Дослідження енергетичного балансу виявляють зв’язок між мікробами кишечника, калорійністю та поглинанням поживних речовин у людей 1, 2, 3

Пов’язані дані

Анотація

Передумови: Дослідження на мишах показують, що мікробіом кишечника впливає на обидві сторони рівняння енергетичного балансу, сприяючи засвоєнню поживних речовин та регулюючи гени господаря, які впливають на ожиріння. Однак залишається невизначеним, наскільки мікробіота кишечника є важливим регулятором поглинання поживних речовин у людини.

Завдання: Використовуючи ретельно відстежувану когорту стаціонарних досліджень, ми перевірили, як впливає на структуру бактеріального співтовариства кишечника зміна навантаження поживних речовин у худорлявих та ожирілих особин та чи пов'язана їх мікробіота з ефективністю врожаю дієтичної енергії.

Дизайн: Ми досліджували динамічні зміни мікробіоти кишечника під час дієт, що змінювались за калорійністю (2400 порівняно з 3400 ккал/добу), шляхом піросеквенції бактеріальних 16S рибосомних РНК (рРНК) генів, присутніх у фекаліях 12 худорлявих та 9 осіб із ожирінням, а також шляхом вимірювання кількості всередину та калу калорій із застосуванням бомбової калориметрії.

Результати: Зміна навантаження поживними речовинами спричинила швидкі зміни мікробіоти кишечника. Ці зміни безпосередньо корелювали із втратами енергії стільця у худорлявих особин, так що збільшення Firmicutes на 20% та відповідне зменшення Bacteroidetes були пов’язані із збільшенням врожаю енергії на ≈150 ккал. Високий ступінь перегодовування у худорлявих особин супроводжувався більшим дробовим зменшенням втрат енергії стільця.

Висновки: Ці результати показують, що навантаження поживними речовинами є ключовою змінною, яка може впливати на структуру бактеріального співтовариства кишечника (калу) протягом короткого часу. Крім того, спостережувані асоціації між мікробами кишечника та поглинанням поживних речовин вказують на можливу роль мікробіоти кишечника людини в регулюванні врожаю поживних речовин. Це випробування було зареєстровано за адресою clinictrials.gov як> NCT00414063.

Дивіться відповідну статтю на сторінці 1.

ВСТУП

Зміна рівняння енергетичного балансу, яке визначається рівновагою споживання та витрати енергії (1–5), призводить до збільшення ваги. Одним з менш детально вивчених компонентів рівняння енергетичного балансу є втрати енергії у стільці та сечі. Попередні дослідження здорових дорослих показали, що ≈5% споживаних калорій втрачається в калі та сечі (6). Особи, які споживають дієти з високим вмістом клітковини, мають більші втрати енергії калу, ніж особи, які споживають дієти з низьким вмістом клітковини з еквівалентним вмістом енергії (7, 8). Вебб та Енніс (9) досліджували втрати енергії стільця у 4 худорлявих та 4 осіб із ожирінням та продемонстрували тенденцію до зниження виведення калових енергій у людей із ожирінням порівняно з худими учасниками дослідження.

Недавні дані про людей показали кореляцію між ожирінням та структурою мікрофлори кишечника (17, 18) та великою кількістю генів у мікробіомі, що беруть участь у переробці компонентів раціону (19). Порівнянні результати були отримані в ході досліджень невеликої когорти осіб, досліджених до і після шлункового шунтування (20), тоді як взаємні зміни (збільшення Bacteroidetes і зменшення Firmicutes) були задокументовані зі зниженням ваги (17, 21, 22). Взаємозв'язок між структурою мікробної спільноти, харчовим навантаженням поживними речовинами та ожирінням господаря має бути додатково досліджений у людей. Тому ми провели стаціонарне дослідження, щоб ретельно виміряти споживання та втрату енергії у худорлявих та ожирілих осіб, оскільки вони протягом коротких проміжків часу споживали 2 калорійні дієти, одночасно контролюючи структуру мікробної спільноти за допомогою незалежних від культури метагеномних методів.

ПРЕДМЕТИ І МЕТОДИ

Дослідження волонтерів

Дванадцять худих [індекс маси тіла (в кг/м 2)> 18,5 і Фігура 1 ), що означало, що ми мали виражати втрату калорій як відсоток від споживаних калорій. Усі дієти мали подібний профіль макроелементів (24% білка, 16% жиру та 60% вуглеводів) та вміст клітковини (див. Додаткові таблиці S1 – S6 під “Додаткові дані” в Інтернет-випуску, щоб отримати повний перелік продуктів харчування та макроелементів, що вживаються щодня. профілі експериментальних дієт). Нерассасывающийся маркер барвника (FD&C синій) був використаний для визначення початку та кінця періоду дієти 2400- або 3400-ккал/д (див. Збір, зберігання та підготовка зразків). Потім енергетичний вміст зразків стільця та сечі аналізували за допомогою бомбової калориметрії. Випорожнення для незалежних від культури метагеномних досліджень мікробіоти збирали та зберігали при -70 ° C; зразки були отримані на 2 день прийому та максимально наближені до середини кожної дієти.

Середній (± SD) вміст енергії в їжі: маркування продукту порівняно з калориметрією бомб. Відкриті графи відображають калорії їжі, як показано на етикетці товару. Закриті колонки представляють калорії їжі, що повторюються, виміряні за допомогою бомбової калориметрії. *** П Малюнок 2 ). Зразки стільця для калориметрії зберігали при -20 ° C, а після 3-денного періоду збору зразок зважували і додавали дистильовану воду, рівну вазі стільця. Потім зразки гомогенізували з подальшою ліофілізацією суспензії калу та води (24). Аналогічним чином, проби їжі змішували і додавали 200 г дистильованої води перед ліофілізацією суспензії харчової води. Щоденні збори сечі зазнавали прямої ліофілізації. Ліофілізацію проводили при -77 ° C за допомогою інструменту Freezemobile 12XL (Virtis, Gardiner, NY). Після завершення процесу сушіння зразок зважували і отримували ≈1 г гранул висушеної їжі, калу або сечі за допомогою гранулятора (PARR Instrument Co, Moline, IL).

Вивчати дизайн. Цифри під коробками для дієти представляють дні навчання. ЗМЗ, дієта, що підтримує вагу; EXD1, експериментальна дієта 1, що представляє або 2400, або 3400 ккал/добу; EXD2, експериментальна дієта 2, що представляє або 2400, або 3400 ккал/добу; Барвник 1, введення барвника 1 (FD&C синій) з їжею; Барвник 2, введення барвника 2 (FD&C синій) з їжею; Барвник 1 у калі, поява барвника 1 у калі; Барвник 2 у калі, поява барвника 2 у калі; Зб., Зб.

Калорійність їжі

Протягом часу, коли їм була призначена дієта 2400- або 3400-ккал/день, добровольці харчувались під наглядом і просили споживати всю їжу, що надається з кожним експериментальним прийомом їжі. Для кожного прийому їжі готували 2 однакові лотки; один піднос було вибрано навмання і передано волонтеру, а другий піднос використовувався для оцінки калорійності раціону. Неспожиту їжу повертали, а її калорійність вимірювали за допомогою бомбової калориметрії. Ці калорії віднімали від тих, які вимірювали для їжі того дня [одна особа споживала відповідно ≈260 ккал (≈11,5%) та ≈472 ккал (≈13,6%)]. Через необхідність розрахувати відносне навантаження поживними речовинами, які добровольці споживали під час двох дієт, відсоток потреб у підтримці ваги в енергії розраховувався для кожного добровольця, який споживав кожну дієту, наступним чином

Бомболориметрія

Для вимірювання енергетичного вмісту кожного біологічного зразка гранулу (див. Збір, зберігання та підготовка зразків) бомбили за допомогою приладу Isoperibol Calorimeter 6200 з кисневою бомбою моделі 1108 (Parr Instrument Co, Moline, IL). Детально про цей метод було описано в іншому місці (25). Коротко, після підготовки, гранулу зважили і помістили в модель кисневої бомби 1108 з контактом до 10-сантиметрового дроту запобіжника, підключеного до блоку запалювання 2901EB (Parr Instrument Co). Бомбу помістили в циліндр бомби, оточений 2000 мл дистильованої води. Тепло, яке утворюється при згорянні гранул, сприймалося як підвищення температури води. Бомби калібрували за допомогою бензойної кислоти перед використанням. Щоб отримати енергетичний еквівалент (Вт) на зміну температури води (ΔT), стандарти бензойної кислоти запускали один раз на 10 опіків. Енергетичний вміст гранул (ES) розраховували наступним чином:

Кожну пробу запускали у двох примірниках (спалювали 2 гранули) із CV 2,1% при дієті 2400 ккал/добу та 2,2% при дієті 3400 ккал/добу. Загальну кількість калорій у зразку розраховували на основі ваги зразка, суспензії та ліофілізованого матеріалу.

Препарат ДНК спільноти

Зразки калу були зібрані на 3 день прийому, поки суб'єкт споживав дієту, що підтримує вагу. Під час дієт 2400- і 3400-ккал/сут зразок калу відбирали якомога ближче до середньої точки кожної дієти. Зразки калу зберігали при -70 ° C перед обробкою. ДНК екстрагували збиванням бісером з подальшою екстракцією фенол-хлороформом, як описано раніше (18).