Харчування людини, навколишнє середовище та здоров’я

Поліпшення здоров'я людей, які споживають занадто багато або занадто мало калорій або неадекватний рівень мікро- та макроелементів, залишається головною проблемою для сучасного світу. Прогнозується, що забезпечення свіжих та здорових харчових продуктів у стійкий спосіб для майбутніх поколінь ускладниться, оскільки населення Землі розростається та старіє, хронічні захворювання зростають через ожиріння, а місцеве та глобальне середовище змінюється прискореними темпами. Дослідження харчування повинні відігравати важливу роль у наданні рекомендацій, що базуються на фактичних даних, політикам, сільськогосподарському співтовариству та широкій громадськості для вирішення викликів, які очікуються в найближчі десятиліття.

Спільнота дослідників дієтології зробила значний внесок у фактичне усунення дефіциту поживних речовин, який спричиняє, наприклад, авітаміноз, рахіт, пелагру та цингу. Успіх цих втручань сприяв переконанню, що окремі або кілька мікроелементів можуть полегшити або усунути зростання та когнітивні порушення або запобігти розвитку інших хронічних захворювань, таких як ожиріння та діабет. Крім того, у багатьох дослідженнях харчування надто мало учасників, вони вимірювали та аналізували обмежений набір молекулярних показників та фенотипових кінцевих точок, не мали генетичного аналізу та були географічно специфічними з недостатнім аналізом факторів навколишнього середовища, які можуть впливати на фізіологію. Як правило, дослідження проводились незалежно від інших втручань з різними конструкціями або кінцевими точками, що перешкоджає отриманню знань для поліпшення або підтримання здоров'я у різних генетичних чи культурних популяціях, а також для споживачів та пацієнтів як окремих людей. Станьте свідками епідемії діабету, ожиріння та інших захворювань, пов’язаних із способом життя, тоді як майже 1 мільярду людей не вистачає якісного харчування для досягнення повного фізичного та когнітивного розвитку.

Тематична колекція системного харчування висвітлює огляди, приклади досліджень системного харчування та розширення системного аналізу від вимірювань в організмі до всього ланцюга поживних речовин від ґрунту до вилки (http://tinyurl.com/onosror).

Дослідження системного харчування за своєю суттю визнають, що навколишнє середовище впливає на біологічну систему. Вимірювання змінних показників навколишнього середовища, як правило, обмежувалося дієтою, а іноді відбирали інші змінні способу життя, такі як активність. На якість поживних речовин значний вплив мають ґрунти та клімат, де вирощують їжу та як і де її транспортують та зберігають. Доступність їжі та ціна також по-різному впливають на споживання поживних речовин у соціально-економічному спектрі. Крім того, система виробництва продуктів харчування є глобальною, і кожен із цих факторів окремо та інтерактивно впливає на наше місцеве харчове середовище. Зростаюче усвідомлення того, що зміна клімату та приріст населення вже кидає виклик нашій здатності виробляти достатньо поживної їжі зараз і протягом наступних десятиліть, виявило необхідність пов’язувати основні дослідження харчування з мережею системи продовольчого забезпечення (Kaput et al. 2015).

Концептуальні та методологічні основи системного харчування розглянуті щодо потреб у мікроелементах для різних генетичних фонів (Монтейро та ін., 2015). Обмежена можливість перекладу даних на рівні популяції для окремих людей підкреслює важливість експериментальних конструкцій, зосереджених на n-of-1 як доповнення до типових експериментальних конструкцій для випадку/контролю. Різні реакції на мікро- та макроелементи виникають внаслідок взаємодії окремих генетичних складів, що зазнають різного впливу навколишнього середовища - люди можуть, і зазвичай роблять, по-різному реагувати на одне і те ж харчове втручання.

Системне мислення та підходи повинні застосовуватися до континууму здоров'я до хвороб. Чжао та ін. описати застосування інтеграції оміків до досліджень діабету 2 типу (Zhao et al. 2015). Хімічні речовини в дієті змінюють транскриптомічний, протеомічний, метаболомічний, епігенетичний та мікробний профілі, як це було показано в дослідженнях на людях та тваринах. Ключовою проблемою системних підходів є інтеграція даних для отримання результативних результатів як для здорових, так і для хворих людей.

Біологічні процеси динамічні, і тому основні мережі змінюються залежно від введення в систему. Дероус та ін. застосував мережеве моделювання як потужну платформу для інтеграції та видобування даних та знань для всебічної характеристики адаптації жирової тканини білого миша до дієти з високим вмістом жиру, що охоплює від глобальних аспектів до механістичних деталей (Derous et al. 2015). Була побудована і функціонально проаналізована тришарова модель мережі взаємодії, що включає збагачені біологічні процеси, пов'язана з транскрипційними регуляторами всередині мережі, і мережа була пов'язана зі змінами фізіологічних параметрів. Отримана база знань дала нові механістичні уявлення про контроль апетиту, патологію, спричинену високим вмістом жиру, та підказки до стратегії втручання для ефективної боротьби з надлишком харчових жирів.

Хоча концепція системного аналізу мережі все ще формується, існуючі набори даних у відкритому доступі можуть бути використані для отримання нових уявлень та результатів. Кутмон та ін. використовує загальнодоступний набір даних про зміни рівня транскриптів та мікроРНК у клітинах раку передміхурової залози, оброблених 1,25-дигідроксивітаміном D3 (Kutmon et al. 2015). Мережеві інструменти PathVisio та Cytoscape виявили клітинний цикл та шляхи, характерні для раку, змінені цим вітаміном.

Ця тематична колекція системного харчування є постійно діючою публікацією - ми додамо запрошені та небажані матеріали для електронних публікацій протягом наступних 2 років. Наша мета - стимулювати дослідження системного харчування та їх перекладність для покращення особистого та громадського здоров'я.

Конференція «Харчування, навколишнє середовище та здоров’я людини» - ще один крок у розвитку світового співтовариства з системних досліджень харчування. Симпозіум Keystone, BMGF та американський NIH внесли фінансові ресурси для залучення дослідників з LMIC для виступу на конференції або участі в ній. Передконференційний семінар надав додаткову інформацію щодо концепцій, термінології та стратегій мережевої біології для учасників з цих країн. Ці зусилля щодо залучення дослідників з усього світу до цієї нової науки спираються на попередні конференції та семінари з питань харчування (наприклад, Kaput et al. 2014) за підтримки Інституту наук про здоров'я Nestle (nestleinstitutehealthsciences.com), NuGO (NUGO.org), COSBI (COSBI.eu), Університет Вагенінгена через свою аспірантуру VLAG (vlaggraduateschool.nl), DSM (DSM.com) та BMGF (gatesfoundation.org).

Методи мислення на рівні систем та високопродуктивні методи оміки з’явилися за останнє десятиліття і зараз перебувають на дієвій стадії. Кураторські бази даних розробляються у галузі харчування (van Ommen et al. 2010), а обчислювальні методи дозрівають, щоб наблизитись до багаторівневої інтеграції та аналізу даних із багатьох джерел, включаючи динаміку. Встановлюються нові стандарти збору та обміну даними: генеровані дані та відносини повинні бути задокументовані як простежувані, прозорі, анотовані та доступні ресурси, в ідеалі - у зручному для читання комп'ютері форматі, готовому до ефективного видобутку та перехресної перевірки широким науковим співтовариством. Користь для здоров’я від розширеного розуміння наслідків як харчової недостатності, так і добавок на системному рівні сприятиме покращенню таких результатів, як запобігання затримкам розвитку, покращення росту та фізичного розвитку, зниження сприйнятливості до інфекційних захворювань, покращення здатності до відновлення після інфекції та покращений когнітивний розвиток.

Список літератури

Al Aama J, Smith TD, Lo A et al (2011) Ініціювання країнового вузла проекту „Варіома людини”. Хам Мутат 32: 501–506. doi: 10.1002/humu.21463

Еймс Б.Н. (2003) Налаштування метаболізму: метаболічна гармонія та профілактика захворювань. J Nutr 133: 1544–1548

Cotton RG, Macrae FA (2010) Зменшення тягаря спадкової хвороби: проект „Варіома людини”. Med J Aust 192: 628–629

Derous D, Kelder T, van Schothorst EM et al (2015) Мережева інтеграція молекулярних та фізіологічних даних з'ясовує регуляторні механізми, що лежать в основі адаптації до дієти з високим вмістом жиру. Genes Nutr 10:22. doi: 10.1007/s12263-015-0470-6

Huber M, Knottnerus JA, Green L et al (2011) Як слід визначати стан здоров'я? BMJ 343: d4163. doi: 10.1136/bmj.d4163

Капут Дж., Ордовас Дж. М., Фергюсон Л. та співавт. (2005) Справа щодо стратегічних міжнародних альянсів з метою використання харчової геноміки для здоров'я населення та особистого життя. Br J Nutr 94: 623–632

Kaput J, Cotton RG, Hardman L et al (2009) Планування проекту „Варіоми людини”: звіт Іспанії. Хам Мутат 30: 496–510. doi: 10.1002/humu.20972

Kaput J, van Ommen B, Kremer B et al (2014) Заява про консенсус - розуміння здоров'я та недоїдання через системний підхід: програма ДОСТАТОЧНО для раннього життя. Genes Nutr 9: 378. doi: 10.1007/s12263-013-0378-y

Kaput J, Kussmann M, Mendoza Y et al (2015) Забезпечення безпечності та стійкості поживних речовин за допомогою системних досліджень. Genes Nutr 10:12. doi: 10.1007/s12263-015-0462-6

Kelder T, Summer G, Caspers M et al (2015) Довідкова мережа білої жирової тканини: ресурс знань для вивчення стосунків, пов’язаних зі здоров’ям. Genes Nutr 10: 439. doi: 10.1007/s12263-014-0439-x

Krug S, Kastenmüller G, Stückler F et al (2012) Динамічний діапазон метаболому людини, виявлений проблемами. FASEB J 26: 2607–2611. doi: 10.1096/fj.11-198093

Kutmon M, Coort SL, de Nooijer K та співавт. (2015) Інтегративний мережевий аналіз експресії мРНК та мікроРНК у ракових клітинах, оброблених 1,25-дигідроксивітаміном D3. Genes Nutr 10:35. doi: 10.1007/s12263-015-0484-0

McCabe-Sellers B, Lovera D, Nuss H et al (2008) Персоналізація досліджень нутрігеноміки за допомогою спільних досліджень на основі спільноти та технологій оміки. ОМІКА 12: 263–272. doi: 10.1089/omi.2008.0041

Монтейро JP, Kussmann M, Kaput J (2015) Геноміка потреб у мікроелементах. Genes Nutr 10:19. doi: 10.1007/s12263-015-0466-2

Oetting WS (2007) Наукова зустріч Товариства варіацій геному людини 2006 року. Хам Мутат 28: 517–521. doi: 10.1002/humu.20489

Seguin B, Hardy BJ, Singer PA, Daar AS (2008) Геномна медицина та країни, що розвиваються: створення власної кімнати. Nat Rev Genet 9: 487–493. doi: 10.1038/nrg2379

Сінгх Дж. А., Даар А. С. (2008 р.) 20-річний африканський біотехнологічний план. Nat Biotechnol 26: 272–274. doi: 10.1038/nbt0308-272

Stroeve J, van Wietmarschen H, Kremer B et al (2015) Фенотипова гнучкість як міра здоров’я: оптимальний тест на харчову реакцію на стрес. Genes Nutr 10:13. doi: 10.1007/s12263-015-0459-1

Tindana PO, Singh JA, Tracy CS et al (2007) Великі виклики у глобальному здоров'ї: участь громади у дослідженнях у країнах, що розвиваються. PLoS Med 4: e273. doi: 10.1371/journal.pmed.0040273

Ван Оммен Б (2004) Нутрігеноміка: використання системної біології на аренах харчування та здоров'я. Харчування 20: 4–8

Van Ommen B, Bouwman J, Dragsted LO et al (2010) Проблеми дослідження молекулярного харчування 6: база даних фенотипів харчових продуктів для зберігання, обміну та оцінки досліджень біології систем харчування. Genes Nutr 5: 189–203. doi: 10.1007/s12263-010-0167-9

Van Ommen B, van der Greef J, Ordovas JM, Daniel H (2014) Фенотипова гнучкість як ключовий фактор у взаємозв'язку між харчуванням та здоров'ям людини. Genes Nutr 9: 423. doi: 10.1007/s12263-014-0423-5

Zhao Y, Barrere-Cain RE, Yang X (2015) Біологія харчових систем діабету 2 типу. Genes Nutr 10:31. doi: 10.1007/s12263-015-0481-3