Відмінності в профілі мікробіоти кишечника між жінками з активним способом життя та малорухливими жінками

В рівній мірі сприяв цій роботі разом з: Карло Бресса, Марія Байлен-Андріно

Відділення фундаментальних наук Європейського університету, Мадрид, Іспанія

В рівній мірі сприяв цій роботі разом з: Карло Бресса, Марія Байлен-Андріно

Відділення фундаментальних наук Європейського університету, Мадрид, Іспанія

Дослідницька група з питань харчування, фізичної активності та здоров’я, Школа докторських студій та досліджень, Європейський університет, Мадрид, Іспанія

Відділення фундаментальних наук Європейського університету, Мадрид, Іспанія

Філіальний відділ фізичної активності та спортивних наук, Університет Альфонсо X Ель Сабіо, Вільянуева-де-ла-Каньяда, Іспанія

Карло Бресса,
Марія Бейлен-Андріно,
Дженніфер Перес-Сантьяго,
Росіо Гонсалес-Солтеро,
Маргарита Перес,
Марія Грегорія Монталво-Ломінчар,
Хосе Луїс Мате-Муньос,
Рауль Домінгес,
Дієго Морено,
Мар Ларроза

Цифри

Анотація

Фізичні вправи - це інструмент для профілактики та лікування деяких хронічних захворювань, що вражають населення світу. Механізм, завдяки якому фізичні вправи можуть мати сприятливий вплив на організм, полягає у спровокуванні змін мікробіоти кишечника, фактора навколишнього середовища, який в останні роки асоціюється з численними хронічними захворюваннями. Тут ми показуємо, що фізичні вправи, що виконуються жінками, принаймні в тій мірі, яка рекомендована Всесвітньою організацією охорони здоров’я, можуть змінити склад мікробіоти кишечника. Використовуючи високопродуктивне секвенування гена рРНК 16s, було встановлено, що одинадцять родів суттєво відрізняються між активними та малорухливими жінками. Кількісний ПЛР-аналіз виявив більшу кількість корисних для здоров'я видів бактерій у активних жінок, включаючи Faecalibacterium prausnitzii, Roseburia hominis та Akkermansia muciniphila. Більше того, відсоток жиру в організмі, м’язова маса та фізична активність суттєво корелювали з кількома популяціями бактерій. Підводячи підсумок, ми пропонуємо першу демонстрацію взаємозалежності між деякими родами бактерій та параметрами сидячої поведінки, і показуємо, що не тільки доза та тип фізичних вправ впливають на склад мікробіоти кишечника, але також порушують сидячу поведінку.

Цитування: Bressa C, Bailén-Andrino M, Pérez-Santiago J, González-Soltero R, Pérez M, Montalvo-Lominchar MG та ін. (2017) Відмінності в профілі мікробіоти кишечника між жінками з активним способом життя та малорухливими жінками. PLoS ONE 12 (2): e0171352. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0171352

Редактор: Сурьясараті Дасгупта, Гарвардська медична школа, США

Отримано: 22 серпня 2016 р .; Прийнято: 19 січня 2017 р .; Опубліковано: 10 лютого 2017 р

Наявність даних: Сирі дані у форматі fastq доступні з бази даних NCBI Biosample (номер приєднання: PRJNA350839).

Фінансування: Ministerio de Economía y Competitividad. Грант Рамона і Кахаля 2012_11910. www.mineco.gob.es. Universidad Europea de Madrid 2015UEM06, 2015UEM24 та Cátedra ASISA Grant 2015UEM46. www.universidadeuropea.es. Фінансисти не мали жодної ролі у розробці досліджень, зборі та аналізі даних, прийнятті рішення про публікацію чи підготовці рукопису.

Конкуруючі інтереси: Автори заявили, що не існує конкуруючих інтересів.

Вступ

Малорухливий спосіб життя пов’язаний з високою частотою хронічних захворювань, таких як серцево-судинні захворювання, рак та діабет. Фізичні вправи є потужним профілактичним та лікувальним втручанням, яке, як відомо, ефективно для отримання метаболічних та імунних переваг для здоров'я [1]. Мікробіота кишечника має важливе значення для переробки дієтичних компонентів і відіграє важливу роль у формуванні імунної системи [2]. Відповідно, роль мікробіоти кишечника у визначенні здоров’я господаря та розвитку хвороби набуває інтересу в останнє десятиліття; однак, чи є мікробіота кишечника мішенню для терапевтичних переваг фізичних вправ, залишається невідомим [3].

Головною метою даної роботи було провести спостережне дослідження, що порівнює склад мікробіоти кишечника між особами, які не займались фізичними вправами, та тими, хто, щонайменше, займався фізичними вправами у мінімумі, рекомендованої Всесвітньою організацією охорони здоров'я ) [26]. Оскільки гормональний статус та стать є факторами, що впливають на мікробіоти кишечника, дослідження проводилось у жінок в період менопаузи.

Матеріали і методи

Характеристика предмета

Сорок жінок до менопаузи були набрані відповідно до критеріїв включення: вік 18–40 років та індекс маси тіла (ІМТ) 20–25 кг/м 2. Критеріями фізичних вправ були такі: сидячі жінки, які не виконували мінімальних фізичних вправ, встановлених ВООЗ як здорові, тобто 3 дні фізичних вправ протягом 30 хвилин з помірною інтенсивністю [26]; а для активних жінок - тих, хто виконував щонайменше 3 години фізичних вправ на тиждень. Критеріями виключення були будь-який тип патології, попередня операція на шлунково-кишковому тракті, прийом антибіотиків протягом трьох місяців до дослідження, куріння, пребіотики, пробіотики, вегетаріанські або веганські, харчові або ергогенні добавки, вагітність або лактація. Всі предмети були кавказькими. Комітет з питань етики клінічних досліджень лікарні Рамон-і-Кахаль (Мадрид, Іспанія) схвалив дослідження. Письмова та інформована згода була отримана від усіх учасників. Дослідження зареєстровано в Clinicaltrials.gov з номером приєднання NCT02901912.

Визначення фізичної активності та сидячого часу

Рівні фізичної активності, виконуваної обома групами жінок, вимірювали за допомогою акселерометра ActiSleep V.3.4.2. (Actigraph, Manufacturing Technology Inc., Shalimar, FL). Це дозволило нам об’єктивно перевірити, чи виділяються сидячі та активні особи, оскільки це визначає рухи тіла по всіх трьох осях. Було зафіксовано прискорення, енерговитрати, інтенсивність фізичного навантаження та положення тіла. Результати аналізували за допомогою програмного забезпечення Actilife (Actilife6, Actigraph). Записи виконувались протягом 7 днів (5 робочих і 2 вихідних днів). Учасникам було наказано носити акселерометр на правому зап'ясті цілий день, за винятком випадків, коли вони приймали душ або виконували заходи в басейні. Дані вважалися дійсними, коли вони містили запис щонайменше п’яти дійсних днів, включаючи принаймні один день вихідних, і реєстрували принаймні 10 годин активності. Інтервал вибірки часу (епоха) становив кожну хвилину протягом 7 днів. Згідно з попередніми звітами, відсікання 2; індекс м’язової маси (MMI) = загальна м’язова маса/зріст 2 та апендикулярний індекс м’язової маси (AppMMI) = м’язова маса рук + ніг/зріст 2 .

Збір калу, екстракція ДНК та секвенування

Учасникам був наданий пластиковий пристрій для збору зразків калу, який зберігався при -80 ° C до вилучення. ДНК екстрагували за допомогою комерційного набору Power Soil DNA Kit (Mobio, CA) із гомогенізатором, що бить бісером (Bullet Blender® Storm, Next Advance, NY). Концентрацію та чистоту ДНК вимірювали за допомогою набору для аналізу dsDNA Quant-iT PicoGreen (ThermoFisher Scientific, Waltham, MA).

Послідовність та біоінформатика

Класифікація ентеротипів

Учасники були класифіковані за “ентеротипами” відповідно до відносного ряду родів та розподілу навколо медоїдів (PAM) за допомогою відстані Дженсена-Шеннона на основі описаної методології [32]. Результати оцінювались для оптимальної кількості кластерів за допомогою пакету R NbClust [33] та індексу Калінського-Харабаша [34].

Кількісний аналіз ПЛР

Вміст калових вод

Для отримання вмісту фекальної води 500 мг кожного зразка калу зважували, а потім ліофілізували в сушильній машині (Christ Alpha 1–2 LD, Osterode am Harz, Німеччина). Вміст води виражали як відсоток втрати маси зразків стільця.

Ферментативна калова активність

Ферментативну активність калу визначали за допомогою системи API-ZYM (Biomerieux, Marcy l'Etoile, Франція) згідно з методом, описаним Delgado et al. для фекальних зразків [37] та інструкції виробника. Система API-ZYM є напівкількісним методом, який визначає 19 ферментних активностей: лужна фосфатаза, кислотна фосфатаза, фосфогідролаза, естераза, ліпаза, ліпаза-естераза, лейцин ариламідаза, валін ариламідаза, цистин ариламідаза, трипсин, α-хімотрипсин галактозидаза, β-галактозидаза, β-глюкуронідаза, α-глюкозидаза, β-глюкозидаза, N-ацетил-β-глюкозамінідаза, α-маннозидаза та α-фукозидаза.

Статистичний аналіз

Дієтичні звички

Дані про щорічне споживання їжі збирали за допомогою FFQ та аналізували за допомогою Dietsource 3.0. Дієти як сидячих, так і активних жінок відповідали параметрам збалансованого харчування (табл. 2), де відповідний відсоток макроелементів розглядається наступним чином: 10–15% білків, 50–60% вуглеводів і 30–35% ліпідів [38 ]. Істотних відмінностей у споживанні макроелементів та загальній енергії між групами не виявлено; однак кількість клітковини, яка потрапляє в організм активною групою, була значно вищою, ніж у сидячій групі (р = 0,005) (табл. 2), хоча різниці в споживанні етанолу не виявлено. Щодо результатів за групами продуктів харчування, то спостерігалося значно більше споживання фруктів (p = 0,027) та овочів (p = 0,037) активною групою, тоді як сидяча група поглинала значно більшу кількість обробленого м’яса (p = 0,007) (Таблиця 2).

Фізична активність

Коли порівнювали фізичну активність між групами, була значна різниця у відсотках середньої фізичної активності в активній групі (29,96 ± 5,61%) порівняно з сидячою групою (22,82 ± 3,64%) (р = 0,039), тоді як суттєві різниці у вимірах легкої фізичної активності. Середні витрати були вищими в активній групі (145 ± 31 ккал/год), ніж у сидячій групі (105 ± 22 ккал/год), а отже, загальні витрати енергії також були вищими для активних жінок (3432 ± 911 ккал), ніж для сидячих жінок (2523 ± 982 ккал) (p = 0,048). Істотних відмінностей для інших визначених змінних не виявлено. Різниця в сидячій поведінці також відображалася у змінних "максимальний час на сидячу перерву в робочі дні" (SED = 691 ± 96 хв проти ACT = 515 ± 91 хв; p = 0,005), "середній час на сидячу перерву в робочі дні" (SED = 81,15 ± 14,71 хв проти ACT = 58,82 ± 15,89 хв; p = 0,038), і за змінною “загальний час в сидячих нападах у робочі дні” (SED = 311 ± 21 хв проти ACT = 367 ± 35 хв; p = 0,027).

Метагеномний аналіз мікробіоти

Аналіз основних координат (PcoA) графіків незважених (A) та зважених (B) метрик відстані Unifrac, отриманих в результаті секвенування гена рРНК 16s у зразках фекалій. Осі представляють відсоток даних, що пояснюються кожною розмірністю координат.

Тільки статистично значущі роди з скоригованим значенням p Рис. 3. Зміни, викликані відносною чисельністю видів кишкових бактерій за способом життя у жінок.

(A) Bifidobacterium longum, (B) Faecalibacterium prausnitzii, (C) Roseburia hominis, (D) Akkermansia muciniphila. Дані були перетворені та проаналізовані за допомогою t-тесту * p Таблиця 3. Бактеріальний тип та сім'ї у фекаліях активних та малорухливих жінок.

Класифікація ентеротипів

PAM-аналіз сприяв розділенню на два кластери (рис. 4А) - ентеротипи Bacteroides та Prevotella, тоді як ентеротип Ruminococcus у наших зразках відсутній (Fig. 4B). Сімдесят сім відсотків зразків були в межах ентеротипу Bacteroides, а решта 23% належали до ентеротипу Prevotella, в якому 66% населення було з активної групи.

Класифікація ентеротипів A) k відноситься до кластеризації з використанням індексу Калінського-Харабаша. B) Ділянки PcoA з використанням відстані Дженсена-Шеннона.

Кореляція мікробних таксонів кишечника, складу тіла та параметрів фізичної активності

Багаторазовий регресійний аналіз

Був проведений багаторазовий регресійний аналіз для встановлення впливу різних змінних на відмінності, що спостерігаються на загальному рівні між активною та осілою групами. Жодна із змінних, що враховуються щодо фізичної активності та складу тіла, не впливала на Turicibacter, Bifidobacterium, Odoribacter, Ruminococcus і Ruminococcus unclassified2, а некласифікований рід сімейства Barnesiellaceae та Haemophilus прогнозували за вмістом жиру в організмі, Coprococcus Рід родини румінококових некласифікованих1 частково пояснювали параметрами м'язової маси. Цікаво, що некласифікований рід сімейства Desulfovibrionaceae та роду Paraprevotella передбачався сидячою поведінкою (табл. 4).

Ферментативна активність калу

Бактеріальні ферменти в кишечнику беруть участь у метаболізмі продуктів харчування та ліків, і зміни до складу кишкових бактеріальних популяцій можуть призвести до модифікації профілю бактеріальних ферментів, які можуть вплинути на стан здоров'я господаря. Відповідно, ферментативну активність зразків калу порівнювали між активною та малорухливою групами. Активність цистеїнової амінопептидази у фекаліях була значно вищою в активній групі, ніж у малорухливій (у 6,6 рази вище, р = 0,033), тоді як відмінностей щодо активності інших ферментів не виявлено. При кореляційному аналізі активність цистеїн-амінопептидази негативно корелювала з наявністю бактероїдів (ρ = -0,39, p = 0,013), тоді як активність α-фукозидази позитивно корелювала з наявністю родів Bifidobacterium та Odoribacter (ρ = 0,52, p = 0,0005; ρ = 0,45, p = 0,003 відповідно) та лужна фосфатаза негативно корелювали з родом десульфовібріо (ρ = -0,42, p = 0,007).

Обговорення

Зміни рівнів некласифікованого роду сімейства Desulfovibrionaceae та роду Paraprevotella частково пояснювали порушенням сидячого способу життя. Наскільки нам відомо, це перша демонстрація кореляції між наявністю певних бактеріальних таксонів та порушенням сидячого способу життя. Рід Paraprevotella є одним із чотирьох, що включає сімейство Prevotellaceae, і характеризується виробництвом бурштинової та оцтової кислоти як основних продуктів бродіння. З цього роду описано лише два види, і їх потенційний вплив на здоров’я людини невідомий [58]. Відповідно до попередніх результатів, рід копрококів був більш поширеним у активних жінок [42]. Низька присутність копрококу пов’язана з ВЗК та меншою реакцією на лікування у педіатричних пацієнтів [59], а також зі зниженням стійкості до інфекції Campylobacter [60] та збільшенням тяжкості атопічного захворювання [61]. Копрокок - це рід, що виробляє бутират, що може пояснити деякі ефекти, що сприяють зміцненню здоров’я [62,63]. Некласифікований рід Barnesiellaceae також був модифікований вправою. Вплив цих родів бактерій на мікробіоти кишечника та їх можлива роль в організмі людини чекають подальших досліджень.

Визначення ферментативної активності калу виявило різке (в 6,6 рази) збільшення активності цистеїн амінопептидази у активних жінок порівняно з сидячими жінками. Бактеріальні цистеїнові амінопептидази вивільняють N-кінцеві залишки цистеїну з поліпептидів та білків [71], які можуть служити джерелом енергії для бактерій, які метаболізують білок, або для інших видів бактерій [72]. Хоча бактеріальний метаболізм білка в кишечнику є пропорційно менш значним, ніж вуглеводний, проте він важливий, оскільки продукти реакції, що утворюються, включаючи коротколанцюгові жирні кислоти, аміак, феноли та дикарбонові кислоти, можуть впливати на здоров'я господаря [72]. Хоча про специфічну ферментативну активність груп бактерій мікробіоти відомо небагато, активність цистеїн-амінопептидази широко зустрічається в порядку лактобактерій [73]; однак ми не виявили суттєвих відмінностей на будь-якому рівні в межах цієї групи бактерій. Потрібні подальші дослідження, щоб зрозуміти, як зміни в профілях мікробіоти провокують зміни в метаболічному профілі коменсальної мікробіоти.

На закінчення, результати, представлені тут разом із попередніми висновками, показують, що фізична активність модулює профіль мікробіоти. Доза фізичних вправ, яка була розглянута в нашому дослідженні, є мінімальною, яка рекомендована ВООЗ, і, отже, може бути легко застосована людьми у їх повсякденному житті. Наші результати вказують на те, що фізична активність, що виконується у низьких дозах, але постійно, може збільшити кількість мікроорганізмів, що сприяють здоров’ю (Bifidobacterium spp, R. hominis, A. muciniphila та F. prausnitzii). Хоча нам не вдалося виявити збільшення багатства мікробіоти, ми виявили зворотний зв'язок між осілими параметрами та багатством мікробіоти (кількість видів та індекси Шеннона та Сімпсона), що може свідчити про те, що, мабуть, важливі не тільки доза та режим фізичних вправ, але також режим фізичних вправ, таких як перерви в сидячий час, уникаючи тривалих періодів бездіяльності у повсякденному житті, щоб викликати зміни в мікробіоті кишечника.