Динаміка мікробіоти кишечника людини та коротколанцюгових жирних кислот у відповідь на дієтичні втручання трьома ферментованими волокнами

АНОТАЦІЯ

Виробництво коротколанцюгових жирних кислот (SCFA), особливо бутирату, в мікробіомі кишечника необхідне для оптимального здоров'я, але часто обмежується відсутністю ферментованої клітковини в раціоні. Ми спробували збільшити виробництво бутирату, доповнивши дієти 174 здорових молодих людей протягом 2 тижнів стійким крохмалем із картоплі (RPS), стійким крохмалем з кукурудзи (RMS), інуліном з кореня цикорію або доступним контролем кукурудзяного крохмалю. RPS призвів до найбільшого збільшення загальної кількості SCFA, включаючи бутират. Хоча більшість мікробіомів реагували на RPS збільшенням відносної чисельності біфідобактерій, ті, хто відповів збільшенням Ruminococcus bromii або Clostridium chartatabidum, з більшою ймовірністю давали більш високі концентрації бутирату, особливо коли їх мікробіоти були заповнені популяціями бутиратів отримуючи вид Eubacterium прямокутний. Ефективна ефективність та інулін викликали різні зміни у фекальних спільнотах, але вони не призвели до значного збільшення рівня бутиратів у фекаліях.

ЗНАЧЕННЯ Ці результати показують, що не всі зброджувані волокна однаково здатні стимулювати вироблення SCFA, і вони підкреслюють важливість складу мікробіоти окремої людини у визначенні того, реагують вони на певну дієтичну добавку чи ні. Зокрема, R. bromii або C. chartatabidum можуть знадобитися для посиленого виробництва бутирату у відповідь на RS. Біфідобактерії, хоч і володіють здатністю розкладати РС та інулін, можуть не сприяти бутирогенному ефекту цих ферментованих волокон в короткостроковій перспективі.

ВСТУП

Коротколанцюгові жирні кислоти (СКЖК) є основними кінцевими продуктами бактеріального бродіння в товстій кишці людини і, як відомо, мають широкий вплив на фізіологію господаря. Бутират, зокрема, важливий для підтримання здоров'я за допомогою регуляції імунної системи (1), підтримки епітеліального бар'єру (2, 3) та сприяння насиченню після прийому їжі (4). Він може захищати від кількох захворювань, включаючи колоректальний рак (5), запальні захворювання кишечника (6), хворобу трансплантат проти господаря (7), діабет (8) та ожиріння (8, 9). Тому стимулювання вироблення бутиратів мікробіомом товстої кишки може бути корисним для підтримки здоров’я та лікування захворювань.

Розуміння бутирогенного ефекту цих добавок та конкретних кишкових бактерій є важливим для розробки більш широко ефективної терапії та прогнозування того, які особи можуть скористатися ними. Більш загально, визначення метаболічних взаємодій між мікробами кишечника покращує наше розуміння збірки, підтримання та виходу з мікробіома кишечника.

Запропонована модель метаболітів та мікробів, які каталізують потік вуглецю від стійких полісахаридів до бутирату. Існують культивовані штами мікробіому кишечника, які мають метаболічну активність, запропоновану для перелічених видів.

Ці відомі деградери та виробники бутиратів були призначені для оцінки в цьому дієтичному втручанні, але ми також проаналізували всю спільноту калових бактерій, щоб виявити будь-які організми, які раніше не були пов'язані з метаболізмом цих ферментованих волокон. Ми спробували вирішити чотири основні проблеми.

Чи стимулюють три стійкі полісахариди вироблення бутирату в цій популяції здорових молодих людей? Якщо так, чи мають вони подібний вплив на виробництво бутиратів?

Які бактерії кишечника реагують на ці харчові добавки, збільшуючи відносну кількість? Чи можемо ми визначити будь-які види, які несподівано постраждали? Чи однакові бактерії впливають на всі три добавки?

Чи можемо ми знайти будь-які докази селективності або в субстратах, що використовуються первинними деградаторами, або у виробників бутиратів, яких вони схрещують з кормами?

Чи пояснюють зміни у відносній кількості первинних деградаторів та виробників бутиратів різницю в концентраціях бутиратів у людей?

РЕЗУЛЬТАТИ

Вплив на коротколанцюгові жирні кислоти. Спочатку ми дослідили вплив кожної добавки на концентрацію SCFA у калі. І RPS, і інулін суттєво збільшували загальні концентрації SCFA на 32% та 12% відповідно (обидва P Переглянути цю таблицю:

Переглянути вбудований
Переглянути спливаюче вікно

Концентрація SCFA в калі до та під час дієтичних добавок a

Найбільш уражені бактеріальні популяції. Послідовності, які найбільше змінилися, були ідентифіковані за співвідношенням їх відносної чисельності під час добавки до їх відносної кількості перед добавкою (рис. 2). Більшість послідовностей, які значно збільшились у відносному достатку, були від видів, які вже відомі, що розкладають стійкі полісахариди. RPS збільшив відносну чисельність послідовностей B. faecale/adolescentis/stercoris у 6,5 разів (P Anaerostipes hadrus (рис. 2; див. Також таблицю S1C у додатковому матеріалі). Жодна популяція бактерій суттєво не змінилася у відповідь на доступну добавку крохмалю (рис. . 2; також див. Таблицю S1D у додатковому матеріалі).

ТАБЛИЦЯ S1

Цей вміст розповсюджується на умовах ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International.

Середні кратні зміни відносного ряду послідовностей, що представляють вибрані первинні (1 °) деградатори стійких полісахаридів та вторинні (2 °) бутиратні ферментатори у відповідь на дієтичні добавки (*, P Clostridium chartatabidum. Обидва вважаються первинними деградаторами (пунктирна дужка) ) на основі динаміки їх реакції на дієтичні добавки. Графіка вправо показує середню відносну чисельність кожного виду до добавок клітковини.

Пари мікробів, які послідовно реагували позитивно (червоний) або негативно (синій) на дієтичні добавки. Співвідношення між змінами в чисельності первинних деградерів та виробників бутирату розраховувались за допомогою комбінованого набору даних, що включає відповіді на всі добавки.

Позитивна залежність між концентрацією бутирату в калі та відносною кількістю послідовностей, що характеризуються як E. прямокутник як до, так і під час дієтичного вживання з RPS.

ОБГОВОРЕННЯ

Споживання RPS призвело до збільшення середньої концентрації бутирату калу (табл. 1). Ні інулін, ні середньоквадратична ефективність не призвели до значних змін у бутираті. Важливим застереженням є те, що кількість споживаного стійкого до амілози полісахариду не було рівним у всіх групах лікування. Групи інуліну та Hi-кукурудзи споживали приблизно 20 та 20 - 24 г відповідно, тоді як група RPS - приблизно 28 - 34 г. Однак, за попередніми даними, розбіжність недостатня для пояснення відсутності бутирогенного ефекту від інуліну та Hi-кукурудзи. У пілотному дослідженні ми спостерігали значне збільшення фекального бутирату у осіб, які споживають половину дози RPS (загальна кількість 24 г, стійкість від 14 до 17 г; дані не наведені). Бутирогенна реакція на RPS, здається, зумовлена природою добавки, а не лише кількістю РС, яку вона містить. Отже, відповідь на наше перше дослідницьке запитання полягає в тому, що добавки з клітковиною не однаково ефективно стимулюють рівень цього метаболіту, що сприяє здоров’ю.

Особи, які споживають середньоквадратичну ефективність, не відповіли збільшенням кількості ряду B. faecale/adolescentis/stercoris. З цим доповненням, як і в попередніх дослідженнях (36), збільшення послідовностей, пов'язаних з R. bromii, було найпоширенішою реакцією (рис. 2). На відміну від RPS-індукованого збільшення R. bromii, збільшення R. bromii на RMS не було пов’язане зі значним збільшенням фекального бутирату. Відсутність бутирогенної реакції на середньоквадратичну ефективність була несподіваною, оскільки добавка призвела до збільшення фекального бутирату на моделях тварин, хоча протягом 4 тижнів (12). Ми припускаємо, що кристалічні структури стійких крохмалів двох рослин відрізняються, оскільки RPS фосфорилюється (один раз на 200 залишків глікозилу [38]). Тому вони можуть погіршуватися з різною ефективністю або різними штамами. Отже, може знадобитися більше часу для розвитку взаємодій із перехресним годуванням із середньоквадратичної сили, які породжують помітні відмінності в фекальному бутираті.

Таким чином, ми спостерігали, що всі ферментовані добавки клітковини, які ми тестували, збільшували відносну кількість ряду членів калової мікробіоти. Більшість уражених послідовностей пов'язані з відомими деградаторами стійких полісахаридів або виробниками бутирату, але ми виявили два твердих речовини, які раніше не були пов'язані з добавками клітковини. Організми, що реагували, залежали як від людини, так і від добавки (питання дослідження 2).

Для підвищення ефективності таких дієтичних добавок може знадобитися їх персоналізація відповідно до мікробіоти кишечника людини (41). Наявність R. bromii або пов'язаного з C. chartatabidum організму свідчить про те, чи може мікробіом кишечника давати підвищені концентрації бутирату після короткочасного (2-тижневого) введення РПС (питання дослідження 4). Особи без R. bromii в мікробіомі кишечника можуть отримати користь від пробіотичних добавок з R. bromii для збільшення ймовірності бутирогенної відповіді на RPS. Також може бути синергетичний ефект поєднання RPS як з R. bromii, так і з E. прямокутником, щоб максимізувати бутирогенний ефект добавки. Навпаки, мікробіоми з високим рівнем біфідобактерій рідше збільшують вироблення бутирату у відповідь на RPS (або інулін), принаймні в короткостроковій перспективі. У цих мікробіомах може знадобитися інша добавка або комбінація добавок, або може знадобитися більш тривалий проміжок часу, щоб мікробіом реагував на добавку. Такі міркування необхідні при спробі здійснити певну зміну в дуже мінливих структурах кишкових спільнот людини.

МАТЕРІАЛИ І МЕТОДИ

Учасники дослідження. Учасники дослідження були набрані через Секції автентичних досліджень вступного курсу лабораторії біології в Університеті Мічигану (BIO173). Особи з анамнезом запального синдрому кишечника, запального захворювання кишечника або раком прямої кишки були виключені з дослідження, як і особи, які приймали антибіотики протягом останніх 6 місяців. Застосування до або пробіотиків не було критерієм виключення для дослідження, а також кількість споживаної клітковини вже було спожито. Усі учасники дали письмову, інформовану згоду до участі у дослідженні. Учасники віком до 18 років отримали дозвіл від батьків або законного опікуна. Учасники мали вік від 17 до 29 років із середнім віком 19 років. Це дослідження було схвалено Інституційною комісією з огляду медичної школи Університету Мічигану (HUM00094242 та HUM00118951) та проведено відповідно до Гельсінської декларації.

Учасники були випадковим чином розподілені до навчальних груп. Протягом першого семестру учасники були засліплені доповненням, яке вони приймали; у подальших дослідженнях їм було повідомлено про його особу. Дослідники, які аналізували зразки, завжди були засліплені добавкою, пов’язаною із зразками. Деякі учасники були виключені з аналізу, оскільки менше або три зразки були зібрані або успішно проаналізовані до або під час дієтичних добавок.

Вивчати дизайн. Це повторне інтервенційне дослідження проводилось протягом чотирьох окремих навчальних семестрів з осені 2015 року до весни 2017 року. Це було паралельне проектування з різними, але подібними групами, які приймали експериментальні або контрольні добавки. Повторені вихідні дані були зібрані для кожної людини протягом першого тижня кожного дослідження. Кожен учасник збирав три або чотири зразки калу в окремі дні протягом цього періоду. Протягом другого тижня учасники пройшли 4-7-денну перехідну фазу, яка починалася із споживання половинної дози добавки перед тим, як приймати повну дозу. Протягом перехідної фази не було зібрано зразків калу. На третьому тижні дослідження учасники продовжували приймати повну дозу призначеної їм добавки, поки не зібрали три чи чотири зразки калу в окремі дні.

Збір калу. Зразки калу були зібрані учасниками, як описано раніше (10). Учасники зібрали близько половини грама фекального матеріалу в набір для збору OMNIgene-Gut (DNA Genotek), дотримуючись інструкцій виробника. Збірні пробірки переносили в морозильну камеру на -20 ° C протягом 24 годин після збору та зберігали при -20 ° C до розморожування для вилучення ДНК та метаболітів. Збірні пробірки зважували до та після забору калу, щоб визначити вагу зібраного фекального матеріалу.

Секвенування генів 16S рРНК. ДНК витягували з 250 мкл фекальної суспензії за допомогою 96-лункового набору для ізоляції ДНК MagAttract PowerMicrobiome (Qiagen) та систем обробки рідини EpMotion (Eppendorf). Область V4 бактеріального гена 16S рРНК ампліфікували та секвенували, як описано раніше, використовуючи набори парних кінців 2 × 250 bp на платформі секвенування Illumina MiSeq (43). Зразки розподілялись випадковим чином для різних циклів кожного семестру, разом із вісьмома окремими секвенуваннями ДНК. Послідовності курували за допомогою програмного пакету mothur, як описано раніше (43, 44). Коротко, парні зчитування були об'єднані в контиги, перевірені на помилки послідовності та вирівняні до довідкової бази даних про бактеріальні SSU SILVA. Вирівняні послідовності перевіряли на химери та класифікували за допомогою бази даних проекту Ribosomal Database Project. Видалено послідовності, класифіковані як мітохондрії, хлоропласти або археї. Цікаві послідовності були додатково ідентифіковані за допомогою BLAST для вирівнювання до бази даних послідовностей генів 16S рРНК. Якщо не вказано інше, позначення видів вказують на 100% ідентичність окремого виду в базі даних. Кількість послідовностей на вибірку було збільшено до 3000, щоб запобігти упередженням від нерівномірної вибірки.

Наявність даних. Зчитування та метадані послідовності послідовностей, включаючи концентрації SCFA, доступні через Архів короткого читання NCBI під номером приєднання SRP128128.

ПОДЯКИ

Це дослідження було підтримано грантами від компанії Procter and Gamble, Медичного інституту Говарда Хьюза (52008119) та Ініціативи з прийому мікробіомів в Університеті Мічигану.

Ми заявляємо, що не маємо конкуруючих інтересів.

Ми дякуємо студентам Біології 173, які брали участь у цьому дослідженні, та Лабораторії молекулярної біології Університету Мічигану за проведення підготовки та секвенування бібліотеки генів 16S рРНК.

СНОПКИ

Отримано 3 грудня 2018 року
Прийнято 6 грудня 2018 року
Опубліковано 29 січня 2019 р

Це стаття з відкритим доступом, що поширюється на умовах ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International.