Az inulin-propionát-észterrel vagy inulinnal történő étrend-kiegészítés javítja az inzulinérzékenységet

Az élelmi rost bél mikrobiotával történő fermentációjából származó rövid szénláncú zsírsavak (SCFA) kimutatták, hogy javítják a gazda inzulinérzékenységét.

Korábban kimutattuk, hogy az étrend kiegészítése az inzulin-propionát-észterrel (IPE), amelynek célja az SCFA-propionát vastagbélbe juttatása, javítja az emberek glükóz homeosztázisát, de a mögöttes mechanizmusok nem világosak.

A tanulmány jelentősége

Mik az új eredmények?

Az étrend-kiegészítés 20 g/nap IPE-vel vagy a magas fermentálhatóságú kontroll rost inulinnal 42 napig javította az inzulinérzékenységet az alacsony fermentálhatóságú rostkontroll cellulózhoz képest túlsúlyos és elhízott felnőtteknél. Nem voltak különbségek az IPE-vel szemben az inulinnal szemben.

Az éhomi inzulin minden egyes kiegészítési periódus után különböző plazma metabolom profilokkal társult. Pozitív összefüggést figyeltek meg a plazma N-acetil-glikoproteinek és az éhgyomri inzulin között a cellulóz-kiegészítést követően, amelyet az inulin vagy az IPE-kiegészítés után nem találtak. A tirozin (pozitív) és a glicin (negatív) csak az inulin-kiegészítést követően kapcsolódott az éhomi inzulinhoz.

Az anyagcsere-egészség javulása az IPE-vel a cellulóz-kiegészítéshez képest csökkent proinflammatorikus interleukin-8 (IL-8) szinttel járt. In vitro elemzés szerint az egészséges emberektől elkülönített perifériás vér mononukleáris sejtek kevesebb IL-8-t választanak ki nátrium-propionátot tartalmazó közegben, mind a nátrium-acetát, mind a nátrium-klorid mellett.

Az IPE-kiegészítés csak a fajok szintjén okozott változásokat a bélbaktériumok populációiban a cellulózhoz képest. Az inulinpótlás megváltoztatta a bélbaktériumok összetételét mind osztály, mind sorrend szintjén, a cellulózhoz viszonyítva, és elősegítette a bifidogén hatást.

Hogyan befolyásolhatja belátható időn belül a klinikai gyakorlatot?

A vastagbélpropionát-termelést elősegítő stratégiák célzottabb utat jelenthetnek az egyes betegek glükóz homeosztázisának javítására, az anyagcserezavarhoz hozzájáruló mögöttes mechanizmusoktól függően.

Bevezetés

Mind az epidemiológiai vizsgálatokban, mind a randomizált, kontrollált vizsgálatokban az élelmi rostok nagyobb mennyisége a 2-es típusú cukorbetegség kockázatának csökkenésével jár. 1 Az anyagcsere-egészségügyi kockázati tényezők javulása akkor a legnagyobb, ha az étkezési rostbevitel meghaladja a 25 g/nap értéket, 1 A népesség szintjén az átlagos bevitel jelentősen alatta marad ennek az összegnek.

Az élelmi rostbevitel modulálja a bél mikrobiota összetételét és aktivitását.3 Az egész test inzulinérzékenységének javulása az étkezési rostbevitel fokozása után a rövid láncú zsírsav (SCFA) acetát, propionát és butirát vastagbéltermeléséhez kapcsolódik, a bélbaktériumok által végzett élelmi rost-fermentáció fő végtermékei.4 5 Emberi kísérletek bizonyítják, hogy az étkezési rostbevitel növelése véd a súlygyarapodás ellen6 7 és javítja az inzulinérzékenység markereit.8–10 Ezeket a pozitív hatásokat számos esetben észlelték. étrend-kiegészítőkből, beleértve a teljes kiőrlésű étrendet, 10 rezisztens keményítőt9 és inulin típusú fruktánt, 8 amelyek a szubsztrát és a bél mikrobiota közötti bonyolult kölcsönhatás miatt változó mennyiségű SCFA-t termelnek a bélben.

A növekvő zsírosodás mellett kialakuló inzulinrezisztens állapotok kapcsolódnak a gyulladásos válaszok aktiválódásához a különböző szervi helyeken, beleértve a zsírszövetet, a májat és a vázizmokat is, ami növeli a proinflammatorikus citokinek szekrécióját és szisztémás szintjét. a bevitel és az SCFA termelés mély hatással van a vastagbél gyulladásos és immunfunkcióira, nagyrészt a szabályozó T-sejtek (Treg) 22 23 képződésén és az IgA nyálkahártya szekrécióján keresztül.24 Korábbi munkák rámutattak, hogy az SCFA-k is befolyásolhatják a gyulladásos és az immunrendszert. 24–26 A naiv T-sejtkultúrák kiegészítése propionáttal fokozta a Treg fejlődését és csökkentette a gyulladásos Th17 sejtek terjeszkedését.26 A glükóz homeosztázis javulása, amelyet korábban megfigyeltünk a vastagbél propionátjának hosszú távú szállítása után részben az alacsony fokú szisztémás csillapításával magyarázható az elhízást kísérő gyulladás.

Bár egyre több bizonyíték van arra, hogy a bélbaktériumok szerepet játszanak az inzulinrezisztenciában, a mechanizmusokat nem sikerült teljesen tisztázni. Korábbi munkánk a vastagbélpropionát-termelés fokozott hatását vizsgálta a bélbaktériumok összetételére, in vitro szakaszos tenyésztési fermentációs modellek felhasználásával, és megállapította, hogy az IPE-kiegészítéssel a gazda metabolikus egészségi állapotának javulása nem a bélbaktériumok populációjának változásai miatt következett be., a szakaszos tenyésztési modellekből hiányzik az emberi bél összetettsége; A székletminták 16S riboszomális RNS (rRNS) génszekvenálása fiziológiailag relevánsabb és mélyebb vizsgálatot tesz lehetővé a vastagbél propionát hosszú távú szállításának a bélbaktériumok összetételére gyakorolt hatásának és ezeknek a változásoknak a gazda anyagcseréjének javulásával való összefüggéséről.

A jelen vizsgálat elsődleges célja a glükóz homeosztázis javulásának mögöttes mechanizmusainak tisztázása volt, miután a propionát hosszú távon juttatott emberi vastagbélbe. Korábbi tanulmányainkban az inulint használták kontrollként a bél mikrobiota összetételének és metabolikus aktivitásának az IPE inulin tartalmából fakadó változásainak figyelembevételéhez.21 Korábban azt tapasztaltuk, hogy 10 g/nap IPE javította a glükóz homeosztázisát inulin-kontroll esetén (16 18) azonban az inulin maga is összefüggésbe hozható az anyagcsere-válasz javulásával egy nem fermentálható vagy gyengén fermentálható kontrollhoz képest, különösen nagyobb dózisokban (> 15 g/nap) kiegészítve. a jelen randomizált keresztezett vizsgálatban 20 g/nap IPE-t és inulint használtak az inzulinérzékenység javulásának alapjául szolgáló közös mechanizmusok vizsgálatára a magas erjedésű rostokkal történő étrend-kiegészítést követően, és megkülönböztetve azokat azoktól, amelyek kifejezetten a propionát szelektív adagolásától az emberi vastagbél IPE-vel.

Mód

Valamennyi résztvevő a klinikai vizsgálat előtt tájékozott írásbeli beleegyezést adott, amelyet a londoni Brent Kutatási Etikai Bizottság hagyott jóvá (14/LO/0645). A vizsgálatot a Helsinki Nyilatkozatnak megfelelően végezték el, és bejegyezték az ISRCTN nyilvántartásba (ISRCTN71814178).

Kiegészítő anyag

Minden résztvevő 42 napos pótlási időszak végén a résztvevők részt vettek az Országos Egészségügyi Kutatóintézet birodalmi klinikai kutatóintézetében, hogy meghatározzák az eredmény mértékét. Az elsődleges eredmény a glükóz homeosztázis változása volt. A tanulmányi látogatásokat megelőző napon a résztvevőket arra kérték, hogy tartózkodjanak a megerőltető testmozgástól és az alkoholtól, és egy éjszakai böjtölés előtt fogyasszanak el egy szokásos esti ételt 10 órán át.

Vegyes étkezési teszt

Egy kanült behelyeztek egy antecubitalis vénába, és két éhomi vérmintát gyűjtöttünk> 5 perc különbséggel. 0 perc múlva a résztvevőknek standard folyékony ételt kínáltak (Ensure Plus, Abbott, Egyesült Királyság: 660 kcal; 88,9 g szénhidrát, 21,6 g zsír, 27,5 g fehérje), amelyet 10 percen belül elfogyasztottak. Az étkezés utáni vérmintákat 10, 20, 30, 45, 60, 90, 120 és 180 percnél vettük, és elemeztük glükóz, inzulin, NEFA, aktív glukagon-szerű 1-es peptid (GLP-1), YY összes peptid (PYY) szempontjából és SCFA szintek. 1H NMR spektroszkópiát végeztünk éhomi plazma mintákon a metabolit elemzés céljából. A vérminták gyűjtésének és elemzésének részletes leírását az online kiegészítő anyag ismerteti.

Immun- és gyulladásos fenotipizálás

Az IgA, IgG, IgM és C-reaktív fehérjét éhomi szérummintákban mértük az Imperial College Healthcare National Health Service Trust kémiai patológiai tanszékén. Az interleukint (IL) -6, IL-8, IL-10, IL-12, IL-17A és a tumor nekrózis faktor alfát (TNF-α) az éhomi szérumban mértük a Cytometric Bead Array (BD Biosciences, Egyesült Királyság) alkalmazásával. a gyártó protokolljának megfelelően. A lipopoliszacharid-kötő fehérjét (LBP) az éhomi szérumban mértük ELISA-val (Hycult Biotechnology, Hollandia), a gyártó protokollja szerint. A teljes vért (30 ml) heparinnal bevont csövekbe gyűjtöttük, és a perifériás vér mononukleáris sejteket (PBMC) Ficoll-Hypaque (Amersham Biosciences, Egyesült Királyság) alkalmazásával izoláltuk, és 10% dimetil-szulfoxid/magzati borjúszérumban mélyhűtött állapotban tároltuk. A PBMC elemzés részletes leírását az online kiegészítő anyag tartalmazza.

Széklet DNS-extrakció és 16S rRNS-gén szekvenálás (metataxonómia)

Az önkéntesektől székletmintát vettek az egyes kiegészítési időszakok utolsó napján. Az egyes székletmintákból DNS-t nyertünk a PowerLyzer PowerSoil DNS izoláló készlet segítségével (Mo Bio, Carlsbad, CA, USA) a gyártó utasításainak betartásával, azzal a módosítással, hogy a mintákat 3 percig vertük 8-as sebességgel egy Bullet Blender Storm-ban (Chembio, St Albans, Egyesült Királyság). A székletmintagyűjtés és a metataxonómiai elemzés részletes leírását az online kiegészítő anyag tartalmazza.

Számítások és statisztikai elemzés

A statisztikai elemzés részletes leírását az online kiegészítő módszerek mutatják be. Az adatokat átlag ± SEM és p formájában jelenítjük meg. Tekintse meg ezt a táblázatot:

Soron belüli megtekintése
Felugró ablak megtekintése

A szűrés résztvevőinek jellemzői

Az SCFA-k székletkoncentrációi nem különböztek a három kiegészítési periódust követően (1A. Ábra), azonban a propionát moláris százaléka szignifikánsan magasabb volt az IPE-kiegészítést követően a cellulózhoz képest (27,9 ± 2,6 vs 21,0% ± 2,0%, p = 0,019; 2B ábra ). Az éhomi vagy étkezés utáni vérben az SCFA-k teljes vagy moláris százalékában nem volt különbség a kiegészítési periódusok között (1C, D ábra; online 2. kiegészítő táblázat).

(A) Homeosztatikus modell értékelése 2-inzulinrezisztencia (HOMA2-IR), (B) Matsuda inzulinérzékenységi index (ISI), (C) zsírszöveti inzulinrezisztencia (AT-IR) és (D) éhomi inzulin 42 napos cellulóz után, inulin és inulin-propionát-észter (IPE) kiegészítés. Minden egyes szimbólum egy önkéntest képvisel, a vonalak pedig az átlagot ± SEM (n = 12). * A P1H NMR spektroszkópiát éhomi plazma mintákon végeztük, és modelleztük a cellulóz, inulin és IPE vizsgálatok adatsorát, ahol az éhomi inzulin értékeket használtuk Y-ként egy kísérleti modell elkészítéséhez (2. táblázat). Ez az elemzés azonosította azokat a gyakori metabolitokat, amelyek mind a három kiegészítési periódus után pozitívan (valin és arginin) és negatívan (nagy sűrűségű lipoproteinek és telítetlen lipidek) társultak az éhomi inzulinhoz. A glutamin negatívan társult az éhgyomri inzulinhoz mind az inulin, mind az IPE pótlása után, de a cellulóz nem, míg a tirozin (pozitív) és a glicin (negatív) csak az inulin inzulin kiegészítést követő éhomi inzulinhoz kapcsolódott. Az N-acetil-glikoproteinek csak pozitívan társultak az éhomi inzulinnal a cellulóz kiegészítés után.

Az éhomi plazmában megfigyelt metabolitok, amelyek jelentősen összefüggésben voltak az éhomi inzulinnal 42 napos cellulóz, inulin és inulin-propionát-észter (IPE) kiegészítést követően

A résztvevőktől a három kiegészítési periódust követően kapott PBMC-ket immunfenotipizáló antitest panelrel (online 6. kiegészítő táblázat) festettük a multiparaméteres áramlási citometriához a limfocita részhalmazok lehetséges modulációjának vizsgálatához (3A – F ábra). A periféria CD4 + T-sejtjei között a Treg átlagos aránya növekedett inulin és IPE kiegészítéssel a cellulózhoz képest, bár ez nem érte el a szignifikanciát (p = 0,104; 3A. Ábra). Ezenkívül nem volt különbség a perifériás Th17 sejtek arányában (p = 0,179; 3B. Ábra), a Treg: Th17 sejtek arányában (p = 0,758; 3C ábra) vagy a CD19 + B sejtek arányában (3D ábra, p = 0,920) a kiegészítő időszakok között. Figyelembe véve az SCFA-kiegészítésnek a T-sejtek működésének modulálásában rejlő lehetőségeit, megvizsgáltuk a T-sejt effektor visszahívási válaszait az antigénekre a citomegalovírus/Epstein-Barr vírus/influenza (CEF) vírus peptidkészlet és egy rekombináns Pseudomonas antigén, OprF felhasználásával. Nem voltak különbségek a T-sejtek válaszában a CEF vagy OprF stimulációra a kiegészítési periódusok között (3E, F ábra).

(A) A CD4 + Treg és (B) Th17 sejtek aránya, (C) A Treg: Th17 aránya, (D) a CD19 + B sejtek aránya, (E) gamma interferon (IFNγ) T sejt foltképző sejt válasz a citomegalovírus/Epstein-Barr vírus/influenza (CMV/EBV/influenza [CEF]) peptidkészletre és (F) IFNγ T-sejtfolt, amely 42 napos cellulóz, inulin után a Pseudomonas aeruginosa antigén (OprF) sejtválaszát képezi. és inulin-propionát-észter (IPE) kiegészítés. Minden egyes szimbólum egy önkéntest képvisel, a vonalak pedig az átlagot ± SEM (n = 12). Az (A) és (E) elemzéseket ismételt varianciaanalízissel (ANOVA) elemeztük. A (B), (C), (D) és (F) elemzéseket Friedman-teszttel elemeztük. sfc, foltképző sejt.

A három kiegészítési periódust követő gyulladásos és immunmarkerek különbségeit az online 7. kiegészítő táblázat mutatja be. Az IL-17 és a TNF-α nem szerepel, mivel csak három önkéntesnek volt kimutatható értéke ezekre az analitokra. Az IPE-kiegészítés szignifikánsan megemelte az IgG-szintet a cellulóz-kiegészítéshez képest (10,29 ± 0,45 vs 9,89 ± 0,38 g/L, p = 0,002; 4A. Ábra). Ezenkívül az IPE-kiegészítés szignifikánsan csökkentette az IL-8 szintet (4B. Ábra) a cellulóz-kiegészítéshez képest (5,86 ± 0,59 vs 8,69 ± 1,74 pg/ml, p = 0,041), az IPE és az inulin-kiegészítés értékei közötti különbség figyelhető meg 5,86 ± 0,59 vs 8,05 ± 1,36 pg/ml; p = 0,050). Az in vitro elemzés (4C. Ábra) azt állapította meg, hogy nátrium-propionáttal tenyésztett egészséges humán PBMC-k lényegesen kevesebb IL-8-t választanak ki, mind a nátrium-kloridhoz (p = 0,021), mind a nátrium-acetáthoz (p = 0,040) képest.

(A) IgG és (B) IL-8 az éhomi szérumban 42 napos cellulóz, inulin és inulin-propionát-észter (IPE) kiegészítést követően. Minden egyes szimbólum egy önkéntest képvisel, a vonalak pedig az átlagot ± SEM (n = 12). (C) IL-8 felszabadulás 12 egészséges önkéntestől izolált perifériás vér mononukleáris sejtekből (PBMC), 48 órán át tenyésztve 4 mM nátrium-kloriddal, 4 mM nátrium-acetáttal és 4 mM nátrium-propionáttal. Az IL-8 változásának meghatározása céljából a kezelt mintákból kivontuk az IL-8 koncentrációját, amelyet csak táptalajjal tenyésztettünk. Átlag ± SEM (n = 12). * P 6 óra) a fermentálható szubsztrátumok hozzáadásával a vizsgálati étkezéshez szükséges lehetett az SCFA-k perifériás keringési szintjeiben mutatkozó különbségek és azok lehetséges hatásainak megfigyelésére a bél PYY és GLP-1 felszabadulására. 48 Úgy döntöttünk, hogy nem adjuk hozzá a rostot kiegészítéseket a vizsgálati étkezéshez, így az étkezés utáni anyagcserére gyakorolt bármilyen megfigyelt hatás független volt az emésztés és az abszorpció esetleges akut változásaitól, amelyeket az egyes rost-kiegészítők fiziokémiai tulajdonságai okoztak.

Összefoglalva, a túlsúlyos és elhízott felnőttek kohorszában mind az inulin, mind az IPE-kiegészítés javította az inzulinrezisztencia mértékét a cellulózhoz viszonyítva, azonban az IPE és az inulin között nem volt szignifikáns különbség. A metabolikus egészségi állapotnak ez a hasonló javulása ellenére az IPE-kiegészítés a bélbaktériumok fajaira, a szisztémás gyulladás és az immunfunkció markereire külön hatást gyakorolt, összehasonlítva a kizárólag az inulin kiegészítésével megfigyeltekkel. Összességében a jelen tanulmány azt sugallja, hogy az élelmi rost vastagbél fermentációs profiljának manipulálása a propionát javára elősegíti a metabolikus rendellenességet elősegítő mechanizmusok szelektív hatásait. Érdekes lenne megállapítani az acetát és a butirát vastagbélbe juttatásának egyéni hatásait, mivel a jövőben ez támogatná az erjedhető szénhidrátok kifejlesztését, amelyek specifikus SCFA-profilt biztosítanak az anyagcsere-egészség és a glükóz homeosztázis javítása érdekében.