Це клітковина, а не жир: значний вплив дієтичних проблем на мікробіом кишечника

Анотація

Передумови

Дієтичний вплив на мікробіом кишечника відіграє ключову роль у патофізіології запальних розладів, метаболічного синдрому, ожиріння та порушення поведінки. У таких дослідженнях часто ігнорується думка, що експериментальні дієти значно різняться за пропорцією та джерелом харчових волокон. Зазвичай проводиться порівняння лікування між тваринами, які харчуються придбаним рафінованим раціоном, у якому відсутня розчинна клітковина, та тваринами, які харчуються стандартною дієтичною чау-дієтою, передбаченою віварієм, яка містить багате джерело розчинної клітковини. Незважаючи на добре встановлену критичну роль розчинної клітковини як джерела утворення коротколанцюгових жирних кислот через мікробіом кишечника, ступінь, до якого вимірювані результати визначаються різницею в харчових волокнах, незрозумілий. Крім того, взаємодія між статтю та віком у відповідь на перехід до дієти, ймовірно, важлива, і її також слід враховувати.

Результати

Ми порівняли вплив переходу молодих дорослих та однорічних мишей чоловічої та жіночої статі з їхньої стандартної дієти чау на вишукану дієту з низьким розчином клітковини на склад спільноти мікробіоти кишечника. Потім, щоб визначити внесок харчового жиру, ми також вивчили вплив переходу підмножини тварин з рафінованої нежирної їжі на рафіновану з високим вмістом жиру. Ми використовували послідовну стратегію відбору проб у поєднанні з секвенуванням генів-маркерів 16S рРНК для вивчення наслідків періодичного переключення дієти на динаміку спільноти мікробіоти кишечника. Аналіз показав, що перехід від дієти чау до вишуканої дієти, в якій відсутня розчинна клітковина, зумовив більшість відмінностей у структурі, різноманітності та складі спільнот у всіх групах. Цей дієтичний перехід характеризувався втратою таксонів у межах типу Bacteroidetes та розширенням клостридій та протеобактерій в залежності від статі та віку. Найголовніше, що ніяких змін у структурі та складі мікробіоти кишечника не спостерігалось між мишами, які споживали або рафіновану дієту з низьким вмістом жиру, або з високим вмістом жиру, що свідчить про те, що перехід на рафіновану дієту, в якій не вистачає розчинної клітковини, є основним фактором змін мікробіоти кишечника, з обмеженими додатковими вплив харчових жирів на мікробіоти кишечника.

Висновок

У сукупності наші результати показують, що вибір контрольної дієти має значний вплив на результати та інтерпретацію, пов’язані з впливом дієти на мікробіоти кишечника. Оскільки зменшення розчинної клітковини може впливати на синтез мікробних метаболітів, важливих для регулювання метаболічних, імунних, поведінкових та нейробіологічних результатів, зараз необхідні додаткові дослідження, щоб повністю визначити внесок жиру та клітковини в мікробіом кишечника.

Відео абстракція.

Передумови

Результати

Вишукана дієта сприяє змінам ваги в залежності від статі та віку

Порівняння тижневої ваги тіла за ці визначені періоди дієтичних переходів виявило значні вікові та статеві ефекти. Порівняння між молодими дорослими самками виявило основний ефект часу, відсутність основного ефекту дієти та значну взаємодію часу та дієти (Р. М. АНОВА, основний ефект часу, F5, 110 = 15,39, P 2 = 0,614, P 2 = 0,074, P = 0,132), що вказує на те, що перехід самок мишей з раціону з достатнім рівнем розчинної клітковини (чау) на дієту, у якій відсутня розчинна клітковина, затьмарює вплив харчового жиру на структуру мікробіоти калу (рис. 2б). Мікробне різноманіття було суттєво змінено в деяких (індекс різноманітності Шеннона), але не в інших (спостерігається кількість видів) індексів альфа-різноманітності у молодих дорослих та вікових самок (кількість спостережуваних видів, Крускал-Уолліс, H = 9,45, P = 0,22; Індекс різноманітності Шеннона, Крускал-Уолліс, H = 26,647, P = 0,00038) (рис. 2в, г). Значні зміни в індексі різноманітності Шеннона були обумовлені переходом від чау до rLFD, і ніяких додаткових відмінностей між rLFD та rHFD тваринами не виявлено.

Послідовно, порівняння спільноти мікробіоти фекальних кишок між чау та вишуканою дієтою у молодих дорослих та 1-річних жінок виявило значні зміни у складі спільноти (рис. 2д). Таким чином, щоб визначити, чи впливають дієтичні перемикачі на склад мікробіоти калу у молодих дорослих та літніх самок мишей, ми застосували метод лінійного дискримінантного ефекту аналізу розміру (LEfSe) для диференціального аналізу чисельності та використали відхилення швидкості помилкового виявлення (FDR) q 0,05) (рис. 2f, додатковий файл 2: таблиця S1).

Виходячи з нашого спостереження, що жінки у віці rHFD значно набирають більше маси тіла, ніж жінки у віці rLFD, ми далі вивчали, чи пов'язана стійкість до збільшення маси тіла у молодих дорослих жінок та сприйнятливість до збільшення ваги у жінок у віці до змін у складі мікробіоти кишечника. Аналіз диференціальної чисельності виявив, що у жінок у віці rHFD зростає кількість Біфідобактерії відносно молодих дорослих жінок rHFD (FDR q = 0,0167). Інших відмінностей у складі мікробіоти кишок у самок не виявлено.

Характерні для чоловіка зміни мікробіоти калу не залежать від харчового жиру

Подібно до закономірностей, що спостерігаються у самок, структура спільноти калових мікробіоти суттєво відрізняється між молодими дорослими та літніми чоловіками після переходу від чау до rLFD (ПЕРМАНОВА, F = 26,577, р 2 = 0,617, P 2 = 0,054, P = 0,261) (рис. 3а, б). Різноманітність мікробів суттєво відрізнялася між дорослими і молодими самцями (кількість спостережуваних видів, Крускал-Валліс, H = 17,32, P = 0,015; Індекс різноманітності Шеннона, Крускал-Уолліс, H = 26,943, P = 0,00034) (рис. 3в, г). Для обох індексів альфа-різноманітності значні зміни були зумовлені переходом від чау до rLFD, і ніяких додаткових відмінностей між rLFD та rHFD тваринами не виявлено.

Відповідно до змін у структурі спільноти та різноманітності, мікрофлора калу між чау та вишуканими дієтами виявила значне ремоделювання (рис. 2д). Аналіз диференціальної чисельності, проведений LEfSe, виявив 32 таксони, які відрізнялись між самцями чау та рафінованими дієтами. Перехід від чау до rLFD призвів до значного зменшення таксонів у межах типу Bacteroidetes, включаючи Prevotellaceae та Lachnospiraceae, і таксонів у складі Firmicutes, у т.ч. Butyricicoccus (FDR 0,05) (рис. 2e, додатковий файл 3: таблиця S2). Інших відмінностей у складі мікробіоти кишечника у чоловіків не виявлено. У сукупності ці результати демонструють, що видалення розчинної клітковини є важливим фактором змін мікробіоти кишечника, тоді як різні пропорції харчового жиру можуть посилити ці зміни.

Секс-специфічний вплив на склад мікробіоти кишечника після переходу на вишукані дієти

З огляду на значну взаємодію між статтю, віком та харчуванням щодо структури та складу мікробіоти кишечника, ми далі дослідили, чи відрізняється склад мікробіоти кишечника між чоловіками та жінками внаслідок дієтичних змін. Додатковий аналіз показав, що чоловіки та жінки мали 27 таксонів, яких було багато в різному обсязі після переходу на рафінований раціон (FDR)

Обговорення

Щоб визначити внесок розчинної клітковини та харчових жирів у метаболізм всього тіла, вимірювання маси тіла проводили у молодих мишей дорослих та однорічних чоловіків та жінок під час споживання чау та вишуканих дієт. Через 4 тижні молоді дорослі самки мишей демонстрували стійкість до збільшення ваги до rHFD, що узгоджується з попередніми звітами [34,35,36]. І навпаки, жінки у віці, яких годували rHFD, демонстрували швидкий приріст маси тіла порівняно з жінками у віці, які годували rLFD. Вікова вразливість до індукованого дієтою збільшення маси тіла у жінок може бути пов'язана зі змінами естрогенів, пов'язаними зі старінням. Показано, що циркулюючі естрогени захищають від ожиріння, спричиненого дієтою, сприяючи толерантності до глюкози та резистентності до інсуліну, а також безпосередньому пригніченню прозапальних цитокінів, що стимулюються споживанням дієти з високим вмістом жиру [35,36,37] . Зниження кількості циркулюючих естрогенів за допомогою оваріектомії різко збільшує ризик ожиріння та розладів метаболізму, спричинених дієтою, у мишей та жінок у період менопаузи, забезпечуючи можливе пояснення збільшення ваги у жінок похилого віку, спричиненого rHFD [20].

Навпаки, молоді чоловіки дорослого віку та однорічного віку продемонстрували значний приріст маси тіла, який не залежав від вишуканої дієти. Значне збільшення маси тіла у молодих дорослих та літніх чоловіків, яких годують або rLFD, або rHFD, може свідчити про те, що інші компоненти рафінованої дієти сприяють збільшенню маси тіла, яка не залежить від харчових жирів [8, 17, 29]. Відповідно до наших спостережень, раніше повідомлялося про збільшення маси тіла та ожиріння, втрату кишкової маси та зниження доступності коротколанцюгових жирних кислот у молодих дорослих мишей чоловічої статі, котрі годували rLFD, порівняно з самцями, які годувались дієтою [8, 29]. У сукупності ці результати дозволяють припустити, що нестача розчинної клітковини та різних пропорцій харчового жиру суттєво впливає на масу тіла в залежності від віку та статі, а також надалі підкреслюють важливість відповідного вдосконаленого контролю дієти для ожиріння, спричиненого дієтою. дослідження, що оцінюють результати метаболізму.

Висновок

У сукупності наші результати підкреслюють, що вибір контрольної дієти для експериментів із метаболічними захворюваннями, спричиненими дієтою, може вплинути на інтерпретації, пов’язані з роллю мікробіоти кишечника в експериментальних показаннях. Ці дані також мають широке значення для досліджень на гризунах, які проводять порівняння між рафінованими дієтами з високим вмістом жиру/низькорозчинною клітковиною та дієтами чау для вивчення впливу дієтичного жиру на метаболічні, імунні, поведінкові та нейробіологічні результати. Просуваючись вперед, буде представляти великий інтерес вивчити механізми, що лежать в основі статевих відмінностей розчинної клітковини в метаболізмі всього організму, та визначити, чи впливають композиційно поєднані клітковина та жир на обмін речовин, імунітет та нервові ланцюги, які контролюють харчову поведінку та енергетичний гомеостаз.

Методи

Тварини

Самці та самки мишей, що використовувались у цьому дослідженні, були отримані із власного змішаного штаму C57Bl/6: 129. Мишей розміщували в 12-годинному циклі світло-темно. Харчування (LabDiet 5001) та вода забезпечувались за бажанням. Мишей утримували у групі після відлучення від грудей у постнатальний день 28. Для когорти молодих дорослих середній вік на початку дослідження був 17 тижнів. Середній вік когорти становив 60 тижнів.

Експериментальний дизайн

Вилучення ДНК

Геномну ДНК із зразків калу виділяли за допомогою набору Stratec PSP Spin Stool DNA Plus, використовуючи протокол, що важко лізує бактерії від виробника (STRATEC Molecular GmbH, Берлін, Німеччина). Кожен зразок ДНК елюювали в 100 мкл елюційного буфера, наданого набором Stratec PSP Spin Stool DNA Plus.

Обробка та аналіз даних послідовності генів маркера рРНК Illumina MiSeq 16S

Наявність даних та матеріалів

Для аналізу, обговореного в цьому рукописі, не використовувався спеціальний код чи програмне забезпечення. Метадані та таксономічні класифікації наведені в додатковому файлі 4: Таблиця S3.