégezzük a 16S riboszomális RNS gén amplikon szekvenálását, hogy feltárjuk az étrend és a testmozgás közötti kölcsönhatásokat a GM-n, és ezeket az eredményeket korreláljuk az ezen egerek metabolikus szabályozására vonatkozó adatainkkal. Átfogó hipotézisünk az volt, hogy az elhízással összefüggő változásokat a GM-ben szinergikus módon ellensúlyoznák a testedzés és a pLPHC diéta.

Anyagok és metódusok

Dizájnt tanulni

A tanulmány átfogó felépítését, módszereit, étrendleírásait és átfogó anyagcsere-jellemzését korábban már publikálták (Li et al., 2018a, b). Valamennyi kísérletet a Dán Állatkísérleti Felügyelőség előzetesen jóváhagyta, és megfelelt az „Európai kísérleti és egyéb tudományos célokra használt gerinces állatok védelméről szóló egyezménynek”. Röviden, a 8–9 hónapos nyugdíjas C57BL/6J (Janvier, Franciaország) nőstény egereket randomizáltuk krónikus chow-diéta, alacsony fehérjetartalmú/magas szénhidráttartalmú étrend, magas fehérjetartalmú/alacsony szénhidráttartalmú étrend, HFD vagy periodizált alacsony fehérjetartalmú/magas szénhidráttartalmú étrend, 14 naponta váltás a pLPHC étrend és a HFD között. A chow [SF14-162, 63/19/18 E% szénhidrát (c)/fehérje (p)/zsír (f)], LPHC (SF09-048, 74/5/21 E% c/p/f), és HPLC-diétákat (SF09-069, 29/40/31 E% c/p/f), mindegyiket a Specialty Feeds-től (Ausztrália), az S1 Kiegészítő táblázat írja le Li és mtsai. (2018b). A magas zsírtartalmú étrend 20/20/60 E% c/p/f (kat .: D12492) a Research Diet Inc-től származott.

A vizsgálat végén az egereket 2-3 órás éhezést követően 9 órától leöltük, hogy összegyűjtsük a szöveteket és a plazmát. Körülbelül 200 mg vakbéltartalmat gyűjtöttek össze egy csúcs ceci vágásán, majd folyékony nitrogénben lefagyasztották a későbbi elemzésig.

Érdemes megjegyezni, hogy tanulmányunk nem tartalmazta a cecalis mikrobióm beavatkozás előtti kontrollmérését a randomizálás validálása céljából. Korábbi tanulmányok azt mutatják, hogy ez nem okoz gondot, ha megfelelően randomizálták (Anhe et al., 2015; Le et al., 2018; Montonye et al., 2018). Mivel azonban elvileg nem tudhatjuk, hogy a GM megváltozott-e a beavatkozás miatt, a leírásokat és következtetéseket végig megfogalmaztuk, hogy az időbeli változásokat inkább jelezzük, mint megmutassuk.

Baktérium DNS kivonása és szekvenálása

Olink feltáró egér panel

A mortem után 5 percen belül összegyűjtött plazmamintákat Olinkba (Uppsala, Svédország) szállítottuk elemzés céljából az egér feltáró paneljén, egyetlen méréssel 1 μl plazmán. A panelen található 92 fehérje teljes listája a https://www.olink.com címen érhető el.

Adatfeldolgozás és elemzés

A pLPHC-diéta a baktériumok összetételét az egészséggel összefüggő fenotípus felé tolja

A plazmafehérjék célzott multiplex elemzése feltárta a pLPHC étrendet és a testmozgás okozta különbségeket a több fehérjében

A pLPHC diéta által kiváltott GM-változások összefüggenek az elhízásvédelemmel, az inzulinérzékenység javulásával és a gyulladáscsökkenéssel

A kiválasztott baktériumok és a fiziológiai gazdaparaméterek közötti pozitív (kék) vagy negatív (piros) összefüggéseket bemutató hőtérkép.

Vita

Jelenleg különféle étrendi beavatkozások hatását vizsgáltuk, különös tekintettel a pLPHC étrendre és az ezzel párhuzamosan végzett aktivitás-kerék képzésre a GM-re. Megállapítottuk, hogy a pLPHC étrenden lévő egerek GM-profilja volt, amely összességében összhangban állt a fenotípus egészségesebb állapot felé történő tolásával. Az, hogy a GM profil oksági összefüggésben van-e a gazda pLPHC étrend fenotípusával, amely az elhízás elleni védelmet tartalmazta annak ellenére, hogy a megnövekedett adaptív termogenezis és a megnövekedett glükóz tolerancia és az egész test inzulinérzékenysége miatt megnövekedett teljes energiafogyasztás volt (Li et al., 2018a) homályos. Ezzel szemben az egyidejű önkéntes testedzésnek kicsi és statisztikailag jelentéktelen hatása volt a GM-re a jelenlegi tanulmányban.

A megnövekedett testtömeg, az adipozitás és a csökkent glükóz tolerancia szignifikánsan negatívan korrelált az olyan baktériumokkal, mint az Akkermansia. Ez hozzájárulhat az anyagcsere-egészség javulásához és a gyulladás csökkenéséhez a pLPHC diéta során, mivel az Akkermansia prebiotikus táplálása kimutatta, hogy megfordítja a HFD-hez kapcsolódó fenotípusokat, beleértve az elhízást, az endotoxémiát, a gyulladást és az inzulinrezisztenciát (Everard et al., 2013). Másrészről az Oscillibacter és az Oscillospira nemzetségekről, valamint a Desulfovibrionaceae családról mind azt javasolták, hogy aktív szerepet töltsenek be az anyagcserebetegségekben és a bél dysbiosisában (Tilg és Kaser, 2011; Lam et al., 2012; Walters et al., 2014; Hamilton és mtsai, 2015; Hu és mtsai, 2015; Zhang-Sun és mtsai, 2015). Összességében úgy tűnt, hogy a pLPHC diétás beavatkozása számos fiziológiai paramétert pozitívan befolyásol, valamint elősegíti a kiegyensúlyozott vakbél mikrobiotát. A HPLC csoportban kimutatott magas fehérjetartalmú baktériumok viszont a bél mikrobiota dysbiosisának jelzését jelentik (Shin és mtsai., 2015), amely megfelel annak a korábbi megfigyelésnek, miszerint a HPLC-ről beszámoltak az anyagcsere eredmények romlásáról (Solon-Biet et al., 2014, 2015).

Összefoglalva, jelenleg összehasonlítottuk a periodizált LPHC diétával rendelkező egerek cecalis GM-ét ± önkéntes testedzést egy sor krónikus referencia-étrenddel, beleértve a rendszeres chow, magas zsírtartalmú, LPHC és HPLC étrendet, és megállapítottuk, hogy a pLPHC diéta mikrobiom profilja összefügg a krónikus LPHC-étrendhez hasonló egerek egészségügyi előnyeivel, a testedzés kevés további hatásával.

Adatok elérhetősége

Az Illumina Nextseq kimeneti adatai a PRJEB31608 csatlakozási számmal állnak rendelkezésre az EMBL-EBI oldalon.

Etikai nyilatkozat

Ezt a tanulmányt a Declaraton of Hensinki II (1996) ajánlásainak megfelelően végezték el. A protokollt a Dán Állatkísérleti Felügyelőség hagyta jóvá.

Szerző közreműködései

TJ megtervezte és felügyelte a tanulmányt, elkészítette a kéziratot és finanszírozást szerzett. ZL és TJ kidolgozták a módszertant. ZL, MR, JL, CHO és TJ végezték a kísérleteket. ZL, TR, WK és DN elvégezte a formális elemzést. A ZL és a TR vizualizálta az adatokat, és az összes szerző közreműködésével áttekintette és szerkesztette a kéziratot.

Összeférhetetlenségi nyilatkozat

A szerzők kijelentik, hogy a kutatást bármilyen kereskedelmi vagy pénzügyi kapcsolat hiányában végezték, amely potenciális összeférhetetlenségként értelmezhető.