Az emberi bél mikrobiota és a rövid láncú zsírsavak dinamikája az étrendi beavatkozásokra adott válaszként három erjedhető rosttal

ABSZTRAKT

Rövidláncú zsírsavak (SCFA-k), különösen butirát előállítása a bél mikrobiomjában az optimális egészség érdekében szükséges, de gyakran korlátozza az erjedhető rost hiánya az étrendben. Megpróbáltuk növelni a butiráttermelést 174 egészséges fiatal felnőtt étrendjének kiegészítésével 2 hétig burgonya rezisztens keményítővel (RPS), rezisztens kukoricakeményítővel (RMS), cikória gyökér inulinnal vagy hozzáférhető kukoricakeményítő szabályozással. Az RPS eredményezte a legnagyobb növekedést az összes SCFA-ban, beleértve a butirátot is. Bár a mikrobiómák többsége a bifidobaktériumok relatív bőségének növekedésével reagált az RPS-re, azok, amelyek a Ruminococcus bromii vagy a Clostridium chartatabidum növekedésével reagáltak, nagyobb valószínűséggel hoztak magasabb butirátkoncentrációt, különösen akkor, ha mikrobiotájuk tele volt butirátot termelő populációkkal faj Eubacterium rectale. Az RMS és az inulin különböző változásokat váltott ki a székletközösségekben, de nem eredményeztek szignifikáns növekedést a széklet-butirát szintekben.

FONTOSSÁG Ezek az eredmények azt mutatják, hogy nem minden fermentálható rost képes egyformán stimulálni az SCFA-termelést, és kiemelik az egyén mikrobiotájának összetételének fontosságát annak eldöntésében, hogy reagálnak-e egy adott étrend-kiegészítőre. Különösen R. bromii vagy C. chartatabidum lehet szükséges a fokozott butiráttermeléshez az RS reakciójaként. A bifidobaktériumok, jóllehet jártasak az RS és az inulin lebontásában, rövid távon nem járulhatnak hozzá ezen fermentálható rostok butirogén hatásához.

BEVEZETÉS

A rövid láncú zsírsavak (SCFA-k) a bakteriális fermentáció fő végtermékei az emberi vastagbélben, és köztudottan széles körű hatást gyakorolnak a gazdafiziológiára. Különösen a butirát fontos az egészség megőrzéséhez az immunrendszer szabályozásán keresztül (1), az epitheliális gát fenntartásán (2, 3) és az étkezés utáni jóllakottság elősegítésén keresztül (4). Védő lehet számos betegség ellen, beleértve a vastagbélrákot (5), a gyulladásos bélbetegségeket (6), a graft-versus-host betegségeket (7), a cukorbetegséget (8) és az elhízást (8, 9). Ezért a vastagbél mikrobiom általi butiráttermelés stimulálása hasznos lehet az egészség fenntartásában és a betegségek kezelésében.

Ezen étrend-kiegészítők és a specifikus bélbaktériumok butirogén hatásának megértése fontos a szélesebb körűen hatékony terápiák megtervezéséhez és annak megjóslásához, hogy mely egyének részesülhetnek valószínűleg ezekből. Általánosabban a bélmikrobák közötti metabolikus kölcsönhatások meghatározása javítja a bél mikrobiómájának összeszerelésével, fenntartásával és kimenetelével kapcsolatos ismereteinket.

A metabolitok és mikrobák javasolt modellje, amelyek katalizálják a rezisztens poliszacharidoktól a butirátokig terjedő szén áramlását. A bélmikrobiomából vannak olyan tenyésztett törzsek, amelyek rendelkeznek a felsorolt fajok esetében javasolt metabolikus aktivitással.

Ezeket az ismert degradátorokat és butirát-termelőket értékelték ki ezen étrendi beavatkozás során, de a székletbaktériumok teljes közösségét is elemeztük, hogy azonosítsuk azokat az organizmusokat, amelyek korábban nem voltak társultak ezen fermentálható rostok anyagcseréjéhez. Négy fő kérdést próbáltunk megoldani.

Serkenti-e a három rezisztens poliszacharid a butiráttermelést ebben az egészséges, fiatal egyének populációjában? Ha igen, hasonló hatással vannak-e a butiráttermelésre?

Mely bélbaktériumok reagálnak ezekre az étrend-kiegészítésekre azzal, hogy relatív bőségben növekednek? Tudunk-e azonosítani olyan fajokat, amelyek váratlanul érintettek? Ugyanazokat a baktériumokat érinti mind a három kiegészítés?

Találunk-e bizonyítékot a szelektivitásra, akár az elsődleges lebontók által használt szubsztrátokban, akár az általuk keresztezett butirát-gyártókban?

A primer lebontók és a butirát-termelők relatív bőségének változásai magyarázzák-e az egyének butirát-koncentrációjának különbségeit?

EREDMÉNYEK

Rövid szénláncú zsírsavakra gyakorolt hatás. Először megvizsgáltuk az egyes kiegészítők hatását az SCFA-k koncentrációjára a székletben. Mind az RPS, mind az inulin szignifikánsan, 32% -kal, illetve 12% -kal növelte az összes SCFA-koncentrációt (mind P Tekintse meg ezt a táblázatot:

Soron belüli megtekintése
Felugró ablak megtekintése

A széklet SCFA koncentrációja az étrend-kiegészítés előtt és alatt a

A leginkább érintett baktériumpopulációk. A legtöbbet változó szekvenciákat a kiegészítés során mért relatív bőségük és a kiegészítés előtti relatív bőségük aránya alapján azonosítottuk (2. ábra). A relatív bőségben jelentősen megnövekedett szekvenciák többsége olyan fajokból származott, amelyekről már ismert, hogy lebontják a rezisztens poliszacharidokat. Az RPS 6,5-szeresére növelte a B. faecale/adolescentis/stercoris szekvenciák relatív bőségét (P Anaerostipes hadrus (2. ábra; lásd még az S1C táblázatot a kiegészítő anyagban). Az elérhető keményítő-kiegészítésre reagálva egyetlen baktériumpopuláció sem változott szignifikánsan (ábra 2; lásd még az S1D táblázatot a kiegészítő anyagban).

S1 TÁBLÁZAT

Ezt a tartalmat a Creative Commons Attribution 4.0 International licenc feltételei szerint terjesztik.

Az étrend-kiegészítőkre (*, P Clostridium chartatabidum) adott válaszként a rezisztens poliszacharidok és a szekunder (2 °) butirát fermentorok kiválasztott elsődleges (1 °) lebomlóit reprezentáló szekvenciák relatív bőségének átlagos mértéke változó. ) az étrend-kiegészítőkre adott reakciójuk dinamikája alapján. A jobb oldali oszlopdiagram mutatja az egyes fajok átlagos relatív bőségét a rost-kiegészítés előtt.

Mikrobák, amelyek következetesen együtt vagy pozitívan (piros), vagy negatívan (kék) reagálnak az étrend-kiegészítőkre. Az elsődleges lebontók és a butirát-termelők számának változásai közötti összefüggéseket az összes kiegészítésre adott válaszokat tartalmazó kombinált adatsor felhasználásával számoltuk.

Pozitív összefüggés a széklet-butirát-koncentrációk és az E. rectale-ként jellemzett szekvenciák relatív bősége között mind az RPS-vel történő étrend-kiegészítés előtt, mind az alatt.

VITA

Az RPS fogyasztása a széklet-butirát átlagos koncentrációjának növekedéséhez vezetett (1. táblázat). Sem az inulin, sem az RMS nem eredményezett jelentős változást a butirátban. Fontos figyelmeztetés, hogy az elfogyasztott amilóz-rezisztens poliszacharid mennyisége nem volt egyenlő a kezelési csoportok között. Az inulin és a Hi-Maize csoport körülbelül 20, illetve 20-24 g-ot fogyasztott, míg az RPS-csoport körülbelül 28-34 g-ot. Az előzetes adatok alapján azonban az eltérés nem elegendő az inulin és a Hi-Maize butirogén hatásának hiányának magyarázatához. Egy kísérleti tanulmányban megfigyeltük a széklet-butirát jelentős növekedését azoknál az egyéneknél, akik az RPS dózisának felét fogyasztották (összesen 24 g, 14–17 g ellenálló; az adatokat nem közöljük). Úgy tűnik, hogy az RPS-re adott butirogén válasz a kiegészítés jellegéből adódik, nem csak a benne lévő RS mennyiségéből. Tehát az első kutatási kérdésünkre az a válasz, hogy a rost-kiegészítők nem egyformán hatékonyak az egészséget elősegítő metabolit szintjének stimulálásában.

Az RMS-t fogyasztó egyének nem reagáltak a B. faecale/adolescentis/stercoris szekvenciák bőségének növekedésével. Ezzel a kiegészítéssel, hasonlóan a korábbi vizsgálatokhoz (36), az R. bromii-hoz kapcsolódó szekvenciák növekedése volt a leggyakoribb válasz (2. ábra). Az RPS által kiváltott R. bromii növekedéssel ellentétben az R. bromii növekedése az RMS-nél nem társult a széklet-butirát jelentős növekedésével. Az RMS-re adott butirogén válasz váratlan volt, mert a kiegészítés megnövelte a széklet-butirát mennyiségét állatmodellekben, bár több mint 4 hét alatt (12). Feltételezzük, hogy a két növény rezisztens keményítőinek kristályszerkezete különbözik, mivel az RPS foszforilezett (200 glikozilcsoportonként egyszer [38]). Ezért különböző hatékonysággal vagy különböző törzsekkel lebomlanak. Következésképpen több időre lehet szükség a kereszttáplálási interakciók kifejlesztéséhez olyan RMS-ből, amelyek mérhető különbségeket eredményeznek a széklet-butirátban.

Így azt figyeltük meg, hogy az általunk tesztelt összes fermentálható rost-kiegészítés növelte a széklet mikrobiota egyes tagjainak relatív bőségét. Az érintett szekvenciák többsége a rezisztens poliszacharidok ismert lebomlóival vagy a butirát-termelőkhöz kapcsolódik, de két olyan Firmicutumot tártunk fel, amelyek korábban nem voltak társítva rost-kiegészítőkkel. A válaszoló szervezetek mind az egyéntől, mind a kiegészítéstől függtek (2. kutatási kérdés).

Az ilyen étrend-kiegészítők hatékonyságának javítása érdekében szükség lehet személyre szabásukra az egyén bél mikrobiotája szerint (41). Az R. bromii vagy a C. chartatabidum-hoz kapcsolódó organizmus jelenléte arra utal, hogy a bél mikrobioma rövid távú (2 hetes) RPS-kiegészítést követően megnövekedett butirát-koncentrációt eredményez-e (4. kutatási kérdés). Azoknál az egyéneknél, akiknek bélmikrobiomájukban nincs R. bromii, előnyös lehet az R. bromii-val való probiotikus kiegészítés, hogy növeljék az RPS-re adott butirogén válasz valószínűségét. Szintén szinergikus hatást fejthet ki az RPS mind az R. bromii, mind az E. rectale kombinációja a kiegészítő butirogén hatásának maximalizálása érdekében. Ezzel szemben a magas bifidobaktériumszintű mikrobiómák kevésbé valószínű, hogy legalább rövid távon növeljék a butiráttermelést az RPS (vagy inulin) hatására. Ezekben a mikrobiomákban szükség lehet egy másik kiegészítésre vagy kiegészítők kombinációjára, vagy hosszabb időre lehet szükség ahhoz, hogy a mikrobiom reagáljon a kiegészítésre. Ilyen megfontolásokra van szükség, amikor az emberi bélközösségek erősen változó struktúráinak sajátos változását próbálják elérni.

ANYAGOK ÉS METÓDUSOK

A tanulmány résztvevői. A vizsgálat résztvevőit a Michigani Egyetem (BIO173) bevezető biológiai laboratóriumi tanfolyamának hiteles kutatási szakaszai vették fel. A gyulladásos bél szindrómában, gyulladásos bélbetegségben vagy vastagbélrákban önmagában bejelentett anamnézist kizárták a vizsgálatból, csakúgy, mint az antibiotikumot az elmúlt 6 hónapban. A pre- vagy probiotikus használat nem volt kizáró kritérium a vizsgálat szempontjából, és a rost mennyisége sem volt már elfogyasztva. Minden résztvevő írásbeli, megalapozott beleegyezést adott a vizsgálatban való részvétel előtt. A 18 év alatti résztvevőket szülő vagy törvényes gondviselő engedélyezte. A résztvevők életkora 17 és 29 év között volt, a medián életkor 19 év volt. Ezt a tanulmányt a Michigani Egyetem Orvostudományi Egyetem Intézményi Felülvizsgálati Testülete (HUM00094242 és HUM00118951) hagyta jóvá, és a Helsinki Nyilatkozattal összhangban készült.

A résztvevőket véletlenszerűen osztották be vizsgálati csoportokba. Az első félév során a résztvevőket elvakították az általuk szedett kiegészítés miatt; a későbbi vizsgálatok során tájékoztatták őket a személyazonosságáról. A mintákat elemző kutatók mindig megvakultak a mintákhoz kapcsolódó kiegészítőkkel szemben. Néhány résztvevőt kizártak az elemzésből, mert kevesebb mint három mintát gyűjtöttek vagy elemeztek sikeresen az étrend-kiegészítés előtt vagy alatt.

Dizájnt tanulni. Ezt a replikált beavatkozási vizsgálatot négy külön tanulmányi félév alatt végezték el 2015 őszétől 2017 tavaszáig. Párhuzamos tervezés volt, különböző, de hasonló csoportokkal, amelyek kísérleti vagy kontroll kiegészítőket vettek be. Az egyes vizsgálatok első hetében replikált alapadatokat gyűjtöttünk egyénenként. Minden résztvevő három vagy négy székletmintát gyűjtött össze külön napokon ebben az időszakban. A második hét folyamán a résztvevők egy 4–7 napos átmeneti szakaszon estek át, amely a kiegészítő adag fél adagjának fogyasztásával kezdődött, mielőtt a teljes adagot bevették. Az átmeneti szakaszban nem gyűjtöttek székletmintákat. A vizsgálat harmadik hetében a résztvevők addig folytatták a hozzárendelt kiegészítés teljes adagját, amíg három vagy négy székletmintát nem gyűjtöttek össze külön napokon.

Székletgyűjtés. A székletmintákat a résztvevők a korábban leírtak szerint gyűjtötték (10). A résztvevők körülbelül fél gramm székletanyagot gyűjtöttek egy OMNIgene-Gut (DNS Genotek) gyűjtőkészletbe, a gyártó utasításainak betartásával. A gyűjtőcsöveket a gyűjtéstől számított 24 órán belül -20 ° C fagyasztóba helyeztük, és -20 ° C-on tároltuk, amíg fel nem olvadt a DNS és a metabolit extrakció céljából. A gyűjtőcsöveket lemértük a széklet gyűjtése előtt és után, hogy meghatározzuk az összegyűjtött széklet anyag tömegét.

16S rRNS gén szekvenálás. DNS-t extraháltunk 250 ul széklet-szuszpenzióból a 96 üreges MagAttract PowerMicrobiome DNS izoláló készlet (Qiagen) és az EpMotion folyadékkezelő rendszerek (Eppendorf) alkalmazásával. A baktérium 16S rRNS génjének V4 régióját amplifikáltuk és szekvenáltuk a korábban leírtak szerint, az Illumina MiSeq szekvenáló platformon 2 × 250 bp páros végű készleteket használva (43). A mintákat minden félévben véletlenszerűen különböző futtatásokhoz rendeltük, összesen nyolc különálló DNS-szekvenálási futtatással. A szekvenciákat a mothur szoftvercsomag segítségével kuráltuk, az előzőekben leírtak szerint (43, 44). Röviden: a páros végű olvasmányokat egyesítettük a folytatásokban, szekvenálási hibák után átvilágítottuk és összehangoltuk a SILVA baktérium SSU referencia adatbázisával. Az összehangolt szekvenciákat kimérákra szűrtük és a Ribosomal Database Project adatbázis segítségével osztályoztuk. A mitokondrium, kloroplaszt vagy archeea osztályba sorolt szekvenciákat eltávolítottuk. A 16S rRNS génszekvenciák adatbázisához való illeszkedés érdekében a BLAST alkalmazásával tovább meghatároztuk az érdekes szekvenciákat. Eltérő rendelkezés hiányában a fajmegjelölések 100% -os azonosságot mutatnak az adatbázis egyetlen fajaival. A mintákonkénti szekvenciák számát 3000-re ritkították, hogy megakadályozzák az egyenetlen mintavételből fakadó torzításokat.

Az adatok elérhetősége. A nyers szekvenálási olvasmányok és a metaadatok, beleértve az SCFA-koncentrációkat is, elérhetők az NCBI rövid olvasási archívumán keresztül, SRP128128 csatlakozási szám alatt.

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS

Ezt a kutatást a Procter and Gamble Company, a Howard Hughes Orvosi Intézet (52008119) és a Michigani Egyetem Host Microbiome Initiative támogatásával támogatták.

Kijelentjük, hogy nincsenek versengő érdekeink.

Köszönetet mondunk a biológia 173 hallgatóinak, akik részt vettek ebben a tanulmányban, valamint a Michigani Egyetem Mikrobiális Rendszerek Molekuláris Biológiai Laboratóriumának a 16S rRNS génkönyvtár előkészítésének és szekvenálásának elvégzéséért.

LÁBJEGYZETEK

2018. december 3-án érkezett
Elfogadva 2018. december 6
Publikálva 2019. január 29-én

Ez egy nyílt hozzáférésű cikk, amelyet a Creative Commons Attribution 4.0 International licenc feltételei szerint terjesztenek.