Határok a fiziológiában

Emésztőrendszeri tudományok

Ez a cikk a kutatási téma része

Gasztronómiai tudomány Az összes 6 cikk megtekintése

Szerkesztette

Suzanne Devkota

Cedars Sinai Medical Center, Egyesült Államok

Felülvizsgálta

Tzu-Wen kereszt

Purdue Egyetem, Egyesült Államok

Vanessa Leone

Wisconsin-Madison Egyetem, Egyesült Államok

A szerkesztő és a lektorok kapcsolatai a legfrissebbek a Loop kutatási profiljukban, és nem feltétlenül tükrözik a felülvizsgálat idején fennálló helyzetüket.

Cikk letöltése
- PDF letöltése
- ReadCube
- EPUB
- XML (NLM)
- Kiegészítő
  Anyag
Exportálás
- EndNote
- Referencia menedzser
- Egyszerű TEXT fájl
- BibTex

OSZD MEG

Rövid kutatási jelentés CIKK

Dr. Martinez-Guryn laboratóriuma, Midwestern Egyetem, Egyetemi Doktori Iskola, Orvostudományi Tanszék, Downers Grove, IL, Egyesült Államok

Bevezetés

Különböző tényezők befolyásolják a mikrobiális összetételt és megváltoztatják a kolonizációt, beleértve az étrendet, a genetikát, az életkort és az antibiotikumokat (Fujisaka et al., 2016). A bél mikrobiota összetételére gyakorolt étrendi hatások a bél mikrobiota kutatásának középpontjában álltak, de a legtöbb tanulmány elsősorban a bél vastagbélrészére koncentrált. Újabb kutatások azonban kimutatták, hogy az étrend megváltoztatja a vékonybél mikrobiotáját (Martinez-Guryn et al., 2018). Például korábban kimutattuk, hogy a telített tejzsírban gazdag étrend szelektíven megváltoztatta a jejunális és az ileális mikrobiota összetételét. A HF-vel táplált egerekből származó jejunal mikrobiota transzplantáció növelte a lipid felszívódást a csíra mentes (GF) egerekben az LF-vel táplált egerekből származó mikrobiotához képest. Így a vékonybél baktériumösszetételének modulálása befolyásolja a tápanyagok felszívódását és az anyagcsere profilját (Mu és mtsai., 2017; Martinez-Guryn és mtsai, 2018).

A vékonybél baktériumok elősegítik a tápanyagokból származó szénhidrátok, vitaminok, lipidek és aminosavak felszívódását, valamint egyes mikroelemek szintézisét (Sundin et al., 2017; Adike és DiBaise, 2018), míg a vastagbél mikrobái elősegítik az erjedést emésztetlen szénhidrátok rövid láncú zsírsavakká (Adike és DiBaise, 2018), amelyek fontosak a hámsejtek egészségében (Kelly et al., 2015). A megváltozott pH, az oxigénszint, az élelmiszerek, a megnövekedett mozgékonyság és az epesavak néhány példa, amely megkülönbözteti a vékonybél környezetét a disztális béltől. Ez a vékonybélen, a vakbélen és a székleten keresztül régiónként nagyon eltérő mikrobiális összetételt eredményez (áttekintve: Tropini et al., 2017; Martinez-Guryn et al., 2019). Tekintettel arra, hogy a mikrobiális közösség struktúrái és funkciói a bél hosszában különböznek, ésszerű megfontolni, hogy a különféle környezeti tényezők, köztük az étrendi bevitel és a bélrendellenességek kezelésére általánosan alkalmazott antibiotikus kezelések alapján differenciális hatások figyelhetők meg.

Azt, hogy az antibiotikumok hogyan befolyásolják a gazda-mikrobiális egyensúlyt a gyomor-bél traktusban alacsony és magas zsírtartalmú étrendi bevitel esetén, nem egyértelműen megállapították. Sem a magas zsírtartalmú étrend interaktív hatásainak értékeléséről az antibiotikum-kezeléssel együtt a vékonybél mikrobiotáján, sem az antibiotikumok és a diéta hatékonyságának összehasonlító elemzéséről a bél hosszában nem számoltak be korábban. Ezek a szempontok azonban fontosak lehetnek azok számára, akik olyan bélbetegségekben szenvednek, amelyek megváltoztatják a tápanyagok felszívódását és az anyagcserét, valamint a gazda-mikrobiális egyensúlyt.

Ennek az igénynek a kielégítésére tanulmányt végeztünk, amelyben megvizsgáltuk, hogy az étrend két különböző antibiotikum-protokollal kombinálva hogyan hatott a regionális bél mikrobiotára. Jellemeztük a duodenum, a jejunum, az ileum és a cecum nyálkahártyájában jelenlévő mikrobiális összetételt, valamint a székletet.

Ehhez a vizsgálathoz az egereket 4 hétig magas zsírtartalmú (HF; 18%) vagy alacsony zsírtartalmú (LF; 4%) táplálékkal táplálták (n = 15/csoport). Minden csoport vagy vízellenőrzést kapott (n = 5/diéta), rifaximin (n = 5/diéta), vagy egy antibiotikus koktél, amely metronidazolt, cefoperazont, vankomicint és neomicint tartalmaz (n = 5/diéta). Célunk az volt, hogy megvizsgáljuk, hogyan lehet megváltoztatni a bél mikrobiális összetételét nemcsak ezekből a szelektált antibiotikumokból, hanem az antibiotikumok és az étrend kölcsönhatásából is a bél különböző régióiban. Feltételeztük, hogy az étrend kifejezetten befolyásolja a vékonybél mikrobiotáját, az antibiotikumok pedig megváltoztatják a bél mikrobiális összetételét a bél különböző régióiban. Kimutattuk, hogy az étrendnek jelentős és specifikus hatása volt a jejunális és a vakbél mikrobiota összetételeire, míg az antibiotikumok a bél minden régiójára hatással voltak. A diéta és az antibiotikumok közötti kölcsönhatás csak a jejunumban és az ileumban kapott jelentőséget a mikrobiális összetétel megváltoztatásában. A HF-diéták regionális szelektivitása és az antibiotikumokkal való potenciális kölcsönhatások egyedülálló betekintést nyújthatnak a gazda-mikrobiális egyensúlyt befolyásoló mechanizmusokba, és ezáltal hatékonyabb kezelési lehetőségeket kínálhatnak a bél dysbiosisának gyengítő hatásaiban szenvedők számára.

Anyagok és metódusok

Állatok

Plazma lipidek

A plazma triglicerid és az alacsony sűrűségű lipoprotein szinteket a Wako Chemicals (Richmond, VA, Egyesült Államok) kereskedelmi forgalomban lévő kolorimetrikus tesztkészleteivel mértük a gyártó mikrotiterlemez-protokolljainak megfelelően.

DNS-extrakció és 16S rRNS Amplicon szekvenálás

16S rRNS génmennyiség meghatározása

A 16S rRNS gén kópiaszámát a vékonybél és a vakbél nyálkahártyájának kaparásából vagy székletéből határoztuk meg, a korábban leírtak szerint (Martinez-Guryn és mtsai, 2018). A géneket úgy számszerűsítettük, hogy meghatároztuk a gén kópiaszám standard görbéjét, a primer szekvenciák pCR4-TOPO plazmidokba történő klónozásával. A 16S rRNS előre (F) és reverz (R) primer szekvenciája: F-TCCTACGGGAGGCAGCAGT; R-GGACTACCAGGGTATCTAATCCTGTT.

Statisztikai elemzések

A statisztikai elemzéseket a GraphPad Prism v8.0 alkalmazásával végeztük; kétirányú ANOVA-t alkalmaztak, amelyet Tukey többszörös összehasonlítással végzett post-hoc teszt követett, és megvizsgálta az összes lehetséges összehasonlítást, valamint az antibiotikumok egyszerű hatásait az egyes diétákon belül az 1-3. Az adatokat átlagként +/− SEM adják meg, és a csoportos átlagok közötti különbségeket jelentősnek tekintették o ≤ 0,05. Hacsak másként nem jelezzük, volt egy n = Csoportonként = 5, és a kiugró értékeket eltávolítottuk a ROUT outlier kimutatási módszer alapján.

A 4. ábrán bemutatott hőtérképek a baktériumok relatív bőségét mutatják be az összes kezelési körülmény között, családi szinten. Nyilvánvaló, hogy az antibiotikus koktélkezelés csökkentette a cecum több családjának számát a bél más régióihoz képest. Míg az étrendi hatás sokkal nyilvánvalóbb a jejunumban, amelyben a HF-étrend számos család számát csökkentette az LF-étrendhez képest, kivéve a Streptococcaceae-t, amelyet a HF vs LF-étrend fokozott. A bél más régióiban kevésbé figyelemre méltó étrend-változások voltak tapasztalhatók. Kruskal Wallis statisztikai teszteket végeztek az étrend és a kezelési csoportok között megváltozott taxonok azonosítására, amelyeket a 3. kiegészítő táblázat mutat be. Összességében úgy tűnt, hogy az étrendnek specifikus hatása van a jejunal mikrobiotára, míg az antibiotikumok a bél minden régiójára hatottak, a legkifejezettebb hatás a duodenumban és a vakbélben a taxonok bőségének megfigyelt változásai alapján (4. ábra), valamint a béta és alfa változatosság elemzései alapján (3. ábra).

4. ábra. Az étrend és az antibiotikumok eltérően befolyásolják a bél mikrobiális taxonjainak relatív bőségét a bél hosszában. A C57Bl6 egereket alacsony zsírtartalmú (LF) és magas zsírtartalmú (HF) táplálékkal etették, és 4 hétig vivőanyag-kontrollal, rifaximinnal vagy antibiotikus koktéllal kezelték őket. A különböző taxonok relatív bőségét szemléltetjük. Jegyezzük fel a bőség relatív változását az étrend függvényében a jejunumban. Jegyezzük fel a bőség relatív változását az antibiotikum kezelés függvényében a székletben és a vakbélben. A bemutatott adatok a következők n = 3–5 csoportonként.

Vita

Kimutattuk, hogy az étrend és az antibiotikumok divergens, ugyanakkor potenciálisan interaktív hatással bírnak a gyomor-bél traktus (GI) különböző régióiban. A jejunum a bél mikrobiota szerkezetében az étrend által kiváltott változások fő helyszíne, míg a cecum a bél mikrobiota összetételének antibiotikumokkal közvetített változásainak kulcsfontosságú helyszíne. Összességében úgy tűnt, hogy az antibiotikum-kezelés (rifaximin vagy antibiotikum-koktél) elhomályosította a bél mikrobiotájának étrendi hatását a bél különböző régióiban (2. kiegészítő ábra). Az irodalomban végzett tanulmányok függetlenül vizsgálták az antibiotikum vagy étrend hatásait a bél hosszában (Mu és mtsai., 2017; Martinez-Guryn és mtsai., 2018), de tudomásunk szerint ez az első jelentés, amely mind a tényezőket, mind azok tényezőit megvizsgálja. kölcsönhatás a bél különböző régióiban.

A bélbetegségeket, például az irritábilis bél szindrómát, a gyulladásos bélbetegségeket és a vékonybél baktériumok elszaporodását (SIBO) rendszeresen antibiotikumokkal kezelik. A tünetek enyhítésére többek között olyan gyógyszereket, mint a rifaximin, a metronidazol és a neomicin használják a mikrobiális eubiózis helyreállítására (Shayto és mtsai, 2016; Adike és DiBaise, 2018; Nogueira és mtsai, 2019; Saffouri és mtsai.), 2019). A SIBO-ban a malabszorpció másodlagosan következik be a gazda-mikrobiális egyensúly változásai miatt (Adike és DiBaise, 2018). Az antibiotikumok általában ennek a betegségnek a fő kezelési módjai (Fujisaka és mtsai, 2016; Adike és DiBaise, 2018), a legszélesebb körben a rifaximin ajánlott (Adike és DiBaise, 2018). A rifaximin rövid vagy hosszú távú alkalmazását vizsgáló korábbi tanulmányok jelentős változásokat mutattak ki a bél mikrobiotájában, a vékonybél luminalis tartalmának előnyös változásaival (Kim és mtsai, 2013; Mu és mtsai, 2017). Míg ismert, hogy a rifaximinnek lokalizált és perifériás hatásai vannak (Kim és mtsai., 2013), tanulmányunkban a rifaximin a LF-vel táplált egerek plazma trigliceridszintjét a HF-vel táplált kontroll egereknél megfigyelt szintre emelte. Így a bélmikrobák, az étrend és az antibiotikumok közötti kölcsönhatás megértése hasznos lehet a klinikai körülmények között a célzottabb terápiás szerek kiválasztásában.

Annak ellenére, hogy vizsgálatunk korlátja a kis minta nagysága, mind a diétás, mind az antibiotikus kezelésekkel szignifikáns hatásokat és kölcsönhatásokat találtak a mért eredményeken. Az antibiotikumok és az étrend közvetlen összehasonlítását kínáljuk, amely megmutatja, hogy ezek a tényezők szelektív regionális hatással vannak a bél mikrobiotájára. Ennek a kutatásnak az eredményei lépést jelenthetnek a személyre szabott orvoslás felé: a specifikus antibiotikumok eltérő hatékonysággal rendelkezhetnek a bélrendszer mentén tervezett céltól és az egyes diéták előzményeitől függően. Az antibiotikumokkal való étrendi kölcsönhatásokat tovább kell értékelni a bélbetegségek kezelésében, ahol az antibiotikumok használata gyakori terápiás beavatkozás.

Adatelérhetőségi nyilatkozat

Az ebben a vizsgálatban generált szekvenálási adatokat a bioproject adatbázisba raktuk (csatlakozás: PRJNA594399).

Etikai nyilatkozat

Az állatkísérletet a Midwestern University Institutional Animal Care and Use Committee felülvizsgálta és jóváhagyta.

Szerző közreműködései

EP, KM-G, MP és MC konceptualizálta a tanulmány tervét. EP, KM-G, GB, SP, NH és KK írta a kéziratot. EP, JM, MP, AI, KK, II, LA és KM-G végezték a kísérleteket. EP, KM-G és NH elemezte az adatokat és statisztikai elemzéseket végzett. Minden szerző hozzájárult a kézirat szerkesztéséhez és jóváhagyta a beküldött változatot.

Finanszírozás

Ezt a munkát a Középnyugati Egyetem Karának a KM-G számára indított alapjai és az EP számára a szakdolgozat projektjéhez elkülönített források támogatták.

Összeférhetetlenség

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

A recenzens VL a KM-G egyik szerzőjével egy korábbi szerzői szerződést levezetett a kezelő szerkesztőhöz.

Köszönetnyilvánítás

A lipidvizsgálatokat a Perkin Elmer EnSpire Plate Reader segítségével végeztük, a Midwestern University Core Facility-ben (Downers Grove, IL, Egyesült Államok). A 16S rRNS amplikon szekvenálást a Midwestern University Core Facility Outsourcing Fund díja támogatta, Downers Grove, IL, Egyesült Államok. Ezúton szeretnénk köszönetet mondani Sarah Owensnek és Stephanie M. Greenwaldnak az Argonne Nemzeti Laboratóriumban a 16S rRNS amplikon szekvenálás elvégzéséért. Végül szeretnénk köszönetet mondani Sarah Quinlan-nak a kéziratos adatok kritikai áttekintéséért és Dr. Mark Musch-nak a kézirat kritikai felülvizsgálatáért.

Kiegészítő anyag

Hivatkozások

Adike, A. és DiBaise, J. K. (2018). A vékonybél baktériumok elszaporodása: táplálkozási vonatkozások, diagnózis és kezelés. Gasztroenterol. Clin. North Am. 47, 193–208. doi: 10.1016/j.gtc.2017.09.008

Caporaso, J. G., Kuczynski, J., Stombaugh, J., Bittinger, K., Bushman, F. D., Costello, E. K. és mtsai. (2010). A QIIME lehetővé teszi a nagy áteresztőképességű közösségi szekvenálási adatok elemzését. Nat. Mód 7, 335–336. doi: 10.1038/nmeth.f.303

Devkota, S., Wang, Y., Musch, M. W., Leone, V., Fehlner-barack, H., Nadimpalli, A. és mtsai. (2012). Az étkezési zsír által kiváltott taurocholsav elősegíti a patobiont terjeszkedését és a vastagbélgyulladást az Il10 -/- egerekben. Természet 487, 104–109. doi: 10.1038/nature11225

Eren, A. M., Sul, W. J., Murphy, L. G., Grim, S. L., Morrison, H. G. és Sogin, M. L. (2013). Oligotipizálás: a szorosan kapcsolódó mikrobiális taxonok megkülönböztetése 16S rRNS génadatok felhasználásával. Módszerek Ecol. Evol. 14, 1111–1119. doi: 10.1111/2041-210X.12114

Fernandes, A. D., Reid, J. N. S., Macklaim, J. M., McMurrough, T. A., Edgell, D. R. és Gloor, G. B. (2014). A nagy áteresztőképességű szekvenálási adatkészletek elemzésének egységesítése: RNS-seq, 16S rRNS génszekvenálás és szelektív növekedési kísérletek jellemzése kompozíciós adatelemzéssel. Mikrobiom 2, 1–13. doi: 10.1186/2049-2618-2-15

Fujisaka, S., Bry, L., Kahn, C. R., Fujisaka, S., Ussar, S., Clish, C. és mtsai. (2016). A bél mikrobiotájára és az anyagcserére kifejtett antibiotikum-hatás gazdaszervezet függő. Tudomány 126, 4430–4443. doi: 10.1172/jci86674

Kelly, C. J., Zheng, L., Campbell, E. L., Saeedi, B., Scholz, C. C., Bayless, A. J. és mtsai. (2015). A mikrobiota eredetű rövid láncú zsírsavak és a bélhám HIF közötti átütemezés fokozza a szöveti gát funkciót. Cell Host Microb. 17, 662–671. doi: 10.1016/j.chom.2015.03.005

Kim, M. S., Morales, W., Hani, A. A., Kim, S., Kim, G., Weitsman, S. és mtsai. (2013). A rifaximin hatása a bélflóra és a staphylococcus rezisztenciára. Dig. Dis. Sci. 58, 1676–1682. doi: 10.1007/s10620-013-2675-0

Martinez-Guryn, K., Hubert, N., Frazier, K., Urlass, S., Musch, M. W., Ojeda, P. és mtsai. (2018). A vékonybél mikrobiota szabályozza a gazdaszervezet emésztési és abszorpciós adaptív reakcióit az étrendi lipidekre. Cell Host Microb. 23, 458–469. doi: 10.1016/j.chom.2018.03.011

Martinez-Guryn, K., Leone, V. és Chang, E. B. (2019). A gyomor-bél mikrobiom regionális sokfélesége. Cell Host Microb. 26, 314–324. doi: 10.1016/j.chom.2019.08.011

McMurdie, P. J. és Holmes, S. (2014). Nem pazarolni, nem akarni: miért megengedhetetlen a mikrobiómás adatok ritkítása. PLoS Comput. Biol. 10: 3531. doi: 10.1371/journal.pcbi.1003531

Mu, C., Yang, Y., Su, Y., Zoetendal, E. G. és Zhu, W. (2017). A malacok gyomor-bél traktusának mikrobiota-tagságában mutatkozó különbségek és azok differenciális változásai egy korai életkori antibiotikus beavatkozást követően. Elülső. Microbiol. 8: 797. doi: 10.3389/fmicb.2017.00797

Ng, K. M., Aranda-Diaz, A., Tropini, C., Frankel, M. R., Van Treuren, W. W., Laughlin, O. C. és mtsai. (2019). A bél mikrobiota helyreállítása az antibiotikumok után a fogadó étrendjétől és a környezeti víztározóktól függ. Elektron. J. 26, 650–665. doi: 10.2139/ssrn.3325029

Nogueira, T., David, P. H. C. és Pothier, J. (2019). Az antibiotikumok, mint barátok és ellenségek az emberi bélmikrobiomban: a mikrobiális közösség megközelítése. Drug Dev. Res. 80, 86–97. doi: 10.1002/ddr.21466

Saffouri, G. B., Shields-Cutler, R. R., Chen, J., Yang, Y., Lekatz, H. R., Hale, V. L. és mtsai. (2019). A vékonybél mikrobiális diszbiózisa a funkcionális emésztőrendszeri rendellenességekkel járó tünetek hátterében áll. Nat. Commun. 10, 1–11. doi: 10.1038/s41467-019-09964-7

Shayto, R. H., Mrad, R. A. és Sharara, A. I. (2016). A rifaximin alkalmazása gyomor-bélrendszeri és májbetegségekben. Világ J. Gastroenterol. 22, 6638–6651. doi: 10.3748/wjg.v22.i29.6638

Sundin, O. H., Mendoza-Ladd, A., Zeng, M., Diaz-Arévalo, D., Morales, E., Fagan, B. M. és mtsai. (2017). Az emberi jejunum endogén mikrobiotával rendelkezik, amely eltér a szájüregben és a vastagbélben találhatóktól. BMC Microbiol. 17: 160. doi: 10.1186/s12866-017-1059-6

Tropini, C., Earle, K. A., Huang, K. C. és Sonnenburg, J. L. (2017). Tekintse át a bélmikrobiómát: a térszervezés működésének összekapcsolása. Cell Host Microb. 21, 433–442. doi: 10.1016/j.chom.2017.03.010

Wang, Y., Hoenig, J. D., Malin, K. J., Qamar, S., Petrof, E. O., Sun, J. és mtsai. (2009). 16S rRNS génalapú fekális mikrobiota elemzése koraszülött csecsemőktől nekrotizáló enterocolitissal és anélkül. Nat. Commun. 3, 944–954. doi: 10.1038/ismej.2009.37

Kulcsszavak: bél mikrobiota, antibiotikumok, emésztőrendszeri régiók, étrend, mikrobiális sokféleség, vékonybél

Idézet: Poteres E, Hubert N, Poludasu S, Brigando G, Moore J, Keeler K, Isabelli A, Ibay ICV, Alt L, Pytynia M, Ciancio M és Martinez-Guryn K (2020) A bélmikrobiota szelektív regionális módosítása Diéta és antibiotikumok. Elülső. Physiol. 11: 797. doi: 10.3389/fphys.2020.00797

Beérkezett: 2019. december 06 .; Elfogadva: 2020. június 15 .;
Publikálva: 2020. július 07.

Suzanne Devkota, Cedars Sinai Orvosi Központ, Egyesült Államok

Tzu-Wen Cross, Purdue Egyetem, Egyesült Államok
Vanessa Leone, University of Wisconsin-Madison, Egyesült Államok