Консистенція стільця сильно пов’язана з багатством і складом мікробіоти кишечника, ентеротипами

Консистенція стільця, виміряна за шкалою Брістольського табурета (BSS), відображає відмінності у вмісті води та активності в екосистемі товстої кишки та корелює з часом проходження товстої кишки. (низькі бали: твердий стілець і повільний транзит, високі бали: рідкий стілець і швидкий транзит).

стільця

Багатість видів пропонується бути основним маркером для здоров’я кишечника через ідею, що велике бактеріальне багатство та різноманітність часто відображають стабільність та стійкість екосистем, а також стійкий зв’язок між хворобами та зменшенням кількості видів у фекальній пробі.

Було показано, що метагеноми фекалій розшаровуються на ентеротипи, розбиваючи людську популяцію навколо трьох можливих сузір’їв з точки зору їх мікробної екосистеми кишечника; так само Firmicutes: Bacteroidetes і Prevotellaceae: співвідношення Bacteroidetes були висунуті як важливі стратифікатори для мікробіомів кишечника.

Які нові висновки?

Багатство видів, що спостерігається, знижується із вищими показниками BSS, що досягають мінімуму у осіб з рідким стільцем.

Ентеротипи чітко розподілені за показниками BSS: ентеротип Prevotella (P) більш поширений у осіб з рідким стільцем, тоді як ентеротип Ruminococcaceae-Bacteroides (RB) повністю домінує у зразках твердішого стільця.

В межах ентеротипу RB Methanobrevibacter та Akkermansia позитивно корелюють із часом транзиту товстої кишки. Подібне спостереження можна зробити щодо Oxalobacter та Butyricimonas, тоді як Bacteroides більше в рідкому стільці.

Потенціал росту мікробіоти позитивно корелює з показниками BSS в ентеротипі RB, натякаючи на час транзиту як селективну силу життєвих стратегій мікробів.

Як це може вплинути на клінічну практику в осяжному майбутньому?

Тут ми показуємо, що основні зміни у видовому багатстві або складі спільноти можуть частково відображати зміни консистенції стільця, що заважає ідентифікації, але особливо стійкість і відтворюваність маркерів захворювань. Таким чином, правильний аналіз конфудера неможливий без вимірювання консистенції стільця. Отже, це дослідження наголошує на нагальній необхідності цих вимірювань у дослідженнях мікробіоти кишечника та клінічних дослідженнях.

Вступ

Незважаючи на нещодавні зусилля, спрямовані на характеристику здорової мікробіоти товстої кишки, 1–4 багато параметрів, що потенційно впливають на мікробний склад та метаболічну здатність, залишаються недостатньо вивченими. Визначення таких незрозумілих факторів, включаючи дієту, 5, 6 історію прийому антибіотиків, 7 та стан запалення, 8, 9, є важливим для визначення меж здорової екосистеми кишечника і, отже, для виявлення стійких маркерів захворювання в клінічній асоціації мікробіомів навчання.

Тут ми використовували оцінки BSS, що повідомляються самостійно, у поєднанні з профілями ампліконів 16S рДНК Illumina зразків фекалій 53 здорових добровольців для оцінки потенційних зв'язків між складом мікробіоти та консистенцією стільця. У здоровій західній популяції більше половини випорожнених стільців, як передбачається, належать до центральних категорій 3 та 4.11 BSS. Однак, як повідомляється, посилення частоти більш твердих стільців частіше зустрічається серед жінок. 11, 12, 18 Отже, в Щоб збільшити шанси взяти проби для більш рівномірного розподілу стільця за всіма категоріями BSS, ми обмежили включення жінок-добровольців.

Методи

Зразки даних

П'ятдесят три здорових жінки у віці 20–55 років (медіана 42,5) були набрані в рамках Проекту флорманської кишкової флори. Жодному з них не було діагностовано рак або ВЗК, а також не приймали інгібітори діареї, проносні або пребіотики за тиждень до забору, ані антибіотики протягом 3 місяців до забору (див. Додаткову онлайн-таблицю S1). Цілі проекту та необхідні зобов'язання були роз'яснені за допомогою інформаційної брошури, і всі учасники підписали заяву про інформовану згоду. Лікар загальної практики учасників записав їх історію хвороби, а також зріст, вагу, обхват талії та стегон. Волонтери зафіксували час дефекації та BSS та повідомили цю інформацію разом із інформацією про загальний раціон та стан здоров'я у анкеті.

Характеристика бактеріального компонента мікробіоти кишечника шляхом секвенування рДНК змінної області 4

Статистичний аналіз

Статистичний аналіз проводили на розріджених та обрізаних матрицях ряду ознак із використанням RV.3.0.1. Кластеризація зразків за ентеротипами здійснювалась за допомогою кластерного пакету21 згідно з інструкціями, доступними на http://enterotyping.embl.de. Оптимальна кількість скупчень визначалася за індексом Калінського-Харабаша. Крім того, ентеротипування проводили за допомогою багаточленових сумішей Діріхле (DMM), використовуючи пакет DirichletMultinomial 1.6.0 у R.22 Laplace, щоб визначити оптимальну кількість кластеризації шляхом покарання складності моделі. Кластерам було присвоєно ентеротип Ruminoccoccaceae-Bacteroides або Prevotella на основі таксонів, що домінують над ентеротипом, як у оригінальній статті Arumugam et al23 (див. Додаткову онлайн-таблицю S2).

Вимірювання багатства видів (спостерігається, Chao1) та α-різноманітності (Шеннон) розраховували за допомогою пакету phyloseq.24

Потенціал росту мікробіоти кожної проби оцінювали як середнє значення максимальних темпів зростання (maxGRs) родів, зважене за їх чисельністю у зразку. Максимальні GRs референтних видів кишечника (IMG v4Ref) оцінювали за геномними ознаками25, а медіана призначалася роду.

Кореляції між видовим багатством, потенціалом росту мікробіоти та відносною чисельністю бактеріальних таксонів із BSS оцінювались за допомогою кореляції порядку рангу Спірмена, як реалізовано в R. p. Значення були виправлені для багаторазового тестування з корекцією швидкості помилкового відкриття Бенджаміні-Хохберга (значення q). Кореляція рангового порядку Спірмена була використана для перевірки кореляції між ентеротипом та часом транзиту (BSS) на основі відсотка кожного ентеротипу в кожній категорії BSS. Значимість відмінностей у потенціалі росту мікробіоти між ентеротипами оцінювали за підписаним ранговим тестом Вілкоксона.

Результати

Вважається, що здорова мікробіологічна екосистема кишечника характеризується високим бактеріальним багатством та різноманітністю, як передбачається, що відображає стабільність та стійкість екосистеми. видів у зразку, вказуючи на те, що багатство бактерій є головним маркером для здоров’я кишечника. 26, 27 Тут ми визначаємо консистенцію стільця, яка суттєво пов’язана з багатством мікробів у фекаліях. Дійсно, багатство спостережуваних видів значно знижується зі стійкістю стільця (r = −0,45, p = 0,0007 Спірмена), досягаючи мінімуму у осіб, хворих на діарею (рисунок 1А). Оцінка загального багатства видів (Chao1) підтверджує цю негативну кореляцію (r = −0,41, p = 0,003, дані не наведені), і сигнал залишається значущим із застосуванням більш суворого таксономічного розподілу (закритий збір OTU, див. Методи; тенденція це також підтверджено у наборі даних, що виключає пацієнтів із СРК, додаткова цифра в Інтернеті S7 та в наборі даних про 24 чоловіків, додаткова цифра в Інтернеті S8). Ці результати узгоджуються з анекдотичними повідомленнями про зниження багатства мікробів, пов’язаних з осмотичною діареєю28.

Зміни консистенції стільця обумовлюють багатство видів та ентеротипи людини. Кореляція між (A) спостережуваним багатством видів та консистенцією стільця, визначеною за шкалою Брістольського табурета (BSS) (кореляція Спірмена, r = -0,45, p = 0,0007) та (B) розподілом ентеротипів та консистенцією стільця (BSS); Синій: ентеротип Ruminococcaceae-Bacteroides (RB) (r = −0,88, p = 0,019), зелений: ентеротип P (r = 0,88, p = 0,019).

Зміни консистенції стільця пов'язані зі змінами у складі мікробіоти фекалій на рівні структури спільноти та різноманітності, і це корелює з градієнтами чисельності окремих родів (див. Додаткову онлайн-таблицю S3). У межах ентеротипу RB популяції Methanobrevibacter та Akkermansia збільшуються зі стійкістю стільця (і, отже, більш поширені у осіб з повільним транзитом). Подібне спостереження може бути зроблене щодо Oxalobacter та Butyricimonas, тоді як Bacteroides більше в рідкому стільці (див. Додатковий малюнок в Інтернеті S4). Більшість із цих асоціацій залишаються значними в загальному наборі даних (див. Таблицю 1 та додаткову онлайн-фігуру S5) або при застосуванні більш жорсткого таксономічного призначення (див. Додаткову онлайн-таблицю S4).

Рівень генів суттєво корелював із консистенцією стільця

Збільшення кількості метаногенів, таких як Methanobrevibacter, у твердіших стільцях підтверджує попередні повідомлення про підвищене вироблення метану у осіб із запорами.33 Існує припущення, що метан відіграє активну роль у затримці транзиту, уповільнюючи перистальтику кишечника.34 Більше того, виведення водню через виробництво метану змінює цілі процеси бродіння кишечника, що потенційно може вплинути на перистальтику товстої кишки.33 Альтернативно, збільшення чисельності може відображати придатність роду рости в умовах уповільненого кишкового транзиту. Оскільки більш щільна консистенція стільця відповідає зниженій активності води в екосистемі, пов'язані з цим коливання мікробної кількості можуть також виникати внаслідок видової стійкості до водного стресу.

Потенціал росту мікробіоти корелює з швидшим кишковим транзитом в ентеротипі Ruminococcaceae-Bacteroides (RB). Потенціал зростання мікробіоти за консистенцією стільця (шкала Брістоля (БСС)), який пропонується як проксі для транзитного часу, у RB-ентеротипі (r = 0,34, p = 0,028).

Висновок

Разом наші результати демонструють глибоку взаємозв'язок між консистенцією стільця та усіма основними показниками складу мікробіоти кишечника. Оскільки збільшений час транзиту товстої кишки пов’язаний з посиленою протеолітичною ферментацією48–50 та пов’язаним з цим виробництвом потенційно шкідливих метаболітів, спостерігається негативна кореляція між оціненою BSS швидкістю проходження та багатством мікробіомів, як повідомляється тут, заперечує домінуючу в даний час думку про високе багатство, пов’язану безпосередньо здоров'я господаря. Крім того, ми тут визначаємо мікробіальні відмінності у складі кишечника з консистенцією стільця на рівні спільноти та на рівні спільноти та оцінюємо припущений біологічний механізм того, як час транзиту може сформувати мікробіоти кишечника через селективний тиск на життєві стратегії мікробів. Незважаючи на те, що для консолідації спостережуваних кореляційних зв'язків та запропонованих гіпотез необхідні лонгітюдні дослідження, що поєднують записи показників стільця та прямі вимірювання часу транзиту, міцність асоціацій між BSS та багатством видів, ентеротипами та складом спільноти наголошує на вирішальному значенні оцінки консистенції стільця та аналізу результатів аналізу дослідження мікробіоти кишечника та клінічні дослідження.

Подяка

Автори дякують двом анонімним рецензентам за конструктивні коментарі щодо попередньої версії цього рукопису, а також членам лабораторії Раеса за жваві дискусії та відгуки.