• Găsiți acest autor pe Google Scholar
  • Găsiți acest autor pe PubMed
  • Căutați acest autor pe acest site
  • Record ORCID pentru Denise M. Monack
  • Pentru corespondență: [email protected]

Editat de Lora V. Hooper, Universitatea Texas Southwestern, Dallas, TX și aprobat pe 24 decembrie 2018 (primit pentru revizuire 20 august 2018)

dieta

Semnificaţie

Dieta occidentală (WD) este bogată în grăsimi și zaharoză și săracă în fibre și este cea mai răspândită dietă în țările occidentalizate. Descoperim că în modelul nostru de sepsis, șoarecii hrăniți cu WD au avut o severitate crescută a sepsisului și rezultate mai slabe. Șoarecii hrăniți cu WD au avut o inflamație de bază mai mare, au crescut imunoparaliza asociată cu sepsis și au modificat populația de neutrofile din sânge. Creșterea dependentă de WD a severității și mortalității sepsisului a fost independentă de microbiomul asociat dietelor, sugerând că dieta poate regla direct imunitatea înnăscută. Am folosit factorii noștri identificați de boală și am constatat că șoarecii hrăniți cu WD ocupă o cale unică în progresia bolii sepsisului. Datele noastre oferă o perspectivă asupra reprogramării dependente de dietă a răspunsului imun și vor fi importante în tratarea și diagnosticarea unei populații hrănite cu WD.

Abstract

Sepsisul a fost redefinit recent ca un răspuns imun dăunător la infecție care duce la disfuncția organelor care pun viața în pericol (1) și este o cauză principală de mortalitate și boli critice la nivel mondial (2, 3). În prezent, sepsisul este o problemă majoră de sănătate publică și, deși incidența reală este necunoscută, sa raportat că frecvența sepsisului crește (4, 5). În ciuda relevanței sale clinice, nu este încă clar ce factori gazdă contribuie la reglarea acestui răspuns imunitar dăunător și la rezultatul sepsisului. Prin identificarea rolului anumitor factori de gazdă care reglează căile imunologice și răspunsurile la produsele microbiene, putem începe să definim relații noi între acești factori și severitatea și mortalitatea sepsisului.

Studii recente au arătat lumina rolului dietei în reglarea sistemului imunitar și a bolilor inflamatorii asociate; astfel, am căutat să înțelegem modul în care dieta afectează severitatea și rezultatul sepsisului. Suntem interesați în special de dieta occidentală (WD), o dietă derivată din dieta agrară timpurie introdusă acum aproape 10.000 de ani în perioada post-neolitică, care este bogată în grăsimi saturate și zaharoză și săracă în fibre, deoarece este una dintre dietele cele mai răspândite în țările occidentalizate (6, 7) și sunt asociate cu obezitatea. Din studii la om și modele pe animale se știe că WD poate influența patogeneza microbiană (8 ⇓ –10), inflamația cronică (11 ⇓ –13) și severitatea bolilor inflamatorii (14, 15); cu toate acestea, există date umane contradictorii cu privire la faptul dacă WD modifică direct căile imunologice care contribuie la severitatea și rezultatul sepsisului (16). Astfel, studiul nostru își propune să identifice modul în care WD poate influența căile imune ale gazdei și răspunsurile imune la agenții microbieni care duc la sepsis și dacă acest lucru modifică severitatea și rezultatul sepsisului.

În acest studiu, folosim un model de sepsis (endotoxemie) condus de LPS pentru a testa influența WD asupra sepsisului. Am constatat că șoarecii hrăniți cu o dietă occidentală (șoareci WD) au crescut severitatea și mortalitatea sepsisului în comparație cu șoarecii hrăniți cu un chow standard bogat în fibre (șoareci SC) (vezi Fig. 1). Descoperirile noastre sunt în concordanță cu studiile anterioare care arată că WD se corelează cu mortalitatea crescută la modelele de șoarece de sepsis indus de Staphylococcus aureus (8) și sepsis polimicrobian (17). Adăugând la aceste studii, oferim informații despre reglarea răspunsului imun la produsele microbiene de către WD, care este independent de infecția bacteriană. Arătăm că șoarecii netratați hrăniți cu WD au crescut inflamația cronică, care a fost documentată pe larg în cohorte de pacienți obezi (18 ⇓ ⇓ ⇓ –22). De asemenea, am documentat creșterea imunoparalizei asociate sepsisului în timpul sepsisului condus de LPS la șoarecii alimentați cu WD (vezi Fig. 2) și modificarea migrației celulelor imune și a funcției neutrofilelor. Aflăm aici că într-un model de șoarece fără germeni (GF), prezența unui microbiom asociat dietelor nu este necesară pentru a conferi severitatea și mortalitatea sepsisului indusă de WD (vezi Fig. 4). Mai mult, folosim graficele factorilor noștri modificați dependenți de WD pentru a urmări progresia și recuperarea bolii (vezi Fig. 5).

Un alt factor important al bolii care este adesea trecut cu vederea este recuperarea. În modelul nostru, măsurăm recuperarea ca cinetică a creșterii în greutate după pierderea maximă în greutate indusă de sepsis. Pentru a urmări recuperarea, am injectat o doză subletală de LPS (2 mg/kg) i.p. și greutatea urmărită. Șoarecii hrăniți cu SC și WD tratați cu 2 mg/kg de LPS au pierdut 10-15% din greutatea corporală în câteva zile după tratament din cauza anorexiei induse de boală (Fig. 1G). Cu toate acestea, la 35 h de tratament post-LPS, șoarecii SC au început să-și recapete greutatea, indicând că intră în recuperare (Fig. 1G). În schimb, șoarecii WD nu au început să-și recâștige greutatea până la 95 de ore după tratament (Fig. 1G). Diferența de recuperare poate fi observată cel mai dramatic la 70 de ore după tratamentul LPS (Fig. 1G), unde șoarecii WD au pierdut în mod semnificativ mai multă greutate decât șoarecii SC. Împreună, aceste date sugerează că WD nu numai că afectează severitatea și rezultatul sepsisului, ci afectează și toleranța LPS și rata de recuperare.

Șoarecii alimentați cu dietă occidentală au o inflamație de bază mai mare și experimentează imunoparaliza în timpul sepsisului.

Pentru a înțelege căile gazdei care ar putea conduce această creștere dependentă de WD a severității și mortalității bolii, am măsurat diferențele în răspunsul imun înnăscut la șoarecii WD comparativ cu șoarecii SC înainte și în timpul sepsisului. În primul rând, am măsurat nivelurile de expresie a două citokine proinflamatorii, il-6 și tnf, înainte și după injecția LPS. Șoarecii WD au avut transcripție crescută a il-6 și tnf în sânge înainte de boală comparativ cu șoarecii SC (Fig. 2A), indicând faptul că 2 săptămâni din dieta WD induce o expresie crescută a acestor citokine proinflamatorii în sângele șoarecilor. Această formă de inflamație cronică indusă de dietă se numește metaflamare (31). După tratamentul cu LPS, șoarecii WD au avut o inducție mai mică a expresiei il-6 și tnf la 5 și, respectiv, 20 de ore, în comparație cu șoarecii SC (Fig. 2B). Împreună, aceste date sugerează că șoarecii WD au crescut metaflamarea și că acest lucru este corelat cu incapacitatea șoarecilor WD de a induce expresia acestor gene la niveluri similare cu cele ale șoarecilor SC în timpul sepsisului.

Având în vedere datele noastre anterioare care indică faptul că șoarecii WD nu pot crește expresia citokinelor proinflamatorii ca răspuns la LPS, am propus ca șoarecii WD să se confrunte cu niveluri mai ridicate de imunoparaliză în timpul sepsisului. Persistența unei stări imune suprimate în timpul sepsisului a fost denumită imunoparaliză asociată sepsisului și a fost corelată cu rezultate mai slabe la pacienți (32 ⇓ ⇓ ⇓ –36). Imunoparaliza poate fi măsurată la pacienții septici prin cuantificarea raportului dintre il-10 și tnf, prin care pacienții cu expresie mai mare a IL-10: TNF sunt imunoparalizați și prezintă rezultate mai slabe ale sepsisului (37, 38). Pentru a elucida dacă WD induce imunoparaliză în modelul nostru, am măsurat raportul de expresie IL-10: TNF în sângele șoarecilor la 0, 5, 10 și 20 h postinducție a sepsisului și am constatat că șoarecii WD aveau un raport semnificativ mai mare de IL-10: Expresia TNF în sânge la 20 h comparativ cu șoarecii SC (Fig. 2D). Datele noastre sunt de acord cu studiile anterioare la om, sugerând că imunoparaliza este corelată cu rezultate mai slabe ale sepsisului.

Există o frecvență mai mare de neutrofile în sângele șoarecilor hrăniți cu diete septice occidentale.

În timpul sepsisului, am găsit expresia diferențială a citokinelor inflamatorii și antiinflamatorii în sânge; prin urmare, am emis ipoteza că migrarea celulelor imune poate fi modificată de WD. Pentru a investiga această ipoteză, am dezvoltat un panou de celule imune cu citometrie în flux multicolor pentru a determina cantitățile relative de monocite, neutrofile, celule T, celule B și celule natural killer (NK) în 10 μL de sânge la șoareci individuali în timp. Am constatat că înainte de boală circulau în mod semnificativ mai multe monocite și neutrofile în sângele șoarecilor SC în comparație cu șoarecii WD (Fig. 3A). Nu a existat nicio diferență în nivelurile de celule T circulante, celule B sau celule NK (apendicele SI, fig. S2A) la șoareci SC comparativ cu șoareci WD înainte de boală. Împreună, aceste date sugerează că există recrutarea monocitelor și neutrofilelor modificate în sângele șoarecilor WD înainte de boală.

Populațiile de neutrofile sunt eterogene și prezintă stări de activare diferențiale (39). Pentru a cuantifica activarea și degranularea neutrofilelor am folosit o combinație de markeri de suprafață. CD63 este un marker pentru granulele primare, iar CD66b este un marker pentru granulele secundare (39, 40). Am constatat că neutrofilele din sângele șoarecilor WD au o expresie superficială mai scăzută a CD63 și CD66b la 5 și 10 h posttratament, comparativ cu populațiile de neutrofile din sângele șoarecilor SC (Fig. 3 F și G). Aceste date sugerează că neutrofilele care circulă în sângele șoarecilor WD în timpul sepsisului sunt mai puțin activate decât populațiile de neutrofile la șoarecii SC.

Recent, un subgrup specific de neutrofile numite „neutrofile în vârstă” au fost detectate în sângele animalelor cu boli inflamatorii acute (41 ⇓ –43), deși rolul și funcția lor biologică sunt încă definite. În timpul homeostaziei, neutrofilele în vârstă sunt îndepărtate din circulație în măduva osoasă, ficat și splină, iar migrarea redusă a neutrofilelor în vârstă către măduva osoasă a fost legată de severitatea crescută a bolii (41, 42, 44). Este încă în dezbatere dacă neutrofilele în vârstă sunt sau nu mai mult sau mai puțin inflamatorii; cu toate acestea, definiția acceptată a neutrofilelor în vârstă este CD62 lo și CXCR4 hi (41 ⇓ –43). Am constatat că neutrofilele din sângele șoarecilor WD în timpul sepsisului au o expresie superficială mai mică a CD62 (l-selectină) și CXCR4 mai mare decât populația de neutrofile din sângele șoarecilor SC (Fig. 3 H și I), indicând șoarecii WD neutrofilele au un fenotip mai îmbătrânit. Mai mult, șoarecii neutrofili WD au avut o expresie mai mică a CXCR2, un indicator invers al expresiei CXCR4 (45), comparativ cu șoarecii neutrofili SC din sânge (Fig. 3J). Împreună, aceste date susțin diferitele stări imunologice induse de dietă. Implicațiile pentru neutrofilele circulante în șoarecii WD cu un fenotip diferit de neutrofilele șoarecilor SC sunt încă neclare.

Creșterea dependenței de dieta occidentală a severității sepsisului și rezultatul mai slab sunt independente de microbiom.

S-a demonstrat la șoareci și oameni că WD cronică crește permeabilitatea intestinului, ceea ce are ca rezultat eliberarea microbienilor rezidenți în intestin în fluxul sanguin (46 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ –51). În acord cu datele publicate anterior, am constatat că șoarecii WD sănătoși aveau unități aerobice și anaerobe mai mari care formează colonii (cfus) izolate de plămâni și cfus aerob din sânge comparativ cu șoarecii SC sănătoși (SI Anexa, Fig. S4 A - D) . Aceste rezultate ne-au condus la ipoteza că permeabilitatea intestinală crescută a șoarecilor WD și eliberarea conținutului microbian pot influența severitatea și rezultatul sepsisului la șoarecii WD injectați cu LPS. Astfel, am folosit un model de șoarece GF pentru a înțelege modul în care conținutul microbian afectează rezultatul sepsisului la șoarecii hrăniți fie cu dieta SC, fie cu dieta WD.

Deoarece au existat dezacorduri în literatură cu privire la faptul dacă șoarecii GF au susceptibilități similare cu LPS (52 ⇓ –54), am identificat mai întâi toleranța șoarecilor GF la doze variate de LPS. Șoareci GF tratați cu o singură doză de LPS i.p. la 2,5, 5 sau 10 mg/kg nu au prezentat o boală cuantificabilă măsurată prin pierderea temperaturii; cu toate acestea, la 50 și 100 mg/kg șoarecii au prezentat hipotermie severă la 10-20 h p.t. (Fig. 4A). Mai mult, șoarecii GF injectați cu 2,5, 5 sau 10 mg/kg de LPS au supraviețuit, dar la 50 mg/kg ~ 50% au murit, iar la 100 mg/kg toți șoarecii GF au murit (Fig. 4 A și B) . În schimb, LD100 pentru șoarecii convenționali C57BL/6, în funcție de sex și vârstă, a fost de 6 mg/kg de LPS (Anexa SI, Fig. S5A). Astfel, am descoperit că șoarecii C57BL/6 GF sunt mai rezistenți la i.p. doze de LPS decât șoarecii convenționali C57BL/6. Aceste date sunt de acord cu postulările istorice conform cărora șoarecii GF afirmă că sunt mai rezistenți la dezvoltarea sepsisului LPS, deoarece (i) sepsisul este inițiat în primul rând de trecerea microbilor rezidenți la intestin în circulație (55, 56) și (ii) au un sistem imun imatur care se corelează cu o hiporesponsivitate la produsele microbiene (57 ⇓ –59). Astfel, discrepanțele din datele publicate anterior s-au putut datora diferențelor de tulpini de șoarece sau discordanței în instalațiile fără germeni.

În cele din urmă, folosind factorii identificați de boală măsurabili (hipotermie și număr de neutrofile circulante), am trasat șoareci WD vs. Șoarecii SC de pe o hartă a bolii și șoarecii descoperiți cu WD au bucle mai largi prin spațiu, sugerând o boală mai severă (Fig. 5A). Împreună, aceste date sunt interesante, deoarece constatăm că severitatea bolii și numărul neutrofilelor pot prezice căile bolii în funcție de dietă. În clinică, factorii pe care i-am măsurat pot fi măsuri de diagnostic alternative. Descoperirile noastre identifică profiluri imune și fenotipice unice induse de dietă la șoareci care prezic severitatea și rezultatul sepsisului indus de LPS (Fig. 5). Împreună, aceste date sugerează două lucruri: (i) WD manipulează imunitatea independent de microbiom și (ii) numărul de neutrofile circulante și pierderea temperaturii sunt doi factori de boală care, dacă sunt urmăriți în timp, pot prezice rezultatul bolii și la un moment specific subliniază că acești factori pot prezice dieta. Având în vedere variabilitatea inerentă a pacienților umani ca răspuns la sepsis, aceste rezultate vor fi interesante de recapitulat la pacienții umani și pot fi un pas inițial în creșterea eficacității diagnosticului de sepsis și a tratamentului terapeutic.

Materiale și metode

Mulțumiri

Mulțumim lui James Hickman (Portland State University) pentru formatare și lectură critică. Acest studiu a fost susținut de subvențiile Institutului Național de Alergii și Boli Infecțioase (NIAID) 2R01 AI095396-06 (către DMM) și 1F32AI115950-01 (către BAN), Grant Advanced Defense Project Agency (DARPA) Grant DARPA-15-21-THoR - FP-006 (către DMM), subvenții NIH R01-DK085025 și DP1-AT00989201 (către JLS, care este investigator Chan Zuckerberg Biohub) și bursa postdoctorală a decanului Stanford School of Medicine (către AJH).

Note de subsol

↵ 1 M.A.T. și L.M.M. a contribuit în mod egal la această lucrare.

Contribuțiile autorului: B.A.N., K.C., D.S.S., J.L.S. și D.M.M. cercetare proiectată; B.A.N., L.M.M., A.J.H., S.K.H., K.C., B.H. și K.A.L. cercetări efectuate; B.A.N., M.A.T. și K.M.C. date analizate; și B.A.N. a scris ziarul.

Autorii nu declară niciun conflict de interese.