Нарушенията на чревната микробна екосистема са свързани със затлъстяването и свързаните с това метаболитни нарушения.

микробния

Ефективността на диетата при пациенти със затлъстяване зависи от първоначалния състав на чревната микробиота.

Допълването с ферментируеми диетични фибри от тип инулин води до подобряване на затлъстяването и свързаните с него метаболитни нарушения, но приносът на специфични бактерии в подобряването на здравето от инулина остава неизвестен.

Какви са новите открития?

Диетична интервенция с инулин в мултицентрична кохорта от пациенти със затлъстяване разкрива реагиращи и неотговарящи по отношение на подобряване на индекса на телесна маса и метаболитни нарушения.

Подобряването на метаболитните нарушения от инулина зависи от наличието на специфични консорциуми от бактерии, но не и от бактериалното разнообразие.

Трансплантацията на чревна микробиота от затлъстели индивиди на диети, хранени с високо съдържание на мазнини, разкрива кои промени в чревната микробиота са свързани с подобряването на метаболитните промени от инулина и разкрива ключови молекулни цели, свързани с инулиновите ефекти върху инсулиновата чувствителност, стеатозата и затлъстяването.

Как може да се отрази на клиничната практика в обозримо бъдеще?

Ефикасността на хранителните съвети при лечението на затлъстяването не е оптимална. Предлагаме измерването на специфични консорциуми от фекални бактерии да изключи ефикасността на пребиотичната интервенция в диетичните фибри при пациенти със затлъстяване. Освен това имаме изяснени чревни микробни бактерии, които могат да се считат за нови цели в подобряването на основните метаболитни промени, свързани със затлъстяването.

Въведение

Взаимодействието между хранителните вещества и чревните микроби участва в регулирането на метаболизма на гостоприемника, а именно в контекста на затлъстяването и свързаните с него метаболитни заболявания.1 Една интересна стратегия за предвиждане на контрола на теглото е разработването на хранителни интервенции/препоръки с диетични фибри, считани за пребиотици, дефинирани като „субстрати, които се използват селективно от приемни микроорганизми, предоставящи полза за здравето“. 2–7 Прилагането на инулин като пребиотик намалява затлъстяването и свързаните със затлъстяването метаболитни нарушения в предклинични и човешки проучвания. Модулацията на чревната микробиота от фруктани от инулинов тип се различава между индивидите, следвайки модела на прием на диетични фибри.8 Въпреки това, предвид съществуващите данни, е трудно да се оцени кои промени в чревната микробиота, задвижвани от инулин, са свързани с подобряването на затлъстяването и метаболизма при хората.9–14

Характеристиките на чревната микробиота обясняват променливия отговор към няколко диетични интервенции. Всъщност първоначалната чревна микробиота влияе върху гликемичния отговор на ястия в реалния живот или на хляб, както и на промените в микробиотата при резистентни добавки на нишесте. микробиомите са персонализирани.18

В този контекст тествахме хипотезата, че съставът на микробиота на червата за превенция може да повлияе на метаболитния и микробния отговор на добавките с инулин при затлъстели пациенти. Фекалният материал е взет от затлъстели индивиди преди интервенция и е прехвърлен в мишки, обеднели от микробиота (hum-ob за хуманизирани затлъстели мишки). Метаболитният и микробният отговор на мишките, хранени с hum-ob с високо съдържание на мазнини (HFD), към добавките с инулин беше оценен и сравнен с отговора на намесата на инулин при пациенти със затлъстяване. Също така анализирахме характеристиките за превенция на чревната микробиота, които стимулират подобряването на телесното тегло при пациенти със затлъстяване, лекувани с инулин (ClinicalTrial.gov идентификатор: NCT03852069).

Методи

Допълнителни протоколи и пълни процедури са описани в раздела за допълнителни материали и методи онлайн.

Допълнителен материал

Експериментален модел и подробности за предмета

Мъжки мишки без специфични патогени (SPF) C57BL/6J (Janvier Labs, Le Genest St Isle, Франция) бяха настанени в контролирана среда (три на клетка, 12-часов цикъл на дневна светлина) със свободен достъп до храна и вода. Млади мишки (на възраст 4 седмици) бяха използвани за оптимизиране на присаждането на чревната микробиота.19 Мишките бяха разделени на девет групи: една контролна група (SPF) и осем групи мишки, инокулирани с фекалния материал на пациенти със затлъстяване (hum-ob, фигура 1А ). Според предишни процедури, 19 20 чревната микробиота първо се изчерпва чрез антибиотично лечение и прочистване с полиетилен гликол (PEG). Проби от изпражнения от четири пациенти със затлъстяване бяха инокулирани три пъти (един път на ден на всеки 2 дни). Контролните мишки получават вода чрез сонда едновременно. След първата инокулация с проби от изпражнения, всички групи мишки, включително контролните мишки, бяха хранени с HFD (45% ккал мазнина; E15744-347, ssniff, Soest, Германия) в продължение на 4 седмици. За всеки донор една подгрупа се допълва с 0,2 g/ден на мишка естествен инулин (Fibruline, Cosucra, Pecq, Белгия) в питейната вода в продължение на 4 седмици.

FMT от затлъстели донори в мишки, третирани с антибиотици. (А) Експериментален дизайн. (B и C) Общо фекални бактерии, анализирани чрез qPCR в ДНК, извлечена от фекалиите на мишки, лекувани с антибиотици в различни времеви точки (D0: преди лечението, D4, D8: 4 или 8 дни антибиотично лечение). (Б) Представлява брой клетки на грам фекалии. (C) Представлява процент от общите фекални бактерии в сравнение с D0. Резултатите са изразени като средна стойност ± SEM. (D) α-разнообразието се изчислява, като се използва индексът chao-1 в цялата кохорта, на изходно ниво. Донорите, избрани за FMT, са представени от кръгове, оцветени в червено, зелено, оранжево и синьо, съответстващи на дарители 1, 2, 3 и 4, съответно. (E) Барплоти за относително изобилие от семейни нива, представляващи повече от 1% за всеки донор. (F) Основен координатен анализ на индекса на β-разнообразие Непретеглена UniFrac, оцветена от групата на мишката. Малките кръгове представляват отделни мишки, а по-големите кръгове представляват човешки донори (D1, D2, D3, D4 за проби от мишки и H1, H2, H3, H4 за съответните им проби от човешки донори). (G) Количествено определяне на Faecalibacterium spp чрез qPCR в ДНК, извлечена от CC, 4 седмици след FMT. За пет SPF мишки нивата остават неоткриваеми. *** р 0,35 е избран.

Резултати

Характеризиране на микробната мишка след FMT

Първо избрахме четири донора от кохортата на пациенти със затлъстяване преди инулинова интервенция, които се различаваха по чревния микробиотен състав, за да извършат FMT при мишки, третирани с антибиотик-ПЕГ (фигура 1А). Ефективността на антибиотик-ПЕГ се потвърждава от драстичното намаляване на общите бактерии, подпомагайки елиминирането на повече от 99,8% от фекалните бактерии (фигура 1В, С). С изключение на контролната група с SPF, всички мишки бяха реколонирани от FMT с изпражнения на пациенти със затлъстяване. Донорите са били със затлъстяване, с наивен наркотик, диабет или недиабет, показващи различно богатство на фекални бактерии (индекс Chao1, фигура 1D) и разлики в състава на чревната микробиота на семейно ниво (фигура 1Е). Метаболитните характеристики също се различават при донорите, въпреки сходния ИТМ, както е показано в допълнителната онлайн таблица 1. Четири седмици след FMT, са оценени сходствата между цекалната микробиота на реципиентни мишки и фекалния микробиотен състав на съответните им донори. Непретегленото разстояние UniFrac потвърждава различното разпределение между SPF и hum-ob мишки (фигура 1F), като микробиотата на чревните мишки hum-ob е много близка до съответните им донори. Нещо повече, нивото на Faecalibacterium prausnitzii, бактерии, които присъстват във висок процент при хората, но минимално при мишки, ясно се е увеличило при всички мишки hum-ob, потвърждавайки, че човешки бактерии колонизират мишките реципиенти (фигура 1G).

Допълнителен материал

Диференциален отговор на инулин върху телесното тегло и затлъстяването при мишки hum-ob

Допълнителен материал

Критериите, свързани с микробиотата, задвижват метаболитния отговор на лечението с инулин при мишки hum-ob и при хора

Моделът на FMT при мишки не позволява да се идентифицират бактериите, които могат да бъдат замесени в промени в телесното тегло. За това използвахме цялата човешка кохорта от пациенти със затлъстяване, лекувани с инулин, за да проверим дали някои бактерии могат да бъдат свързани с регулацията на ИТМ чрез инулин.

Донорите, използвани за FMT, са включени в голяма клинична интервенция за въздействието на 3-месечната добавка на инулин (16 g/ден) при пациенти със затлъстяване, съчетана с диетични съвети за консумация на зеленчуци, обогатени с фруктани от инулинов тип. Ефектът от лечението с инулин при донори е в съответствие с отговора при hum-ob мишки: донор 1 има по-добри клинични мерки след инулин, включително намален ИТМ и мастна маса, подобрена чернодробна стеатоза и намален енергиен прием (таблица 1). При донори 2 и 3, въпреки загубата от 3-4 кг, не се наблюдават метаболитни или антропометрични промени. Изненадващо, за донор 4 ефектът на инулина се различава от мишките hum-ob, тъй като инулинът не подобрява мастната маса или натрупването на чернодробни липиди (таблица 1). Всъщност донор 4 до голяма степен увеличи енергийния си прием като липиди и въглехидрати и намали физическата си активност по време на интервенцията. Това вероятно обяснява различното въздействие на инулина между мишки и донори.

Общи характеристики и метаболитни променливи на затлъстелите донори по време на интервенция

Интервенционно проучване с инулин в многоцентрична човешка кохорта разкрива инулиновите отговори (R) и неотговорилите (NR) по отношение на подобряване на индекса на телесна маса (BMI) и промени в чревната микробиота. (А) Вариация на ИТМ, след 3 месеца интервенция, в рамото на инулина: пациентите с NR (n = 26) и R (n = 25) са разделени, като се използва средната промяна в ИТМ. *** p $$$ p 0.35), обясняващи клъстерирането са представени. (Н) Относително изобилие от бактериални родове, на изходно ниво, избрано (от предишния PLS-DA и in vivo модела на мишки hum-ob) при пациенти с NR и R. Данните се изразяват като средно ± SEM и се анализират с тест на Mann-Whitney в R в сравнение с NR субекти.

Дискусия

Допълнителен материал

При мишки D4, дори FMT да не влошава въздействието на HFD, инулинът подобрява мастната маса и чернодробната стеатоза. В тази група, инулинът предпочитано регулира бактериите, за които е известно, че са свързани с благоприятни ефекти върху метаболизма на гостоприемника, 29 30 като A. muciniphila, което отрицателно корелира с мастния черен дроб в нашето проучване. В съгласие е показано, че администрирането на Akkermansia предотвратява развитието на затлъстяване и обръща метаболитни нарушения при мишки, хранени с HFD.29 30 Интересното е, че групата на отговорилите от цялата кохорта се характеризира с по-голямо изобилие на Akkermansia на изходно ниво, но неговото изобилие намалява при намеса. Dao et al също показват, че затлъстелите лица с по-голямо изобилие на Akkermansia на изходно ниво имат по-голямо подобрение в метаболитните промени по време на интервенция с нискокалорична диета, но Akkermansia също е намалена в тази група по време на интервенцията.31 Това предполага, че по-голямото количество на Akkermansia преди интервенция може да определи успешния процент на диетична интервенция, но че увеличаването на Akkermansia при лечение с инулин не е двигателят за метаболитното подобрение.

При D4 мишки инулинът също така повишава нивата на Faecalibacterium spp, Lactobacillus spp и Bifidobacterium spp. Това беше в съответствие с предишни работи, показващи, че F. prausnitzii е по-нисък при пациенти със затлъстяване и при пациенти с диабет и се увеличава след загуба на тегло.32 33 Освен това, намесата на фруктани от тип инулин спрямо плацебо увеличава Bifidobacterium spp и Faecalibacterium в кохорта жени със затлъстяване. 14 И накрая, подобряване на затлъстяването и метаболитните нарушения също се наблюдава по време на проучвания за пробиотични интервенции с видове Lactobacillus.34 35

Биологичните ефекти на инулина при D1 и D4 hum-ob мишки споделят някои прилики, но не всички. Инулинът намалява съдържанието на липиди в черния дроб чрез намаляване на ядрената експресия на протеини srebp1 и srebp2 и експресията на иРНК на липогенни гени и в двете групи. Предишни данни показват, че гените, участващи в липогенезата, удължаването на ФА и десатурацията, са намалени при мишки, колонизирани с опростена микробиота на човешките черва и третирани с инулин.36 При мишки D1 ​​установихме, че тези промени могат да бъдат медиирани от регулация в чернодробното фосфорилиране на АСС чрез инулин, контролиращ както синтеза на FA, така и окисляването.23 Въпреки това, при D4 мишки механизмът изглежда е независим от ACC. Това предполага, че инулиновата намеса може да доведе до подобряване на стеатозата и чернодробните заболявания, но в зависимост от първоначалния микробиом, молекулярният механизъм зад него може да е различен. Намалено съдържание на мускулни триглицериди и подобрена инсулинова чувствителност се наблюдава само при D1 hum-ob мишки, потвърждавайки различен модел на реакция между двете групи с отговори. За пореден път свързването на чревните микробни промени с инулиновия отговор показва положителна връзка между Butyricimonas, Victivallis и Bilophila с миостеатоза, три рода, намалени с инулин при D1 мишки.

Настоящите данни подчертават, че особеностите на чревната микробиота стимулират метаболитния и микробния отговор на инулина. Изборът на специфична хранителна стратегия за управление на безалкохолна мастна чернодробна болест, хомеостаза на глюкоза или затлъстяване ще изисква да се обърне повече внимание не само на първоначалната чревна микробиота, но и на ефикасността на чревната микробиота да бъде адекватно модифицирана от специфични пребиотици. В нашето проучване пациентът D4 отговаря на всички „микробни критерии“, за да отговори на инулиновата интервенция, но е неуспешен за този пациент, тъй като той не спазва диетични и поведенчески съвети. Последицата е увеличение на телесното тегло и мастната маса, което може да противодейства на потенциалния благоприятен ефект на инулина върху метаболитните нарушения.

Това означава, че успешната диетична интервенция, а именно с пребиотици, трябва да се разглежда като един от инструментите за подобряване на метаболитното здраве, но мотивацията на пациента остава решаваща. Едно ограничение на нашето проучване може да бъде, че всички човешки донори са жени, докато трансплантацията на фекален материал се извършва само при мъжки мишки. Това е мотивирано от факта, че всички предишни експерименти за тестване на инулин при HFD мишки са били извършвани при мъжки мишки, които са по-склонни да развият метаболитни нарушения от женските. 40 41 Освен това не се наблюдава разлика по отношение на подобряване на ИТМ върху лечение с инулин след пола в човешката кохорта (данните не са показани).

В заключение трябва да се разработи персонализиран подход за пребиотични интервенции, насочени към пациенти със затлъстяване, склонни да имат благоприятен отговор и да се избегне обезсърчаване на отрицателните резултати. Идентифицирането на бактериални консорциуми в тази сложна екосистема, които движат метаболитния отговор към пребиотиците, е от особен интерес за прилагане на адекватни хранителни съвети за персонализирано управление на метаболитните нарушения при затлъстяване.

Благодарности

Благодарим на Remi Selleslagh, Véronique Allaeys, Isabelle Blave и Bouazza Es Saadi за техните ценни последици от проучването. Благодарим на платформата на UCLouvain „Support en méthodologie et calcul statistique“ и по-конкретно на Céline Bugli и Lieven Desmet за полезните им съвети относно статистическите анализи. Благодарим също на Coralie Frenay, Marie Barea и Marjorie Fadeur, диетолозите, участващи в клиничното изпитване.