Zhencheng Li

1 Секция по молекулярна физиология, Катедра по хранене, упражнения и спорт, Университет в Копенхаген, Копенхаген, Дания

Торбен Солбек Расмусен

2 Микробиология и ферментация, Катедра по хранителни науки, Университет в Копенхаген, Фредериксберг, Дания

Mette Line Rasmussen

1 Секция по молекулярна физиология, Катедра по хранене, упражнения и спорт, Университет в Копенхаген, Копенхаген, Дания

Jingwen Li

1 Секция по молекулярна физиология, Катедра по хранене, упражнения и спорт, Университет в Копенхаген, Копенхаген, Дания

Карлос Хенрикес Олгин

1 Секция по молекулярна физиология, Катедра по хранене, упражнения и спорт, Университет в Копенхаген, Копенхаген, Дания

Витолд Кот

3 Департамент по екологични науки, Орхуски университет, Роскилде, Дания

Денис Сандрис Нилсен

2 Микробиология и ферментация, Катедра по хранителни науки, Университет в Копенхаген, Фредериксберг, Дания

Томас Елбенхард Йенсен

1 Секция по молекулярна физиология, Катедра по хранене, упражнения и спорт, Университет в Копенхаген, Копенхаген, Дания

Свързани данни

Изходните данни на Illumina Nextseq са достъпни с присъединяване № PRJEB31608 на EMBL-EBI.

Резюме

Въведение

Предполага се, че наднорменото тегло, определено като индекс на телесна маса (ИТМ) над 25 kg/m 2, представлява около 65–80% от новите случаи на диабет тип 2 (Kahn et al., 2006). Установено е, че микробиомът на стомашно-чревния тракт се състои от 1100 до 2000 таксона от бактерии при здрави хора (Rajilic-Stojanovic and de Vos, 2014). Дисбиозата на чревната микробиома (ГМ) е причинно свързана с развитието на затлъстяване и може да повлияе метаболизма на гостоприемника при бозайници, за да повлияе на проявата и тежестта на редица метаболитни заболявания, включително инсулинова резистентност и диабет тип 2 (Khan et al., 2014).

Диетата е основен фактор на околната среда, влияещ както върху ГМ, така и върху неговия приемник (Khan et al., 2014). Затлъстелите в сравнение с слабите хора като цяло показват намалено алфа разнообразие, т.е. намалено богатство на бактериални видове с намален брой гени (Turnbaugh et al., 2009; Cotillard et al., 2013). При модели на гризачи, хроничната диета с високо съдържание на мазнини (HFD) е обезигенна и уврежда чувствителността на цялото тяло към инсулин в множество органи, включително черен дроб, бяла мастна тъкан и скелетни мускули (Kleinert et al., 2018). Интересното е, че този хранителен режим намалява разнообразието на ГМ и насърчава свръхрастежа на редица опортюнистични патогени (Khan et al., 2014). Това се предлага за задвижване на патологии, свързани с HFD, чрез увеличаване на пропускливостта на червата и насърчаване на нискостепенно възпаление и метаболитни нарушения, както се доказва от съвместно настаняване, антибиотици и фекални трансплантационни изследвания при мишки (Khan et al., 2014; Murphy et al., 2015 ).

Освен хранителните мазнини, другите хранителни макронутриенти, въглехидрати и протеини, също оказват значително влияние върху чувствителността към инсулин на цялото тяло при мишки, като диетата с високо съдържание на въглехидрати/ниско съдържание на протеини значително се увеличава и диетата с ниско съдържание на въглехидрати/протеини намалява, чувствителността към инсулин ( Newgard et al., 2009; Solon-Biet et al., 2014, 2015). Интересното е, че въглехидратите и протеините са основните макронутриентни компоненти на несмляната храна, служещи като субстрати за ферментация в червата, и се предлага да освобождават редица ферментационни продукти, за да повлияят на чувствителността на гостоприемника към инсулина (Khan et al., 2014). Неотдавнашно проучване, сравняващо ефекта на 25 диети, различаващи се в състава си на макроелементи при мишки, установи, че промените в свързания със затлъстяването микробиом се диктуват от наличието на въглехидрати и азот, а не от съдържанието на мазнини в храната (Holmes et al., 2017). Съотношението Bacteroidetes/Firmicutes (B/F), свързано със здравословния период, е обратно свързано с общия прием на протеини (Holmes et al., 2017), въпреки че подтаксите на тази фила показват различен отговор на диетите. Като цяло това предполага, че ниският прием на хранителни протеини причинява благоприятни промени в ГМ, което може да обясни някои от ползите за здравето и живота, удължаващи живота на такива диети (Laeger et al., 2014; Solon-Biet et al., 2014, 2015; Fontana et al., 2016; Maida et al., 2016).

Обучението за упражнения е друг фактор на околната среда, за който е известно, че влияе върху инсулиновата чувствителност на цялото тяло, например, като увеличава инсулинозависимото и независимото усвояване на глюкозата в скелетните мускули (Sylow et al., 2016) Интересното е, че различните режими на тренировка при мишки също имат силно изразено влияние върху ГМ, като предпазват от индуцирано от HFD намаление на микробиомното разнообразие (Denou et al., 2016) и увеличават някои таксони, включително Butyricimonas, Prevotella и Akkermansia muciniphila (Everard et al., 2013; Lamoureux et al., 2017; Liu et al., 2017).

В скорошно проучване изследвахме въздействието на периодизирана 14-дневна диета с ниско съдържание на протеини/високо съдържание на въглехидрати (pLPHC)/14-дневни HFD цикли, предвидени за 3 месеца, заедно с доброволни тренировки за бягане с колела (наричани упражнения от тук) върху затлъстяването- развитие, метаболизъм в цялото тяло, инсулинова чувствителност и клетъчна сигнализация в черния дроб и скелетните мускули (Li et al., 2018a). Нашите контролни диети включваха чау, 60% HFD, LPHC диета и HPLC диета, давана хронично в продължение на 3 месеца (Li et al., 2018b). Освен да изследваме ефектите върху метаболизма на гостоприемника, ние събрахме цекума, за да извършим секвениране на 16S рибозомни РНК генни ампликони, за да изследваме взаимодействията между диета и упражнения върху ГМ и да съпоставим тези констатации с нашите данни за метаболитната регулация при тези мишки. Цялостната ни хипотеза беше, че свързаните със затлъстяването промени в ГМ ще бъдат противодействани чрез тренировки за упражнения и pLPHC диета по синергичен начин.

Материали и методи

Уча дизайн

Цялостният дизайн на изследването, методите, описанията на диетите и цялостната метаболитна характеристика са публикувани по-рано (Li et al., 2018a, b). Всички експерименти са предварително одобрени от Датската експериментална инспекция с животни и са в съответствие с „Европейската конвенция за защита на гръбначните животни, използвани за експерименти и други научни цели“. Накратко, пенсионираните женски мишки за разплод C57BL/6J (Janvier, Франция) на възраст 8–9 месеца бяха рандомизирани или към хронична чау диета, диета с ниско съдържание на протеини/високо съдържание на въглехидрати, диета с високо съдържание на протеини/ниско съдържание на въглехидрати, HFD или периодизирана режим на диета с ниско съдържание на протеини/високо съдържание на въглехидрати, превключване между pLPHC диета и HFD на всеки 14 дни. Чоу [SF14-162, 63/19/18 E% Въглехидрати (c)/протеин (p)/мазнина (f)], LPHC (SF09-048, 74/5/21 E% c/p/f), и HPLC диети (SF09-069, 29/40/31 E% c/p/f), всички от Speciality Feeds, Австралия са описани в допълнителна таблица S1 в Li et al. (2018b). Диетата с високо съдържание на мазнини, осигурена 20/20/60 E% c/p/f (кат.: D12492), е от Research Diet Inc.

В края на проучването мишките бяха убити след 2-3 часа на гладно от 9 часа сутринта, за да се съберат тъкани и плазма. Приблизително 200 mg съдържание на цекум се събира от разрез, направен на върха на цеци и след това се замразява бързо в течен азот до бъдещ анализ.

Заслужава да се отбележи, че нашето проучване не включва контролни измервания на цекален микробиом преди интервенция за валидиране на рандомизацията. Предишни проучвания показват, че това не е проблем, ако е правилно рандомизиран (Anhe et al., 2015; Le et al., 2018; Montonye et al., 2018). Тъй като обаче по принцип не можем да знаем дали ГМ се е променило поради намесата, ние сме формулирали описанията и заключенията по-скоро, за да посочим, а не да показваме промени във времето.

Екстракция и секвениране на бактериална ДНК

Панел за мишка Olink Explorative

Проби от плазма, събрани в рамките на 5 минути след смъртта, бяха изпратени до Olink (Упсала, Швеция) за анализи на техния изследователски панел на Mouse, като се използват единични измервания върху 1 μl плазма. Пълен списък с 92 протеина в този панел е достъпен на https://www.olink.com.

Обработка и анализ на данни

червата

Изглежда, че диетата на pLPHC изтласква бактериалния състав към фенотип, свързан със здравето

Целенасочен мултиплекс анализ на плазмените протеини разкри pLPHC диета и предизвикани от упражнения разлики в множество протеини

Индуцираните от диетата pLPHC промени в ГМ са свързани със защита от затлъстяване, подобрена инсулинова чувствителност и намалено възпаление

Топлинна карта, илюстрираща положителна (синя) или отрицателна (червена) корелация между избрани бактерии и физиологични параметри на гостоприемника.

Дискусия

Понастоящем изследвахме ефекта от различните диетични интервенции с особен фокус върху pLPHC диетата и едновременното обучение на колелата с активност върху ГМ. Установихме, че мишките на диета с pLPHC имат ГМ профил, който като цяло съответства на тласъка на фенотипа към по-здравословно състояние. Понастоящем дали ГМ профилът е причинно свързан с фенотипа на диетата на гостоприемника pLPHC, който включва защита срещу затлъстяване въпреки увеличения общ енергиен прием поради повишена адаптивна термогенеза и повишен глюкозен толеранс и чувствителност към цялото тяло към инсулин (Li et al., 2018a), в момента е неясен. За разлика от това, едновременното доброволно обучение има малки и статистически незначителни ефекти върху ГМ в настоящото проучване.

Повишеното телесно тегло, затлъстяването и намаленият глюкозен толеранс са в значителна отрицателна корелация с бактерии като Akkermansia. Това може да е допринесло за подобреното метаболитно здраве и намаляването на възпалението при pLPHC диета, тъй като е показано, че пребиотичното хранене на Akkermansia обръща свързаните с HFD фенотипове, включително затлъстяване, ендотоксемия, възпаление и инсулинова резистентност (Everard et al., 2013). От друга страна, се предполага, че родовете Oscillibacter и Oscillospira и семейство Desulfovibrionaceae играят активна роля в метаболитните заболявания и чревната дисбиоза (Tilg and Kaser, 2011; Lam et al., 2012; Walters et al., 2014; Hamilton et al., 2015; Hu et al., 2015; Zhang-Sun et al., 2015). Като цяло, диетичната намеса на pLPHC изглежда повлиява положително няколко физиологични параметри, както и насърчава балансирана цекална микробиота. От друга страна, високото ниво на протеобактерии, открити в HPLC групата, е индикация за дисбиоза на чревната микробиота (Shin et al., 2015), което съответства на по-ранни наблюдения, че HPLC съобщава, че влошава метаболитните резултати (Solon-Biet и др., 2014, 2015).

В обобщение, понастоящем сравнихме цециалните ГМ на мишки на периодизирана LPHC диета - доброволно тренировъчно упражнение срещу редица хронични референтни диети, включително редовна чау, диета с високо съдържание на мазнини, LPHC и HPLC и установихме, че микробиомният профил на pLPHC диетата е свързан с ползи за здравето при мишки, подобни на хроничната LPHC диета, с малко допълнителен ефект от тренировките за упражнения.

Наличност на данни

Изходните данни на Illumina Nextseq са достъпни с присъединяване № PRJEB31608 на EMBL-EBI.

Декларация за етика

Това проучване е проведено в съответствие с препоръките на Declaraton of Hensinki II (1996). Протоколът е одобрен от Датската инспекция за опити с животни.

Принос на автора

TJ замисля и ръководи проучването, изготвя ръкописа и придобива финансиране. ZL и TJ разработиха методологията. ZL, MR, JL, CHO и TJ извършиха експериментите. ZL, TR, WK и DN извършиха официалния анализ. ZL и TR визуализират данните и преглеждат и редактират ръкописа с принос от всички автори.

Изявление за 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.