Надмірна вага та ожиріння у дітей пов’язані з великою кількістю твердих речовин та зменшенням біфідобактерій у їх шлунково-кишковій мікробіоті

Адресна кореспонденція: Cerano C. Da Silva, BS, MPhil, Відділ доклінічних наук, Факультет медичних наук, Університет Вест-Індії, Кампус Св. Августина, Сент-Августин 350462, Тринідад

Кафедра доклінічних наук факультету медичних наук Університету Вест-Індії, Сент-Августин, Тринідад.

Університет Августи - Університет штату Джорджія, Медичне партнерство, Афіни, штат Джорджія.

Кафедра доклінічних наук факультету медичних наук Університету Вест-Індії, Сент-Августин, Тринідад.

Анотація

Передумови: Ожиріння у дітей продовжує залишатися глобальною епідемією. Враховуючи нещодавню увагу на потенційній ролі мікробіоти кишечника у розвитку ожиріння та постійному зростанні ожиріння у дитячому віці у всьому світі, стало необхідним вивчити зв'язок між мікробами кишечника та вагою в раніше не досліджених регіонах, таких як Карибський острів Тринідад. Таким чином, нашою метою було охарактеризувати склад мікробіоти кишечника у дітей із ожирінням/надмірною вагою та дітей із нормальною вагою, щоб визначити, чи є в кишечнику мікроби, пов’язані із зайвою вагою та ожирінням.

Методи: П'ятдесят одна дитина надала зразки калу, і їх ІМТ були розраховані та класифіковані. Амплікони 16S із зразків калу були індивідуально штрих-кодовані та послідовно секвенировані в мультиплексі на платформі NextSeq 500 у режимі парного кінця на 150 п.н. і сформовано повний профіль мікробіома кишечника.

Результати: Відносна чисельність та різноманітність мікробіоти худих та дітей із ожирінням/надмірною вагою були проаналізовані один проти одного і показали, що у дітей із ожирінням/надмірною вагою було зафіксовано значно більше (стор = 0,001) Тверді речовини і значно менше Bifidobacterium (стор = 0,039), ніж у дітей із нормальною вагою. Діти з ожирінням/надмірною вагою також зафіксували суттєво (стор = 0,009) зменшення альфа-різноманітності порівняно з худими дітьми.

Висновок: Це дослідження показало асоціацію Firmicutes до ожиріння/надмірної ваги та видів Bifidobacterium зі здоровою вагою у дітей.

Вступ

Після народження кишковий тракт немовлят поступово переходить від стерильності до щільної мікробної колонізації протягом перших 3 років життя. Як тільки утворюється збалансована колонізація коменсальними бактеріями, вона запобігає інвазії та колонізації патогенами та допомагає в імунній модуляції, метаболізмі поживних речовин, фізіології господаря та підтримці кишкового бар’єру. 7,8 Однак порушення цього балансу або дисбіоз пов'язані з патогенезом багатьох захворювань, включаючи ожиріння, метаболічний синдром, діабет, астму, атеросклероз та синдром подразненого кишечника. 9,10

Вважається, що склад мікробіоти кишечника може призвести до розвитку ожиріння завдяки трьом механізмам. По-перше, мікроби в кишечнику можуть впливати на рівень ліпополісахаридів у крові, що створює системне хронічне запалення, що призводить до схильності до розвитку ожиріння та діабету. По-друге, мікроби можуть витягувати енергію з неперетравних полісахаридів, забезпечуючи тим самим додаткові калорії для господаря. По-третє, мікроби кишечника можуть також регулювати гени господаря, пов'язані зі споживанням та накопиченням енергії. 11,12 Встановлено, що відносна кількість специфічних бактеріальних видів частіше зустрічається у ожирілих тварин та людей. Підвищене співвідношення твердих речовин до бактероїдів було показано у мишей із дефіцитом лептину із ожирінням та у дітей із ожирінням у порівнянні з худими аналогами. 13,14

Методи

Критерії зарахування суб’єкта

Пропозиція дослідження була схвалена комісіями з етики Університету Вест-Індії, кампусу Сент-Огастін та Північного центрального регіонального управління охорони здоров'я (NCRHA). П'ятдесят один діток шкільного віку (6–14 років), які відвідували одне з двох закладів охорони здоров’я - Комплекс медичних наук Еріка Вільямса (EWMSC) або Медичний заклад «Аріма», для управління алергією, набирали випадково. Ці діти були здоровими, крім алергії, і їх спеціально виключали, якщо в анамнезі були шлунково-кишкові інфекції або діарея; приймав антибіотики протягом попередніх 3 місяців; використовували пробіотик або мали діагноз імунодефіциту. Підписана згода була отримана від батьків та учасників.

Вимірювання ІМТ та класифікація

Учасники дослідження вимірювали зріст та вагу для розрахунків ІМТ. Застосовувана формула ІМТ становила вагу (кг)/зріст (м 2), і пацієнти класифікувались на худих, із надмірною вагою та ожирінням, використовуючи Криві стандартів росту дитини ВООЗ. Діти з ІМТ від 85-го до 97-го процентилю вважалися надмірною вагою і старше 97-ти були класифіковані ожирінням. Дітей, яких класифікували на основі їх процентилю як зайвої ваги та ожиріння, групували в одну категорію проти дітей із нормальною вагою.

Збір зразків

Учасники дослідження отримували по одному набору uBiome (Каліфорнія) та збирали стілець, дотримуючись інструкцій (www.uBiome.com). Набори містять стабілізуючу рідину, яка зберегла зразок вчасно для обробки.

Послідовність зразків калу

Статистичний аналіз

Диференціальна чисельність

Проведено диференціальний аналіз чисельності для порівняння мікробної популяції серед зразків, що представляють різні умови. Спочатку був проведений фільтр поширеності, за допомогою якого в аналіз були включені лише домінантні таксони, присутні у зразках. стор-значення розраховували за допомогою аналізу дисперсійного тесту кожної моделі після перетворення.

Порівняння альфа-різноманітності

Показники альфа-різноманітності 20 порівнювали між групами. По-перше, нормальний розподіл даних перевірявся за допомогою тесту Шапіро – Вілка на нормальність. Потім проводили попарне порівняння з використанням критерію суми рангу Вількоксона для непараметричних даних або Т-тестує, коли дані відображають нормальний розподіл. Статистика хі-квадрат аналізувала взаємозв'язок між категоріальними змінними з анкет Глобальної мережі астми, заповнених учасниками. Аналіз проводився за допомогою програмного забезпечення IBM SPSS Ver. 21 і стор-значення

Таблиця 1. Відносна кількість (%) найбільш домінуючої бактеріальної форми з зразків стільця за різними демографічними та антропометричними показниками

Основні бактеріальні типи, виявлені в повній когорті (рис. 1а), були в порядку найбільшої відносної чисельності, Фірма (61,15%), Актинобактерії (26,28%), Бактероїдети (5,76%) та Протеобактерії (2,73%). Діти віком від 6 до 10 років мали більше Актинобактерії, Бактероїдети, і Протеобактерії ніж у віці 11–14 років, але відмінності не досягли значущості. Вищі відносні рівні Firmicutes, порівняно з іншими оціненими типами, були суттєвою знахідкою (стор = 0,001) у дітей із ожирінням/надмірною вагою. У дітей різних етнічних груп та статі не виявлено відмінностей у бактеріальному тилі (Таблиця 1).

Рисунок 1. Агрегований склад мікробіоти всіх дітей у досліджуваній когорті за типом (а), сім'я (b), і рід (c) рівнів. Для сім'ї та роду показано лише таксономічні групи вище 0,5%.

Панівними сімействами бактерій були Lachnospiraceae (29,76%), Coriobacteriaceae (13,51%), Біфідобактерії (11,66%), і Румінококкові (10,36%) (рис. 1б). Існували гендерні відмінності у відносному співвідношенні цих сімейств бактерій, серед жінок-учасниць було більше Lachnospiraceae (стор = 0,002), ніж у чоловіків. У дітей із ожирінням/надмірною вагою також виявлено значно менше Біфідобактерії ніж нормальної ваги (табл. 2). Істотних відмінностей між домінуючими бактеріальними сім’ями та віком та етнічною приналежністю не було.

Таблиця 2. Відносний достаток (%) найбільш домінуючих бактеріальних сімей із зразків калу при різному демографічному та антропометричному вимірі

На рівні родів бактерій (рис. 1в) домінуючими були Блаутія (20,31%), Колінзелла (13,55%), Біфідобактерії (13,53%), і Фекалібактерії (5,98%). Жінки зафіксували значно більше (стор = 0,038) Блаутія ніж у чоловіків, а у дітей із ожирінням/надмірною вагою було значно більше Лактобактерії і значно менше Біфідобактерії ніж нормальної ваги (табл. 3). Істотних відмінностей між домінуючими родами та віком та етнічною приналежністю не було. Коли досліджувалось філогенетичне різноманіття (вкорінене) (рис. 2), були значні відмінності (стор = 0,009) між дітьми із нормальною вагою та дітьми з ожирінням/надмірною вагою, причому остання група має менше філогенетичного різноманіття в мікробіоти шлунково-кишкового тракту.

Рисунок 2. Метрика альфа-різноманітності відмінностей між дітьми із ожирінням та без нього; стор = 0,009.

Таблиця 3. Відносний достаток (%) найбільш домінуючих та застосовних бактеріальних поколінь із зразків калу при різному демографічному та антропометричному вимірі

Обговорення

У цьому дослідженні ми висунули гіпотезу, що діти з ожирінням/надмірною вагою, що ростуть у Тринідаді, острові з високим рівнем доходу в Карибському басейні, з швидко зростаючою поширеністю дитячого ожиріння, 15,16 мали б шлунково-кишкові мікробіотичні композиції, подібні до тих, що спостерігаються в інших країни доходу. Крім того, ця гіпотеза базувалася на спостереженні, що в Карибському басейні та Латинській Америці спостерігається загальне скорочення споживання традиційних страв та збільшення споживання ультраперероблених продуктів21, а в Тринідаді та Тобаго витрати на фрукти та овочі стають занадто дорогими для багатьох батьків, щоб давати своїм дітям здорове харчування. 22 Крім того, на сьогоднішній день не було порівняльних досліджень мікробіоти у людей із зайвою вагою/ожирінням та дітей із нормальною вагою в Тринідаді та Тобаго та, наскільки відомо цим авторам, в англомовних країнах Карибського басейну.

Шлунково-кишковий бактеріальний склад у зразках калу з когорти 51 дитини аналізували на 3 таксономічних рівнях; тип, сім’я та рід, щоб визначити, чи існують відмінності у відносній чисельності кишкових бактерій у відношенні до ваги учасників (надмірна вага/ожиріння проти худих), віку, статі та етнічної приналежності, про яку вони повідомили. Наші висновки показують, що діти з ожирінням мають більше Фірма, і що існувала позитивна лінійна кореляція між Фірма та ІМТ. Також було відзначено, що діти з ожирінням мали нижчий рівень Бактероїдети і Біфідобактерії, і що між ними існувала негативна кореляція Фірма і Бактероїди. Збільшення чисельності Фірма у нашому дослідженні когорта дітей, що страждають ожирінням, узгоджується з повідомленнями з інших частин світу. 23,24 В дослідженнях на мишах було відзначено присутність цієї філи для кореляції з дієтою з високим вмістом цукру та жиру 25, як це було б у дієтах, багатих ультрапереробленою їжею, які стали більш помітними у місцевих дієтах в Тринідаді та Тобаго.

Більшість досліджень показали відповідне зменшення Бактероїдети у людей з ожирінням. 26,27 Хоча це і не суттєво, у дітей із ожирінням було менше Бактероїдети ніж діти без ожиріння у цьому дослідженні. На додачу, Фірма мали значний негативний лінійний зв'язок з Бактероїдети. Збільшення коефіцієнта Фірма до Бактероїдети може сприяти ожирінню, оскільки це пов’язано із збільшенням вилучення енергії з ферментації товстої кишки та коротколанцюгових жирних кислот. Діти з ожирінням/надмірною вагою у цьому дослідженні мали 16 разів більше Фірма ніж Бактероїдети.

Тільки на сімейному рівні Біфідобактерії показав значимість. Діти з нормальною вагою мали значно більше Біфідобактерії ніж діти з ожирінням/надмірною вагою. Перебуваючи на рівні роду, пов’язані Біфідобактерії виявив подібну асоціацію. Дослідження показало, що Біфідобактерії Види знижують вагу тіла та жиру, шкідливу ферментативну активність та рівень сироватки крові у щурів Спраг-Доулі, які харчуються з високим вмістом жиру. 29 Це свідчить про те, що Біфідобактерії spp. може мати здатність до ожиріння та зниження рівня ліпідів.

Ми виявили лактобактерії бути значно більше у дітей із ожирінням/надмірною вагою, ніж у худих учасників. Лактобактерії був використаний як пробіотик для сприяння росту сільськогосподарських тварин. Зокрема, тварини, які отримували лікування, мали значно більший приріст ваги та ефективність перетворення їжі, ніж контролі. 30 Так само і у людей, лактобактерії було виявлено, що концентрація у пацієнтів із ожирінням була значно вищою, ніж у пацієнтів із ожирінням. 31

Ми також відзначили нижчу бактеріальну різноманітність у зразках калу у дітей із ожирінням/надмірною вагою порівняно з такими з нормальною вагою. Це викликає занепокоєння, оскільки зменшення різноманітності мікробів пов’язане з ожирінням, резистентністю до інсуліну, порушенням гомеостазу глюкози та запаленням 32 та пов’язане із зміненим представленням метаболічних шляхів та бактеріальних генів. 25 Мікробіота з кишечником, багата на види, є важливою, оскільки вона є більш пристосованою до впливів навколишнього середовища і більш стійкою до хвороб. Зв'язок між зменшенням бактеріального різноманіття та розвитком хронічних захворювань викликає занепокоєння в контексті Тринідаду, оскільки на острові вже є одна з найвищих поширень діабету в західній півкулі - 13% його населення. 33

Сильна асоціація Lachnospiraceae і Блаутія з жіночою статтю в нашому дослідженні цікаво. І те, і інше Lachnospiraceae і Блаутія були пов’язані з низкою хронічних захворювань, включаючи депресію, діабет та вовчак. Org et al., 34 встановили, що члени сім'ї Lachnospiraceae були більш поширеними у самок мишей, але значення цієї знахідки залишається неясним.

Це дослідження мало певні обмеження. Хоча відбір проб стільця є відносно простою та неінвазивною процедурою; зібраний стілець може не повністю відображати середовище, яке існує на стінці кишечника, де передбачається взаємодія мікроорганізмів-господарів. Крім того, більшість поживних речовин всмоктується в тонкому кишечнику, де важко отримати зразок. Нарешті, були проведені аналізи найбільш домінуючих бактерій, однак існує ймовірність того, що мікробіоти, виявлені в невеликих кількостях, можуть відігравати роль у ожирінні.

Висновки

Це дослідження є першим, що досліджувало склад мікробіоти кишечника дітей у Тринідаді та забезпечило повну характеристику відносної чисельності всієї мікробіоти у типі та більшості на рівні родини та родів. Зі зростанням рівня ожиріння серед дітей у Тринідаді стало важливим вивчення нових етіологій у регіонах, які раніше не вивчалися. Це дослідження показало, що поєднання мікробів кишечника може відображати ожиріння/надмірну вагу у дітей. У дітей із ожирінням/надмірною вагою було зафіксовано значно більше мікробів, пов’язаних із ожирінням, та зменшенням кількості мікроорганізмів, які, як показано, допомагають здоровій вазі. Крім того, у дітей із ожирінням/надмірною вагою спостерігався менш адаптивний мікробіом кишечника, що відбивається при зменшенні різноманітності. Чи є цей мікробний дисбіоз кишечника відбитком більш західної дієти, прийнятої дітьми в Тринідаді, відкритий для подальших інтерпретацій, однак він залишає простір для можливих терапевтичних втручань, таких як використання корисних мікробів (про- та пребіотиків) для встановлення балансу кишечника мікробів і, можливо, сприяє зниженню ваги.

Подяка

Особлива подяка доклінічному відділу факультету медичних наук, доктору Джорджу Легалу, який допомагав в аналізі даних, та пані Саманті Джагмохан за набір предметів.

Інформація про фінансування

Це дослідження було підтримане Фондом досліджень та публікацій в університеті; CRP.5.NOV17.77 Університету Вест-Індії, кампус Сент-Августин, Тринідад і Біобем (Каліфорнія, США), ініціатива грантів Microbiome, яка постачала набори та послідовності.