Вплив харчового жиру на мікробіоти та кишкові метаболіти та їх взаємозв’язок

Рівень ожиріння та інших кардіометаболічних розладів у більшості країн, що розвиваються, швидко зростав паралельно із переходом від традиційної дієти з низьким вмістом жиру до дієти з відносно високим вмістом жиру, але нижчою вуглеводів.

вплив

Показано, що дисбіоз мікробіоти кишечника пов'язаний з високим ризиком ожиріння, діабету 2 типу та багатьох інших кардіометаболічних захворювань.

Дослідження з використанням моделей гризунів дозволяють припустити, що дієта з високим вмістом жиру дисбалансує мікробіоти кишечника та погіршує кишковий бар’єр, що призводить до кардіометаболічних захворювань.

Спостережні дослідження, проведені в різних людських популяціях, свідчать про те, що дієта сильно впливає на склад мікробіоти кишечника та пов'язану з ним метаболоміку фекалій, тоді як дані досліджень дієтичного втручання свідчать про те, що вплив дієти на мікробіоти кишечника може бути більш скромним.

Значення цього дослідження

Які нові висновки?

На рівні філе дієти з помірним вмістом жиру та жиром із зниженим вмістом жиру знижували співвідношення твердих речовин до бактеріоїдів після втручання.

На рівні роду дієта з підвищеним вмістом жиру зменшила чисельність Faecalibacterium, збільшила кількість Alistipes і Bacteroides, тоді як дієта з низьким вмістом жиру збільшила кількість Faecalibacterium і Blautia після втручання.

Концентрація масляних кислот у фекаліях була збільшена після дієти з низьким вмістом жиру та знижена після дієти з високим вмістом жиру. Після споживання дієти з низьким вмістом жиру р-крезол та індол кометаболітів зменшувались, тоді як пальмітинова кислота (С16: 0), стеаринова кислота (С18: 0) та арахідонова кислота збільшувались після вживання дієти з підвищеним вмістом жиру.

Зміна відносної чисельності блаутії була негативно пов'язана зі змінами загального холестерину в сироватці крові, ліпопротеїдів низької щільності та холестерину ліпопротеїнів невисокої щільності, тоді як зміна вмісту Bacteroides позитивно корелювала зі змінами цих трьох ліпідних маркерів у крові.

Для циркулюючих прозапальних факторів дієта з підвищеним вмістом жиру була пов’язана з підвищеною плазмовою високою чутливістю С-реактивного білка та тромбоксану В2 щодо дієти з низьким вмістом жиру, тоді як лейкотрієн В4 та простагландин Е2 у дієті з низьким вмістом жиру були знижені найбільше серед три дієтичні групи.

Як це може вплинути на клінічну практику в осяжному майбутньому?

Отримані нами результати демонструють, що серед здорових молодих людей, дієта яких перебуває у перехідному стані, дієта з підвищеним вмістом жиру мала помітно несприятливий вплив на таксони мікробів кишечника, метаболічні профілі фекалій та прозапальні біомаркери плазми, тоді як дієта з низьким вмістом жиру була пов'язана більш сприятливий профіль цих біомаркерів. Ці висновки є підтверджуючими доказами того, що харчові настанови в країнах, що перебувають у стані переходу до харчування, повинні відмовляти від збільшення споживання дієтичного жиру. Результати можуть також мати значення у розвинених країнах, де споживання жиру вже є високим.

Вступ

Паралельне збільшення рівня вуглеводів у їжі та поширеність ожиріння та діабету 2 типу (T2D) у Сполучених Штатах та деяких інших західних країнах призвели до припущення, що така дієтична зміна є результатом збільшення споживання вуглеводів та зменшення загального вмісту жиру споживання, може бути визначальним фактором кардіометаболічних розладів. 1–3 На відміну від цього в Китаї перехід харчування від традиційної дієти з низьким вмістом жирів з високим вмістом вуглеводів до дієти з відносно більшим вмістом жиру та меншою кількістю вуглеводів був пов’язаний із різким збільшенням за ризик ожиріння, СД2 та серцево-судинних захворювань за останні 30 років.4 5 Раніше ми показали в рандомізованому дослідженні з контрольованим годуванням, що серед здорових молодих людей дієта з низьким вмістом жиру та вуглеводами, швидше за все, пов’язана з менший ризик надмірного збільшення ваги та збільшення окружності талії та більш сприятливий ліпідний профіль, ніж дієта з підвищеним вмістом жиру та вуглеводами.

Існував інтерес до ролі мікробіоти кишечника у розвитку ожиріння та кардіометаболічних захворювань.7 Дослідження на гризунах показали, що дієта західного типу з високим вмістом жиру сильно впливає на генетичний склад та метаболічну активність мікробіоти кишок.8 9 Докази показують, що у людей різноманітність і багатство мікробіоти кишечника зменшуються при порівнянні таких дієт з високим вмістом жиру та більш традиційних дієт з відносно більшою часткою вуглеводів.10 11 Такий, спричинений дієтою „дисбіоз” у пов’язаних з кишечником мікробних спільнотах вважається головним фактором порушення метаболізму, пов’язаного з ожирінням.12 Значна частина відповідної літератури про людей базується на спостережних дослідженнях, і порівняно невелика кількість короткотермінових досліджень дієтичного втручання свідчить про те, що вплив зміни дієти може бути відносно помірним. 13-16 доступна інформація про здорових молодих людей або про групи населення, дієта яких перебуває у переході від традиційно споживаної до тієї, що пов'язана з високим ризиком серцево-метаболічних захворювань.

Таким чином, у 6-місячному рандомізованому дослідженні з контрольованим вигодовуванням серед здорових молодих людей ми порівняли низку ознак мікробіоти кишечника та метаболічних профілів фекалій, а також маркери запалення для дієт з різною часткою жиру та вуглеводів.

Методи

Дизайн дослідження та сукупність

Це дослідження досліджувало мікробіоти кишечника, реакцію на метаболомічні профілі фекалій та їх взаємозв’язок із кардіометаболічними факторами ризику у 217 здорових дорослих людей, які надали зразки фекалій у дослідженні «Оптимальне розподіл макроелементів у харчуванні в Китаї». Китаю та Університету Чжецзян на півдні Китаю і був схвалений комітетами з етики. Кожен учасник надав письмову інформовану згоду та не отримав фінансової компенсації та подарунків. Випробування було зареєстровано за адресою ClinicalTrials.gov за номером NCT02355795.

Вивчення дієт та втручання

Додатковий файл 1

Збір зразків крові та оцінка прозапальних факторів

Зразки крові відбирали шляхом венепункції після 12-годинного голодування. Плазму та сироватку центрифугували із зразків крові та негайно зберігали при -80 ° C для подальшого аналізу. Концентрації клінічних біомаркерів у сироватці крові, включаючи ліпідні профілі, глюкозу та інсулін, вимірювали, як описано раніше.6. Концентрації прозапальних факторів у плазмі крові, включаючи інтерлейкін (IL) -1, IL-6, IL-8, фактор некрозу пухлини-α (TNF- α), простагландин E2 (PGE2), тромбоксан B2 (TXB2) та лейкотрієн B4 (LTB4), вимірювали за допомогою наборів ELISA (Cayman Chemical Co, Ann Arbor, Michigan, USA та MultiSciences Biotech Co, Hangzhou, China). Крім того, високочутливий С-реактивний білок (hs-CRP) вимірювали методом турбідиметричного імунологічного аналізу з посиленням латексу. Всі вимірювання проводили в кінці дослідження для мінімізації варіабельності.

Секвенування 16S рРНК та вимірювання метаболоміки фекалій

Зразки фекалій збирали на початковому етапі та наприкінці 6-місячного втручання. Кожен зразок фекалій швидко заморожували у рідкому азоті протягом декількох хвилин після донорства, а потім витримували при -80 ° C. ДНК витягували із зразків калу (200 мг) за допомогою міні-набору для стільця QIAamp DNA Stool (Qiagen, Hilden, Німеччина), дотримуючись вказівок виробника, з додатковими гомогенізованими етапами в бісероплетінні (FastPrep, Thermo Electron Co, Бостон, Массачусетс, США). Гіпервариабельні ділянки V3-V4 гена бактерій 16S рРНК ампліфікували за допомогою індексованих штрих-кодами праймерів 338F (5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3 ’) та 806R (5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’). Очищені амплікони об'єднували в еквімолярній концентрації, а подальше парне кінцеве секвенування проводили за допомогою інструменту Illumina Miseq (Illumina, Сан-Дієго, Каліфорнія, США). Неопрацьовані дані щодо послідовності зберігаються в базі даних Національного центру біотехнологічної інформаційної послідовності читання в архіві із номером приєднання PRJNA480547. Цільова ідентифікація та вимірювання метаболоміки калу проводились на основі перевіреного методу.18 Детальна інформація про підготовку та аналіз даних послідовності 16S рРНК, а також кількісне вимірювання метаболоміки фекалій доступні в додаткових онлайн-матеріалах.

Статистичний аналіз

Ортогональну проекцію на прихований структурно-дискримінантний аналіз (OPLS-DA) із шкалою дисперсії одиниць проводили для вивчення загального розподілу мікробних метаболітів до та після втручання в кожній групі. Якості всіх моделей OPLS-DA оцінювали за допомогою R 2 X (загальна варіація пояснюється моделлю) та Q2 (що позначає передбачуваність моделі). Значущість моделей додатково підтверджували дисперсійним перехресним валідаційним аналізом (CV-ANOVA). Однофакторний аналіз також проводили зі значеннями р, скоригованими для багаторазового тестування підходом Бенджаміні-Хохберга. Кореляційні зв'язки між змінами фекальних метаболітів та змінами відносної чисельності роду, а також прозапальними маркерами обчислювались за допомогою рангового тесту Спірмена або кореляційного тесту Пірсона, у повній когорті. Значення P для кореляційних зв'язків між змінами фекальних метаболітів та змінами відносної чисельності роду були скориговані для багаторазового порівняння.

Також були проведені аналізи, щоб вивчити різницю в мікробіоти кишечника та метаболомних профілях фекалій між групами. PCoA на основі відстані Брея-Кертіса та PERMANOVA були проведені для порівняння загального складу мікробіоти серед трьох груп на рівні філу, роду та OTU, на базовому рівні та після втручання, відповідно. OPLS-DA із шкалою дисперсії одиниць та CV-ANOVA проводили для вивчення загального розподілу мікробних метаболітів у трьох групах на початковому рівні та після втручання. Для суттєво змінених бактерій та фекальних метаболітів після корекції FDR у кожній групі далі проводили тест Вількоксона для порівняння змін значень між дієтичними групами.

OPLS-DA та CV-ANOVA виконувались із програмним забезпеченням SIMCA-P + версії 14.0, а всі інші статистичні аналізи проводились у R версії 3.4. Основними використовуваними пакетами R були "мавпа" та "веган" для аналізів PCoA та PERMANOVA та "ade4" та "clusterSim" для аналізу ентеротипів.

Результати

Характеристика учасників дослідження

Базові характеристики учасників, включених у дослідження мікробіоти кишечника (n = 217)

Вплив дієтичних втручань на мікробіоти кишечника

Багатство мікробної спільноти, зазначене оцінками Ace та Chao1, не показало суттєвих змін серед трьох груп, тоді як різноманітність спільнот, оцінена за індексом Шеннона, була суттєво збільшена у групі з низьким вмістом жиру порівняно з групою з високим вмістом жиру (p = 0,03 ) (малюнок 1А). Не було помічено суттєвого зрушення щодо трьох дієт у загальному складі мікробіоти кишечника на рівнях філу, роду та ОТУ, як було показано в аналізі PERMANOVA (фігура 1B-D). Подібним чином ентеротипи не зазнали суттєвих змін в жодній з трьох груп (малюнок 2 та додатковий малюнок 3).

Зміни глобальної мікробіоти кишечника після втручання в кожну групу. (A) α-різноманітність на рівні роду, оцінена оцінкою Ace, Chao 1 та Shannon. * р 2 тести.

Кластеризація мікробіоти кишечника в ентеротипи на рівні роду за допомогою відстані Дженсена-Шеннона. (А) Два набори найбільш природно існують у наборі даних методом PAM. Вісь x показує номер кластера, вісь y - індекс Калінського-Харабаша (CH). (B) Кластеризація перших двох основних компонентів. (В) Відносна кількість бактеріальних таксонів, характерних для кожного ентеротипу. Поля представляють IQR, а лінія всередині - медіана. Вуса позначають найнижчі та найвищі значення в межах 1,5 × IQR. (D) Частка ентеротипів у кожній групі до та після втручання. Статистично значущих змін у кожній групі не було помічено до та після втручання за допомогою χ 2 тестів.

Співвідношення між змінами фекальних метаболітів та змінами чисельності роду. Теплова карта показує коефіцієнт кореляції Спірмена між змінами концентрацій метаболітів у фекаліях та змінами відносної чисельності окремих родів. Інтенсивність кольорів відображає ступінь асоціації між змінами концентрації фекальних метаболітів та змінами відносної чисельності окремих родів, виміряних кореляціями Спірмена. Значення P були скориговані для багаторазового тестування за допомогою коефіцієнта помилкового виявлення Бенджаміні-Хохберга. * p Переглянути цю таблицю:

  • Переглянути вбудований
  • Переглянути спливаюче вікно

Вплив дієтичних втручань на плазмопрозапальні маркери (n = 217)

Обговорення

Ми вважаємо, що дане рандомізоване дослідження з контрольованим вигодовуванням є першим дослідженням, яке досліджувало вплив різних пропорцій споживання жиру з їжею на мікробіоти кишечника, метаболічні профілі фекалій та фактори запалення плазми у здорових молодих людей, взятих із популяції, дієта якої перехідний стан. Результати нашого дослідження дозволяють припустити, що, хоча три дієти не спричинили значних змін у складі мікробіоти глобального кишечника, дієта з підвищеним вмістом жиру мала загальний несприятливий вплив на кілька важливих біомаркерів, тоді як дієта з низьким вмістом жиру з розподілом макроелементів відповідала таким споживаних у Китаї до приблизно 30 років тому, мабуть, мали сприятливі наслідки.

Ми виявили, що Blautia і Faecalibacterium, роди, які, як відомо, містять бактерії, що продукують бутират, були збільшені в групі з низьким вмістом жиру. Блаутія - це група бактерій, що містять різні продуценти ацетату та бутирату, і, як повідомляється, у пацієнтів з T2D відносна чисельність менша, ніж у здорових контролерів.31 32 Faecalibacterium містить протизапальні та функціонально важливі бактерії.33 Більший вміст F. prausnitzii було пов’язано зі зменшенням систематичного запалення низької ступеня серед пацієнтів із ожирінням, які отримують баріатричну хірургію.34 У багатьох попередніх дослідженнях повідомлялося про переваги харчових волокон для мікробіоти кишечника.35 У нашому дослідженні кількість вуглеводів було найвищим у групі з низьким вмістом жиру, переважно з білого рису та пшеничного борошна (хліб). Як повідомляється, частка стійкого крохмалю становить 3% у білому рисі та 2% у хлібі.36 37 Враховуючи те, що споживання харчових волокон не відрізнялося між трьома групами, можливо, сприятливі наслідки дієти з низьким вмістом жирів у наше дослідження могло бути пов'язане з підвищеною кількістю стійкого крохмалю, який, як харчові волокна, може ферментуватися мікробіотою кишечника, що супроводжує користь для здоров'я.

Кореляційний аналіз дозволив нам виявити кілька нових родів бактерій, потенційно причетних до метаболічного здоров'я господаря. Ми спостерігали негативні асоціації великої кількості блаутії з сироватковою концентрацією TC, LDL-C та не-HDL-C, тоді як протилежне спостерігалося у Bacteroides, роду, який, як ми виявили, збільшився після споживання жиру. Попереднє клінічне випробування повідомляло, що у хворих на Т2Д та гіперліпідемію покращували метформін та рослинну суміш із підвищеним вмістом Bautia, що суттєво корелювало із покращенням циркулюючої глюкози та ліпідів.52 Крім того, відповідно до клінічного випробування, в якому Blautia було виявлено, що він негативно асоційований з ТК та не-ЛПВЩ, ми спостерігали подібні негативні асоціації між блаутією та ліпідними профілями крові.53 Збагачення блаутії у групі з низьким вмістом жиру припустило, що зміна мікробіоти кишечника, спричинене дієтою до гомеостазу ліпідів хазяїна у здорових молодих дорослих і, можливо, буде майбутньою метою для ведення пацієнтів із кардіометаболічними захворюваннями.

Обмеженням цього дослідження було те, що відбір проб фекалій проводився лише на вихідному рівні та в кінці дослідження. Більш повне уявлення про зміни мікробіоти кишечника могло б стати можливим при більш частому відборі проб. Крім того, усі три групи втратили вагу, і втрата ваги різнилася між групами після дієтичного втручання. Чи втрата ваги призвела до змін мікробіоти кишечника та метаболоміки калу, або навпаки, потрібно вивчати далі. Інше обмеження стосується загальної можливості нашого дослідження, оскільки нашими випробуваними були здорові молоді дорослі люди без ожиріння; результати можуть не стосуватися людей з високим ризиком серцево-метаболічних захворювань. Сильні сторони цього дослідження включали конструкцію контрольованого вигодовування, великий обсяг проби та відносно довгий період втручання. На відміну від попередніх досліджень, ми застосували профілювання ампліконів 16S рРНК та кількісно націлену бактеріальну метаболоміку, що дозволило нам зрозуміти як реакцію мікробіоти кишечника, так і бактеріальні метаболіти, щоб отримати більше інформації про метаболічні взаємодії мікробіоти господаря та кишки у відповідь на вміст жиру в їжі.

Висновок

Підводячи підсумок, порівняно з дієтою з низьким вмістом жиру, тривале споживання дієти з більш високим вмістом жиру виявляється небажаним через зміни мікробіоти кишечника, метаболічних профілів калу та прозапальних факторів для здорових молодих людей, дієта яких переходить від традиційно споживається дієта з меншим вмістом жиру та вуглеводами до такої, що характеризується помітно більшим вмістом жиру. Ці висновки можуть також мати значення у розвинутих країнах, де споживання жиру вже є високим.

Подяка

Ми дякуємо всім учасникам, слідчим, персоналу на місці, персоналу кухні та всім членам лабораторії Duo Li за участь у наукових дискусіях щодо рукопису.