Az étrend hatása a bél mikrobiotájának alakítására egy összehasonlító tanulmányból derült ki Európából és vidéki afrikai gyermekekről

Szerkesztette *: Daniel L. Hartl, a Harvard Egyetem, Cambridge, MA, és jóváhagyta 2010. június 30-án (2010. április 29-én kapott felülvizsgálatra)

Absztrakt

Élet egy vidéki faluban, Burkina Fasóban. (A) Boulpon falu. (B) Hagyományos Mossi-lakás. (C) Burkina Faso térképe (az Egyesült Államok ClA's World Factbook című könyvéből módosítva, 34). (D) Köles és cirok (a Mossi diéta alapkomponensei) gabona és liszt tipikus tálakban. (E) A köles és a cirok lisztté őrölnek egy őrlőkövön, hogy Tô nevű vastag zabkását állítsanak elő.

A gyermekeket 2 éves korig szoptatják a vegyes étrend kiegészítéseként. Az átlagos rostmennyiség a BF-étrendben 10,0 g/d (2,26%) 1-2 éves gyermekeknél és 14,2 g/d (3,19%) 2-6 éves gyermekeknél (S2. Táblázat) . A nyugati népesség (EU) képviseletére azonos korú gyerekeket választottunk ki, akik általában egyetértenek a növekedéssel, társadalmilag homogének, étrendet fogyasztanak és a fejlett világra jellemző környezetben élnek. Az EU gyermekeit 1 éves korig szoptatták. Tipikus nyugati étrendet fogyasztottak, magas állati fehérje-, cukor-, keményítő- és zsírtartalommal, valamint alacsony rosttartalommal. Az EU étrendjének átlagos rosttartalma 5,6 g/d (0,67%) 1–2 éves gyermekeknél és 8,4 g/d (0,9%) 2–6 éves gyermekeknél (S3. Táblázat). Az elfogyasztott kalóriamennyiség (átlagos) jelentősen változik a két populációban (BF gyermekek: 1-2 évesek, 672,2 kcal/nap; 2-6 évesek, 996 kcal/nap; EU-s gyermekek: 1-2 évesek, 1068,7 kcal/d; 2–6 éves, 1512,7 kcal/d; S2 és S3 táblázat). A BF falu elszigeteltsége, ahol az általunk vizsgált gyerekek élnek, az urbanizált világgal összehasonlítva arra utal, hogy étrendjük nagy valószínűséggel hasonlít az afrikai neolitikum vidéki lakosságának étrendjére a mezőgazdasági forradalmat követően.

A Bacteroidetes dominanciája Burkina Faso bélmikrobiotájában az európai gyermekekkel összehasonlítva.

Ennek a 29 gyermeknek a széklet mikrobiotájában található baktériumvonalak jellemzésére a 16S rRNS gén V5 és V6 hiper-variábilis régióinak multiplexes piroszekvenálását végeztük 454 FLX eszközzel (Roche). Hoztunk létre egy adatkészletet, amely 438 219 szűrt kiváló minőségű, osztályozható 16S rRNS génszekvenciát tartalmazott, mintánként 15111 ± 3774 szekvencia átlagátlaggal (± SD) (S4. Táblázat). Az összes BF- és EU-minta szekvenciájának több mint 94,2% -a a négy legnépesebb baktériumfilához, nevezetesen Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes és Proteobacteriumokhoz tartozik, a korábbi vizsgálatokkal egyetértésben, amelyek leírják az ilyen phylákat, mint amelyek hozzájárulnak a az emberi bél mikrobiota többsége (2, 11). Négy phyla arányában találtak releváns különbségeket: Az Actinobacteriumok és a Bacteroidetesek jobban képviseltették magukat a BF-ben, mint az EU gyermekek mikrobiotájában (10,1%, szemben 6,7% és 57,7%, szemben 22,4%), míg a Firmicutes és a Proteobacteriumok nagyobb mennyiségben voltak jelen az EU-ban, mint BF gyermekeknél (63,7% versus 27,3% és 6,7% szemben 0,8%). A Firmicutes és Bacteroidetes differenciális eloszlása mély különbségeket rajzol le a két csoport között (S1. Ábra).

A parametrikus tesztet (ANOVA) alkalmazó statisztikai elemzés azt mutatja, hogy a Firmicutes (P = 7,89 × 10-5) és a Bacteroidetes (P = 1,19 × 10-6) szignifikánsan megkülönbözteti a BF-et az EU gyermekeitől. Ezt az eredményt erősíti a nem paraméteres Kruskal – Wallis teszt, amely ismét szignifikáns megkülönböztető tényezőket jelzett Firmicutes (P = 3,38 × 10 −5), Bacteroidetes (P = 4,80 × 10 −4), Actinobacteria (P = 8,82 × 10 −3) között ), és a Spirochaetes (P = 1,11 × 10-5) phyla. A firicute-k kétszer olyan gyakoriak az EU-ban, mint a Firmicutes és a Bacteroidetes közötti eltérő arány (F/B arány ± SD, EU-ban 2,8 ± 0,06 és 0,47 ± 0,05 BF-ben), ami az emberi bél drámai eltérő baktérium-kolonizációjára utal a két populációban. Érdekes módon a Prevotella, a Xylanibacter (Bacteroidetes) és a Treponema (Spirochaetes) kizárólag a BF gyermekek mikrobiotájában van jelen (2. A és B ábra, S2 ábra és S5 táblázat). Feltételezhetjük, hogy a két populációt elválasztó környezeti tényezők (étrend, higiénia, higiénia, földrajz és éghajlat) között e három nemzetség jelenléte a magas rostbevitel következménye lehet, maximalizálva a bevitt növényi poliszacharidok anyagcsere-energia kitermelését.

A 16S rRNS génfelmérések két vizsgált gyermekpopuláció egyértelmű elkülönülését mutatják. (A és B) A BF és az EU gyermekek székletmintáiban jelen lévő baktérium nemzetségek mediánértékeinek kördiagramjai (> 3%), az RDP v. 2.1. A gyűrűk a leggyakrabban képviselt nemzetségek mindegyikének megfelelő törzset jelölik (zölden a Bacteroidetes, a vörösben pedig a Firmicutes). (C) Dendrogram, amelyet BF és EU populációkból származó minták teljes összekapcsolódási hierarchikus klaszterezésével kaptak nemzetségeik alapján. A fa közepén található alcsoport tartalmazza a BF csoport három legfiatalabb (1–2 éves) gyermekétől (16BF, 3BF és 4BF) és az EU-csoport két (2EU) 1 éves gyermekétől vett mintákat. és 3EU). (D) A BF és az EU gyermekek mindegyikénél a négy leggyakoribb bakteriális phyla relatív bősége (a szekvenciák százalékos aránya). A középső kék terület az Actinobacteriumok bőségét mutatja, főként a Bifidobacterium nemzetség képviseletével, az öt legfiatalabb EU és BF gyermeknél. (E) Gram-negatív és Gram-pozitív baktériumok relatív bősége (a szekvenciák százalékos aránya) minden egyes egyedben. A Gram-negatív és Gram-pozitív eloszlások a BF és az EU populációkban tükrözik a két legjobban képviselt phyla, a Bacteroidetes és a Firmicutes különbségeit.

Az étrend központi szerepet játszik a mikrobiota alakításában, amit az a tény is bizonyít, hogy a magas zsírtartalmú és magas cukortartalmú étrendhez kapcsolódó baktériumfajok elősegítik az elhízást a gnotobiotikus egerekben (12). Egy ilyen modellben az őshonos baktériumok fenntartják az energia homeosztázisát az anyagcsere folyamatok befolyásolásával. A Firmicutes és a Bacteroidetes aránya elhízott és sovány emberekben különbözik, és ez az arány csökken a kalóriatartalmú étrend fogyásakor (9). Ezért ésszerű feltételezni, hogy az EU-ban élő gyermekek F/B arányának növekedése, valószínűleg a magas kalóriatartalmú étrendjük miatt, hajlamosíthatja őket a jövőbeli elhízásra. Ez az F/B arány hasznos elhízási biomarkernek is tekinthető.

A 16S rRNS génfelmérések a két gyermekpopuláció hierarchikus szétválasztását tárják fel.

A nyugati populációkban az emberi bélmikrobiota születésétől felnőttkoráig és öregedéséig ér, különös hangsúlyt fektetve a különböző életszakaszokban kialakuló F/B arányra (16). Eredményeink azzal magyarázhatók, hogy amint a szoptatást szilárd ételekkel helyettesítik, a két populáció közötti mikrobiota különbségek megnőnek, tükrözve az étrendi és a környezeti szétválasztást, amely az F/B arány differenciálódását eredményezi. A két populáció eltérő F/B arányának következményeként a Gram-negatív baktériumokat (főleg Bacteroidetes) nagyobb mennyiségben (58,5%) találtuk, mint a Gram-pozitív baktériumokat (37,4%) a BF populációban, míg Gram-pozitív ( főleg Firicicutes) voltak nagyobb arányban, mint a gram-negatív baktériumok (70,4% vs. 29,1%) az EU populációjában (2E ábra).

Mikrobiális gazdagság és biológiai sokféleség.

Az SCFA-termelő baktériumok segíthetnek megakadályozni néhány potenciálisan patogén bélbaktérium megtelepedését. (A) SCFA-k mennyiségének meghatározása a BF és az EU populációk székletmintáiban az SPME-GC-MS segítségével. (B) A szekvenciák száma a fő Enterobacteriaceae nemzetségekhez viszonyítva, BF és EU gyermekek mikrobiotájában. Az átlagértékeket (± SEM) ábrázoljuk. A csillagok jelentős különbségeket jeleznek (az összes adatpont egyfarkú Student t tesztje: * P 1 Kinek kell címezni a levelezést. E-mail: paolo.lionettiunifi.it .

A szerző közreműködései: C.D.F., D.C. és P.L. tervezett kutatás; C.D.F., M.D.P., S.M. és S.C. kutatást végeztek; G.P. új reagensekkel/analitikai eszközökkel járult hozzá; M.R. és J.B.P. elemzett adatok; és C.D.F., D.C., M.D.P. és P.L. írta a lap.

A szerzők nem jelentenek összeférhetetlenséget.

Adattárolás: Az adatokat ISA eszközök (ISAcreator és ISAconverter, http://isatab.sourceforge.net/index.html) segítségével küldték be a Sequence Read Archive (SRA) könyvtárba. Az adatkészlet a következő címen érhető el: http://www.ebi.ac.uk/ena/data/view/ERP000133.

↵ * Ennek a Közvetlen beküldés cikknek előre elkészített szerkesztője volt.

Szabadon elérhető online a PNAS nyílt hozzáférési lehetőségén keresztül.