Стомашно-чревни науки

Тази статия е част от изследователската тема

Гастрономическа наука Вижте всички 6 статии

Редактиран от
Сузане Девкота

Медицински център Cedars Sinai, САЩ

Прегледан от
Кръст Дзъ-Уен

Университет Пърдю, САЩ

Ванеса Леоне

Университет на Уисконсин-Медисън, САЩ

Принадлежностите на редактора и рецензенти са най-новите, предоставени в техните профили за проучване на Loop и може да не отразяват тяхното положение по време на прегледа.

селективна

  • Изтеглете статия
    • Изтеглете PDF
    • ReadCube
    • EPUB
    • XML (NLM)
    • Допълнителни
      Материал
  • Цитат за износ
    • EndNote
    • Референтен мениджър
    • Прост ТЕКСТ файл
    • BibTex
СПОДЕЛИ НА

Кратък доклад за изследване СТАТИЯ

  • Лаборатория на д-р Мартинес-Гурин, Университет на Средния Запад, Колеж за следдипломно обучение, Департамент по биомедицински науки, Downers Grove, IL, САЩ

Въведение

Различни фактори влияят върху микробния състав и променят колонизацията, включително диета, генетика, възраст и антибиотици (Fujisaka et al., 2016). Диетичните ефекти върху състава на микробиотата на червата са били основен фокус при изследванията на чревната микробиота, но повечето изследвания са концентрирани предимно върху дебелото черво на червата. По-новите изследвания обаче показват, че диетата променя микробиотата на тънките черва (Martinez-Guryn et al., 2018). Например, по-рано показахме, че диета, богата на наситени млечни мазнини, селективно променя състава на микробиотата на йеюналната и илеалната област. Трансплантацията на микроемус на Jejunal от HF-хранени мишки увеличава абсорбцията на липиди при мишки без микроби (GF) в сравнение с микробиота от LF-хранени мишки. По този начин модулацията на бактериалния състав на тънките черва влияе върху абсорбцията на хранителни вещества и метаболитните профили (Mu et al., 2017; Martinez-Guryn et al., 2018).

Тънките чревни бактерии помагат за усвояването на получените от хранителни вещества въглехидрати, витамини, липиди и аминокиселини, както и синтеза на някои микроелементи (Sundin et al., 2017; Adike и DiBaise, 2018), докато микробите на дебелото черво помагат за ферментацията на неусвоени въглехидрати в късоверижни мастни киселини (Adike и DiBaise, 2018), важни за здравето на епителните клетки (Kelly et al., 2015). Променено рН, нива на кислород, храни, повишена подвижност и жлъчни киселини са няколко примера, които отличават средата на тънките черва от дисталната част на червата. Това води до много различен микробен състав по региони през тънките черва, сляпото черво и изпражненията (прегледано в Tropini et al., 2017; Martinez-Guryn et al., 2019). Като се има предвид, че структурите и функциите на микробната общност се различават по дължината на червата, разумно е да се има предвид, че ще се наблюдават диференциални ефекти въз основа на специфични фактори на околната среда, включително хранителен прием и антибиотично лечение, често използвани за лечение на чревни разстройства.

Как антибиотиците влияят върху баланса между гостоприемника и микробните органи по време на стомашно-чревния тракт при условия на нисък и висок прием на мазнини с диети не е ясно установено. Нито оценка на интерактивните ефекти на диета с високо съдържание на мазнини във връзка с антибиотично лечение върху микробиотата на тънките черва, нито сравнителен анализ на ефективността на антибиотиците спрямо диетата по дължината на червата не са докладвани по-рано. Тези съображения обаче могат да бъдат важни за страдащите от вредното въздействие на чревни заболявания, които променят както усвояването на хранителните вещества и метаболизма, така и баланса гостоприемник-микроб.

За да отговорим на тази нужда, извършихме проучване, изследващо как диетата в комбинация с два различни антибиотични протокола въздейства на регионалната чревна микробиота. Охарактеризирахме микробния състав, присъстващ в лигавицата на дванадесетопръстника, йеюнума, илеума и цекума, както и изпражненията.

За това проучване мишките са хранени с високо съдържание на мазнини (HF; 18%) или с ниско съдържание на мазнини (LF; 4%) в продължение на 4 седмици (н = 15/група). Всяка група получи или контрол на водата (н = 5/диета), рифаксимин (н = 5/диета) или антибиотичен коктейл, състоящ се от метронидазол, цефоперазон, ванкомицин и неомицин (н = 5/диета). Нашата цел беше да изследваме как чревният микробен състав може да бъде променен не само от тези избрани антибиотици, но и от взаимодействието на антибиотиците и диетата в различни региони на червата. Ние предположихме, че диетата ще повлияе конкретно на микробиотата на тънките черва, а антибиотиците ще променят чревния микробен състав по различните региони на червата. Демонстрирахме, че диетата има значително и специфично въздействие върху съставите на йеюналната и цекалната микробиота, докато антибиотиците засягат всички области на изследваните черва. Взаимодействието между диетата и антибиотиците достига значение само в йеюнума и илеума при промяна на микробния състав. Регионалната селективност на високочестотните диети и потенциалните взаимодействия с антибиотиците могат да предложат уникална представа за механизмите, влияещи върху баланса между гостоприемника и микробите и по този начин по-ефективни възможности за лечение на страдащите от инвалидизиращите ефекти на чревната дисбиоза.

Материали и методи

Животни

Плазмени липиди

Плазмените нива на триглицеридите и липопротеините с ниска плътност бяха измерени с помощта на търговски колориметрични тестови комплекти от Wako Chemicals (Ричмънд, Вирджиния, САЩ), следвайки протоколите на микроплаката на производителя.

ДНК екстракция и 16S rRNA ампликон секвениране

Количествено определяне на 16S rRNA ген

Номерът на копието на 16S рРНК ген се определя от остъргване на тънките черва и сляпа лигавица или изпражнения, както е описано по-рано (Martinez-Guryn et al., 2018). Гените се определят количествено чрез определяне на стандартна крива за броя на копията на гени чрез клониране на праймерни последователности в pCR4-TOPO плазмиди. Правна (F) и обратна (R) праймерни последователности за 16S рРНК: F-TCCTACGGGAGGCAGCAGT; R-GGACTACCAGGGTATCTAATCCTGTT.

Статистически анализи

Статистическите анализи бяха извършени с помощта на GraphPad Prism v8.0; беше използван двупосочен ANOVA, последван от множество сравнения на Tukey post-hoc, изследващи всички възможни сравнения, както и простите ефекти на антибиотиците във всяка диета за Фигури 1–3. Данните са представени като средни стойности +/− SEM и разликите между груповите средни стойности се считат за значителни при стр ≤ 0,05. Освен ако не е посочено друго, имаше н = 5 на група и отклоненията бяха премахнати въз основа на метода за откриване на ROUT outlier.

Топлинните карти, показани на Фигура 4, разкриват относително изобилие от бактерии при всички условия на лечение на семейно ниво. Очевидно е, че лечението с антибиотичен коктейл е намалило изобилието на няколко семейства в цекума в сравнение с други региони на червата. Докато диетичното въздействие е по-очевидно в йеюнума, при който високочестотната диета намалява изобилието на няколко семейства в сравнение с диетата с НЧ, с изключение на Streptococcaceae, която е увеличена при диетата със СН и НЧ. По-малко забележими промени в диетата бяха очевидни в други региони на червата. Проведени са статистически тестове на Kruskal Wallis за идентифициране на таксони, променени между диетата и групите за лечение и показани в допълнителна таблица 3. Като цяло диетата изглежда има специфично въздействие върху йеюналната микробиота, докато антибиотиците засягат всички региони на червата с най-изразен ефект в дванадесетопръстника и сляпата кишка въз основа на наблюдавани промени в изобилието на таксони (Фигура 4), както и от анализи на бета и алфа разнообразие (Фигура 3).

Фигура 4. Диетата и антибиотиците влияят диференцирано на относителното изобилие на чревни микробни таксони по дължината на червата. Мишките C57Bl6 бяха хранени с диета с ниско съдържание на мазнини (LF) и с високо съдържание на мазнини (HF) и третирани с контрол на носителя, рифаксимин или антибиотичен коктейл в продължение на 4 седмици. Илюстрирано е относителното изобилие на различни таксони. Обърнете внимание на относителната промяна в изобилието като функция от диетата в йеюнума. Отбележете относителната промяна в изобилието като функция от антибиотично лечение в изпражненията и сляпото черво. Показаните данни са н = 3-5 на група.

Дискусия

Демонстрирахме, че диетата и антибиотиците имат различни, но потенциално интерактивни ефекти в различни региони на стомашно-чревния тракт. Иеюнумът е основно място за индуцирани от диетата промени в структурата на чревната микробиота, докато сляпата кишка е ключово място за медиирани от антибиотици промени в състава на чревната микробиота. Като цяло се оказа, че антибиотичното лечение (рифаксимин или антибиотичен коктейл) прикрива диетичното въздействие върху чревната микробиота в различни региони на червата (допълнителна фигура 2). Изследванията в литературата са изследвали независимо антибиотични или диетични ефекти по дължината на червата (Mu et al., 2017; Martinez-Guryn et al., 2018), но доколкото ни е известно, това е първият доклад, изследващ както факторите, така и техните взаимодействие в различни региони на червата.

Чревни заболявания, като синдром на раздразнените черва, възпалителни заболявания на червата и бактериален свръхрастеж на тънките черва (SIBO) се лекуват рутинно с антибиотици. Лекарства като рифаксимин, метронидазол и неомицин, наред с други, се използват за облекчаване на симптомите в опит да се възстанови микробната еубиоза (Shayto et al., 2016; Adike and DiBaise, 2018; Nogueira et al., 2019; Saffouri et al., 2019). В SIBO малабсорбцията се появява вторично вследствие на промените в баланса между гостоприемника и микробите (Adike и DiBaise, 2018). Антибиотиците обикновено са основният начин на лечение на това състояние (Fujisaka et al., 2016; Adike and DiBaise, 2018), като рифаксиминът е най-широко препоръчваният (Adike и DiBaise, 2018). Предишни проучвания, изследващи краткосрочна или дългосрочна употреба на рифаксимин, показват значителни промени в чревната микробиота, с преференциални промени в луминалното съдържание на тънките черва (Kim et al., 2013; Mu et al., 2017). Докато е известно, че рифаксимин има локализирани спрямо периферни ефекти (Kim et al., 2013), в нашето проучване рифаксимин повишава плазмените нива на триглицеридите при LF-хранени мишки до нива, наблюдавани при HF-хранени контролни мишки. По този начин разбирането на взаимодействието между чревните микроби, диетата и антибиотиците би било полезно в клиничните условия за избор на по-целенасочени терапевтични средства.

Въпреки че ограничение за нашето проучване е малкият обем на пробата, бяха установени значителни ефекти и взаимодействия както с диетичното, така и с антибиотичното лечение върху измерените резултати. Предлагаме директно сравнение на антибиотиците и диетата, което показва, че тези фактори имат селективно регионално въздействие върху чревната микробиота. Резултатите от това изследване могат да представляват стъпка към персонализирана медицина: специфичните антибиотици могат да имат различна ефективност в зависимост от предвидената им цел по чревния тракт и в зависимост от разликите в индивидуалната история на диетата. Диетичните взаимодействия с антибиотици трябва да бъдат допълнително оценени при лечението на чревни заболявания, където употребата на антибиотици е често срещана терапевтична интервенция.

Декларация за наличност на данни

Данните за последователността, генерирани в това проучване, са депозирани в базата данни за биопроекти (присъединяване: PRJNA594399).

Декларация за етика

Проучването върху животни е прегледано и одобрено от институционалния комитет за грижа и употреба на животните в университета в Средния Запад.

Принос на автора

EP, KM-G, MP и MC концептуализират дизайна на изследването. EP, KM-G, GB, SP, NH и KK са написали ръкописа. EP, JM, MP, AI, KK, II, LA и KM-G извършиха експериментите. EP, KM-G и NH анализираха данните и извършиха статистически анализи. Всички автори допринесоха за редактирането на ръкописа и одобриха изпратената версия.

Финансиране

Тази работа беше подкрепена от стартови фондове за факултет на Университета в Средния Запад за KM-G и средства, отпуснати на ЕП за нейния дипломен проект.

Конфликт на интереси

Авторите декларират, че изследването е проведено при липса на каквито и да било търговски или финансови отношения, които биха могли да се тълкуват като потенциален конфликт на интереси.

Рецензентът VL отмени миналото съавторство с един от авторите KM-G на редактора за обработка.

Благодарности

Анализите на липидите бяха извършени с помощта на Perkin Elmer EnSpire Plate Reader, разположен в централния център на Midwestern University, Downers Grove, IL, САЩ. Последователността на 16S rRNA ампликони беше подкрепена с награда от Midsestern University Core Facility Outsourcing Fund, Downers Grove, IL, САЩ. Бихме искали да благодарим на Сара Оуенс и Стефани М. Гринуолд от Националната лаборатория в Аргон за извършването на секвениране на 16S rRNA ампликон. И накрая, бихме искали да благодарим на Сара Куинлан за нейния критичен преглед на ръкописните фигури и на д-р Марк Муш за неговия критичен преглед на ръкописа.

Допълнителен материал

Препратки

Adike, A. и DiBaise, J. K. (2018). Бактериален свръхрастеж в тънките черва: хранителни последици, диагностика и управление. Гастроентерол. Clin. Северна Ам. 47, 193–208. doi: 10.1016/j.gtc.2017.09.008

Caporaso, J. G., Kuczynski, J., Stombaugh, J., Bittinger, K., Bushman, F. D., Costello, E. K., et al. (2010). QIIME позволява анализ на данни за последователност на общността с висока производителност. Нат. Методи 7, 335–336. doi: 10.1038/nmeth.f.303

Devkota, S., Wang, Y., Musch, M. W., Leone, V., Fehlner-peach, H., Nadimpalli, A., et al. (2012). Таурохолевата киселина, индуцирана от хранителни мазнини, насърчава разширяването на патобионтите и колита при мишки Il10 -/-. Природата 487, 104–109. doi: 10.1038/nature11225

Eren, A. M., Sul, W. J., Murphy, L. G., Grim, S. L., Morrison, H. G. и Sogin, M. L. (2013). Олиготипиране: разграничаване между тясно свързани микробни таксони, използвайки данни за 16S rRNA ген. Методи Ecol. Evol. 14, 1111–1119. doi: 10.1111/2041-210X.12114

Fernandes, A. D., Reid, J. N. S., Macklaim, J. M., McMurrough, T. A., Edgell, D. R. и Gloor, G. B. (2014). Обединяване на анализа на високопроизводителните набори от данни за секвениране: характеризиране на RNA-seq, 16S rRNA генно секвениране и експерименти за селективен растеж чрез анализ на композиционните данни. Микробиом 2, 1–13. doi: 10.1186/2049-2618-2-15

Fujisaka, S., Bry, L., Kahn, C. R., Fujisaka, S., Ussar, S., Clish, C., et al. (2016). Антибиотичните ефекти върху чревната микробиота и метаболизма зависят от гостоприемника Намерете последната версия: антибиотичните ефекти върху чревната микробиота и метаболизма зависят от гостоприемника. Наука 126, 4430–4443. doi: 10.1172/jci86674

Kelly, C. J., Zheng, L., Campbell, E. L., Saeedi, B., Scholz, C. C., Bayless, A. J., et al. (2015). Кръстосани връзки между получените от микробиота късоверижни мастни киселини и чревния епителен HIF увеличават тъканната бариерна функция. Cell Host Microb. 17, 662–671. doi: 10.1016/j.chom.2015.03.005

Kim, M. S., Morales, W., Hani, A. A., Kim, S., Kim, G., Weitsman, S., et al. (2013). Ефектът на рифаксимин върху чревната флора и резистентност към стафилококи. Копайте Дис. Sci. 58, 1676–1682. doi: 10.1007/s10620-013-2675-0

Martinez-Guryn, K., Hubert, N., Frazier, K., Urlass, S., Musch, M. W., Ojeda, P., et al. (2018). Микробиотата на тънките черва регулира храносмилателната и абсорбционната адаптивна реакция на гостоприемника към липидите в храната. Cell Host Microb. 23, 458–469. doi: 10.1016/j.chom.2018.03.011

Martinez-Guryn, K., Leone, V. и Chang, E. B. (2019). Регионално разнообразие на стомашно-чревния микробиом. Cell Host Microb. 26, 314–324. doi: 10.1016/j.chom.2019.08.011

McMurdie, P. J. и Holmes, S. (2014). Не губете, не искайте: защо разреждането на данни за микробиоми е недопустимо. PLoS Comput. Biol. 10: 3531. doi: 10.1371/journal.pcbi.1003531

Mu, C., Yang, Y., Su, Y., Zoetendal, E. G. и Zhu, W. (2017). Различия в членството на микробиоти по стомашно-чревния тракт на прасенца и техните диференциални промени след ранната антибиотична намеса. Отпред. Микробиол. 8: 797. doi: 10.3389/fmicb.2017.00797

Ng, К. М., Aranda-Diaz, A., Tropini, C., Frankel, M. R., Van Treuren, W. W., Laughlin, O. C., et al. (2019). Възстановяването на чревната микробиота след антибиотици зависи от диетата на гостоприемника и резервоарите на околната среда. Електрон. J. 26, 650–665. doi: 10.2139/ssrn.3325029

Nogueira, T., David, P. H. C. и Pothier, J. (2019). Антибиотиците като приятели и врагове на човешкия чревен микробиом: подходът на микробната общност. Drug Dev. Рез. 80, 86–97. doi: 10.1002/ddr.21466

Saffouri, G. B., Shields-Cutler, R. R., Chen, J., Yang, Y., Lekatz, H. R., Hale, V. L., et al. (2019). Микробната дисбиоза на тънките черва лежи в основата на симптомите, свързани с функционални стомашно-чревни нарушения. Нат. Общ. 10, 1–11. doi: 10.1038/s41467-019-09964-7

Shayto, R. H., Mrad, R. A. и Sharara, A. I. (2016). Употреба на рифаксимин при стомашно-чревни и чернодробни заболявания. Свят J. Gastroenterol. 22, 6638–6651. doi: 10.3748/wjg.v22.i29.6638

Sundin, O. H., Mendoza-Ladd, A., Zeng, M., Diaz-Arévalo, D., Morales, E., Fagan, B. M., et al. (2017). Човешкият йеюнум има ендогенна микробиота, която се различава от тази в устната кухина и дебелото черво. BMC Microbiol. 17: 160. doi: 10.1186/s12866-017-1059-6

Tropini, C., Earle, K. A., Huang, K. C., и Sonnenburg, J. L. (2017). Прегледайте микробиома на червата: свързване на пространствената организация с функцията. Cell Host Microb. 21, 433–442. doi: 10.1016/j.chom.2017.03.010

Wang, Y., Hoenig, J. D., Malin, K. J., Qamar, S., Petrof, E. O., Sun, J., et al. (2009). 16S rRNA генен анализ на фекална микробиота от недоносени бебета със и без некротизиращ ентероколит. Нат. Общ. 3, 944–954. doi: 10.1038/ismej.2009.37

Ключови думи: чревна микробиота, антибиотици, стомашно-чревни региони, диета, микробно разнообразие, тънки черва

Цитиране: Poteres E, Hubert N, Poludasu S, Brigando G, Moore J, Keeler K, Isabelli A, Ibay ICV, Alt L, Pytynia M, Ciancio M и Martinez-Guryn K (2020) Селективна регионална промяна на чревната микробиота от Диета и антибиотици. Отпред. Физиол. 11: 797. doi: 10.3389/fphys.2020.00797

Получено: 06 декември 2019 г .; Приет: 15 юни 2020 г .;
Публикувано: 07 юли 2020 г.

Сузани Девкота, Медицински център Сидърс Синай, САЩ

Tzu-Wen Cross, Университет Пърдю, САЩ
Ванеса Леоне, Университет на Уисконсин-Мадисън, САЩ