Consumul unei diete agrare pe bază de plante este asociat cu beneficii pentru sănătate.

comparativă

Dieta modifică compoziția microbiotei intestinale și servește ca substrat pentru metabolismul bacterian care ar putea influența sănătatea gazdei.

Datele provenite de la modele murine și microbiota intestinală la omul cu domiciliul în societățile agrare și occidentale sugerează că influența dietei asupra compoziției microbiotei intestinale este mare.

Care sunt noile descoperiri?

Impactul dietei asupra metabolomului plasmatic al omnivorilor și veganilor este mare, dar efectul său asupra compoziției microbiotei intestinale este surprinzător de modest.

Metaboliții microbiotei intestinale contribuie mai mult la metabolomul plasmatic al veganilor decât omnivorii.

Producția de metaboliți derivați de bacterii intestinale din substraturi alimentare este constrânsă de compoziția microbiotei intestinale.

Cum ar putea avea impact asupra practicii clinice în viitorul previzibil?

Factorii de mediu independenți de dietă pot juca un rol critic în conturarea compoziției microbiotei intestinale în societăți umane distincte la nivel global, care, la rândul său, au un efect asupra producției de metaboliți benefici, cum ar fi acizii grași cu lanț scurt și echol din dietă și microbiota bună.

Dezvoltarea prebioticelor pentru a furniza substraturi pentru microbiota intestinală pentru a produce metaboliți de dorit care vor favoriza sănătatea trebuie să ia în considerare compoziția microbiotei intestinale.

Introducere

Dintre mulți factori care influențează microbiota intestinală, dieta a primit o atenție considerabilă din cauza impactului său potențial asupra sănătății. Studiile folosind modele de rozătoare, anchete la diferite specii de mamifere și studii transversale pe populații umane distincte la nivel global sugerează că dieta are un efect puternic asupra compoziției microbiotei intestinale.1-5 Prin contrast, intervenții dietetice mai moderate care pot fi susținute pe termen lung, oamenii sugerează că impactul dietei poate fi mai modest. Raportul bacteroizi.2, 6 Stările multiple ale bolii sunt asociate cu o scădere a diversității microbiotei intestinale, un semn distinctiv al „disbiozei” - astfel inversarea microbiotei disbiotice prin modificarea dietei sau prin alte mijloace ar putea servi la menținerea sănătății și/sau tratarea boală.

Dieta furnizează substraturi pentru producerea unei multitudini de molecule mici care, după metabolizarea primului pasaj în ficat, circulă sistemic, unde pot avea diverse efecte asupra fiziologiei gazdei. De exemplu, colina dietetică sau carnitina pot fi transformate de către intestin microbiota la trimetilamină care este oxidată ulterior în ficat la oxid de trimetilamină, o moleculă mică asociată cu un risc crescut de boală vasculară coronariană. 10, 11 Cu o dimensiune a genomului de aproximativ 150 de ori mai mare decât gazda mamiferelor, metabolomul intestinului microbiota permite producerea unei multitudini de molecule mici neproduse de gazdă.12 Moleculele specifice produse sunt reglementate de disponibilitatea substratului, abundența produsului, activitatea genică microbiană și alte mecanisme care nu sunt deduse cu ușurință din simpla cuantificare a abundenței microbiene genetice. Astfel, informațiile taxonomice ale microbiotei intestinale sau chiar analiza întregului genom pot să nu fie adecvate pentru a prezice metabolomul unei comunități microbiene complexe.

Materiale și metode

Subiecți umani

Criteriile de excludere au fost descrise anterior pentru studiul nostru transversal între vegani și omnivori și experimentul de hrănire controlată longitudinală (CAFÉ) printre omnivori.6 Studiul transversal a inclus 15 vegani și șase omnivori care au fost recrutați recent și datele de bază de 10 omnivori inclus în CAFÉ.6 Veganii au consumat o dietă vegană timp de minimum 6 luni. Fiecare participant a finalizat trei rechemări dietetice de 24 de ore în decurs de o săptămână, după cum s-a descris anterior6, după care s-au recoltat probe de sânge și urină în repaus.

Secvențierea genei ARNr 16S și metabolomica plasmatică

ADN-ul a fost izolat din scaun așa cum este descris în ref. 6 și 13. Secvențele genetice ale genului ARNr 16S au fost amplificate prin PCR folosind primerii care se leagă de regiunea V1V26, 13 folosind primerii codați în bare.14, 15 Citirile secvenței au fost controlate de calitate și analizate folosind conducta QIIME cu parametrii impliciți.16 Probele de plasmă umană au fost extrase și analizate pe platforme de cromatografie lichidă/spectrometrie de masă (LC/MS), LC/MS/MS și cromatografie de gaze (GC)/MS de Metabolon (Durham, Carolina de Nord, SUA).

Analize de proteine ​​plasmatice

Glucoza plasmatică, colesterolul, lipoproteinele cu densitate mare (HDL) și trigliceridele au fost determinate pe un COBAS c501 (Roche, Indianapolis, Indiana, SUA); lipoproteinele cu densitate mică (LDL) estimate au fost calculate utilizând ecuația (LDL = colesterol total - HDL colesterol− (trigliceride ÷ 5)). Insulina plasmatică a fost măsurată prin radioimunotest cu un coeficient de variație intra-test (CV) de 2,2%. Adipokinele și citokinele plasmatice au fost măsurate de ELISA (R&D Systems, Minneapolis, Minnesota, SUA).

Metabolomica urinară

Analiza acizilor organici prin analiza derivaților de trimetilsilil ai acizilor organici extrasați de acetat de etil a fost efectuată utilizând MS cu impact electronic GC așa cum s-a descris anterior.17 Datele au fost acumulate prin colectarea completă a ionilor de scanare în intervalul 50-600 m/z. Identitățile de vârf au fost confirmate de căutarea bibliotecii Institutului Național de Standarde și Tehnologie (NIST).

Analiza SCFA fecală

Spectrele de rezonanță magnetică nucleară (RMN) ale apei fecale au fost achiziționate folosind presaturarea spectroscopiei nucleare Overhauser (NOESY) pe un spectrometru Bruker Ascend 700 MHz cu patru canale (Bruker, Germania) și s-a aplicat o abordare „profilare țintită” 18 a caracterizării cantitative a spectrelor RMN. unde concentrațiile au fost determinate cantitativ folosind biblioteca de 700 MHz din Chenomx NMR Suite V.7.1 (Chenomx, Edmonton, Canada).

Testarea respirației hidrogen-metan

Producția de hidrogen și metan a fost cuantificată folosind metode similare cu metodele descrise anterior.19 Pe scurt, după o repede peste noapte și valorile inițiale determinate, probele au fost obținute la intervale de 15 min timp de 3 ore după ingestia a 10 g de lactuloză cu analiza gazelor de către Breathtracker cromatograf gazos (Quintron, Milwaukee, Wisconsin).

Analize bioinformatice și statistice

Aportul de micronutrienți a fost standardizat utilizând regresia liniară ajustată pentru aportul total de calorii cu valori reziduale centrate și reduse. Analiza componentelor principale, scalarea multidimensională (SMD) și analiza permutațională multivariată a varianței (PERMANOVA) au fost efectuate în R. Distanțele ponderate și neponderate UniFrac au fost utilizate pentru a compara compoziția globală a microbiomului între vegani și omnivori și au fost utilizate pentru analize MDS. Cantitățile standardizate de micronutrienți și metaboliții transformați în log între vegani și omnivori au fost comparate prin testul t. Analiza de concentrare a folosit distanțele Manhattan pentru probele de microbiote și coeficienții de corelație pentru micronutrienți sau metaboliți. Suma de rang Wilcoxon și testul exact al lui Fisher au identificat abundența diferențiată a genurilor bacteriene între vegani și omnivori. Clasificarea aleatorie a pădurilor (RF) a fost utilizată pentru a evalua precizia predictivă a datelor despre metaboliți pentru a distinge veganii de omnivori. Diversitatea genului bacterian a fost determinată de indicele Simpson. PICRUSt a fost utilizat pentru a deduce reprezentarea genelor folosind informații taxanomice din secvențierea genei 16S rRNA.20

Rezultate

Consumul de macronutrienți și micronutrienți la omnivori și vegani

Consumul dietetic a fost cuantificat utilizând media a trei rechemări dietetice de 24 de ore. Datele pentru un participant au fost excluse din cauza aportului de calorii raportat în mod neverosimil de scăzut. Consolidarea celor 155 de macronutrienți și micronutrienți în componente principale a relevat o separare clară a aportului alimentar între omnivori și vegani (figura 1A). Veganii au consumat mai mulți carbohidrați, 296,9 (98,3) g față de 246,5 (81,2) g, dar mai puține proteine, 79,1 (22,9) g față de 89,1 (33) g și grăsimi, 63,8 (20,5) g față de 86,3 (39,1) g decât omnivorii 1B) . Peste jumătate din macronutrienți și micronutrienți au fost semnificativ diferiți între grupuri (vezi tabelul suplimentar online S1) în ciuda dimensiunii relativ modeste a setului nostru de eșantioane (n = 16 pentru omnivori și n = 15 pentru vegani).

Comparația consumului dietetic între omnivori și vegani care locuiesc într-un mediu urban din SUA. (A) Analiza componentelor de bază ale consumului de micronutrienți din dietă la omnivori versus vegani. (B) Harta de căldură a micronutrienților dietetici în culori omnivore (violet) versus vegani (verde) codificate de șapte categorii majore de nutrienți. Roșu = abundență mai mare, albastru = abundență mai mică, valori p așa cum este indicat de numărul de asteriscuri. PC, componentă de principiu.

Doar ușoare diferențe între microbiota intestinală a omnivorilor și veganilor.

Compoziția microbiotei intestinale la omnivori versus vegani prezintă diferențe foarte modeste. Analiza scalării multidimensionale (MDS) a compoziției microbiotei intestinale la omnivori versus vegani determinată de secvențierea genei 16S rRNA prin (A) distanța UniFrac neponderată (PERMANOVA p = 0,007), (B) distanța UniFrac ponderată (PERMANOVA p = 0,15). (C) Comparația indicelui de diversitate Simpson la omnivori versus vegani (p = 0,53).

Metabolomul plasmatic al omnivorilor este determinat în mare parte de dietă.

Beneficiile pentru sănătate ale unei diete pe bază de plante au fost bine descrise.21 Protocolul nostru a exclus participanții cu sindroame de imunodeficiență sau boli GI semnificative, dar ca o verificare suplimentară, biomarkerii asociați cu boli metabolice, cum ar fi indicele de masă corporală (IMC), homeostazia glucozei, markerii inflamatori și nivelurile lipidelor plasmatice au fost comparate între omnivori și vegani (vezi figura suplimentară online S2). Doar colesterolul total (p = 0,04) și LDL (p = 0,016) au diferit între grupuri, nivelurile fiind mai mari la omnivori, așa cum era de așteptat.

Comparația metaboliților plasmatici la omnivori versus vegani. (A) Gruparea ierarhică a nivelurilor corelate ale metaboliților plasmatici între omnivori și vegani vizualizați ca o hartă de căldură Roșu = abundență mai mare, albastru = abundență mai mică. (B) Clasificarea aleatorie a pădurii a 30 de metaboliți plasmatici, clasificați în șapte zone (cod color), capabili să distingă un omnivor de un vegan cu o precizie predictivă de 94%. (C) Cuantificarea țintită a metaboliților urinari la omnivori și vegani vizualizată într-un biplot principal de analiză a componentelor care afișează corelația fiecărei probe cu descriptorii metaboliților. Descriptorii metabolitului sunt reprezentați de săgeți orientate în direcția corelației maxime cu probele.

Cuantificarea țintită a metaboliților urinari derivați din metabolism de către microbiota intestinală relevă, de asemenea, o separare semnificativă între omnivori și vegani (figura 3C). Detectarea acestor metaboliți atât în ​​urină, cât și în plasmă (vezi tabelul suplimentar S3 online) reflectă relația dinamică care reglează nivelurile plasmatice ale acestor metaboliți care sunt absorbiți de gazdă după producerea microbiotei intestinale cu excreția ulterioară în urină.

Spre deosebire de dietă, compoziția microbiotei nu a fost puternic asociată cu metabolomul plasmatic. În asocieri perechi de taxoni și metaboliți microbieni după ajustarea pentru dieta vegană versus cea omnivoră, cea mai puternică asociere a fost pentru Barnesiellaceae cu cistină (p = 0,00002, q = 0,24); niciun taxon bacterian unic nu a fost asociat în mod semnificativ cu nivelurile individuale de metabolit după ajustare pentru comparații multiple. Împreună cu efectul modest al acestor diete asupra compoziției microbiotei intestinale (figura 2), această asociere minimă este în concordanță cu un rol dominant al dietei în determinarea metabolomului gazdei.

Metaboliți dependenți de dietă produși de microbiota intestinală a veganilor.

Vitaminele și alte produse pe bază de plante, cum ar fi ascorbatul, metaboliții xantinei și produsele metabolismului benzoatului au fost crescute în metabolomul plasmatic al veganilor față de omnivori. Mai multe dintre acestea reflectă dieta veganilor pe bază de plante (figura 1B și a se vedea tabelul suplimentar online S1). Douăzeci și opt de metaboliți au fost mai abundenți la vegani cu o valoare q, 28

Nivelurile plasmatice ale metaboliților plasmatici la omnivori și vegani derivate din metabolismul microbiotei intestinale a compușilor polifenolici ai plantelor. * p, 29 Aceste diferențe au fost atribuite creșterii microbiotei degradante a polizaharidelor combinată cu un consum crescut de fibre nedigerabile, care este un substrat pentru fermentarea bacteriană.2 Cu toate acestea, în ciuda consumului unei diete vegetale la vegani (figura 1B și a se vedea tabelul suplimentar online S1), cuantificarea nivelurilor SCFA fecale prin RMN de protoni (a se vedea tabelul suplimentar S4 online) și producția de metan prin testarea respirației (a se vedea tabelul suplimentar online S5) nu au evidențiat nicio diferență între vegani și omnivori în cohorta noastră.

Reședința într-o societate agrară este asociată cu o microbiotă intestinală diferită de indivizii care locuiesc în societățile occidentale.2, 3, 30, 31 Reprezentarea genomică pentru căile fermentative, bazată pe o analiză PICRUSt, a sugerat o capacitate mai mare pentru producția de SCFA la africani în Burkina Faso (BF) decât rezidenții din Uniunea Europeană (UE). Reprezentarea genică prevăzută pentru enzimele care degradează glicanul a arătat diferențe pentru BF față de subiecții UE (49 din 76 semnificative; „biosinteza și metabolismul glicanului” și „digestia și absorbția glucidelor” mai mari în BF, p = 1 × 10 −7 și 1 × 10 - 8, respectiv, prin testul Welch cu două probe t), în timp ce o analiză similară nu a arătat o diferență pentru omnivori față de vegani studiați aici (p> 0,18 pentru ambele comparații). Cu toate acestea, dieta vegană seamănă mai mult cu rezidenții din BF decât cu UE - veganii care prezintă un aport mai mare de fibre, carbohidrați și amidon, cu un aport mai mic de energie, grăsimi, proteine ​​și zaharuri (vezi tabelul suplimentar S4 online). Împreună, aceste rezultate sugerează că nivelurile de SCFA fecale, determinate de fermentația bacteriană, sunt reglate atât de abundența substratului oferită de dietă, cât și de linia bacteriană care cuprinde microbiota intestinală32.

Dieta și microbiota intestinală în producția de fitoestrogeni

Se presupune că fitoestrogenii au numeroase beneficii pentru sănătate.33 Equol, un fitoestrogen, este un produs secundar al metabolismului izoflavonelor care se găsesc în concentrații mari în alimentele pe bază de soia. În timp ce doar 30% dintre adulții din populațiile occidentale sunt capabili să producă echol din izoflavone din soia, aproape 60% -70% dintre rezidenții din Asia sunt producători de echol.34 Omnivorii au consumat relativ puțini precursori de fitoestrogen pentru generarea de equoli (daidzein și geninstein) și nici a avut un ecol detectabil în plasmă. În schimb, veganii au consumat mult mai mulți precursori de fitoestrogen pentru generarea de echol (figura 5), ​​dar numai 40% dintre vegani au avut echol detectabil în plasmă (p = 0,006). În rândul veganilor, consumul de izoflavone a fost ușor mai mare în rândul celor cu echol plasmatic detectabil (figura 5), ​​dar niciuna dintre aceste tendințe nu a fost semnificativă statistic (daidzeina p = 0,22; geninstein p = 0,21). Astfel, aceste date subliniază, de asemenea, că atât expunerea la substraturi, cât și capacitatea metabolică microbiană determină împreună cometaboliții observați în plasmă.

Asocierea între consumul de substraturi dietetice utilizate de microbiota intestinală pentru a produce echol care arată aportul standardizat de diadzeină și geneisteină la omnivori și vegani cu și fără niveluri plasmatice de echol detectabile.

Discuţie

Model care descrie relația dintre abundența substratului și formarea produsului microbiotei intestinale și dependența acestuia de compoziția microbiotei intestinale utilizând consumul de carbohidrați fermentabili și producția de acizi grași cu lanț scurt (SCFA) ca exemplu. Mamiferele erbivore și oamenii care locuiesc în societăți agrare, cu o predominanță a bacteriilor intestinale capabile să producă SCFA prin fermentare, au o structură comunitară „permisivă” a microbiotei intestinale și prezintă o producție liniară dependentă de substrat. În schimb, reședința oamenilor în societățile occidentale are o „structură comunitară restrictivă” în care livrarea suplimentară de substrat duce la o creștere minimă a formării produsului din cauza saturației. Cu toate acestea, ambele structuri comunitare sunt dependente de substrat, prin care o scădere a consumului de substrat (adică, omnivori pe o dietă scăzută de carbohidrați/fibre) va duce la o scădere a formării produsului (SCFA).

Mulțumiri

Această lucrare a fost susținută de proiectul NIH UH2/3 DK083981 și suplimentul administrativ 04S1 (GDW, FDB și JDL), programul guvernamental scoțian Food, Land and People (HJF), nucleul de biologie moleculară al Centrului Penn pentru studiile moleculare în digestie și Boli hepatice (P30 DK050306), Centrul comun Penn-CHOP pentru medicină digestivă, hepatică și pancreatică și Penn Vegan Society.