ABSTRACT

Producția de acizi grași cu lanț scurt (SCFA), în special butirat, în microbiomul intestinal este necesară pentru o sănătate optimă, dar este frecvent limitată de lipsa de fibre fermentabile din dietă. Am încercat să creștem producția de butirat completând dietele a 174 de adulți tineri sănătoși timp de 2 săptămâni cu amidon rezistent din cartofi (RPS), amidon rezistent din porumb (RMS), inulină din rădăcină de cicoare sau un control accesibil al amidonului de porumb RPS a dus la cea mai mare creștere a numărului total de SCFA, inclusiv butirat. Deși majoritatea microbiomilor au răspuns la RPS cu creșteri ale abundenței relative a bifidobacteriilor, cei care au răspuns cu o creștere a Ruminococcus bromii sau Clostridium chartatabidum au fost mai susceptibili de a produce concentrații mai mari de butirat, mai ales atunci când microbiota lor era plină de populații de producători de butirat. specie Eubacterium rectale. RMS și inulina au indus modificări diferite în comunitățile fecale, dar nu au generat creșteri semnificative ale nivelurilor de butirat fecal.

umane

IMPORTANŢĂ Aceste rezultate arată că nu toate fibrele fermentabile sunt la fel de capabile să stimuleze producția de SCFA și evidențiază importanța compoziției microbiotei unui individ pentru a determina dacă răspund sau nu la un supliment alimentar specific. În special, R. bromii sau C. chartatabidum pot fi necesare pentru producția sporită de butirat ca răspuns la RS. Bifidobacteriile, deși sunt competente la degradarea RS și a inulinei, pot să nu contribuie la efectul butirogen al acestor fibre fermentabile pe termen scurt.

INTRODUCERE

Acizii grași cu lanț scurt (SCFA) sunt produse finale majore ale fermentației bacteriene în colonul uman și se știe că au un impact larg asupra fiziologiei gazdei. Butiratul în special este important pentru menținerea sănătății prin reglarea sistemului imunitar (1), menținerea barierei epiteliale (2, 3) și promovarea sațietății după mese (4). Poate fi protector împotriva mai multor boli, inclusiv cancerul colorectal (5), boala inflamatorie a intestinului (6), boala grefă contra gazdă (7), diabetul (8) și obezitatea (8, 9). Prin urmare, stimularea producției de butirat de către microbiomul colonic ar putea fi utilă pentru susținerea sănătății și tratarea bolilor.

Înțelegerea efectului butirogen al acestor suplimente și bacterii intestinale specifice este importantă pentru proiectarea unor terapii mai eficiente pe scară largă și pentru a prezice care persoane ar putea beneficia de ele. Mai general, definirea interacțiunilor metabolice între microbii intestinali ne îmbunătățește înțelegerea asamblării, întreținerii și ieșirilor din microbiomul intestinal.

Model propus de metaboliți și microbi care catalizează fluxul de carbon de la polizaharide rezistente la butirat. Există tulpini cultivate din microbiomul intestinal care posedă activitățile metabolice propuse pentru speciile enumerate.

Acești degradatori cunoscuți și producătorii de butirat au fost vizați pentru evaluare în această intervenție dietetică, dar am analizat, de asemenea, întreaga comunitate de bacterii fecale pentru a identifica orice organisme care nu fuseseră asociate anterior cu metabolismul acestor fibre fermentabile. Am încercat să abordăm patru probleme majore.

Cele trei polizaharide rezistente stimulează producția de butirat la această populație de indivizi tineri sănătoși? Dacă da, au impact similar asupra producției de butirat?

Ce bacterii intestinale răspund la aceste adaosuri alimentare crescând în relativă abundență? Putem identifica vreo specie care a fost afectată în mod neașteptat? Sunt aceleași bacterii afectate de toate cele trei suplimente?

Putem găsi vreo dovadă de selectivitate, fie în substraturile utilizate de degradatorii primari, fie în producătorii de butirat pe care îi traversează?

Modificările abundenței relative a degradanților primari și a producătorilor de butirat explică diferențele în concentrațiile de butirat ale indivizilor?

REZULTATE

Efecte asupra acizilor grași cu lanț scurt. Am examinat mai întâi impactul fiecărui supliment asupra concentrației de SCFA în fecale. Atât RPS, cât și inulina au crescut semnificativ concentrațiile totale de SCFA cu 32% și respectiv 12% (ambele P Vizualizați acest tabel:

  • Vizualizați în linie
  • Vizualizați fereastra pop-up

Concentrațiile de SCFA fecale înainte și în timpul suplimentării alimentare a

Cele mai afectate populații bacteriene. Secvențele care s-au schimbat cel mai mult au fost identificate prin raportul dintre abundența lor relativă în timpul suplimentării și abundența relativă dinaintea suplimentării (Fig. 2). Majoritatea secvențelor care au crescut semnificativ în abundență relativă provin din specii deja cunoscute că degradează polizaharidele rezistente. RPS a crescut abundența relativă a secvențelor de B. faecale/adolescentis/stercoris de 6,5 ori (P Anaerostipes hadrus (Fig. 2; vezi și Tabelul S1C din materialul suplimentar). Nicio populație de bacterii nu s-a modificat semnificativ ca răspuns la suplimentul de amidon accesibil (Fig. 2; vezi și Tabelul S1D în materialul suplimentar).

TABEL S1

Acest conținut este distribuit în condițiile licenței Creative Commons Attribution 4.0 International.

Modificări medii ale pliurilor în abundența relativă a secvențelor reprezentând degradatori selectați primari (1 °) ai polizaharidelor rezistente și fermentanților secundari (2 °) butirat ca răspuns la suplimentele alimentare (*, P Clostridium chartatabidum. Ambii sunt deduși a fi degradanți primari (paranteză punctată) ) pe baza dinamicii răspunsului lor la suplimentele alimentare. Graficul barei din dreapta arată abundența relativă medie a fiecărei specii înainte de suplimentarea cu fibre.

Perechi de microbi care au răspuns în mod consecvent în mod pozitiv (roșu) sau negativ (albastru) la suplimentele alimentare. Corelațiile dintre modificările din abundența degradanților primari și producătorii de butirat au fost calculate utilizând setul de date combinat care include răspunsuri la toate suplimentele.

Relația pozitivă dintre concentrațiile de butirat fecal și abundența relativă a secvențelor caracterizate ca E. rectale atât înainte, cât și în timpul suplimentării dietetice cu RPS.

DISCUŢIE

Consumul de RPS a condus la o creștere a concentrației medii de butirat fecal (Tabelul 1). Nici inulina, nici RMS nu au produs o schimbare semnificativă a butiratului. O avertizare importantă este că cantitatea de polizaharidă rezistentă la amiloză consumată nu a fost egală între grupurile de tratament. Grupurile cu inulină și Hi-Maize au consumat aproximativ 20 și, respectiv, 20 până la 24 g, în timp ce grupul RPS a consumat aproximativ 28 până la 34 g. Cu toate acestea, pe baza datelor preliminare, discrepanța nu este suficientă pentru a explica lipsa unui efect butirogen de la inulină și Hi-Maize. Într-un studiu pilot, am observat o creștere semnificativă a butiratului fecal la persoanele care consumă jumătate din doza de RPS (24 g în total, 14 până la 17 g rezistent; datele nu sunt prezentate). Răspunsul butirogen la RPS pare a se datora naturii suplimentului, nu doar cantității de RS pe care o conține. Deci, răspunsul la prima noastră întrebare de cercetare este că suplimentele de fibre nu sunt la fel de eficiente la stimularea nivelurilor acestui metabolit care promovează sănătatea.

Persoanele care consumă RMS nu au răspuns cu o creștere a abundenței secvențelor de B. faecale/adolescentis/stercoris. Cu acest supliment, ca și studiile anterioare (36), o creștere a secvențelor asociate cu R. bromii a fost cel mai frecvent răspuns (Fig. 2). Spre deosebire de creșterea R. bromii indusă de RPS, creșterea R. bromii pe RMS nu a fost asociată cu o creștere semnificativă a butiratului fecal. Lipsa unui răspuns butirogen la RMS a fost neașteptată, deoarece suplimentul a condus la creșterea butiratului fecal la modelele animale, deși peste 4 săptămâni (12). Speculăm că structurile cristaline ale amidonurilor rezistente din cele două plante sunt diferite, deoarece RPS este fosforilat (o dată la 200 reziduuri de glicozil [38]). Prin urmare, pot fi degradate cu o eficiență diferită sau prin tulpini diferite. În consecință, poate fi necesar mai mult timp pentru a dezvolta interacțiuni de hrănire încrucișată din RMS care generează diferențe măsurabile în butiratul fecal.

Astfel, am observat că toate suplimentele de fibre fermentabile pe care le-am testat au crescut abundența relativă a unor membri ai microbiotei fecale. Majoritatea secvențelor afectate sunt asociate cu degradanți cunoscuți ai polizaharidelor rezistente sau producători de butirat, dar am descoperit două Firmicutes care nu erau asociate anterior cu suplimentele de fibre. Organismele care răspundeau depindeau atât de individ, cât și de supliment (întrebarea de cercetare 2).

Pentru a îmbunătăți eficacitatea suplimentelor alimentare ca acestea, poate fi necesar să le personalizați în funcție de microbiota intestinală a unei persoane (41). Prezența R. bromii sau a organismului asociat cu C. chartatabidum sugerează dacă un microbiom intestinal ar produce concentrații crescute de butirat după suplimentarea pe termen scurt (2 săptămâni) cu RPS (întrebarea de cercetare 4). Persoanele fără R. bromii în microbiomul intestinal pot beneficia de o suplimentare probiotică cu R. bromii pentru a crește probabilitatea unui răspuns butirogen la RPS. De asemenea, poate exista un efect sinergic al combinării RPS atât cu R. bromii, cât și cu E. rectale pentru a maximiza efectul butirogen al suplimentului. În schimb, microbiomii cu niveluri ridicate de bifidobacterii sunt mai puțin susceptibili de a crește producția de butirat ca răspuns la RPS (sau inulină), cel puțin pe termen scurt. În aceste microbiomi, poate fi necesar un supliment diferit sau o combinație de suplimente sau poate fi necesară o perioadă mai lungă de timp pentru ca microbiomul să răspundă la supliment. Astfel de considerații sunt necesare atunci când se încearcă o schimbare specială în structurile foarte variabile ale comunităților intestinale umane.

MATERIALE ȘI METODE

Participanții la studiu. Participanții la studiu au fost recrutați prin secțiunile de cercetare autentice ale cursului introductiv de laborator de biologie de la Universitatea din Michigan (BIO173). Persoanele cu istoric auto-raportat de sindrom inflamator intestinal, boală inflamatorie intestinală sau cancer colorectal au fost excluse din studiu, la fel ca și persoanele care au luat antibiotice în ultimele 6 luni. Utilizarea pre- sau probiotică nu a fost un criteriu de excludere pentru studiu și nici cantitatea de fibre nu a fost deja consumată. Toți participanții au dat consimțământul scris și informat înainte de a participa la studiu. Participanților cu vârsta sub 18 ani li s-a acordat permisiunea de către un părinte sau tutore legal. Participanții au variat între 17 și 29 de ani, cu o vârstă mediană de 19 ani. Acest studiu a fost aprobat de Comitetul de revizuire instituțională al Facultății de Medicină a Universității din Michigan (HUM00094242 și HUM00118951) și a fost realizat în conformitate cu Declarația de la Helsinki.

Participanții au fost repartizați aleatoriu în grupuri de studiu. În primul semestru, participanții au fost orbi la suplimentul pe care îl luau; în studiile ulterioare, aceștia au fost informați despre identitatea sa. Cercetătorii care analizează probele au fost întotdeauna orbi de suplimentul asociat probelor. Unii participanți au fost excluși din analiză, deoarece mai puțin de trei probe au fost colectate sau analizate cu succes, înainte sau în timpul suplimentării dietetice.

Design de studiu. Acest studiu de intervenție replicat a fost realizat pe parcursul a patru semestre academice separate din toamna anului 2015 până în primăvara anului 2017. A fost un design paralel cu grupuri diferite, dar similare, care au luat suplimente experimentale sau de control. Au fost colectate date de bază replicate pentru fiecare individ în prima săptămână a fiecărui studiu. Fiecare participant a colectat trei sau patru probe de fecale în zile separate în această perioadă. În a doua săptămână, participanții au suferit o fază de tranziție de 4 până la 7 zile, care a început cu consumul unei jumătăți de doză din supliment înainte de a lua doza completă. Nu s-au recoltat probe fecale în timpul fazei de tranziție. În a treia săptămână a studiului, participanții au continuat să ia doza completă a suplimentului atribuit până când au colectat trei sau patru probe fecale în zile separate.

Colecția fecală. Probele de fecale au fost colectate de către participanți așa cum s-a descris anterior (10). Participanții au colectat aproximativ o jumătate de gram de material fecal într-un kit de colectare OMNIgene-Gut (DNA Genotek), urmând instrucțiunile producătorului. Tuburile de colectare au fost transferate într-un congelator de -20 ° C în decurs de 24 de ore de la colectare și depozitate la -20 ° C până la dezghețare pentru extracții de ADN și metabolite. Tuburile de colectare au fost cântărite înainte și după colectarea fecalelor pentru a determina greutatea materialului fecal colectat.

Secvențierea genei ARNr 16S. ADN-ul a fost extras din 250 ofl de suspensie fecală folosind kitul de izolare ADN MagAttract PowerMicrobiome cu 96 de godeuri (Qiagen) și sistemele de manipulare a lichidelor EpMotion (Eppendorf). Regiunea V4 a genei bacteriene 16S rRNA a fost amplificată și secvențiată așa cum s-a descris anterior folosind kituri de capăt pereche de 2 × 250-bp pe platforma de secvențiere Illumina MiSeq (43). Eșantioanele au fost alocate aleatoriu la diferite teste în fiecare semestru, cu opt secvențe separate de secvențare a ADN-ului în total. Secvențele au fost organizate folosind pachetul software mothur așa cum a fost descris anterior (43, 44). Pe scurt, citirile cu capăt asociat au fost îmbinate în contigs, au fost selectate pentru erori de secvențiere și au fost aliniate la baza de date de referință SSIL bacteriană SILVA. Secvențele aliniate au fost selectate pentru himere și clasificate folosind baza de date a proiectului de bază de date Ribosomal. Secvențele clasificate ca mitocondrii, cloroplaste sau arhee au fost eliminate. Secvențele de interes au fost identificate în continuare folosind BLAST pentru a se alinia la baza de date a secvențelor genei ARNr 16S. Dacă nu se specifică altfel, denumirile speciilor indică 100% identitate unei singure specii din baza de date. Numărul de secvențe pe probă a fost rarificat la 3.000 pentru a preveni prejudecățile din eșantionarea inegală.

Disponibilitatea datelor. Citirile și metadatele secvențiale brute, inclusiv concentrațiile SCFA, sunt disponibile prin arhiva de citire scurtă NCBI sub numărul de acces SRP128128.

MULȚUMIRI

Această cercetare a fost susținută de subvenții de la Procter and Gamble Company, Howard Hughes Medical Institute (52008119) și Universitatea din Michigan Gazdă Inițiativa Microbiome.

Declarăm că nu avem interese concurente.

Mulțumim studenților de biologie 173 care au participat la acest studiu și Laboratorului de biologie moleculară al sistemelor microbiene de la Universitatea din Michigan pentru efectuarea pregătirii și secvențierii bibliotecii genice ARNr 16S.

NOTĂ DE PICIOASĂ

    • Primit la 3 decembrie 2018
    • Acceptat la 6 decembrie 2018
    • Publicat pe 29 ianuarie 2019

Acesta este un articol cu ​​acces liber distribuit în condițiile licenței Creative Commons Attribution 4.0 International.