David A. Muñiz Pedrogo

1 Centrul pentru Științe Clinice și Translaționale, Clinica Mayo, Rochester, MN

2 Facultatea de Medicină a Universității din Puerto Rico, San Juan, Puerto Rico

Michael D. Jensen

3 Divizia Endocrinologie, Diabet, Metabolism și Nutriție, Clinica Mayo, Rochester, MN

Carol T. Van Dyke

4 Divizia de Gastroenterologie și Hepatologie, Clinica Mayo, Rochester, MN

Joseph A. Murray

4 Divizia de Gastroenterologie și Hepatologie, Clinica Mayo, Rochester, MN

Jeffrey A. Woods

5 profesor de kinesiologie și sănătate comunitară; Director, Centrul pentru sănătate, îmbătrânire și dizabilități. Universitatea din Illinois la Urbana-Champaign, Champaign, IL

Jun Chen

6 Departamentul de Cercetări în Științe ale Sănătății, Divizia de Statistică Biomedică și Informatică, Clinica Mayo, Rochester, MN, SUA

Purna C. Kashyap

4 Divizia de Gastroenterologie și Hepatologie, Clinica Mayo, Rochester, MN

Vandana Nehra

4 Divizia de Gastroenterologie și Hepatologie, Clinica Mayo, Rochester, MN

Date asociate

Abstract

Obezitatea este o boală cronică care are o prevalență în creștere în întreaga lume și este acum considerată o epidemie globală. Obezitatea, măsurată prin indicele de masă corporală (IMC) de 30 kg/m2 sau mai mare, a fost în mod constant asociată cu o mortalitate crescută din toate cauzele. 1

O intervenție cuprinzătoare a stilului de viață este de obicei primul pas pentru a obține pierderea în greutate. O scădere în greutate de doar 5% printr-o combinație de restricții alimentare, exerciții fizice și terapie comportamentală este eficientă în obținerea unui control glicemic mai bun și prevenirea diabetului. 2.3 Cu toate acestea, există o variabilitate interindividuală semnificativă în succesul acestei abordări care a fost adesea atribuită conformității pacientului. 4

Fiziopatologia obezității este complexă, cu contribuții ale genelor gazdă, precum și ale factorilor de mediu. 5 Dovezi recente sugerează că microbiomul intestinal uman are un rol în fiziopatologia obezității, influențând metabolismul energiei gazdei, adipozitatea, semnalizarea neuroendocrină și sensibilitatea la insulină. 7 Prin urmare, microbiomul intestinal poate fi responsabil în parte pentru diferențele interindividuale în rezultatele intervențiilor orientate spre obezitate. În acest studiu, raportăm potențiali markeri microbieni care prezic răspunsurile la un program cuprinzător de intervenție a stilului de viață pentru pierderea în greutate.

Metode

Selectarea pacientului

Pacienții au fost recrutați între august și septembrie 2013 din programul de cercetare în tratamentul obezității din Clinica Mayo. Adulții cu vârste cuprinse între 18 și 65 de ani cu un IMC de 27 - 39,9 kg/m 2 și capabili să ofere consimțământul informat au fost incluși în studiu. Criteriile de excludere includeau probleme de sănătate care împiedicau indivizii să se angajeze în activitate fizică, intervenții chirurgicale anterioare pentru gestionarea obezității (proceduri bariatrice, intervenție chirurgicală de bypass gastric), participarea concomitentă la un alt program de scădere în greutate și utilizarea medicamentelor pentru slăbit în ultimele 30 de zile. Participanții cu orice utilizare a antibioticelor în ultimele 30 de zile au fost, de asemenea, excluși din analiză. Au fost permise alte medicamente, cum ar fi inhibitorii pompei de protoni, laxative, statine și analgezice. Niciunul dintre participanții incluși nu a luat probiotice.

Intervenții de studiu

Programul de cercetare a tratamentului obezității Mayo Clinic este un program cuprinzător de 12 luni de intervenție asupra stilului de viață. În primele 3 luni, participanții au fost urmăriți prin sesiuni săptămânale de o oră, săptămânal în a patra lună și lunar după aceea până la 12 luni. Pentru a minimiza impactul nerespectării participanților asupra rezultatelor, am selectat primele 3 luni ca interval de timp al studiului nostru. Intervenția nutrițională a implicat o abordare volumetrică 8 care a inclus cantități mai mari de fructe, legume și alimente cu densitate redusă de energie, cu un aport mai mic de alimente cu densitate mai mare de nutrienți. Scopul a fost reducerea aportului de energie, obținând în același timp un volum ridicat de aport alimentar.

Intervenția de activitate fizică a presupus recomandări pentru a merge cel puțin 10.000 de pași pe zi sau echivalentul acesteia. Activitatea fizică a fost monitorizată folosind un pedometru cu memorie de 7 zile. Pacienții au fost instruiți să poarte pedometrul în fiecare zi și să-și revizuiască datele de numărare a pașilor pentru a evalua progresul către atingerea obiectivului.

Intervenția comportamentală a fost dată în sesiuni de grup săptămânale și a inclus elemente precum auto-monitorizarea, gestionarea așteptărilor, stabilirea obiectivelor, controlul stimulului, reducerea stresului, rezolvarea problemelor, sprijinul social, restructurarea cognitivă și prevenirea recidivelor. Schița generală a sesiunilor s-a bazat pe protocolul Look AHEAD. 9

Măsuri de rezultate și prelucrarea datelor

Informațiile clinice, biochimice și demografice au fost colectate de la pacienți la momentul inițial și după 3 luni, inclusiv vârsta, sexul, rasa, greutatea, înălțimea, IMC, starea de fumat, hipertensiunea arterială, pre-diabetul zaharat, diabetul zaharat tip 2, glicemia în jeun, densitatea ridicată nivelurile de lipoproteine, nivelurile de lipoproteine ​​cu densitate scăzută și nivelurile de trigliceride. Procentul de pierdere în greutate după 3 luni a fost calculat pe baza greutății corporale inițiale a participantului. O scădere în greutate de 5% sau mai mare după 3 luni a fost definită drept succes. Probele de scaun fecal au fost colectate la momentul inițial și după 3 luni.

Izolarea ADN-ului din probele de scaun a fost efectuată folosind trusa Mo Bio PowerSoil® de izolare a ADN-ului (Mo Bio Laboratories; Carlsbad, CA) în urma bătăilor de margele. Regiunea variabilă V4 a ARNr bacterian 16S a fost amplificată din ADN-ul scaun și secvențiat cu platforma MiSeq Illumina. Analiza compozițională și a diversității datelor a fost făcută utilizând conducta Insights Quantitative in Microbial Ecology (QIIME 1.9.1). 10

Profilarea funcțională predictivă din 16 ARNr a fost efectuată folosind conducta de investigare filogenetică a comunităților prin reconstrucția statelor neobservate (PICRUSt). 11 Conținutul de gene a fost prezis față de următoarele baze de date: baza de date Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG), 12 baza de date Clusters of Orthologous Groups (COG), 13 și baza de date Carbohydrate-Active Enzymes (CAZy). 14 Metoda dimensiunii efectului analizei discriminante liniare (LDA) (LEfSe) 15 a fost realizată pentru a identifica biomarkerii predictivi compoziționali și funcționali pentru pierderea în greutate. S-a folosit un alfa de 0,05 și un prag LDA> 2,0.

analize statistice

Analiza statistică a fost efectuată utilizând software-ul JMP Pro 12 (SAS Institute; Cary, NC) și conducta QIIME. Testele bilaterale Wilcoxon pe două fețe au fost utilizate pentru a compara diferențele de bază în compoziția bacteriană și diversitatea alfa, în timp ce permanova a fost utilizată pentru diversitatea beta. Pentru modificările la intervale ale compoziției și diversității bacteriene între momentul inițial și după 3 luni, au fost utilizate teste Wilcoxon pe două fețe cu rang semnat. O valoare P de 0,05 sau mai puțin a fost considerată semnificativă statistic pentru toate testele.

Rezultate

Caracteristicile clinice nu prezic răspunsul la intervenția stilului de viață

47 de participanți s-au oferit voluntari pentru studiu. 26 din 47 de participanți (55%) au fost incluși în analiză și 21 de participanți au fost excluși din următoarele motive: nu au returnat cel puțin unul dintre probele lor de scaun, (16) nu și-au returnat probele de scaun la timp, deci nu sunt reprezentative pentru microbiota intestinală inițială, (3) eșantion de scaun insuficient pentru analiză, (1) sau abandonat din studiu. (1) Pacienții excluși nu au fost semnificativ diferiți de pacienții incluși în ceea ce privește vârsta (P = .30), sexul (P = .73), și rasă (P = 1.0).

Tabelul 1:

Distribuția caracteristicilor demografice și clinice de bază

Diferențele compoziționale în cadrul familiei Veillonellaceae la momentul inițial au fost asociate cu o pierdere în greutate ≥5%

Analiza compozițională microbiană utilizând LEfSe a identificat 2 membri ai microbiotei intestinale care au fost semnificativ diferite între grupuri. Phascolarctobacteria a fost semnificativ crescută la momentul inițial la subiecții care au pierdut cel puțin 5% pierderea în greutate după 3 luni (LDA 2.09, P = .008), iar Dialister a fost semnificativ crescut la cei cu mai puțin de 5% pierderea în greutate (LDA -2.07, P = .03). ( figura 1 ).

metabolismul

Rezultatele analizei de dimensiune a efectului de analiză discriminantă liniară care arată caracteristicile compoziționale și funcționale de bază care prezic cel puțin 5% pierderea în greutate (succes = albastru) sau mai puțin de 5% pierderea în greutate (eșec = portocaliu) după 3 luni. A, Cladogramă care arată locația familiei Veillonellaceae care conține Phascolarctobacterium (b, albastru) și Dialister (a, portocaliu) în arborele filogenetic. B, scorurile LDA pentru cei 2 biomarkeri bacterieni identificați ai pierderii în greutate. C, Creșterea abundenței unei transpozaze (COG3328) prezice cel puțin 5% pierderea în greutate. D, Creșterea abundenței a 6 enzime active în carbohidrați și proteine ​​de legare au fost predictive pentru pierderea mai puțin de 5% din greutatea inițială. LDA = analiză liniară discriminantă.

O microbiotă intestinală cu capacitate crescută de metabolizare a carbohidraților la momentul inițial a fost asociată cu eșecul de a pierde ≥ 5% din greutatea inițială

Am atribuit funcționalitatea microbiotei intestinale din datele compoziționale folosind PICRUSt ( masa 2 ). Abundența genelor prezise a fost apoi analizată prin LEfSe pentru a identifica biomarkerii pierderii în greutate. Am identificat o genă care codifică o transpozază (COG3328) care era predictivă pentru succes ( Figura 1c ). De asemenea, am identificat 6 gene bacteriene care codifică enzimele active în carbohidrați și proteinele care leagă, care preziceau o pierdere în greutate mai mică de 5% după 3 luni. Acestea au inclus două familii de glicozide hidrolază (GH67 și GH93), două familii de module de legare a carbohidraților (CBM51 și CBM58), o familie de carbohidrați esterazici (CE6) și o familie de glicoziltransferază (GT25) ( Figura 1d ).

Masa 2:

Enzimele și proteinele active în carbohidrați s-au dovedit a fi predictive pentru răspunsurile la o intervenție de 3 luni asupra stilului de viață

Enzime active în carbohidrați asociate cu eșecul de a pierde 5% din greutate în 3 luniIdentificator bază de date de referințăFuncție
CBM51Modulul de legare a carbohidraților: leagă antigenele grupelor sanguine A și B.
GH67Glicozid hidrolaza
CBM58Modulul de legare a carbohidraților: membru notabil este SusG, o α-amilază
GH93Glicozid hidrolaza
CE6Carbohidrat esteraza
GT25Glicoziltransferaza

Diversitatea microbiană intestinală de bază este similară, indiferent de pierderea în greutate realizată după 3 luni

Analiza diversității microbiene intestinale de bază între subiecții din cele două grupuri nu a arătat diferențe semnificative în diversitatea alfa (observate OTU, indicele Shannon și metricele Chaol) sau (diversitatea beta (diferența Bray-Curtis, UniFrac neponderată și ponderată).

Nu s-au observat modificări ale compoziției și diversității microbiene intestinale după o intervenție de 3 luni

Pentru a determina dacă pierderea în greutate în timpul unui program de intervenție asupra stilului de viață a dus la modificări ale compoziției microbiotei intestinale, am analizat modificările la intervale ale compoziției microbiene intestinale și a diversității după 3 luni. Nu au existat modificări semnificative în diversitatea alfa (OTU observate, indicele Shannon și metricele Chao1) sau diversitatea beta (diferența Bray-Curtis, UniFrac neponderată și ponderată) sau compoziția bacteriană la niciun grup de pacienți.

Discuţie

În acest studiu, am identificat profiluri bacteriene funcționale compoziționale și prezise care au fost asociate cu răspunsuri la pierderea în greutate> 5% la adulții supraponderali și obezi care urmează un program de intervenție pentru stilul de viață. Creșterea abundenței inițiale a Phascolarctobacterium a fost asociată cu o pierdere în greutate de cel puțin 5%, în timp ce abundența crescută a Dialister a fost asociată cu o pierdere în greutate mai mică de 5%. Interesant este că ambele genuri aparțin familiei Veillonellaceae, ceea ce sugerează că schimbările compoziționale din această familie pot avea un rol în metabolismul energiei gazdei. De asemenea, am constatat că abundența crescută a mai multor enzime metabolizatoare de carbohidrați a fost asociată cu rezultatele.

Phascolarctobacterium este un gen relativ abundent de bacterii în tractul gastro-intestinal uman. 16 În ceea ce privește rolul său în metabolismul energetic și obezitate, un studiu anterior cu șobolani obezi a arătat că abundența crescută de Phascolarctobacterium s-a corelat pozitiv cu creșterea în greutate corporală, masa de grăsime, leptina plasmatică, creșterea concentrațiilor de trigliceride și creșterea toleranței la glucoză dieta grasa. În mod interesant, în timp ce Phascolarctobacterium este asociat cu obezitatea în rapoartele anterioare, studiul nostru sugerează că poate potența efectul stilului de viață și al intervențiilor dietetice asupra pierderii în greutate.

Pe de altă parte, Dialister este un gen patogen de bacterii asociate cu infecții orale, cum ar fi parodontita, gingivita și abcesele dentoalveolare. 18-20 Cu toate acestea, rolul pe care Dialister îl poate avea în cheltuielile de energie și metabolism este necunoscut. Faptul că ambii aparțin aceleiași familii sugerează că ar putea exista o competiție de nișă nutrițională prin care Dialister exclude Phascolarctobacterium. În ciuda acestor constatări compoziționale, nu am reușit să detectăm diferențe semnificative în diversitatea alfa sau beta între ambele grupuri de participanți. Cu toate acestea, diferențele funcționale asociate cu metabolismul glucidic pot avea un rol mai mare în influențarea pierderii în greutate decât schimbările în diversitatea microbiană. Cu toate acestea, sunt necesare studii viitoare pentru a valida aceste descoperiri și pentru a înțelege mai bine rolul acestor genuri în metabolismul energetic.

Analizele funcționale utilizând baza de date CAZY au arătat că participanții care au obținut mai puțin de 5% pierderea în greutate au crescut semnificativ abundența de enzime implicate în metabolismul carbohidraților. CBM-urile sunt polipeptide care leagă substraturile de carbohidrați și facilitează reacțiile enzimatice, cum ar fi cele ale GH-urilor, prin menținerea enzimei aproape de substrat. CBM51 este o familie de diverse molecule care leagă carbohidrații, cunoscute ca leagă antigenele grupului sanguin A și B 21 și CBM58 se caracterizează prin sistemul de utilizare a amidonului G (SusG), o α-amilază esențială pentru degradarea amidonului. SusG face parte din grupul de proteine ​​Sus care lucrează împreună în recunoașterea polizaharidelor și se importă în celule bacteriene. 22 GH-urile prezente în microbiota intestinului uman sunt esențiale pentru digestia glucidelor pe care oamenii nu le pot procesa. GH67 și GH93, catalizează hidroliza xilooligozaharidelor 23 și a α-1,5-L-arabinanului liniar, respectiv 24.

Acesta este un studiu pilot și, prin urmare, este limitat de o dimensiune mică a eșantionului. În plus, ne-am limitat analiza la primele trei luni. În timp ce aceste descoperiri evidențiază o abordare potențială a individualizării managementului obezității folosind microbiomul intestinal, acestea trebuie confirmate într-o cohortă mai mare cu urmărire longitudinală. Abordarea volumetrică utilizată în acest studiu ca parte a intervenției nutriționale permite o mai mare variabilitate dietetică între participanți, ceea ce poate confunda rezultatele, având în vedere efectul cunoscut al dietei asupra microbiomului intestinal. Cu toate acestea, diferențele microbiene intestinale legate de dietă s-au dovedit a fi semnificative pe diferite continente, dar nu între adulți din diferite regiuni din Statele Unite. 25 Participanții provin în mare parte din aceeași regiune, astfel ne așteptăm ca impactul variabilității dietetice asupra microbiotei intestinale dintre participanți să fie minim. În cele din urmă, în acest raport preliminar prezentăm date bazate pe abordarea bazată pe marker 16S rRNA, dar un studiu viitor ar necesita metagenomică și metabolomică pentru a confirma consecințele funcționale ale diferențelor potențiale în metabolismul carbohidraților.

Concluzie

O abundență crescută de gene microbiene care codifică căile enzimei active în carbohidrați și o scădere a abundenței Phascolarctobacterium în microbiota intestinală a persoanelor obeze și supraponderale sunt asociate cu eșecul de a pierde cel puțin 5% din greutate în urma unui program de intervenție cuprinzător pe 3 luni.