Ruth A. Riedl

1 Departamentul de farmacologie, Universitatea din Iowa

implicațiile

Samantha N. Atkinson

2 Departamentul de Microbiologie, Universitatea din Iowa

8 Departamentul de Microbiologie și Genetică Moleculară, Colegiul Medical din Wisconsin

Colin ML Burnett

3 Departamentul de Medicină Internă, Universitatea din Iowa

Justin L. Grobe

1 Departamentul de farmacologie, Universitatea din Iowa

4 Departamentul Iowa Microbiology Microbiome Initiative, Universitatea din Iowa

5 Inițiativa Departamentului de Cercetare și Educație în Obezitate, Universitatea din Iowa

6 Center for Hypertension Research, Universitatea din Iowa

7 Fraternal Order of Eagles ’Diabetes Research Center, Universitatea din Iowa

John R. Kirby

2 Departamentul de Microbiologie, Universitatea din Iowa

4 Departamentul Iowa Microbiology Microbiome Initiative, Universitatea din Iowa

5 Inițiativa Departamentului de Cercetare și Educație în Obezitate, Universitatea din Iowa

7 Fraternal Order of Eagles ’Diabetes Research Center, Universitatea din Iowa

8 Departamentul de Microbiologie și Genetică Moleculară, Colegiul Medical din Wisconsin

Abstract

Scopul revizuirii

Influența bacteriilor intestinale asupra fiziologiei gazdei este din ce în ce mai recunoscută, dar lipsesc legăturile mecaniciste. Bolile de dezechilibru energetic, cum ar fi obezitatea și diabetul, reprezintă factori de risc majori pentru bolile cardiovasculare, cum ar fi hipertensiunea. Astfel, aici analizăm contribuțiile mecaniciste actuale ale microbiotei intestinale pentru a găzdui energie.

Descoperiri recente

Bacteriile intestinale generează o multitudine de molecule mici care pot semnaliza gazdele țesuturilor din interiorul și dincolo de tractul gastrointestinal pentru a influența fiziologia gazdei, iar bacteriile intestinale pot influența și eficiența digestivă a gazdei prin modificarea biodisponibilității polizaharidelor, totuși efectele energetice cantitative ale acestor procese rămân neclar. Recent, echipa noastră a demonstrat că bacteriile intestinale constituie o biomasă termogenă anaerobă majoră, care poate explica cantitativ obezitatea.

rezumat

Înțelegerea cantitativă a mecanismelor prin care bacteriile intestinale influențează homeostazia energetică pot informa în cele din urmă relația dintre bacteriile intestinale și disfuncția cardiovasculară.

Introducere

Echilibrul energetic și hipertensiunea

Obezitatea și hipertensiunea sunt puternic corelate la om [1-3]. O mare majoritate (71%) dintre pacienții cu diabet suferă de asemenea hipertensiune [4]. American Heart Association a publicat că obezitatea și tulburările metabolice asociate reprezintă cea mai mare provocare pentru îmbunătățirea sănătății cardiovasculare [5, 6]. Astfel, devine din ce în ce mai clar că sănătatea cardiovasculară este indisolubil legată de sănătatea metabolică. Înțelegerea epidemiei de obezitate și dezvoltarea unor abordări noi pentru a preveni creșterea în greutate și pentru a menține pierderea în greutate ar trebui, prin urmare, să fie de un interes crescând pentru cercetătorii cardiovasculari.

Un rol pentru bacteriile intestinale în echilibrul energetic

Dovezi puternice susțin un rol al bacteriilor intestinale (microbiota intestinului) în echilibrul energetic [12]. Studiile timpurii care au investigat rolul bacteriilor intestinale modificate în metabolismul gazdei au demonstrat că mediul gazdă contribuie la compoziția microbiotei intestinale și că microbiota intestinală contribuie la eficiența digestivă a gazdei.

În mod colectiv, aceste studii au condus la ipotezele de lucru că microbiota intestinală contribuie la energetica întregului organism, inclusiv efectele asupra fluxului de energie al țesutului gazdă și asupra fluxului de energie prin însăși biomasa bacteriilor și că abundența relativă a speciilor distincte de bacterii modifică contribuțiile microbiotei intestinale la găzduirea energeticii.

Modularea energiei gazdei de către bacteriile intestinale: Eficiență digestivă

Eficiența digestivă, sau eficiența tractului gastro-intestinal pentru a extrage caloriile din alimentele ingerate, este un factor major al echilibrului energetic. Inhibarea absorbției acizilor grași de către inhibitorul lipazei pancreatice Orlistat are ca rezultat o pierdere în greutate relativ rapidă la oameni cu un conținut normal de grăsimi dietetice ridicate [9]. Capacitatea bacteriilor de a metaboliza polizaharidele, care altfel nu sunt disponibile pentru absorbție de către gazdă, [24] și localizarea bacteriilor în tractul gastro-intestinal determină ipoteza că aceste microorganisme pot contribui la eficiența digestivă.

Studii multiple au susținut conceptul că bacteriile intestinale contribuie la reglarea eficienței digestive și că schimbările în compoziția microbiotei intestinale pot afecta modificările greutății gazdei prin acest mecanism [24]. În comparație cu eficiența digestivă a șoarecilor fără germeni colonizați cu bacterii intestinale de la șoareci de control tip sălbatic, șoarecii fără germeni colonizați cu bacterii intestinale de la șoareci ob/ob au prezentat o reducere semnificativă a eficienței digestive și creșterea creșterii grăsimilor [25]. Animalele fără germeni exprimă niveluri mai ridicate de angiopoietină 4 (Angptl4), un inhibitor endogen al lipoproteinei lipazei, care reduce absorbția și depunerea trigliceridelor în țesuturile adipoase [26, 27]. În plus, 4 niveluri asemănătoare angiopoietinei se corelează invers cu indicele de masă corporală la perechile de gemeni umani asortate [28].

În plus față de procesarea polizaharidelor pentru a le face biodisponibile pentru gazdă, bacteriile intestinale procesează diverse substraturi, cum ar fi lipidele, carbohidrații, proteinele și aminoacizii, pentru a produce diverse substraturi pentru organismul gazdă [29-31]. Exemplele includ acizi grași cu lanț scurt, cum ar fi acetat, butirat și proprionat, în plus față de vitamine cum ar fi folatul, biotina, riboflavina, cobalamina, vitamina K și acizii biliari (revizuiți în [12]).

Împreună, aceste studii documentează în mod clar și calitativ un rol al microbiotei intestinale în controlul eficienței digestive, dar în mod critic aceste studii nu încearcă să determine dacă modificările observate ale eficienței digestive explică cantitativ modificările greutății observate în organismele gazdă. Cu alte cuvinte, ce fracțiune din creșterea/pierderea în greutate a gazdei se datorează modificărilor eficienței digestive cauzate de modificarea microbiomului intestinal? Rămâne neclar dacă alte mecanisme de flux energetic pot contribui cantitativ la efectele bacteriilor intestinale asupra energiei gazdei, iar eșecul câmpului de a evalua în mod cuprinzător alte mecanisme poate rezulta din provocările tehnice ale măsurării formelor de metabolism energetic efectuate de bacterii în lumenul tractului gastro-intestinal.

Utilizarea energiei de către bacteriile intestinale: metabolismul anaerob în repaus

Microbiota intestinală există într-un mediu în mare parte anaerob în lumenul tractului gastro-intestinal. Astfel, este de așteptat ca orice flux de energie prin această biomasă să aibă o formă anaerobă. Din păcate, câmpul este slab echipat pentru a evalua metabolismul anaerob în mediul in vivo, deoarece majoritatea cercetătorilor utilizează doar metode de calorimetrie „indirectă” bazate pe respirometrie. Metodele bazate pe respirometrie implică măsurarea gazelor respiratorii (consumul de oxigen și producția de dioxid de carbon) și apoi aplicarea formulelor derivate empiric pentru estimarea ratelor metabolice. Deoarece aceste metode estimează rata metabolică pe baza consumului de oxigen, ele rămân orbe la procesele anaerobe [35-37]. Prin extensie, mulți anchetatori cad în capcana ignorării intenționate sau neintenționate a fluxului de energie prin biomasa bacteriilor intestinale, pur și simplu pentru că este un punct final pentru care nu sunt echipați să măsoare.

Spre deosebire de metodele bazate pe respirometrie pentru a evalua ratele metabolice, metodele directe de calorimetrie implică evaluarea tuturor formelor de flux de energie printr-un subiect prin măsurarea tuturor formelor de retenție și disipare a căldurii de către subiect [35]. Cuplând o cameră de calorimetrie directă (pentru a măsura metabolismul total) cu o serie de analizoare de gaze respiratorii (pentru a evalua simultan metabolismul aerob), investigatorii pot estima contribuția metabolismului anaerob la total. Deși în prezent nu există surse disponibile comercial din aceste echipamente, astfel de sisteme au fost dezvoltate independent într-o mână de laboratoare de fiziologie din întreaga lume.

În anii 1970, grupul lui Jéquier a folosit un sistem combinat de calorimetrie pentru a evalua rata metabolică la subiecții umani. Au demonstrat că la bărbații slabi [38] și la femei [39], metabolismul aerob în repaus reprezintă aproximativ 90% din rata metabolică totală în repaus. În mod interesant, rata metabolică totală de odihnă este redusă la femeile obeze comparativ cu femeile slabe, iar contribuția relativă a metabolismului anaerob la total a fost complet abolită la femeile obeze [39]. Aceste constatări stabilesc o contribuție semnificativă fiziologic a metabolismului anaerob la cheltuielile totale de energie (aproximativ 10%) și corelează pierderea metabolismului anaerob cu obezitatea la om.

Microbiomul intestinal și hipertensiunea

Concluzii

În rezumat, dovezile în creștere susțin un rol multifacetic al microbiotei intestinale în controlul homeostaziei energetice, inclusiv acțiuni directe pentru a influența atât eficiența digestivă, cât și metabolismul anaerob în repaus (Figura 1). De asemenea, s-a emis ipoteza că microbiota intestinală funcționează ca un organ endocrin neapreciat anterior, producând și eliberând o gamă enormă de compuși care pot acționa asupra țesuturilor gazdă pentru a modifica funcția metabolică și apetitul [58]. În plus, relația gazdă-microbiom este bidirecțională, deoarece dietele și genetica gazdei au efecte considerabile asupra compoziției microbiotei intestinale.