Мікробіом кишечника, енергетичний гомеостаз та наслідки для гіпертонії

Рут А. Рідл

1 Кафедра фармакології Університету Айови

Саманта Н. Аткінсон

2 Кафедра мікробіології Університету Айови

8 Кафедра мікробіології та молекулярної генетики Медичного коледжу штату Вісконсін

Колін М.Л. Бернетт

3 Кафедра внутрішніх хвороб Університету Айови

Джастін Л. Гроб

1 Кафедра фармакології Університету Айови

4 Кафедра мікробіологічної ініціативи Айови щодо мікробіомів, Університет Айови

5 Департамент досліджень ожиріння та освітньої ініціативи, Університет Айови

6 Центр досліджень гіпертонії, Університет Айови

7 Братський орден дослідницького центру орлів Орла, Університет Айови

Джон Р. Кірбі

2 Кафедра мікробіології Університету Айови

4 Кафедра мікробіологічної ініціативи Айови щодо мікробіомів, Університет Айови

5 Департамент досліджень ожиріння та освітньої ініціативи, Університет Айови

7 Братський орден дослідницького центру орлів Орла, Університет Айови

8 Кафедра мікробіології та молекулярної генетики Медичного коледжу штату Вісконсін

Анотація

Мета огляду

Вплив бактерій кишечника на фізіологію хазяїна стає все більш визнаним, але механістичних зв’язків бракує. Такі захворювання енергетичного дисбалансу, як ожиріння та діабет, є основними факторами ризику серцево-судинних захворювань, таких як гіпертонія. Таким чином, тут ми розглядаємо поточний механістичний внесок мікробіоти кишечника в енергетику господаря.

Останні висновки

Кишкові бактерії генерують безліч дрібних молекул, які можуть подавати сигнал тканинам хазяїна шлунково-кишкового тракту і поза ним впливати на фізіологію господаря, а кишкові бактерії також можуть впливати на ефективність травлення господаря, змінюючи біодоступність полісахаридів, проте кількісні енергетичні ефекти цих процесів залишаються незрозумілий. Нещодавно наша команда продемонструвала, що кишкові бактерії становлять основну анаеробну термогенну біомасу, яка може кількісно пояснювати ожиріння.

Резюме

Кількісне розуміння механізмів впливу кишкових бактерій на енергетичний гомеостаз може врешті-решт проінформувати про взаємозв’язок між кишковими бактеріями та серцево-судинною дисфункцією.

Вступ

Енергетичний баланс та гіпертонія

Ожиріння та гіпертонія сильно корелюють у людей [1–3]. Переважна більшість (71%) хворих на цукровий діабет також страждають на гіпертонію [4]. Американська кардіологічна асоціація опублікувала, що ожиріння та пов'язані з цим метаболічні розлади представляють найбільшу проблему для поліпшення здоров'я серцево-судинної системи [5, 6]. Таким чином, стає все більш очевидним, що серцево-судинне здоров'я нерозривно пов'язане зі здоров'ям метаболізму. Розуміння епідемії ожиріння та розробка нових підходів для запобігання набору ваги та підтримання втрати ваги повинні викликати зростаючий інтерес для дослідників серцево-судинної системи.

Роль бактерій кишечника в енергетичному балансі

Вагомі докази підтверджують роль кишкових бактерій (мікробіоти кишечника) в енергетичному балансі [12]. Ранні дослідження, що вивчали роль змінених кишкових бактерій в метаболізмі господаря, продемонстрували, що середовище господаря сприяє складу мікробіоти кишечника, а мікробіота кишечника сприяє травній ефективності господаря.

У сукупності ці дослідження призвели до робочих гіпотез про те, що мікробіота кишечника сприяє енергетиці всього організму, включаючи вплив на енергетичний потік тканини хазяїна та на енергетичний потік через біомасу самих бактерій, і що відносна кількість різних видів бактерій модифікує внесок мікробіоти кишечника в енергетику господаря.

Модуляція енергетики господаря бактеріями кишечника: Ефективність травлення

Ефективність травлення, або ефективність шлунково-кишкового тракту для вилучення калорій з поглиненої їжі, є основним фактором, що сприяє енергетичному балансу. Інгібування всмоктування жирних кислот інгібітором панкреатичної ліпази Орлістат призводить до відносно швидкої втрати ваги у людей із нормальним до високим вмістом жиру в їжі [9]. Здатність бактерій метаболізувати полісахариди, які в іншому випадку недоступні для всмоктування господарем [24], та розташування бактерій у шлунково-кишковому тракті підказують гіпотезу про те, що ці мікроорганізми можуть сприяти ефективності травлення.

Багато досліджень підтверджують концепцію того, що кишкові бактерії сприяють регулюванню ефективності травлення, і що зміни у складі мікробіоти кишечника можуть впливати на зміни ваги господаря за допомогою цього механізму [24]. Порівняно з ефективністю травлення мишей без мікробів, колонізованих кишковими бактеріями контрольних мишей дикого типу, миші без мікробів, колонізовані кишковими бактеріями мишей ob/ob, виявляли значне зниження ефективності травлення та збільшення жиру [25]. Тварини, що не містять зародків, експресують більш високий рівень ангіопоетиноподібного 4 (Angptl4), ендогенного інгібітора ліпопротеїнової ліпази, який зменшує всмоктування та відкладення тригліцеридів у жировій тканині [26, 27]. Крім того, ангіопоетиноподібні 4 рівні обернено корелюють з індексом маси тіла у відповідних пар-близнюків людини [28].

На додаток до обробки полісахаридів, щоб зробити їх біодоступними для господаря, кишкові бактерії обробляють різні субстрати, такі як ліпіди, вуглеводи, білки та амінокислоти, виробляючи різні субстрати для організму господаря [29–31]. Приклади включають коротколанцюгові жирні кислоти, такі як ацетат, бутират та пропріонат, на додаток до таких вітамінів, як фолат, біотин, рибофлавін, кобаламін, вітамін К та жовчні кислоти (оглянуто в [12]).

У сукупності ці дослідження чітко та якісно документують роль мікробіоти кишечника у контролі ефективності травлення, але критично ці дослідження не намагаються визначити, чи спостерігаються зміни в ефективності травлення кількісно враховують спостережувані зміни ваги в організмах господаря. Іншими словами, яка частка збільшення/втрати ваги господаря зумовлена змінами в ефективності травлення, спричиненими модифікацією мікробіому кишечника? Залишається незрозумілим, чи можуть інші механізми енергетичного потоку кількісно сприяти впливу бактерій кишечника на енергетику хазяїна, і невдача поля всебічно оцінювати інші механізми може бути результатом технічних проблем вимірювання форм енергетичного обміну, що здійснюється бактеріями в межах просвіт шлунково-кишкового тракту.

Використання енергії кишковими бактеріями: анаеробний метаболізм у спокої

Мікробіота кишечника існує в основному в анаеробному середовищі в просвіті шлунково-кишкового тракту. Таким чином, очікується, що будь-який енергетичний потік через цю біомасу буде анаеробним за своєю формою. На жаль, поле недостатньо підготовлене для оцінки анаеробного метаболізму в умовах in vivo, оскільки більшість дослідників використовують лише непрямі методи калориметрії на основі респірометрії. Методи, засновані на респірометрії, включають вимірювання дихальних газів (споживання кисню та вироблення діоксиду вуглецю), а потім застосування емпірично отриманих формул для оцінки швидкості метаболізму. Оскільки ці методи оцінюють швидкість метаболізму на основі споживання кисню, вони залишаються сліпими до анаеробних процесів [35–37]. Крім того, багато дослідників потрапляють у пастку навмисного або ненавмисного ігнорування потоку енергії через біомасу кишкових бактерій, просто тому, що це кінцева точка, для якої вони не мають необхідності вимірювати.

На відміну від методів оцінки швидкості метаболізму, заснованих на респіметрії, методи прямої калориметрії передбачають оцінку всіх форм потоку енергії через суб’єкта шляхом вимірювання усіх форм утримання та розсіювання тепла суб’єктом [35]. З’єднавши камеру прямої калориметрії (для вимірювання загального метаболізму) з низкою аналізаторів дихальних газів (для одночасної оцінки аеробного метаболізму), дослідники можуть оцінити внесок анаеробного метаболізму в загальний. Хоча в даний час не існує комерційно доступних джерел такого обладнання, такі системи були розроблені самостійно в декількох фізіологічних лабораторіях по всьому світу.

У 1970-х група Джек'є використовувала комбіновану калориметрію для оцінки швидкості метаболізму у людей. Вони продемонстрували, що у худорлявих чоловіків [38] та жінок [39] метаболізм аеробного спокою становить приблизно 90% від загальної швидкості метаболізму у спокої. Цікаво, що загальний рівень метаболізму в стані спокою знижується у жінок із ожирінням порівняно з худорлявими жінками, а відносний внесок анаеробного метаболізму в загальний обсяг повністю скасовано у жінок із ожирінням [39]. Ці висновки встановлюють фізіологічно значущий внесок анаеробного метаболізму в загальні витрати енергії (приблизно 10%) і корелюють втрати анаеробного метаболізму з ожирінням у людей.

Мікробіом кишечника та гіпертонія

Висновки

Таким чином, все більше доказів підтверджує багатогранну роль мікробіоти кишечника в контролі енергетичного гомеостазу, включаючи прямі дії, що впливають як на ефективність травлення, так і на анаеробний метаболізм у спокої (рис. 1). Також було висунуто гіпотезу, що мікробіота кишечника функціонує як раніше недооцінений ендокринний орган, виробляючи та виділяючи величезну кількість сполук, які можуть впливати на тканини хазяїна, змінюючи метаболічну функцію та апетит [58]. Крім того, взаємозв’язок хазяїн і мікробіом є двонаправленим, оскільки дієти та генетика хазяїна мають значний вплив на склад мікробіоти кишечника.