Здоровий шлунково-кишковий мікробіом залежить від дієтичного різноманіття

Марк Л. Хейман

1 MicroBiome Therapeutics, 1316 Jefferson Avenue, Новий Орлеан, LA 70115, США

мікробіом

Френк Л. Грінуей

2 Біомедичний дослідницький центр Пеннінгтона, система університету штату Луїзіана, 6400 Perkins Road, Батон-Руж, LA 70808, США

Анотація

Передумови

Як і всі здорові екосистеми, багатство видів мікробіоти характеризує мікробіом ШКТ у здорових людей. І навпаки, втрата видового різноманіття є загальною знахідкою в ряді захворювань. Цей біом залитий енергією у вигляді неперетравленої та частково перетравленої їжі, а в деяких випадках ліків та дієтичних добавок. Кожен мікробіотичний вид у біомі перетворює цю енергію на нові молекули, які можуть передавати повідомлення до фізіологічних систем господаря.

Сфера огляду

Дієтичний вибір підбирає субстрати для видів, забезпечуючи конкурентну перевагу перед іншими мікроорганізмами ШКТ. Чим різноманітніше харчування, тим різноманітнішим буде мікробіом і тим більше він буде адаптований до збурень. На жаль, дієтична різноманітність була втрачена протягом останніх 50 років, і вибір дієти, що виключає харчові продукти від тварин або рослин, ще більше звузить мікробіом ШКТ.

Основний висновок

Додаткові дослідження щодо розширення мікробіологічного багатства кишечника за допомогою дієтичного різноманіття, ймовірно, розширять концепції здорового харчування, стимулюють відкриття нових діагностичних методів та відкриють нові терапевтичні можливості.

Двадцять п’ять років тому Епштейн та ін. описав лікування групи з 25 дітей у віці 6–12 років, які мали надмірну вагу на 45% разом із одним із батьків, який також мав надмірну вагу. Період лікування тривав 8 місяців і складався з інструктажу дієти, тренінгів з управління поведінкою, фізичних навантажень та контрактів на непередбачені обставини, при яких гроші здавались на зберігання та поверталися 5 доларів при відвідуванні, якщо втрачалася вага. І батьки, і діти втрачали вагу протягом періоду лікування, але через десять років після лікування діти все ще зберігали зниження на 7,5% відсотка надмірної ваги нижче базового рівня. На відміну від цього, батько, який лікувався одночасно з дитиною, збільшив свій відсоток надмірної ваги порівняно з вихідним рівнем на 9,1% [1]. Причина здатності суб'єктів до пубертатного періоду підтримувати втрату ваги, але не їхніх батьків, які проходили лікування в одній програмі, залишається загадкою медицини.

Це дослідження було проведено до того, як було оцінено взаємодію між шлунково-кишковим (ШКТ) мікробіомом та фізіологічними системами, що регулюють метаболізм. Наприкінці 2007 року Національний інститут охорони здоров'я США (NIH) започаткував проект "Мікробіом людини" (HMP), а на початку 2008 року Європейська Комісія та Китай ініціювали проект "Метагеноміка" кишкового тракту людини (MetaHIT). Ці великі зусилля застосовують вдосконалені методи секвенування та біоінформаційні інструменти для характеристики мікробів, що живуть у нашому тілі та на ньому. Кожна спільнота мікробіоти вивчається як екосистема, використовуючи науку та мову екології [2]. Біорізноманіття є найважливішим аспектом функціонування екосистем, і на нього активно спрямовувались проекти HMP та MetaHIT [3], [4]. Як і всі здорові екосистеми, певний рівень багатства видів характеризує мікробіом ШКТ у здорових особин [5]. Додавання або втрата видів з подібною роллю, як правило, лише незначно впливає на функцію мікробіомів. Однак домінування кількох видів або відсутність видового різноманіття може суттєво вплинути на функціонування.

Діти до підліткового віку, здатні підтримувати втрату ваги, можуть мати набагато більший рівень багатства видів, ніж їхні батьки. Дійсно, біорізноманіття мікробіому ШКТ здорових дітей до підліткового віку у віці 6–12 років набагато більше, ніж у здорових дорослих, які проживають в одному місті [6]. Чим більше біорізноманіття, тим більша стійкість екосистеми відновлюється або пристосовується до збурень. І навпаки, втрата видового багатства в мікробіомі шлунково-кишкового тракту є загальною знахідкою в ряді захворювань.

На жаль, дієтична різноманітність була втрачена протягом останніх 50 років через економічний тиск на збільшення виробництва продуктів харчування для підтримки зростаючого світового населення. Це зменшення агробіорізноманіття або зменшення вирощування різноманітних їстівних сортів рослин та порід тварин відбувається з неймовірною швидкістю. За даними Продовольчої та сільськогосподарської організації ООН [16], втрачено 75 відсотків генетичного різноманіття рослин, оскільки фермери у всьому світі залишили свої численні місцеві сорти для генетично однорідних, високопродуктивних сортів. З 250 000 до 300 000 відомих їстівних видів рослин люди використовують лише від 150 до 200. Шість порід худоби щомісяця втрачаються на користь високих виробничих практик. Сьогодні 75 відсотків продовольства у світі виробляється лише з 12 рослин та п’яти видів тварин.

Сільськогосподарська практика використання антибіотиків як стимуляторів росту птиці, свиней та великої рогатої худоби ще більше звужує мікробіом ШКТ. FDA схвалює використання антибіотиків для росту худоби, оскільки такі низькі рівні в туші не дають значного рівня крові у людини після прийому всередину. Однак мікробіом ШКТ піддається дії антибіотиків, що не було оцінено, коли препарати були схвалені як стимулюючі ріст. Дійсно, такий вплив може спричинити суттєві таксономічні та функціональні зміни в мікробіомі ШКТ [17]. Сільськогосподарські практики покладаються на використання пестицидів для захисту рослин від шкідливих впливів, таких як бур'яни, гриби та комахи. Подібно використанню антибіотиків як стимуляторів росту, залишкових пестицидів у продовольчих культурах може бути достатньо для модуляції мікробіому ШКТ при споживанні. Ця практика також може обмежити власну систему захисту рослини, усунувши необхідність рослини виробляти фітоалексини [18]. Фитоалексини можуть забезпечувати ключові мікроелементи, що розширюють мікробіом ШКТ при попаданні всередину [19]. Таким чином, економічний тиск змушує сільськогосподарські практики, які обмежили багатство мікробіому ГІ протягом останнього століття.

Оскільки енергія мікро- та макропоживних речовин може перетворюватися мешканцями мікроорганізму ШКТ у нові молекули, які взаємодіють з господарем, чим більший репертуар сигналів, тим більша ймовірність підтримувати гомеостаз при порушенні дієтичного споживання. Це добре проілюстровано Wang et al. [26], [27]. Фосфатидилхолін, багатий продуктами, такими як молюски, яйця, молоко, червоне м’ясо та птиця, перетворюються кишковими мікробами в триметиламін (ТМА), який ефективно поглинається господарем і окислюється до пов’язаного з ним атеросклеротичного триметиламіну-N-оксиду (ТМАО) [26]. Однак, включаючи дієтичні продукти, загальні для середземноморської дієти, такі як бальзамічний оцет, червоне вино, оливкова олія холодного віджиму або олія виноградних кісточок містить інгібітор виробництва ТМА [27].

Стійкі, різноманітні та здорові мікробні екосистеми ШКТ є важливим компонентом, який слід враховувати при використанні дієти для порушення фізіологічних систем у тваринних моделях захворювання, і це аспект, який часто ігнорують. Поширеною моделлю вивчення ожиріння та резистентності до інсуліну є та, при якій дієта переходить з базової дієти чау на “західну” або “жирну” дієту з переважанням жиру та цукру. Висновки, як правило, базуються на переході на щільну калорійність дієти. Однак дієти чау класично більш різноманітні. Вони містять макроелементи з багатьох джерел, таких як цільна пшениця, очищена соєва мука, мелена кукурудза, тваринний жир та згущена сироватка (наприклад, мишача дієта Purina 5015). Звичайна дієта, яка використовується для викликання ожиріння у мишей, набагато менш різноманітна, наприклад, Дієти досліджень D12492, яка містить казеїн як джерело білка, кукурудзяний крохмаль і сахарозу як вуглевод, а сало як джерело жиру. Втрата дієтичного біорізноманіття може бути важливим компонентом розвитку ожиріння, що пов'язано із звуженням різноманітності мікробіомів ШКТ [34].

Підказки для розв’язання іншої загадкової медицини походять від вторинних жовчних кислот, які є результатом обробки мікробіоти ЖКТ. Баріатричні процедури, такі як шлунковий шунтування Roux-en-Y (RYGB) та гастректомія вертикального рукава (VSG), пов'язані зі значним покращенням супутніх захворювань ожиріння швидко після процедури та до значної втрати ваги. Результати RYGB [38] та VSG [39], як видається, пов'язані з передачею жовчної кислоти через рецептор фарнезоїду X (FXR) - для регулювання фізіологічних систем, а також для підвищення проникності кишечника за рахунок зменшення слизового бар'єру. Зараз стало зрозуміло, що різноманітність жовчних кислот залежить від різноманітності мікробів кишечника [40], [41]. Розширення різноманітності харчових жирів (наприклад, насичених, мононасичених та поліненасичених жирних кислот) може змінити різноманітність мікробіомів [42] і, таким чином, регулювати різноманітність жовчних кислот.

Додаткові дослідження щодо розширення мікробіологічного багатства кишечника за допомогою дієтичного різноманіття, ймовірно, розширять концепції здорового харчування, стимулюють відкриття нових діагностичних методів та відкриють нові терапевтичні можливості. У майбутньому доросла людина, яка шукає лікування ожиріння, може бути обстежена щодо дієтичних уподобань та представити зразок калу. Терапія для схуднення може починатися з конкретного дієтичного плану, щоб розширити багатство мікробіомів цієї шлунково-кишкової системи як попередня можливість лікування ожиріння, щоб підтримувати втрату ваги протягом тривалого періоду, як це стосується дітей дошкільного віку з ожирінням та ожирінням. Справді, короткочасні персоналізовані дієтичні втручання, засновані на персоналізованому мікробіомі шлунково-кишкового тракту, можуть поліпшити регуляцію глюкози після їжі у переддіабетиків та T2D [14]. Вже розроблений та протестований модулятор мікробіомів GI (GIMM) для лікування переддіабету [43], що відкриває нові шляхи для відкриття ліків.

Конфлікт інтересів

MLH - співробітник MicroBiome Therapeutics. FLG є членом Клінічної консультативної ради та має акції в галузі мікробіома терапії.