A glükolipid metabolizmus és a bél mikrobiom dysbiosis egyensúlyának helyreállítása a nitrátfüggő enyhítéssel

A szervetlen nitrát elengedhetetlen az anyagcsere-rendellenességek megelőzéséhez, és alapvető szerepet játszik a lipidfelhalmozódás csökkentésében és a barna zsírszövet aktiválásában.

Mik az új eredmények?

Az étrendi nitrát enyhíti a magas zsírtartalmú étrend okozta elhízást és javítja a zsírlerakódást és a hiperlipidémiát, valamint a glükóz toleranciát és az inzulinrezisztenciát az NO3 - -NO2 - -NO útvonalon keresztül, valamint a zsigerek és a bél mikrobiota dysbiosis egyensúlyának egyensúlyában.

Hogyan változtathatják meg ezek az eredmények a kutatás vagy a klinikai gyakorlat fókuszát?

Az eredmények rámutatnak a szervetlen nitrát fiziológiai előnyeire az elhízás megelőzésében és a bél mikrobiotájának szervetlen nitráttal történő modulációjának új mechanizmusában, ami üdvözítő hatást gyakorol a test egészségére.

Bevezetés

Az elhízás világszerte súlyos járvány, és prevalenciája növekszik.1 2 A túlsúlyos (testtömeg-index (BMI) ≥25 kg/m 2) és az elhízott (BMI ≥30 kg/m 2) egyedek száma körülbelül 2,1 milliárd átfogó áttekintés a gyermekek és felnőttek körében 1980 és 2013 között.3 Az elhízás az anyagcsere-betegségek, köztük a szív- és érrendszeri betegségek és a cukorbetegség magas kockázatával jár, és az elhízás leküzdése várhatóan meglehetősen nagy kihívást jelent.4

Az elhízás számos tényezőből származik, beleértve a viselkedési, környezeti és genetikai tényezőket is. 5 Következésképpen az anyagcsere-rendellenességek előfordulása szisztémás gyulladáshoz vezet, ami multifiziológiai funkcióhiányt okoz, beleértve a bél mikroekológiáját is. 6 Ennek ellenére még mindig korlátozott ismeretekkel rendelkezünk az elhízás patogenezise. Az egészségtelen életmód szintén kulcsszerepet játszik az elhízás kialakulásában, a túlzott energiafogyasztás és az elégtelen testmozgás miatt. Ezenkívül kimutatták, hogy a bél mikrobiota modulálja az elhízást, bár az ok-okozati összefüggés nem világos.

Az elhízás megelőzésének stratégiáiról szóló jelenlegi tanulmányok sokrétűek, ideértve az étrendkezelést is: a zöldségbevitel növelése és a bél mikrobiológiáját célzó prebiotikumok kiegészítése.8 Különösen a zöld leveles zöldségek gazdagok szervetlen nitrátban. 9 Az étrendi nitrát nem klasszikus forrása nitrogén-oxid hipoxia és iszkémia körülményei között. A nitrát-nitrit-nitrogén-oxid útvonal alapvető szerepet játszik a fiziológia fenntartásában, például a gyomor-bél traktus és a szív- és érrendszer védelmében, a glükóz/lipid anyagcsere szabályozásában, a bél mikrobiom hemosztázisának fenntartásában és az érzékenység enyhítésében. Ezenkívül a nitrátnak fontos funkcionális hatása van metabolikus szindrómában. Például korábbi tanulmányok kimutatták, hogy a nitrátban gazdag céklalé a vérnyomáscsökkentésben és az endoteliális funkcióban gazdag fiataloknál és idősebbeknél is előnyösebb szerepet játszik, valamint a 2-es típusú cukorbetegség kognitív javulásában, szemben a nitráttal kimerített gyümölcslével. A nitrogén-oxid (NO)/ciklikus adenozin-monofoszfát (cAMP) jelátvitel szintén bizonyítottan alkalmazható az elhízás megelőzésében és kezelésében.

Figyelembe véve a nitrát sokoldalú funkcióit az öregedéssel összefüggő betegségekben és anyagcsere-rendellenességekben, csoportunk értékelte a szervetlen nitrát hatásait és jótékony hatásait, ideértve a gyomor nyálkahártyájának védelmét stresszhez kapcsolódó állapotban és az oxidatív stressz elnyomását a teljes test besugárzásának hatására. 13 Ezenkívül kimutatták, hogy a nitrát elősegíti a fehér zsírszövet barna zsírszövetekké történő átalakulását a ciklikus guanozin-monofoszfát (cGMP) révén, jelezve és mozgósítva a mitokondriumokat.14 A nitrát és az elhízás közötti bonyolult összefüggések és a mikrobiota nitrátban betöltött szerepe azonban egerekben az anyagcsere-függő egyensúly helyreállítása még mindig nem világos.

Ennek megfelelően ebben a tanulmányban az étrendi nitrát elhízásra és a bél mikrobiotára gyakorolt hatásainak vizsgálatát tűztük ki célul egerekben a magas zsírtartalmú étrend (HFD) által kiváltott elhízásban.

Kutatási tervezés és módszerek

Kísérleti állatok és tervezés

A glükóz tolerancia és az inzulinrezisztencia javítása nitráttal

Az éhomi vércukorszintet és az inzulint a kísérlet végén mértük. A HFD csoportba tartozó egerek hiperglikémiás és hiperinsulinémiásak voltak. A NaNO3-tal történő kiegészítés a várakozásoknak megfelelően csökkentette a HFD által kiváltott hiperglikémiát, bár a különbség statisztikailag nem volt szignifikáns (2A. Ábra). A hiperinsulinémia azonban jelentősen megfordult az ivóvíz NaNO3-tal történő kiegészítésével (2B. Ábra). A HOMA-IR alapján a nitrát enyhítette a HFD által kiváltott anyagcserezavar által okozott inzulinrezisztenciát (2C. Ábra). Továbbá, az IPGTT és az ITT eredményei megmutatták a nitrát képességét a glükóz tolerancia és az inzulinérzékenység javítására (2D – G ábra).

A szervetlen nitrát enyhítette a diszlipidémiát és a lipidfelhalmozódást. (A) A szövettani megfigyeléshez H&E festéssel ellátott májszeleteket készítettünk. (B) Az inguinalis zsírszövetből származó adipociták mérete. (C) Pontszámlálás máj steatosis esetén. (D) Az adipociták átlagos méretét Image-Pro Plus 6.0 alkalmazásával elemeztük. (E – H) Vér biokémiai elemzés a kísérlet végén. Az értékeket átlag ± SEM (n = 7), * - -NO2 - -NO útként mutatjuk be a májban, az inguinalis zsírszövetben és a bélhámban.

A nitrát és a nitrit koncentrációját a szérumban, a májban és az inguinalis zsírszövetben megvizsgáltuk, és azt találtuk, hogy alacsonyabb a HFD csoportban, mint az NCD csoportban. A HFD + NaNO3 csoportban volt a legmagasabb a nitrátkoncentráció, és a csoport nitritkoncentrációja alacsonyabb volt, mint az NCD csoporté, de magasabb, mint a HFD csoporté (4A, B ábra). A NO-út aktivitását növelő cGMP szérum-, máj- és inguinalis zsírszövetszintje magasabb volt a fehérjeegységre a HFD + NaNO3 csoportban, mint a HFD csoportban (4C. Ábra). Ezenkívül az inguinalis szövet kvantitatív immunhisztokémiai elemzése kimutatta, hogy a szervetlen nitrát megfordította az eNOS expressziójának HFD által kiváltott csökkenését. Az eNOS máj-és inguinalis zsírszövet Western blot-analízise hasonló eredményeket mutatott (4D – G ábra).

A szervetlen nitrát megváltoztatta a bélbaktériumok specifikus nemzetségének relatív mennyiségét. (A) Egyedülálló és megosztott baktériumok száma a nemzetség szintjén. (B) A bélmikrobiom három csoport közötti eloszlásának NMDS-elemzése. (C) A Firmicutes és Bacteroidetes átlagos mennyisége a menekültügyi szinten minden csoportban. (D) A Firmicutes és a Bacteroidetes aránya különböző csoportokban. (E) Az egyes csoportokban a nemzetség szintjén a top 10 bőséges baktérium. HFD, magas zsírtartalmú étrend; NCD, normál kontroll étrend; NMDS, nem metrikus többdimenziós méretezés; NS, nem jelentős.

Az anyagcserezavarral kapcsolatos Firmicutes és Bacteroidetes arányát használják a bél és a szisztémás egészség értékelésére. Vizsgálatunkban azonban nem volt szignifikáns eltérés a csoportok között (6C, D ábra). A nemzetség szintjén a legnagyobb mennyiségű baktérium a Bacteroidales S24-7 csoport, a Lactobacillus, az Alloprevotella, a Bacteroides, az Akkermansia, a Lachnospiraceae, a Desulfovibrio, az Erysipelotrichaceae, az Alistipes és a Ruminococcaceae Ugg-014 volt (6. ábra E). Eredményeink alapján a Bacteroidales S24-7 csoport, a Lactobacillus, a Lachnospiraceae, a Desulfovibrio, az Erysipelotrichaceae és a Ruminococcaceae Ugg-014 csökkent a HFD csoportban az NCD csoportéhoz képest, kivéve Alloprevotella, Bacteroides és Alistipes növekedett a HFD csoportban. A nitrát részben egyensúlyba hozta a bél mikrobiomjában a HFD által kiváltott változásokat. Pontosabban, a Bacteroidales S24-7 csoport és az Alloprevotella mennyisége csökkent a HFD csoportban, és növekedett a HFD + NaNO3 csoportban. Ezenkívül az Alistipes és a Lactobacillus mennyisége megnőtt a nitrátpótlás után (6E. Ábra).

Az NCD, HFD és HFD + NaNO3 csoportokban a differenciál vastagbél baktériumok kladogramjait nem paraméteres faktoriális KW összesített rangsort használva készítettük el a csoportok közötti szignifikáns mikrobiota befolyásoló variációk kimutatására. A Verrucomicrobiaceae, Oceanospirillales és Halomonadaceae egyedeket a HFD + NaNO3 csoportban specifikusan azonosították (7A. Ábra).

Differenciális baktériumok csoportok között. (A) A differenciál vastagbél baktériumok kladogramjait három csoportban határoztuk meg nemparametrikus faktoriális KW összeg szerinti rangvizsgálatokkal. (B, C) Differenciálbaktériumok a HFD és NCD csoportok, valamint a HFD és HFD + NaNO3 csoportok között, a nemzetség szintjén végzett STAMP elemzésekkel. HFD, magas zsírtartalmú étrend; KW, Kruskal-Wallis; NCD, normál kontroll étrend; STAMP, a metagenomikus profilok statisztikai elemzése.

Az NCD és HFD csoportok, illetve a HFD és HFD + NaNO3 csoportok közötti differenciálbaktériumokat a 7B, C ábra mutatja be, a nemzetség szintjén végzett STAMP elemzéssel. A Clostridiales_vadinBB60_csoport bősége mind az NCD, mind a HFD + NaNO3 csoportban nőtt, összehasonlítva a HFD csoportéval. A HFD csoportban előforduló bőségükhöz viszonyítva a Ruminococcaceae UCG-014, a Catabacter, a Ruminococcaceae NK4A214, a Gemella, az Anaerofustis, a Coriobacteriaceae nem tenyésztett, a Ruminococcaceae osztályozatlan, a Ruminococcaceae UCG-010, a Mollicacter 1 az NCD csoportban, míg az Intestinibacter csökkent mennyiségben volt jelen (7B. ábra). Továbbá, a HFD + NaNO3 csoportban tapasztalható bőségükhöz viszonyítva, a Paraprevotella, a Lachnospiraceae UCD-006, a Parabacteroides és a Candidatus arthromitus fokozott mennyiségben volt jelen a HFD csoportban, míg a Clostridiales vadinBB60 csökkent bőségben volt jelen (7C. Ábra). Ezenkívül a nem paraméteres faktoriális KW összegzett rangsori vizsgálatokon alapuló LEfSe elemzés specifikus differenciálbaktériumokat mutatott (online kiegészítő 4. ábra), hasonlóan a STAMP elemzések eredményéhez.

Vita

Ebben a tanulmányban megerősítettük a szervetlen nitrát hatását a BW növekedés csökkentésében és a glikolipid metabolizmus szabályozásában. Ezenkívül a bél mikrobiomjának a HFD által kiváltott dysbiosisát bizonyos mértékben javította szervetlen nitrátpótlás. Eredményeink rávilágítottak azokra a lehetséges mechanizmusokra, amelyek révén az étrendi nitrát megakadályozza az elhízást, vagyis az NO jelátviteli út aktiválásával és a bél mikrobiota egyensúlyának helyreállításával.

A bél mikrobiota módosíthatja a gazdaszervezet jelátviteli útját az energiatárolás szabályozása érdekében, és ezáltal létfontosságú szerepet játszhat az elhízás, 26 cukorbetegség és a szív- és érrendszeri betegségek kialakulásában.27 28 A bél mikrobiómája elengedhetetlen az étrendi poliszacharidok feldolgozásához is. A bél mikrobiomját mind a HFD, mind a nitrát befolyásolta, ami jelentősen megváltoztatta a bélflórát, és a nitrátpótlás jótékony hatással volt a mikrobiális anyagcserére.

A baktériumközösségek oszlopdiagramjai a nemzetség szintjén megmutatták a nitrátpótlás jótékony hatását a bél mikrobiomjára. A nitrát jelentősen megnövelte a Bacteroidales S24-7, az Alistipes és a Lactobacillus mennyiségét a HFD csoportéhoz képest. Beszámoltak arról, hogy a hagyományos kínai orvoslás, a Hugan Qingzhi tabletta megvédi a HFD által kiváltott alkoholmentes zsírmájbetegségeket a Ruminococcaceae, a Bacteroidales S24-7 és az Alistipes mennyiségének növelésével, 30 hasonlóan jelenlegi eredményeinkhez. Az étrendből és nyálból származó nitráttermelésben részt vevő Alloprevotella bősége megnövekedett HFD csoportunkban, de a nitrátpótlás csökkentette.31 32 Lactobacillusok, egy probiotikus baktérium, amelynek bősége jelentősen megnőtt a HFD + NaNO3-ban csoport, állítólag egészségügyi előnyökkel jár a HFD által kiváltott elhízás kezelésében egerekben (az ultrahang és a laktobacillus kezelés kombinálásával a HFD által kiváltott elhízáshoz egerekben).

Különösen a magas keményítőtartalmú étrend, a nagy dózisú akarbózzal együtt, megnövekedett Bacteroidaceae és Bifidobacteriaceae mennyiséget eredményez.

Ebben a tanulmányban a baktériumok különbségeit detektáltuk az NCD és HFD csoportok között, illetve a HFD és HFD + NaNO3 csoportok között STAMP elemzések segítségével. A Clostridiales_vadinBB60_group bősége, amely pozitívan kapcsolódott az újszülött malacok testtömegéhez, 35 alacsony zsírtartalmú étrendben táplált egerekben is növekedett, összehasonlítva a HFD-vel táplált egerekben36, valamint mind az NCD, mind a HFD + NaNO3 csoportokban. Az erős rostbontási képességgel bíró Ruminococcaceae 37 az NCD csoportban dúsult, de a HFD csoportban csökkent, ami a rostbontó aktivitás csökkenésére utal. A metforminnal kezelt, 2-es típusú cukorbetegségben szenvedő betegeknél a puskás szekvenáláson alapuló metagenomikus elemzés során csökkent az Intestinibacter mennyisége, igazolva a bél mikrobiomjának diszregulációját a HFD csoportban.

A β-laktoglobulin által kiváltott allergia egérmodelljében a Lachnospiraceae UCG-006 mennyisége csökkentnek bizonyult a Lactobacillus kezelés után, jelezve annak káros szerepét az allergiában. ez magában foglalta a Paraprevotella családtagok számának csökkentését is.41 A Parabacteroides mennyisége azonban csökkent a HFD + NaNO3 csoportban, összehasonlítva a HFD csoportéval, és beszámoltak róla, hogy megnövekedett a resveratrollal kezelt egereknél.37 a nitrát összetett, és a nitráttal történő kezelés megváltoztathatja a bél mikrobiomjának összetételét.

Összefoglalva: ebben a tanulmányban az étrendi nitrát hatékonyan csökkentette a HFD által kiváltott elhízást egerekben, és szabályozó hatást gyakorolt a bél mikrobiomjára. A szervetlen nitrát üdvözlő biológiai hatásai azonban összetettek. A bél mikrobiota és a glükolipid metabolizmus közötti összefüggések azt mutatják, hogy a szervetlen nitrát létfontosságú szerepet játszik a HFD okozta elhízás enyhítésében.

Köszönetnyilvánítás

Az állatkísérletekkel kapcsolatos adatok olyan kutatók közreműködésével készültek, akik szerzőként szerepelnek ebben a kéziratban. A bél mikrobiota 16SRNS kimutatásához és elemzéséhez a Shanghai Biozeron Biotechnology Co., Ltd közreműködött.