Західна дієта регулює імунний статус та реакцію на LPS-обумовлений сепсис, незалежно від пов’язаного з дієтою мікробіома

Знайдіть цього автора на Google Scholar
Знайдіть цього автора на PubMed
Шукайте цього автора на цьому сайті
Запис ORCID для Деніз М. Монак
Для листування: [email protected]

Відредаговано Лорою В. Хупер, Техаський університет, Південно-Захід, Даллас, штат Техас, та затверджено 24 грудня 2018 р. (Отримано на огляд 20 серпня 2018 р.)

Значимість

Західна дієта (ВЗ) містить багато жирів і сахарози, а також мало клітковини і є найбільш поширеною дієтою у західних країнах. Ми виявили, що в нашій моделі сепсису миші, яким годували ВД, мали підвищений ступінь тяжкості сепсису та гірші результати. Миші, що годували WD, мали більш високе початкове запалення, посилений асоційований із сепсисом імунопараліз та зміну популяцій нейтрофілів у крові. Залежне від ВД збільшення тяжкості сепсису та смертності не залежало від пов'язаного з дієтою мікробіома, що припускає, що дієта може безпосередньо регулювати вроджений імунітет. Ми використали наші виявлені фактори хвороби і виявили, що миші, що харчуються WD, займають унікальний шлях у прогресуванні сепсису. Наші дані дають змогу зрозуміти перепрограмування імунної відповіді, яке залежить від дієти, і буде важливим при лікуванні та діагностиці популяції, яка харчується ВІЛ.

Анотація

Нещодавно сепсис було переосмислено як шкідливу імунну відповідь на інфекцію, що призводить до загрози життю дисфункції органів (1) і є провідною причиною смертності та критичних захворювань у всьому світі (2, 3). В даний час сепсис є основною проблемою охорони здоров'я, і хоча справжня захворюваність невідома, повідомляється, що частота сепсису зростає (4, 5). Незважаючи на його клінічну значимість, досі незрозуміло, які фактори-господарі сприяють регуляції цієї шкідливої імунної відповіді та результату сепсису. Визначивши роль конкретних факторів-господарів, які регулюють імунологічні шляхи та реакції на мікробні продукти, ми можемо почати визначати нові взаємозв'язки між цими факторами та тяжкістю та смертністю сепсису.

Недавні дослідження пролили світло на роль дієти в регулюванні імунної системи та супутніх запальних захворювань; таким чином, ми прагнули зрозуміти, як дієта впливає на тяжкість та результат сепсису. Ми особливо зацікавлені у західній дієті (WD), дієті, отриманій із ранньої аграрної дієти, запровадженої майже 10 000 років тому в постнеолітичний період, що містить багато насичених жирів та сахарози та мало клітковини, оскільки вона є однією з Найпоширеніші дієти у західних країнах (6, 7) і пов'язані з ожирінням. З досліджень на людях та моделей на тваринах відомо, що ЗЗ може впливати на мікробний патогенез (8 ⇓ –10), хронічне запалення (11 ⇓ –13) та тяжкість запальних захворювань (14, 15); однак існують суперечливі дані щодо того, чи безпосередньо ЗЗ змінює імунологічні шляхи, що сприяють тяжкості та результату сепсису (16). Таким чином, наше дослідження має на меті визначити, як ВЗ може впливати на імунні шляхи господаря та імунні реакції на мікробні агенти, що призводять до сепсису, і якщо це змінює тяжкість та результат сепсису.

У цьому дослідженні ми використовуємо LPS-керовану модель сепсису (ендотоксемія) для дослідження впливу ВЗ на сепсис. Ми виявили, що миші, які харчувалися західною дієтою (миші WD), мали підвищений ступінь тяжкості та смертності від сепсису порівняно з мишами, які годували стандартною чау-чау, багатою клітковиною (миші SC) (див. Рис. 1). Наші висновки узгоджуються з попередніми дослідженнями, які показали, що WD корелює з підвищеною смертністю на мишачих моделях сепсису, викликаного золотистим стафілококом (8), та полімікробного сепсису (17). Додаючи до цих досліджень, ми надаємо розуміння регуляції імунної відповіді на мікробні продукти за допомогою WD, що не залежить від бактеріальної інфекції. Ми показуємо, що у необроблених мишей, що отримували WD, посилено хронічне запалення, що широко зафіксовано у когортах пацієнтів із ожирінням (18 ⇓ ⇓ ⇓ –22). Ми також фіксуємо посилений імунопараліз, асоційований із сепсисом, під час LPS-сепсису у мишей, що харчуються WD (див. Рис. 2), та змінену міграцію імунних клітин та функцію нейтрофілів. Тут ми виявляємо, що в безмікробній (GF) моделі миші наявність мікробіома, пов’язаного з дієтою, не потрібна для надання серйозності та смертності від індукованого WD сепсису (див. Рис. 4). Крім того, ми використовуємо графіки наших залежних від WD факторів змінених факторів хвороби для відстеження прогресування та відновлення захворювання (див. Рис. 5).

Ще одним важливим фактором захворювання, який часто ігнорують, є одужання. У нашій моделі ми вимірюємо відновлення як кінетику збільшення ваги після максимальної втрати ваги, спричиненої сепсисом. Для відстеження одужання ми вводили сублетальну дозу ЛПС (2 мг/кг) внутрішньовенно. і відслідковується вага. Миші, що годували SC та WD, які отримували 2 мг/кг LPS, втратили 10–15% маси тіла протягом декількох днів після лікування через анорексію, спричинену хворобою (рис. 1G). Однак, через 35 годин після обробки LPS, миші SC почали набирати вагу, вказуючи на те, що вони починають одужувати (рис. 1G). На відміну від цього, миші WD не починали набирати вагу до 95 годин після обробки (рис. 1G). Різницю у відновленні можна помітити найбільш різко на 70 год після обробки LPS (рис. 1G), де миші WD втратили значно більшу вагу, ніж миші SC. Разом ці дані свідчать про те, що ВЗ не тільки впливає на тяжкість та результат сепсису, але також впливає на толерантність ЛПС та швидкість одужання.

Західні дієтичні миші мають вищий рівень запалення та відчувають імунопараліз під час сепсису.

Щоб зрозуміти шляхи хазяїна, які могли б спричинити це WD-залежне збільшення тяжкості захворювання та смертності, ми виміряли відмінності вродженої імунної відповіді у мишей із WD порівняно з мишами з SC до та під час сепсису. Спочатку ми вимірювали рівні експресії двох прозапальних цитокінів, il-6 та tnf, до та після ін’єкції LPS. Миші WD мали підвищену транскрипцію il-6 і tnf у крові до захворювання порівняно з мишами SC (рис. 2А), що вказує на те, що 2 тижні дієти з WD викликають підвищену експресію цих прозапальних цитокінів у крові мишей. Ця форма хронічного запалення, спричиненого дієтою, називається метазапаленням (31). Після обробки LPS миші WD мали нижчу індукцію експресії il-6 та tnf через 5 та 20 год відповідно, порівняно з мишами SC (рис. 2B). Разом ці дані дозволяють припустити, що у мишей WD посилено метазапалення, і це пов'язано з нездатністю мишей WD індукувати експресію цих генів до рівнів, подібних рівням мишей SC під час сепсису.

Беручи до уваги наші попередні дані, що вказують на те, що миші WD не можуть збільшити експресію прозапальних цитокінів у відповідь на LPS, ми припустили, що миші WD можуть відчувати більш високий рівень імунопаралізу під час сепсису. Персистенція пригніченого імунного стану під час сепсису була названа асоційованим із сепсисом імунопаралізом і корелювала з гіршими результатами у пацієнтів (32 ⇓ ⇓ ⇓ –36). Імунопараліз можна виміряти у хворих на септик шляхом кількісного визначення співвідношення il-10 і tnf, завдяки чому пацієнти з вищою експресією IL-10: TNF імунопаралізуються і виявляють гірші результати сепсису (37, 38). Щоб з’ясувати, чи WD індукує імунопараліз у нашій моделі, ми виміряли коефіцієнт експресії IL-10: TNF у крові мишей через 0, 5, 10 та 20 годин після індукції сепсису та виявили, що миші WD мали значно вищий коефіцієнт IL-10: Експресія TNF у крові через 20 год порівняно з мишами SC (рис. 2D). Наші дані погоджуються з попередніми дослідженнями на людях, припускаючи, що імунопараліз корелює з гіршими результатами сепсису.

Вища частота нейтрофілів у крові септичних мишей із західним харчуванням.

Під час сепсису ми виявили диференційовану експресію запальних та протизапальних цитокінів у крові; Тому ми висунули гіпотезу про те, що міграція імунних клітин може бути змінена WD. Щоб дослідити цю гіпотезу, ми розробили багатобарвну панель імуноклітинних цитометрій, щоб визначити відносну кількість моноцитів, нейтрофілів, Т-клітин, В-клітин та клітин природних кілерів (NK) в межах 10 мкл крові у окремих мишей з часом. Ми виявили, що до хвороби у крові мишей SC циркулювало значно більше моноцитів та нейтрофілів порівняно з мишами WD (рис. 3А). Не було різниці в рівнях циркулюючих Т-клітин, В-клітин або NK-клітин (Додаток SI, рис. S2A) у мишей SC у порівнянні з мишами WD до захворювання. Разом ці дані дозволяють припустити, що спостерігається змінений набір моноцитів та нейтрофілів до крові мишей WD до захворювання.

Популяції нейтрофілів неоднорідні і мають різний стан активації (39). Для кількісної оцінки активації та дегрануляції нейтрофілів ми використовували комбінацію поверхневих маркерів. CD63 є маркером для первинних гранул, а CD66b - маркером для вторинних гранул (39, 40). Ми виявили, що нейтрофіли в крові мишей WD мали нижчу поверхневу експресію CD63 та CD66b через 5 та 10 годин після обробки порівняно з популяціями нейтрофілів у крові мишей SC (рис. 3 F та G). Ці дані свідчать про те, що нейтрофіли, що циркулюють у крові мишей WD під час сепсису, менш активовані, ніж популяції нейтрофілів у мишей SC.

Нещодавно в крові тварин із гострими запальними захворюваннями (41 ⇓ –43) було виявлено специфічну підгрупу нейтрофілів, яку називають «віковими нейтрофілами», хоча їх біологічна роль та функції все ще визначаються. Під час гомеостазу старі нейтрофіли виводяться з циркуляції в кістковому мозку, печінці та селезінці, а зменшення міграції застарілих нейтрофілів у кістковий мозок пов’язане зі збільшенням тяжкості захворювання (41, 42, 44). Досі дискутується, чи є більш чи менш запальними нейтрофіли у віці; однак загальноприйнятим визначенням вікових нейтрофілів є CD62 lo та CXCR4 hi (41 ⇓ –43). Ми виявили, що нейтрофіли в крові мишей WD під час сепсису мали нижчу поверхневу експресію CD62 (l-селектину) і вищий CXCR4, ніж популяція нейтрофілів у крові мишей SC (рис. 3 H та I), що вказує на мишей WD нейтрофіли мають більш віковий фенотип. Крім того, нейтрофіли мишей WD мали нижчу експресію CXCR2, зворотний показник експресії CXCR4 (45), порівняно з нейтрофілами мишей SC у крові (рис. 3J). Разом ці дані підтверджують різний імунологічний статус, спричинений дієтою. Наслідки для циркулюючих нейтрофілів у мишей WD з іншим фенотипом, ніж нейтрофіли мишей SC, досі незрозумілі.

Підвищення ступеня тяжкості сепсису та бідніший результат, залежні від дієти, не залежать від мікробіому.

На мишах та людях було показано, що хронічний ВД підвищує проникність кишечника, що призводить до викиду мікробів, що мешкають в кишечнику, у кров (46 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ –51). Згідно з попередніми опублікованими даними, ми виявили, що у здорових мишей WD були вищі аеробні та анаеробні колонієутворюючі одиниці (cfus), виділені з легенів, та аеробні cfus з крові порівняно зі здоровими мишами SC (додаток SI, рис. S4 A – D) . Ці результати привели нас до припущення, що підвищена проникність кишечника мишей WD та вивільнення мікробного вмісту можуть впливати на тяжкість сепсису та результат у мишей WD, яким ін’єктували LPS. Таким чином, ми використовували модель миші GF, щоб зрозуміти, як мікробний вміст впливає на результат сепсису у мишей, які харчувались як дієтою SC або WD.

Оскільки в літературі існують розбіжності щодо того, чи мають миші GF подібну сприйнятливість до LPS (52 ⇓ –54), ми вперше визначили толерантність мишей GF до різних доз LPS. Мишей GF, оброблених одноразовою дозою LPS i.p. при 2,5, 5 або 10 мг/кг не відчували кількісно визначеного захворювання, виміряного втратою температури; однак при дозі 50 та 100 мг/кг миші відчували сильну гіпотермію через 10–20 год перорально. (Рис. 4А). Крім того, миші GF, яким вводили 2,5, 5 або 10 мг/кг LPS, вижили, але при 50 мг/кг ~ 50% загинули, а при 100 мг/кг всі миші GF загинули (рис. 4 А і В) . На противагу цьому LD100 для звичайних мишей C57BL/6, що відповідають статі та віку, становив 6 мг/кг LPS (додаток SI, рис. S5A). Таким чином, ми виявили, що миші C57BL/6 GF більш стійкі до i.p. дози LPS, ніж звичайні миші C57BL/6. Ці дані узгоджуються з історичними постулатами про те, що миші GF більш стійкі до розвитку LPS-обумовленого сепсису, оскільки (i) сепсис ініціюється головним чином шляхом проникнення мікробів, що мешкають в кишечнику, в обіг (55, 56) та (ii) мишей GF мають незрілу імунну систему, яка корелює з гіпореактивністю на мікробні продукти (57 ⇓ –59). Таким чином, розбіжності в раніше опублікованих даних могли бути пов’язані з різницею у штамах миші або розбіжностями в закладах, що не містять мікроби.

Нарешті, використовуючи наші ідентифіковані вимірювані фактори хвороби (переохолодження та кількість нейтрофілів у циркуляції), ми побудували графік WD проти мишей SC на карті захворювань і виявили, що миші, що харчуються WD, мають ширші петлі у просторі, що припускає більш важке захворювання (рис. 5А). Разом ці дані інтригують, оскільки ми виявляємо, що тяжкість захворювання та кількість нейтрофілів можуть передбачати шляхи захворювання залежно від дієти. У клініці факторами, які ми вимірювали, можуть бути альтернативні заходи діагностики. Наші висновки ідентифікують унікальні імунні та фенотипові профілі, спричинені дієтою, у мишей, які прогнозують тяжкість та результат сепсису, спричиненого LPS (рис. 5). Разом ці дані свідчать про дві речі: (i) WD маніпулює імунітетом, незалежно від мікробіому, і (ii) кількість нейтрофілів у циркуляції та втрата температури є двома факторами захворювання, які, якщо їх відстежувати з часом, можуть передбачити результат захворювання та в конкретний час точки ці фактори можуть передбачити дієту. Беручи до уваги мінливу варіабельність людських пацієнтів у відповідь на сепсис, ці результати буде цікаво рекапітулювати у пацієнтів і можуть бути початковим кроком у підвищенні ефективності діагностики сепсису та терапевтичного лікування.

Матеріали і методи

Подяка

Ми дякуємо Джеймсу Хікману (Університет штату Портленд) за форматування та критичне читання. Це дослідження було підтримано грантами Національного інституту алергії та інфекційних хвороб (NIAID) 2R01 AI095396-06 (DMM) та 1F32AI115950-01 (BAN), грантом Агентства оборонних дослідницьких проектів (DARPA) DARPA-15-21-THoR- FP-006 (для DMM), гранти NIH R01-DK085025 та DP1-AT00989201 (для JLS, який є дослідником біологічного центру Чан Цукерберг), та докторська стипендія декана Стенфордської школи медицини (для AJH).

Виноски

↵ 1 M.A.T. та Л.М.М. внесли однаковий внесок у цю роботу.

Вклади авторів: B.A.N., K.C., D.S.S., J.L.S. та D.M.M. розроблені дослідження; B.A.N., L.M.M., A.J.H., S.K.H., K.C., B.H. та K.A.L. виконані дослідження; B.A.N., M.A.T. та K.M.C. проаналізовані дані; та B.A.N. написав роботу.

Автори не заявляють конфлікту інтересів.