mikrobiómák

  • elemeket
  • absztrakt
  • Háttér:
  • mód:
  • az eredmények:
  • következtetés:
  • bevezetés
  • Anyagok és metódusok
  • Népességi tanulmány
  • A súlygyarapodás és a súly értékelése
  • Rost és telített zsírsavak bevitele
  • Mikrobiota elemzés
  • Statisztikai analízis
  • az eredmény
  • Alfa sokféleség
  • A hosszú távú súlygyarapodással járó OTU-mennyiségek
  • vita

elemeket

absztrakt

Háttér:

A keresztmetszeti vizsgálatok azt sugallják, hogy az emberi bél mikrobái szerepet játszanak az elhízásban azáltal, hogy befolyásolják az emberi test képességét a kalóriák kinyerésére és tárolására. A tanulmány célja annak felmérése volt, hogy van-e összefüggés a testtömeg időbeli változásai és a bél mikrobiomák összetétele között.

mód:

Elemeztük a TwinsUK 1632 egészséges nőjének székletmintáiból származó 16S riboszomális RNS génszekvencia adatait, hogy megvizsgáljuk a keresztmetszetben mért bélmikrobiom és a hosszanti súlygyarapodás közötti összefüggést (igazítva a kalóriabevitelre és a kiindulási testtömeg-indexre). Az étrendi rostbevitelt mint lehetséges módosítót vizsgálták.

az eredmények:

A hosszú távú súlyváltozás változásainak kevesebb mint felét örökletesnek találták (h2 = 0,41 (0,41, 0,47)). A bél mikrobiota sokfélesége negatívan összefüggött a hosszú távú súlygyarapodással, míg pozitív összefüggésben volt a rostbevitellel. Kilenc bakteriális operatív taxonómiai egység (OTU) szignifikánsan társult a súlygyarapodáshoz a kovariáns kiigazítás, a családhoz való kapcsolódás és a többszörös tesztelés után (a hamis felfedezés aránya 1 Másrészt a hosszú távú súlygyarapodást vagy fogyást támogató biológiai mechanizmusok, különösen a Egyes tanulmányok szerint a genetikai hozzájárulás a súlygyarapodáshoz 2 és az anyagcsere hatékonyságához 3 az idő múlásával, de azt is, hogy a genetikai tényezők fontos szerepet játszanak a súlygyarapodásban.

Az elhízás és a súlygyarapodás hagyományos kockázati tényezői a túlzott kalóriabevitel, 4 alacsony fizikai aktivitás 5 és alacsony anyagcsere-hatékonyság. Az állatkísérletek és az embereken végzett keresztmetszeti megfigyeléses vizsgálatok szintén rámutattak a bél mikrobiómájának (7, 8, 9, 10, 11) szerepére, különös tekintettel a mikrobiális sokféleség hiányára. 8.

A mikrobiom kifejezés egy állat mikrobaközösségeinek DNS-anyagára utal. Az embereknek körülbelül 100 billió bélük van, amelyek enzimek, vegyi anyagok, hormonok és vitaminok széles skáláját termelik, és potenciálisan kölcsönhatásba lépnek testükkel. Fiziológiai körülmények között egyensúly van a bélbaktériumok és a gazda között. Tanulmányok kimutatták, hogy ennek a komplex rendszernek a megzavarása (dysbiosis) és a fajok alacsony változatossága elhízással jár. Az elhízott donoroktól átültetett mikrobiotikumokat kapó 7, 12, 13 mikroorganizmus-mentes egér kétszer akkora súlyt nyert, mint a szegény donoroktól mikrobiotikumokat kapó mikroorganizmus-mentes egerek. 9 Embereknél egy csoportunk nemrégiben végzett vizsgálata azt mutatta, hogy egy adott baktériumfaj (Christensenellaceae) jelenléte alacsonyabb testtömeg-indexhez (BMI) társul, és hogy ennek a mikrobának az egereknek történő beadása szintén alacsonyabb súlygyarapodást eredményezett. 14

Kutatások kimutatták, hogy a bél mikrobiomjára a legnagyobb hatást az étel és az emberek képessége nyerni és tárolni az ételtől származó kalória, mivel a zsírokat a bélmikrobák legalább részben befolyásolják. A bélbaktériumok az élelmi rostok fermentálásával rövid láncú zsírsavakat képeznek, ezáltal növelve az inzulinérzékenységet és a zsírsav oxidációt. 15 Ezért feltételezzük, hogy a mikrobiális sokféleség befolyásolhatja az étrend és a súlygyarapodás közötti megfigyelt kapcsolatot.

A súlyváltozás emberre gyakorolt ​​hatásairól azonban kevés adat áll rendelkezésre. A bél mikrobiota változásainak jobb megértése az étkezési szokásokkal együtt információkat nyújthat arról, hogy a bél mikrobiotikumok hogyan járulnak hozzá a súlygyarapodáshoz, és hogy felhasználható-e új diagnosztikai, prognosztikai és terápiás célpontként a BMI-hez társuló specifikus mikrobák mellett. Ennek a tanulmánynak az volt a célja, hogy értékelje a bél mikrobiómájának sokféleségét a TwinsUK 16 kohortból származó felnőtteknél és a BMI időbeli változását.

Anyagok és metódusok

Népességi tanulmány

A diákokat ikreket vették fel a TwinsUK nyilvántartásba, a felnőtt ikrek országos nyilvántartásába, akiket önkéntesként vettek fel, anélkül, hogy meghatározott betegséget vagy tulajdonságot választottak volna. 16 Az örökbefogadott ikrek azonos neműek voltak. Elemeztük 1632 kaukázusi származású, BMI-vel rendelkező nő adatait, amelyeket átlagosan 9,09 (sd = 3, 45) év különbséggel, a kalóriabevitelt (táplálék-gyakorisági kérdőívekből (FFQ) származtatva) és a kiindulási fizikai aktivitást, valamint a mikrobiomák adatait értékeltünk. a monitoringban.

A tanulmányt az NRES London - Westminster Bizottság hagyta jóvá, és minden iker megalapozott írásbeli beleegyezést adott.

A súlygyarapodás és a súly értékelése

A magasságot és a súlyt standard skálákkal mértük átlagosan 9,09 (sd = 3, 56) év különbséggel kétszer. A BMI érték kiszámításához a súlyt (kg-ban) elosztjuk a négyzetgyökkel (méterben). Az éves BMI változását az életkor, a nem, az alap BMI, a kalória-bevitel (az FFQ-ból származtatva) és a fizikai aktivitás tekintetében számolták ki. A fizikai aktivitást egy kérdőív segítségével mértük, amely Likert-skálán kérte aktivitásuk szintjét (nincs, enyhe, mérsékelt és intenzív). Az alanyokat e tetril alapján kategorizálták. A nagy súlygyarapodási csoportot felső terilnek, míg az alacsony súlygyarapodást alsó terilnek határoztuk meg.

Rost és telített zsírsavak bevitele

A táplálékfelvételt validált 131 pontos FFQ alapján becsülték meg. 17 Szálakat és telített zsírsavakat (g 1. nap) az Egyesült Királyság 18-as tápanyag-adatbázisából származtattak, amely az Englyst-módszerrel meghatározott élelmiszer-tartalmat szolgáltatott nem keményítő poliszacharidokban (NSP). 19 Különösen a rost és a telített zsírsavak bevitelét becsülték meg úgy, hogy az egyes élelmiszerek fogyasztásának gyakoriságát megszorozták az élelmiszerek tápanyagtartalmával az adott adagméretnél. Az elemzés előtt a rost és a telített zsírsavak bevitelét a becsült energiafogyasztáshoz (kilokalória) igazították. 20

Mikrobiota elemzés

Statisztikai analízis

A hosszanti súly változásának öröklődését az MX 25 szoftver segítségével becsültük meg, amely beállítja az életkort, a nemet, a dohányzást, a kalóriabevitelt és a fizikai aktivitást. Az öröklődést strukturális egyenlet-modellezéssel becsültük meg a megfigyelt fenotípusos variancia három látens variációs forrásra történő felosztására: additív genetikai variációra (A), megosztott/közös környezeti variációra (C) és megosztatlan/egyedi környezeti variációra (E). 25 További genetikai hatásokat jeleznek, ha a monozigóta ikrek jobban hasonlítanak a dizygotikus ikrekhez. A közös környezeti komponens a családi környezet hozzájárulását becsüli, amelyről feltételezzük, hogy mind a monozigóta, mind a dizygóta párban azonos. 26 A környezet egyedi összetevője nem járul hozzá az ikrek hasonlóságához, sokkal inkább becsüli azokat a hatásokat, amelyek csak az egyes egyedekre vonatkoznak, és tartalmaznak mérési hibát. Bármely nagyobb hasonlóság a monozigóta ikrek, mint a dizygotikus ikrek között, a genetikai hatások nagyobb hányadának tulajdonítható. Az öröklődést a genetikai tényezőnek tulajdonítható fenotípusos változás arányaként határozzuk meg, amelyet a h2 = (A)/(A + C + E) egyenlet ad meg.

Véletlenszerű logisztikus regressziókat hajtottak végre a bél mikrobiális sokféleségének súlygyarapodás előrejelző képességének értékelésére. A kovariánsok az életkor, a nem, a dohányzás, a kalóriabevitel, a fizikai aktivitás, a kiindulási BMI és az ismert kapcsolat volt. Megismételtük a fenti kovariánsok módosításának elemzését, valamint protonpumpa inhibitorok és antibiotikumok alkalmazását.

Lineáris regressziókat is végeztek az étrendi rostok és a mikrobiális sokféleség közötti kapcsolat meghatározásához, az életkor, a BMI, a kalóriabevitel, a családi rokonság és a többszörös tesztelés között.

Mivel feltételeztük, hogy a mikrobiális sokféleség befolyásolhatja az étrendi rost és a súlygyarapodás kapcsolatát, megismételtük az elemzést úgy, hogy a mintát elosztottuk a Shannon-féle diverzitás legmagasabb területén levő (a bőséget és a fajok egységességét mutató mutató) és az alsó harmadfokúak között. .

Logisztikai regressziókat is alkalmaztunk az OTU és a súly közötti összefüggés vizsgálatára, amelyet újra korrigáltunk a kovariánsok, az ismert rokonság és a többszörösen hamis pozitív tesztek alapján.

Végül egy részleges, legalább négyzet alakú diszkrimináns elemzést végzünk az OTU-n, hogy azonosítsuk a súlygyarapodás és a fogyás baktériumközösségre gyakorolt ​​hatását az R MixOmics csomag segítségével. A túlzsúfoltság elkerülése érdekében a modell teljesítményét tízszeres keresztellenőrzéssel értékeltük a vevő kezelői görbe alatti terület kiszámításához.

az eredmény

A vizsgálati populáció demográfiai jellemzőit az 1. táblázat mutatja be. Röviden: 3718 egyén volt hosszú távú BMI-adatokkal, és közülük 1662-en, főként széles korú (kezdetben 20-74 éves) nők voltak mikrobiológiai adatokkal. a következő években. fel. 25 (809 monozigóta pár és 1050 dizygotikus pár) öröklődési elemzése azt találta, hogy a hosszanti súlyváltozás öröklődése (h 2) 0,41 (95% konfidenciaintervallum: 0,31, 0,47), ami azt jelenti, hogy varianciaszintjének 59% -a nincs meghatározva . közös genetikai komponens.

Asztal teljes méretben

Ezután folytattuk a bél mikrobion változatosságának e fenotípushoz való hozzájárulásának vizsgálatát.

Alfa sokféleség

A súlygyarapodási csoportba tartozó egyének diverzitása szignifikánsan alacsonyabb volt (P 27

Az étrendi rostbevitel pozitívan korrelál a mikrobiális diverzitás arányával (Shannon: béta (se) = 0,01 (0,004), P = 0,002; 2. táblázat), és negatívan kapcsolódik a magas súlygyarapodásban való részvétel kockázatához (valószínűségi arányok (OR) ) (se) = 0,977 (0,96 - 0,99), P = 0,007; Ábra la). Az összefüggés a telített zsírbevitel beállítása után is megmarad (OR = 0,978 (0, 96-0, 99), P = 0,03).

Dobozdiagram, amely bemutatja a rostbevitel és a súlygyarapodás/fogyás közötti kapcsolatot ( a ) összességében ( b ) a Shannon Diverzitás Index alsó harmadában lévő egyének számára ( c ) a Shannon sokszínűségi index felső harmadában. A rostbevitel gramm/nap súlygyarapodásának OR-jait is bemutatjuk.

Teljes méretű kép

A minta rétegzésével a felső tercier Shannon diverzitás és az alsó tercier között lévők között azt találtuk, hogy az étkezési rostbevitel alacsonyabb súlygyarapodással járt együtt a magas bél mikrobiom változatosságú egyéneknél (OR = 0,954 (0,92-0,98, 98), P = 0,003; 1c. Ábra). Hasonló, bár nem szignifikáns hatást figyeltünk meg az alacsony viszkozitású mikrobiómák sokféleségét mutató csoportban (OR = 0,977 (0,94-1,01), P = 0,16). A rosttartalmú étrend és a mikrobiom sokféleség közötti összefüggés szignifikáns maradt a teljes telített zsírbevitel (béta = 0,012 (0,005), P = 0,02) és hasonlóan a fehérjebevitel beállítása után (béta = 0,014 (0, 0046), P = 0,002). . Nem találtunk összefüggést a teljes fehérje bevitel és a mikrobion változatosság között (béta = −0, 002 (0, 002), P = 0, 34).

A hosszú távú súlygyarapodással járó OTU-mennyiségek

Kilenc OTU-t azonosítottunk, amelyek jelentősen összefüggésben álltak a longitudinális súlygyarapodással a kovariált kiigazítás és a többszörös tesztelés után, a hamis felfedezés arányának felhasználásával

a ) Részleges grafikon részleges diszkrimináns elemzéssel a bél mikrobiotájában található OTU relatív mennyisége, valamint a súlygyarapodáshoz és a fogyáshoz való viszonyuk alapján. b ) Terhelési diagram részleges diszkrimináns elemzéssel, a bél mikrobiotájában található OTU relatív mennyisége, valamint a súlygyarapodáshoz és a fogyáshoz való viszonyuk alapján. A változó vetítési effektussal (VIP)> 1 rendelkező OTU-k a családjuknak megfelelően jelennek meg és színesek.

Teljes méretű kép

vita

Az eddigi legnagyobb tanulmányban a bél mikrobiom sokféleségének és az élelmi rostbevitelnek a hosszú távú súlygyarapodásra gyakorolt ​​hatását profilizáltuk. Megmutattuk, hogy a hosszú távú súlygyarapodást csak részben határozza meg az egyén genetikai összetétele, és hogy az alacsony intesztinális mikrobiómák sokfélesége idővel nagyobb súlygyarapodással jár. A hosszú távú súlygyarapodással kapcsolatos eredményeink összhangban állnak számos olyan vizsgálattal, amelyek bizonyítékot szolgáltattak a bél mikrobiómájának és a keresztmetszeti testtömeg mérések közötti összefüggésre. 7, 12, 13

Beszámolunk arról, hogy a mikrobiális sokféleség befolyásolhatja az étrend és a súlygyarapodás közötti megfigyelt kapcsolatot. Amikor rétegeztük a mintát a felső tercier Shannon diverzitás és az alsó tercier között, azt találtuk, hogy a rostbevitel szignifikánsan összefügg azzal a kockázattal, hogy a magas mikrobás diverzitású csoportba tartozó egyének a magas súlygyarapodási csoportba tartoznak, de alacsony mikrobiális sokféleségű embereknél nem.

Azt is megállapítottuk, hogy kilenc OTU jelentősen összefügg a súlygyarapodással. A protonpumpa inhibitorhoz és az antibiotikumokhoz való igazodás nem változtatta meg az eredményeket. Ellentmondásos bizonyítékok vannak az elhízott emberi belekben a filogenetikai aláírásokra vonatkozóan, számos tanulmány sugallja és növeli a Firmicutes arányát: Bacteoridates, 13, 32, 33, 34, egyesek nem mutatnak trendet, mások pedig ellentétes tendenciát mutatnak. 35, 36, 37 Itt azt találtuk, hogy a nyolc OTU közül, amelyekhez jelentősen társul az alacsonyabb súlygyarapodás kockázata, hét a Firmicutes családhoz tartozik, amelyek közül sok a Ruminococcaceae nemzetség része. Azt a javaslatot, hogy ez az arány nem lehet különösebben informatív a mikrobiom testtömeg meghatározásában betöltött szerepével kapcsolatban, mások már megfogalmazták. 38

Egyes Ruminococcaceae fajok, valamint a súlygyarapodás és a Bacteroids alacsonyabb kockázata és a súlygyarapodás magasabb kockázata egyszerűen annak tudható be, hogy (vagy) pozitív és negatív összefüggésben vannak a mikrobiológiai sokféleséggel, bár két esetben az OTU-k továbbra is kapcsolatban állnak a sokféleség adaptációjával.

Egerekben a bél mikrobiotikuma megváltozik az elhízás hideg környezetben történő elnyomása során. A Ruminococcaceae Adlercreutzia és a Desulfovibrio 39 az ezen folyamat során szaporodó baktériumok közé tartozik. Így lehetséges, hogy a Ruminococcaceae funkcionálisan társulhat egy sovány fenotípussal, de további funkcionális vizsgálatokra van szükség annak felmérésére, hogy ez a helyzet áll-e fenn.

Egy kicsi, 33 elhízott egyénnel végzett beavatkozási vizsgálat során a mikrobiómák jelentős változását, beleértve a Faecalibacterium prausnitzii csökkenését, 4 hónapos testsúlycsökkenéssel állapították meg. 40 Mindazonáltal nem találunk szignifikáns összefüggést a Faecalibacterium prausnitzii és a hosszú távú súlyváltozás között az adatainkban, bár azt találjuk, hogy a Faecalibacterium prausnitzii keresztmetszete korrelál alacsonyabb BMI-vel (béta (se) = −0,54 (0, 11), P = 1, 4 × 10 −6), összhangban a faj bélben való előfordulása és az elhízás kapcsolatával. Megjegyeztük, hogy a normális populációt vizsgáltuk, és nem az elhízott csoportot, és hogy ennek a vizsgálatnak nagyobb a mintája és szignifikánsan hosszabb az utánkövetési időszak. Ez azonban azt sugallja, hogy a mikrobiom változásai a súlycsökkenésre rövid időn belül (azaz 4 hónapon keresztül) nem tükrözhetik a mikrobiómák összetételének különbségeit, amelyek hosszú évek alatt alacsonyabb súlygyarapodás kockázatával járnak.

Nemcsak a genetikai tényezők 1 által okozott súlygyarapodás, hanem az egyén bélmikrobiómájának sokféleségét is csak részben határozza meg a gazda genetikai összetétele. Becslések szerint a bél mikrobion változatosságának öröklődése 0, 30 és 0, 37, 21 között mozog, ami azt jelenti, hogy a mikrobiális sokféleség változásának több mint 60% -át a környezet határozza meg, és a jövőbeli kutatások középpontjában a megértés kell állnia. hogyan lehet növelni a mikrobiális sokféleséget.

Eredményeink azt is sugallják, hogy a rost tömegre gyakorolt ​​jótékony hatása kifejezettebb lehet a magasabb mikrobiális változatosságú egyéneknél, bár ez legalább részben tükrözheti azt a tényt, hogy a magasabb rosttartalmú egyének mikrobiális változatossága nagyobb. 41 A változatos bélmikrobiom több fenotípusra gyakorolt ​​egészséges hatását az emberek már számos körülmények között bizonyították. Az állatokon végzett kísérleti munka kimutatta, hogy a rostbevitel csökkenti az étrend energiasűrűségét, és a keletkező rövid láncú zsírsavak elősegítik a bél glükoneogenezisét, az inkretin termelést és az azt követő jóllakottságot, míg a rövid láncú zsírsavak energiát szolgáltatnak a gazdának és elősegítik a liponeogenezist. Adataink arra utalnak, hogy a mikrobiális sokféleség növelése önmagában is kívánatos eredmény lehet, és hogy a rostbevitel hatása a csökkent súlygyarapodásra kifejezettebb azoknál az egyéneknél, akiknél a mikrobiális sokféleség nagyobb.

Megjegyezzük azt is, hogy az itt használt rost arány csak a teljes NSP-re vonatkozott, mivel átfogóbb intézkedés nem állt rendelkezésre. Az Egyesült Királyságbeli British Nutrition Foundation szerint az átlagos NSP-bevitel 12,8 g-1 a nőknél és 14,8 g-nap -1, az ajánlott felnőtt napi 18 g (NSP) átlagos bevitel mellett. 47 Adataink szerint az átlagos étrendi bevitel napi 20 g NSP, ami tehát meghaladja az országos átlagot, és összhangban van a British National Formulary ajánlásával.

Összefoglalva, ez a tanulmány a bél mikrobiális összetételének és sokféleségének első összefüggése a hosszú távú (több évnek szánt) testsúly-korrekcióval a kalóriabevitel miatt. Ez a mai napig az egyik legnagyobb tanulmány az elhízás és az emberi mikrobiómák összekapcsolására. Adataink egyetértenek más tanulmányokkal, amelyek alátámasztják a mikrobák összetételének a bélben az emberi testtömeg szabályozásában betöltött szerepét, amely nagyrészt környezetileg meghatározott és független a kalóriabeviteltől. Mivel a bél mikrobioma módosítható, úgy gondoljuk, hogy ezeknek az eredményeknek növelniük kell az érdeklődést a mikrobiom súlykontroll-beavatkozásokra való összpontosítása iránt, és kellően hatékony vizsgálatokban támogatniuk kell a mikrobiom longitudinális változásainak kutatását.