Abstract

fundal

Efectele dietetice asupra microbiomului intestinal joacă roluri cheie în fiziopatologia tulburărilor inflamatorii, a sindromului metabolic, a obezității și a dereglării comportamentale. Adesea trecut cu vederea în astfel de studii este luarea în considerare a faptului că dietele experimentale variază semnificativ în ceea ce privește proporția și sursa fibrelor lor alimentare. În mod obișnuit, comparațiile de tratament se fac între animalele hrănite cu o dietă rafinată achiziționată care nu are fibre solubile și animalele hrănite cu o dietă standard de chow oferită de vivariu care conține o sursă bogată de fibre solubile. În ciuda rolului critic bine stabilit al fibrelor solubile ca sursă a producției de acizi grași cu lanț scurt prin microbiomul intestinal, nu este clară măsura în care rezultatele măsurate sunt determinate de diferențele în fibrele dietetice. Mai mult, interacțiunea dintre sex și vârstă ca răspuns la tranziția alimentară este probabil importantă și ar trebui, de asemenea, luată în considerare.

Rezultate

Am comparat impactul tranziției adulților tineri și a șoarecilor masculi și femele în vârstă de 1 an de la dieta lor standard de chow la o dietă rafinată cu fibre scăzute solubile pe compoziția comunității microbiote intestinale. Apoi, pentru a determina contribuția grăsimilor din dietă, am examinat, de asemenea, impactul tranziției unui subset de animale de la o dietă rafinată cu conținut scăzut de grăsimi la o dietă rafinată cu conținut ridicat de grăsimi. Am folosit o strategie de eșantionare în serie cuplată cu secvențierea genei marker ARNr 16S pentru a examina consecințele comutării dietetice recurente asupra dinamicii comunității microbiotei intestinale. Analiza a arătat că trecerea de la o dietă chow la o dietă rafinată, lipsită de fibre solubile, a reprezentat cea mai mare parte a varianței structurii, diversității și compoziției comunității în toate grupurile. Această tranziție dietetică s-a caracterizat printr-o pierdere de impozite în filumul Bacteroidetes și expansiunea Clostridia și Proteobacteria într-un mod specific sexului și vârstei. În special, nu s-au observat modificări ale structurii și compoziției comunității microbiotei intestinale între șoarecii care consumă fie o dietă rafinată cu conținut scăzut sau bogat în grăsimi, ceea ce sugerează că tranziția la dieta rafinată care nu are fibre solubile este principalul motor al modificărilor microbiotei intestinale, cu impactul grăsimilor dietetice asupra microbiotei intestinale.

Concluzie

În mod colectiv, rezultatele noastre arată că alegerea controlului dietei are un impact semnificativ asupra rezultatelor și interpretării legate de efectele dietei asupra microbiotei intestinale. Deoarece reducerea fibrelor solubile poate influența sinteza metaboliților microbieni care sunt importanți pentru reglarea rezultatelor metabolice, imune, comportamentale și neurobiologice, sunt necesare acum studii suplimentare pentru a delimita pe deplin contribuția grăsimilor și a fibrelor asupra microbiomului intestinal.

Video Abtract.

fundal

fibra

Rezultate

Dieta rafinată promovează schimbările de greutate într-un mod specific sexului și vârstei

O comparație a greutăților corporale săptămânale în aceste perioade definite de tranziții alimentare a relevat efecte semnificative specifice vârstei și sexului. Comparația între femeile tinere adulte a evidențiat un efect principal al timpului, nici un efect principal al dietei și o interacțiune semnificativă între timp și dietă (RM ANOVA, efectul principal al timpului, F5, 110 = 15,39, P 2 = 0,614, P 2 = 0,074, P = 0.132), indicând faptul că trecerea șoarecilor femele de la o dietă cu niveluri suficiente de fibre solubile (chow) la o dietă lipsită de fibre solubile eclipsează influența grăsimilor dietetice asupra structurii microbiotei fecale (Fig. 2b). Diversitatea microbiană a fost modificată semnificativ în unele (indicele diversității Shannon), dar nu și în celelalte (număr de specii observate) ale diversității alfa la adulții tineri și femelele în vârstă, numărul de specii observate, Kruskal-Wallis, H = 9,45, P = 0,22; Indicele diversității Shannon, Kruskal-Wallis, H = 26.647, P = 0,00038) (Fig. 2c, d). Modificările semnificative ale indicelui diversității Shannon au fost determinate de trecerea de la chow la rLFD și nu au fost detectate diferențe suplimentare între animalele rLFD și rHFD.

În mod consecvent, compararea comunității de microbiote intestinale fecale între dietele chow și cele rafinate la femeile adulte tinere și femeile în vârstă de 1 an au relevat schimbări semnificative în compoziția comunității (Fig. 2e). Astfel, pentru a determina dacă întrerupătoarele dietetice au impact asupra compoziției microbiotei fecale la șoareci adulți tineri și femele în vârstă, am aplicat metoda dimensiunii efectului de analiză discriminantă liniară (LEfSe) pentru analiza abundenței diferențiale și am folosit o limită a ratei de descoperire falsă (FDR) a q 0,05) (Fig. 2f, Fișier suplimentar 2: Tabel S1).

Pe baza observației noastre că femeile în vârstă cu rHFD câștigă semnificativ mai multă greutate corporală decât femeile în vârstă cu rLFD, am examinat în continuare dacă rezistența la creșterea în greutate la femeile tinere adulte și susceptibilitatea la creșterea în greutate la femeile în vârstă sunt asociate cu modificări ale compoziției microbiotei intestinale. Analiza abundenței diferențiale a arătat că femeile în vârstă cu rHFD au crescut abundența de Bifidobacterium în raport cu femeile tinere rHFD (FDR q = 0,0167). Nu au fost detectate alte diferențe în compoziția microbiotei intestinale la femei.

Modificările specifice masculin ale microbiotei fecale sunt independente de grăsimile din dietă

Similar cu modelele observate la femele, structura comunității microbiotei fecale este semnificativ diferită între bărbații tineri și bărbații în vârstă după trecerea de la chow la rLFD (PERMANOVA, F = 26.577, r 2 = 0,617, P 2 = 0,054, P = 0,261) (Fig. 3a, b). Diversitatea microbiană a fost semnificativ diferită între bărbații tineri și bărbații în vârstă (numărul de specii observate, Kruskal-Wallis, H = 17,32, P = 0,015; Indicele diversității Shannon, Kruskal-Wallis, H = 26.943, P = 0,00034) (Fig. 3c, d). Pentru ambii indici ai diversității alfa, modificările semnificative au fost determinate de trecerea de la chow la rLFD și nu au fost detectate diferențe suplimentare între animalele rLFD și rHFD.

În concordanță cu modificările aduse structurii și diversității comunității, microbiota fecală dintre regimul curat și dietele rafinate a arătat o remodelare semnificativă (Fig. 2e). Analiza abundenței diferențiale de către LEfSe a identificat 32 de taxe care diferă între bărbații hrăniți și bărbații rafinați. Tranziția de la chow la rLFD a dus la o scădere semnificativă a taxonilor din Bacteroidetes phylum, inclusiv Prevotellaceae și Lachnospiraceae, și taxonilor din Firmicutes phylum, inclusiv Butyricicoccus (FDR 0,05) (Fig. 2e, Fișier suplimentar 3: Tabel S2). Nu au fost detectate alte diferențe în compoziția microbiotei intestinale la bărbați. Luate împreună, aceste rezultate demonstrează că îndepărtarea fibrelor solubile este un factor important al modificărilor microbiotei intestinale, în timp ce proporțiile variate ale grăsimilor din dietă pot exacerba aceste modificări.

Efecte specifice sexului asupra compoziției microbiotei intestinale după trecerea la diete rafinate

Având în vedere interacțiunea semnificativă dintre sex, vârstă și dietă pe structura și compoziția comunității microbiotei intestinale, am examinat în continuare dacă compoziția microbiotei intestinale dintre bărbați și femei a diferit în urma tranzițiilor alimentare. O analiză suplimentară a arătat că bărbații și femeile au împărțit 27 de impozite care au fost în mod diferențiat abundente după trecerea la o dietă rafinată (FDR

Discuţie

Pentru a determina contribuția fibrelor solubile și a grăsimilor dietetice asupra metabolismului întregului corp, măsurătorile greutății corporale au fost colectate de la șoareci adulți tineri și bărbați și femele în vârstă de 1 an, consumând chow și diete rafinate. După 4 săptămâni, șoarecii tineri adulți au prezentat rezistență la creșterea în greutate la rHFD, în concordanță cu rapoartele anterioare [34,35,36]. În schimb, femeile în vârstă hrănite cu rHFD au arătat o creștere rapidă în greutate corporală față de femelele în vârstă hrănite cu rLFD. Vulnerabilitatea specifică vârstei la creșterea în greutate corporală indusă de dietă la femei poate fi legată de modificările legate de îmbătrânire ale estrogenilor. S-a dovedit că estrogenii circulanți sunt protecți împotriva obezității induse de dietă prin promovarea toleranței la glucoză și a rezistenței la insulină, precum și prin implicarea în inhibarea directă a citokinelor proinflamatorii care sunt stimulate de consumul unei diete bogate în grăsimi [35,36,37 ]. Reducerea estrogenilor circulanți prin ovariectomie crește dramatic riscul de obezitate indusă de dietă bogată în grăsimi și tulburări metabolice la șoareci și femei în post-menopauză, oferind o posibilă explicație pentru creșterea în greutate indusă de rHFD la femeile în vârstă [20].

În schimb, bărbații tineri și bărbații în vârstă de 1 an au prezentat un câștig semnificativ în greutatea corporală, care a fost independent de formularea rafinată a dietei. Creșterea semnificativă a greutății corporale la bărbații tineri și vârstnici hrăniți fie cu rLFD, fie cu rHFD poate sugera că alte componente ale dietei rafinate contribuie la creșterea în greutate corporală, care este independentă de grăsimile din dietă [8, 17, 29]. În concordanță cu observațiile noastre, greutatea corporală crescută și adipozitatea, pierderea masei intestinale și disponibilitatea scăzută a acizilor grași cu lanț scurt au fost raportate anterior la șoareci adulți tineri hrăniți cu rLFD în raport cu bărbații hrăniți cu diete [8, 29]. Luate împreună, aceste rezultate sugerează că lipsa de fibre solubile și proporții variate de grăsimi alimentare prezintă efecte semnificative asupra greutății corporale într-o manieră specifică vârstei și sexului și evidențiază în plus importanța unui control adecvat al dietei rafinate pentru obezitatea indusă de dietă. studii care evaluează rezultatele metabolice.

Concluzie

Colectiv, rezultatele noastre evidențiază faptul că alegerea controlului dietei pentru experimentele de boli metabolice induse de dietă poate influența interpretările legate de rolul microbiotei intestinale în citirile experimentale. Aceste date au, de asemenea, implicații largi pentru studiile de rozătoare care fac comparații între dietele rafinate cu conținut ridicat de grăsimi/fibre slab solubile și dietele chow pentru a examina efectele grăsimilor dietetice asupra rezultatelor metabolice, imune, comportamentale și neurobiologice. Înaintând, va fi de mare interes să examinăm mecanismele care stau la baza diferențelor sexuale ale fibrelor solubile în metabolismul întregului corp și să stabilim dacă combinațiile definite compozițional de fibre și grăsimi influențează metabolismul, imunitatea și circuitele neuronale care controlează comportamentul de hrănire și homeostazia energetică.

Metode

Animale

Șoarecii masculi și femele utilizați în acest studiu au fost derivați dintr-o tulpină mixtă C57Bl/6: 129 internă. Șoarecii au fost adăpostiți într-un ciclu lumină-întuneric de 12 ore. Alimentele (LabDiet 5001) și apa au fost furnizate ad libitum. Șoarecii au fost găzduiți după înțărcare în ziua 28 postnatală. Pentru cohorta de tineri, vârsta medie la începutul studiului a fost de 17 săptămâni. Pentru cohorta în vârstă, vârsta medie a fost de 60 de săptămâni.

Proiectare experimentală

Extracția ADN-ului

ADN-ul genomic din probele fecale a fost izolat folosind kitul Stratec PSP Spin Stool DNA Plus folosind protocolul bacteriilor dificil de lizat de la producător (STRATEC Molecular GmbH, Berlin, Germania). Fiecare probă de ADN a fost eluată în 100 μL de tampon de eluție furnizat de kitul Stratec PSP Spin Stool DNA Plus.

Illumina MiSeq 16S rRNA marker procesarea și analiza datelor secvenței genei

Disponibilitatea datelor și a materialelor

Nu a fost utilizat niciun cod sau software personalizat pentru analiza discutată în acest manuscris. Metadatele și clasificările taxonomice sunt furnizate în fișierul suplimentar 4: Tabelul S3.