A contribuit în mod egal la această lucrare cu: Carlo Bressa, María Bailén-Andrino

diferențe

Departamentul de afiliere pentru științe de bază, Universitatea Europeană, Madrid, Spania

A contribuit în mod egal la această lucrare cu: Carlo Bressa, María Bailén-Andrino

Departamentul de afiliere pentru științe de bază, Universitatea Europeană, Madrid, Spania

Grup de cercetare a afilierii pentru nutriție, activitate fizică și sănătate, Școala de studii și cercetări doctorale, Universitatea Europeană, Madrid, Spania

Departamentul de afiliere pentru științe de bază, Universitatea Europeană, Madrid, Spania

Grup de cercetare a afilierii pentru nutriție, activitate fizică și sănătate, Școala de studii și cercetări doctorale, Universitatea Europeană, Madrid, Spania

Grup de cercetare pentru afiliere în nutriție, activitate fizică și sănătate, Școala de studii și cercetări doctorale, Universitatea Europeană, Madrid, Spania

Departamentul de afiliere pentru știința activității fizice și a sportului, Universitatea Alfonso X El Sabio, Villanueva de la Cañada, Spania

Departamentul de afiliere pentru știința activității fizice și a sportului, Universitatea Alfonso X El Sabio, Villanueva de la Cañada, Spania

Grup de cercetare pentru afiliere în nutriție, activitate fizică și sănătate, Școala de studii și cercetări doctorale, Universitatea Europeană, Madrid, Spania

Grup de cercetare pentru afiliere în nutriție, activitate fizică și sănătate, Școala de studii și cercetări doctorale, Universitatea Europeană, Madrid, Spania

  • Carlo Bressa,
  • Maria Bailen-Andrino,
  • Jennifer Pérez-Santiago,
  • Rocío González-Soltero,
  • Margarita Pérez,
  • Maria Gregoria Montalvo-Lominchar,
  • Jose Luis Maté-Muñoz,
  • Raúl Domínguez,
  • Diego Moreno,
  • Mar Larrosa

Cifre

Abstract

Exercițiul fizic este un instrument de prevenire și tratare a unor boli cronice care afectează populația lumii. Un mecanism prin care exercițiul ar putea exercita efecte benefice în organism este prin provocarea unor modificări ale microbiotei intestinale, un factor de mediu care în ultimii ani a fost asociat cu numeroase boli cronice. Aici arătăm că exercițiile fizice efectuate de femei la cel puțin gradul recomandat de Organizația Mondială a Sănătății pot modifica compoziția microbiotei intestinale. Folosind secvențierea de mare viteză a genei ARNr-ului din secolul al 16-lea, unsprezece genuri s-au dovedit a fi semnificativ diferite între femeile active și sedentare. Analiza PCR cantitativă a relevat o abundență mai mare de specii bacteriene care promovează sănătatea la femeile active, inclusiv Faecalibacterium prausnitzii, Roseburia hominis și Akkermansia muciniphila. Mai mult, procentul de grăsime corporală, masa musculară și activitatea fizică sunt corelate semnificativ cu mai multe populații bacteriene. În rezumat, oferim prima demonstrație a interdependenței dintre unele genuri bacteriene și parametrii comportamentului sedentar și arătăm că nu numai doza și tipul exercițiului influențează compoziția microbiotei intestinale, ci și ruperea comportamentului sedentar.

Citare: Bressa C, Bailen-Andrino M, Pérez-Santiago J, González-Soltero R, Pérez M, Montalvo-Lominchar MG, și colab. (2017) Diferențe în profilul microbiotei intestinale între femeile cu stil de viață activ și femeile sedentare. PLoS ONE 12 (2): e0171352. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0171352

Editor: Suryasarathi Dasgupta, Harvard Medical School, STATELE UNITE

Primit: 22 august 2016; Admis: 19 ianuarie 2017; Publicat: 10 februarie 2017

Disponibilitatea datelor: Datele brute în format fastq sunt disponibile din baza de date NCBI Biosample (număr de acces: PRJNA350839).

Finanțarea: Ministerul Economiei și Competitivității. Grantul Ramón y Cajal 2012_11910. www.mineco.gob.es. Universidad Europea de Madrid 2015UEM06, 2015UEM24 și Cátedra ASISA Grant 2015UEM46. www.universidadeuropea.es. Finanțatorii nu au avut niciun rol în proiectarea studiului, colectarea și analiza datelor, decizia de publicare sau pregătirea manuscrisului.

Interese concurente: Autorii au declarat că nu există interese concurente.

Introducere

Stilul de viață sedentar este asociat cu o incidență ridicată a bolilor cronice, cum ar fi bolile cardiovasculare, cancerul și diabetul. Exercițiul fizic este o intervenție puternică preventivă și de tratament, despre care se știe că este eficientă în generarea de beneficii metabolice și imune pentru sănătate [1]. Microbiota intestinală este esențială pentru procesarea componentelor dietetice și are un rol major în modelarea sistemului imunitar [2]. În consecință, rolul microbiotei intestinale în determinarea sănătății gazdei și a dezvoltării bolii a câștigat interes în ultimul deceniu; cu toate acestea, rămâne necunoscut dacă microbiota intestinală este o țintă pentru beneficiile terapeutice ale exercițiilor fizice [3].

Obiectivul principal al prezentei lucrări a fost realizarea unui studiu observațional care să compare compoziția microbiotei intestinale între indivizii care nu au practicat niciun exercițiu fizic și cei care au practicat cel puțin exercițiul fizic la doza minimă recomandată de Organizația Mondială a Sănătății ) [26]. Deoarece statusul hormonal și sexul sunt factori care influențează microbiota intestinală, studiul a fost realizat la femeile aflate în premenopauză.

Materiale și metode

Caracteristicile subiectului

Patruzeci de femei aflate în premenopauză au fost recrutate conform criteriilor de incluziune: vârsta 18-40 ani și indicele de masă corporală (IMC) 20-25 kg/m 2. Criteriile pentru exercițiul fizic au fost următoarele: femeile sedentare care nu au efectuat exercițiul minim stabilit ca sănătos de către OMS, adică 3 zile de exercițiu pe săptămână timp de 30 de minute la o intensitate moderată [26]; iar pentru femeile active, cele care au efectuat cel puțin 3 ore de exercițiu fizic pe săptămână. Criteriile de excludere au fost orice fel de patologie, intervenții chirurgicale gastro-intestinale anterioare, administrarea de antibiotice pe parcursul a trei luni înainte de studiu, fumatul, prebioticele, probioticele, vegetariene sau vegane, complementele nutriționale sau ergogene, sarcina sau alăptarea. Toți subiecții erau caucazieni. Comitetul de etică pentru cercetarea clinică a spitalului Ramón y Cajal (Madrid, Spania) a aprobat studiul. Consimțământul scris și informat a fost obținut de la toți participanții. Studiul este înregistrat în Clinicaltrials.gov cu numărul de acces NCT02901912.

Activitatea fizică și determinarea sedentarului timpului

Nivelurile de activitate fizică efectuate de ambele grupuri de femei au fost măsurate cu un accelerometru ActiSleep V.3.4.2. (Actigraph, Manufacturing Technology Inc., Shalimar, FL). Acest lucru ne-a permis să verificăm în mod obiectiv presortarea indivizilor sedentari și activi, deoarece determină mișcările corpului în toate cele trei axe. Au fost înregistrate accelerația, cheltuielile de energie, intensitatea activității fizice și poziția corpului. Rezultatele au fost analizate cu software-ul Actilife (Actilife6, Actigraph). Înregistrările au fost efectuate timp de 7 zile (5 zile săptămânale și 2 zile de weekend). Participanții au fost instruiți să poarte accelerometrul pe încheietura mâinii drepte toată ziua, cu excepția cazului în care au făcut duș sau au efectuat activități la piscină. Datele au fost considerate valide atunci când conțineau o înregistrare de cel puțin cinci zile valabile, inclusiv cel puțin o zi de weekend și au fost înregistrate cel puțin 10 ore de activitate. Intervalul de prelevare a timpului (epoca) a fost în fiecare minut pe parcursul celor 7 zile. Conform rapoartelor anterioare, o limită de 2; indicele de masă musculară (MMI) = masa musculară totală/înălțimea 2 și indicele de masă musculară apendiculară (AppMMI) = masa musculară în brațe + picioare/înălțime 2 .

Colectarea scaunului, extracția și secvențierea ADN-ului

Participanții au primit un dispozitiv din plastic pentru colectarea probelor de scaun, care au fost depozitate la -80 ° C până la extracție. ADN-ul a fost extras folosind setul comercial ADN Power Soil (Mobio, CA) cu un omogenizator cu bile (Bullet Blender® Storm, Next Advance, NY). Concentrația și puritatea ADN-ului au fost măsurate folosind kitul de testare Quant-iT PicoGreen dsDNA (ThermoFisher Scientific, Waltham, MA).

Secvențierea și bioinformatica

Clasificarea enterotipului

Participanții au fost clasificați în „enterotipuri” în funcție de abundența relativă a genurilor și de partiționarea în jurul medoizilor (PAM) folosind distanța Jensen-Shannon pe baza metodologiei descrise [32]. Rezultatele au fost evaluate pentru numărul optim de clustere utilizând pachetul R NbClust [33] și indicele Calinski-Harabasz [34].

Analiza PCR cantitativă

Conținutul de apă fecală

Pentru a obține conținutul de apă fecală, 500 mg din fiecare probă fecală au fost cântărite și apoi liofilizate într-un uscător de congelare (Christ Alpha 1-2 LD, Osterode am Harz, Germania). Conținutul de apă a fost exprimat ca procent de pierdere în greutate a probelor de scaun.

Activitate fecală enzimatică

Activitatea enzimatică fecală a fost determinată folosind sistemul API-ZYM (Biomerieux, Marcy l'Etoile, Franța) conform metodei descrise de Delgado și colab. pentru probele fecale [37] și instrucțiunile producătorului. Sistemul API-ZYM este o metodă semicantitativă care determină 19 activități enzimatice: fosfatază alcalină, fosfatază acidă, fosfohidrolază, esterază, lipază, lipază-esterază, leucină arilamidază, valină arilamidază, cistină arilamidază, tripsină, α-chimotripsin -galactozidază, β-glucuronidază, α-glucozidază, β-glucozidază, N-acetil-β-glucozaminidază, α-mannosidază și α-fucosidază.

analize statistice

Obiceiuri dietetice

Datele privind consumul anual de alimente au fost colectate cu un FFQ și analizate folosind Dietsource 3.0. Dieta atât a femeilor sedentare, cât și a celor active s-au conformat parametrilor unei diete echilibrate (Tabelul 2), în care procentul adecvat de macronutrienți este considerat după cum urmează: 10-15% proteine, 50-60% carbohidrați și 30-35% lipide [38] ]. Nu s-au găsit diferențe semnificative în consumul de macronutrienți și energia totală între grupuri; cu toate acestea, cantitatea de fibre ingerate de grupul activ a fost semnificativ mai mare decât cea a grupului sedentar (p = 0,005) (Tabelul 2), în timp ce nu s-au găsit diferențe pentru aportul de etanol. În ceea ce privește rezultatele pe grupe de alimente, a existat un consum semnificativ mai mare de fructe (p = 0,027) și legume (p = 0,037) de către grupul activ, în timp ce grupul sedentar a ingerat cantități semnificativ mai mari de carne procesată (p = 0,007) (Tabel 2).

Activitate fizica

Când activitatea fizică a fost comparată între grupuri, a existat o diferență semnificativă în procentul de activitate fizică moderată în grupul activ (29,96 ± 5,61%) față de grupul sedentar (22,82 ± 3,64%) (p = 0,039), în timp ce nu au existat diferențe semnificative în măsurătorile de activitate fizică ușoară. Cheltuielile medii au fost mai mari în grupul activ (145 ± 31 kcal/h) decât în ​​grupul sedentar (105 ± 22 kcal/h) și, în consecință, cheltuielile totale de energie au fost, de asemenea, mai mari pentru femeile active (3432 ± 911 kcal) decât pentru femeile sedentare (2523 ± 982 kcals) (p = 0,048). Nu s-au găsit diferențe semnificative pentru variabilele determinate rămase. Diferențele în comportamentul sedentar s-au reflectat și în variabilele „timp maxim pe pauză sedentară în zilele lucrătoare” (SED = 691 ± 96 min vs ACT = 515 ± 91 min; p = 0,005), „timp mediu pe pauză sedentar în zilele lucrătoare” (SED = 81,15 ± 14,71 min vs ACT = 58,82 ± 15,89 min; p = 0,038) și în variabila „timpul total în perioadele sedentare în zilele lucrătoare” (SED = 311 ± 21 min vs ACT = 367 ± 35 min; p = 0,027).

Analiza metagenomică microbiotică

Principalele grafice de analiză a coordonatelor (PcoA) de măsurători la distanță Unifrac neponderate (A) și ponderate (B) obținute din secvențierea genei 16s rARN în probe fecale. Axele reprezintă procentul de date explicat de fiecare dimensiune de coordonate.

Numai genurile semnificative statistic cu o valoare ajustată p Fig 3. Modificări induse în abundența relativă a speciilor de bacterii intestinale după stilul de viață la femei.

(A) Bifidobacterium longum, (B) Faecalibacterium prausnitzii, (C) Roseburia hominis, (D) Akkermansia muciniphila. Datele au fost transformate în jurnal și analizate prin testul t * p Tabelul 3. Filele bacteriene și familiile din fecalele femeilor active și sedentare.

Clasificarea enterotipului

Analiza PAM a favorizat împărțirea în două grupuri (Fig. 4A), enterotipurile Bacteroides și Prevotella, unde enterotipul Ruminococcus nu a fost prezent în probele noastre (Fig. 4B). Șaptezeci și șapte la sută din probe se aflau în enterotipul Bacteroides, iar restul de 23% aparțineau enterotipului Prevotella, în care 66% din populație era din grupul activ.

Clasificarea enterotipului A) k se referă la gruparea utilizând indicele Calinski-Harabasz B) Parcele PcoA folosind distanța Jensen-Shannon.

Corelarea taxei microbiene intestinale, a compoziției corpului și a parametrilor activității fizice

Analiza regresiei multiple

Analiza de regresie multiplă a fost efectuată pentru a stabili influența diferitelor variabile față de diferențele observate la nivel de gen între grupurile active și sedentare. Nici una dintre variabilele luate în considerare pentru activitatea fizică și compoziția corpului nu a avut impact asupra Turicibacter, Bifidobacterium, Odoribacter, Ruminococcus și Ruminococcus genuri neclasificate2, în timp ce genul neclasificat din familia Barnesiellaceae și Haemophilus au fost prezise de procentul de grăsime corporală și Coprococcus și Genul familiei Ruminococcae neclasificate1 a fost parțial explicat prin parametrii masei musculare. Interesant este că genul neclasificat al familiei Desulfovibrionaceae și genul Paraprevotella au fost prezise de comportamentul sedentar (Tabelul 4).

Activitate enzimatică fecală

Enzimele bacteriene din intestin sunt implicate în metabolismul alimentelor și medicamentelor, iar modificările compoziției populațiilor bacteriene intestinale pot duce la modificări ale profilului enzimei bacteriene care ar putea avea un impact asupra stării de sănătate a gazdei. În consecință, activitățile enzimatice ale probelor fecale au fost comparate între grupurile active și sedentare. Activitatea cisteinei aminopeptidazei în fecale a fost semnificativ mai mare în grupul activ decât în ​​grupul sedentar (de 6,6 ori mai mare, p = 0,033), unde nu au fost detectate diferențe pentru alte activități enzimatice. În analiza corelației, activitatea cisteinei aminopeptidazei a fost corelată negativ cu prezența bacteroidelor (ρ = -0,39, p = 0,013), în timp ce activitatea α-fucosidazei a fost corelată pozitiv cu prezența genurilor Bifidobacterium și Odoribacter (ρ = 0,52, p = 0,0005; ρ = 0,45, p = 0,003, respectiv) și fosfataza alcalină a fost corelată negativ cu genul Desulfovibrio (ρ = -0,42, p = 0,007).

Discuţie

Modificările nivelurilor unui gen neclasificat din familia Desulfovibrionaceae și genului Paraprevotella au fost parțial explicate prin întreruperea stilului de viață sedentar. Din câte știm, aceasta este prima demonstrație a unei corelații între prezența anumitor taxe bacteriene și întreruperea stilului de viață sedentar. Genul Paraprevotella este unul dintre cele patru care cuprind familia Prevotellaceae și se caracterizează prin producția de acid succinic și acetic ca produse principale de fermentare. Doar două specii au fost descrise din acest gen și efectele sale potențiale asupra sănătății umane sunt necunoscute [58]. În conformitate cu rezultatele anterioare, genul Coprococcus a fost mai abundent la femeile active [42]. O prezență scăzută a Coprococcus a fost legată de IBD și un răspuns mai scăzut la tratament la pacienții pediatrici [59], precum și de rezistența scăzută la infecția cu Campylobacter [60] și de o severitate crescută a bolii atopice [61]. Coprococcus este un gen producător de butirat, care ar putea explica unele efecte de promovare a sănătății exercițiilor fizice [62,63]. Un gen neclasificat de Barnesiellaceae a fost, de asemenea, modificat prin exerciții. Implicația acestor genuri bacteriene asupra microbiotei intestinale și rolul lor posibil în corpul uman așteaptă investigații suplimentare.

Determinarea activităților enzimatice fecale a relevat o creștere dramatică (de 6,6 ori) a activității cisteinei aminopeptidazei la femeile active față de femeile sedentare. Cisteina aminopeptidază bacteriană eliberează reziduuri de cisteină N-terminale din polipeptide și proteine ​​[71], care pot servi drept surse de energie pentru bacteriile care metabolizează proteina sau pentru alte specii bacteriene [72]. În timp ce metabolismul bacterian al proteinelor intestinale este proporțional mai puțin semnificativ decât metabolismul carbohidraților, este totuși important deoarece produsele de reacție produse, inclusiv acizii grași cu lanț scurt, amoniac, fenoli și acizi dicarboxilici, pot influența sănătatea gazdei [72]. Deși se știe puțin despre activitățile enzimatice specifice ale grupurilor bacteriene microbiotice, activitatea cisteinei aminopeptidazei se găsește pe scară largă în ordinea Lactobacillales [73]; cu toate acestea, nu am găsit diferențe semnificative la niciun nivel în cadrul acestui grup de bacterii. Sunt necesare cercetări suplimentare pentru a înțelege modul în care modificările profilurilor microbiotei provoacă modificări ale profilului metabolic al microbiotei comensale.

În concluzie, rezultatele prezentate aici împreună cu descoperirile anterioare arată că activitatea fizică modulează profilul microbiotei. Doza de exerciții fizice care a fost luată în considerare în studiul nostru este cea minimă recomandată de OMS și poate fi astfel ușor implementată de indivizi în viața lor de zi cu zi. Rezultatele noastre indică faptul că activitatea fizică efectuată la doze mici, dar continuu, poate crește abundența bacteriilor care promovează sănătatea (Bifidobacterium spp, R. hominis, A. muciniphila și F. prausnitzii) în microbiotă. Deși nu am reușit să găsim o creștere a bogăției microbiotei, am găsit o asociere inversă între parametrii sedentari și bogăția microbiotei (numărul de specii și indicii Shannon și Simpson), ceea ce ar putea indica faptul că poate nu doar doza și modul de exercițiu sunt importante, dar și tiparul de exerciții, cum ar fi pauzele în timpul sedentar, evitarea perioadelor lungi de inactivitate în viața de zi cu zi, pentru a induce modificări ale microbiotei intestinale.