Mark L. Heiman

1 MicroBiome Therapeutics, 1316 Jefferson Avenue, New Orleans, LA 70115, SUA

microbiom

Frank L. Greenway

2 Pennington Biomedical Research Center, Louisiana State University System, 6400 Perkins Road, Baton Rouge, LA 70808, SUA

Abstract

fundal

La fel ca toate ecosistemele sănătoase, bogăția speciilor de microbiote caracterizează microbiomul GI la indivizii sănătoși. În schimb, pierderea diversității speciilor este o constatare obișnuită în mai multe stări de boală. Acest biom este inundat de energie sub formă de alimente nedigerate și parțial digerate și, în unele cazuri, medicamente și suplimente alimentare. Fiecare specie microbiotică din biom transformă acea energie în molecule noi, care pot semnala mesaje către sistemele fiziologice ale gazdei.

Domeniul de aplicare al revizuirii

Alegerile dietetice selectează substraturi pentru specii, oferind un avantaj competitiv față de alte microbiote GI. Cu cât dieta este mai diversă, cu atât microbiomul este mai divers și cu atât mai adaptabil la perturbații. Din păcate, diversitatea alimentară s-a pierdut în ultimii 50 de ani și alegerile dietetice care exclud produsele alimentare de la animale sau plante vor restrânge microbiomul GI în continuare.

Concluzie majoră

Cercetări suplimentare privind extinderea bogăției microbiene intestinale prin diversitatea dietetică ar putea extinde conceptele în nutriția sănătoasă, să stimuleze descoperirea de noi diagnostice și să deschidă noi posibilități terapeutice.

Acum douăzeci și cinci de ani, Epstein și colab. a descris tratarea unui grup de 25 de copii cu vârste cuprinse între 6 și 12 ani, care erau supraponderali cu 45% împreună cu unul dintre părinții lor, care era, de asemenea, supraponderal. Perioada de tratament a durat 8 luni și a constat în instrucțiuni de dietă, instruire în managementul comportamentului, exerciții fizice și contractare de urgență în care s-au depus bani și s-au returnat 5 USD la vizite dacă s-a pierdut în greutate. Ambii părinți și copii au pierdut în greutate în timpul perioadei de tratament, dar la zece ani după tratament, copiii au menținut în continuare o reducere de 7,5% a procentului lor de supraponderalitate sub valoarea inițială. În schimb, părintele care a fost tratat în același timp cu copilul și-a crescut procentul de supraponderalitate față de valoarea inițială cu 9,1% [1]. Motivul capacității subiecților pre-pubertari de a menține pierderea în greutate, dar nu și a părinților care au fost tratați cu aceștia în același program, rămâne un mister medical.

Acest studiu a fost efectuat înainte de a exista o apreciere a interacțiunilor dintre microbiomul gastrointestinal (GI) și sistemele fiziologice care reglementează metabolismul. La sfârșitul anului 2007, Institutele Naționale de Sănătate din SUA (NIH) au lansat Proiectul Microbiomului Uman (HMP) și, la începutul anului 2008, Comisia Europeană și China au inițiat proiectul Metagenomică al Tractului Intestinal Uman (MetaHIT). Aceste eforturi mari aplică secvențierea avansată și instrumente bioinformatice pentru a caracteriza microbii care trăiesc în și pe corpul nostru. Fiecare comunitate de microbiote este studiată ca un ecosistem, utilizând știința și limbajul ecologiei [2]. Biodiversitatea este un aspect critic al funcției ecosistemului și a fost accentul intens al proiectelor HMP și MetaHIT [3], [4]. La fel ca toate ecosistemele sănătoase, un anumit nivel de bogăție a speciilor caracterizează microbiomul GI la indivizii sănătoși [5]. Adăugările sau pierderile de specii cu roluri similare tind să aibă doar efecte mici asupra funcției microbiomului. Cu toate acestea, dominația de către puține specii sau lipsa diversității speciilor poate avea un impact semnificativ asupra funcției.

Copiii pre-adolescenți care au reușit să mențină pierderea în greutate pot avea un nivel mult mai ridicat de bogăție de specii decât părinții lor. Într-adevăr, biodiversitatea microbiomului GI al copiilor pre-adolescenți sănătoși cu vârsta cuprinsă între 6-12 ani este mult mai mare decât cea a adulților sănătoși care trăiesc în același oraș [6]. Cu cât biodiversitatea este mai mare, rezistența ecosistemului este mai mare pentru a se recupera sau a se adapta la perturbații. În schimb, pierderea bogăției speciilor în microbiomul GI este o constatare obișnuită în mai multe stări de boală.

Din păcate, diversitatea alimentară s-a pierdut în ultimii 50 de ani din cauza presiunilor economice pentru o producție mai mare de alimente pentru a sprijini o populație mondială în creștere. Această scădere a agrobiodiversității sau scăderea creșterii diverselor soiuri de plante comestibile și a raselor de animale are loc într-un ritm incredibil. Potrivit Organizației pentru Alimentație și Agricultură a Națiunilor Unite [16], 75 la sută din diversitatea genetică a plantelor s-a pierdut, întrucât fermierii din întreaga lume și-au lăsat multiplele soiuri locale pentru soiuri uniforme genetic, cu randament ridicat. Din 250.000 până la 300.000 de specii de plante comestibile cunoscute, oamenii folosesc doar 150 - 200. Șase rase de animale se pierd în fiecare lună în favoarea practicilor de producție ridicate. Astăzi, 75% din alimentele lumii sunt generate doar de 12 plante și cinci specii de animale.

Practicile agricole de utilizare a antibioticelor ca promotori de creștere pentru păsările de curte, porcine și bovine restrâng și mai mult microbiomul GI. FDA aprobă utilizarea antibioticelor pentru creșterea animalelor, deoarece astfel de niveluri scăzute în carcasă nu produc niveluri semnificative de sânge la om după ingestie. Cu toate acestea, microbiomul GI este expus la antibiotice, care nu a fost apreciat atunci când medicamentele au fost aprobate ca promotori de creștere. Într-adevăr, o astfel de expunere poate produce modificări taxonomice și funcționale substanțiale în microbiomul GI [17]. Practicile agricole pentru culturi se bazează pe utilizarea pesticidelor pentru a proteja plantele de influențe dăunătoare, cum ar fi buruienile, ciupercile și insectele. La fel ca utilizarea antibioticelor ca promotori de creștere, pesticidele reziduale din culturile alimentare pot fi suficiente pentru a modula microbiomul GI atunci când sunt consumate. Această practică ar putea, de asemenea, să afecteze propriul sistem de apărare al plantei, eliminând necesitatea ca planta să producă fitoalexine [18]. Fitoalexinele pot furniza micronutrienți cheie care extind microbiomul GI atunci când sunt ingerate [19]. Astfel, presiunile economice forțează practicile agricole care au limitat bogăția microbiomului GI în ultimul secol.

Deoarece energia micro- și macro-nutrienților poate fi convertită de către locuitorii microbiomului GI în molecule noi care interacționează cu gazda, cu cât este mai mare repertoriul de semnale, cu atât este mai probabilă capacitatea de a menține homeostazia atunci când este perturbat aportul alimentar. Acest lucru este bine ilustrat de Wang și colab. [26], [27]. Fosfatidilcolina, bogată în alimente precum crustacee, ouă, lapte, carne roșie și carne de pasăre, este transformată de microbi intestinali în trimetilamină (TMA), care este absorbită eficient de gazdă și oxidată la trimetilamina-N-oxid asociată cu aterosclerotica (TMAO) [26]. Cu toate acestea, inclusiv alimentele dietetice comune dietelor mediteraneene precum oțetul balsamic, vinul roșu, uleiul de măsline extra virgin presat la rece sau uleiul de semințe de struguri conține un inhibitor al producției de TMA [27].

Ecosistemele microbiene GI stabile, diverse și sănătoase sunt o componentă importantă de luat în considerare atunci când se utilizează dieta pentru a perturba sistemele fiziologice în modelele animale de boală și este un aspect adesea trecut cu vederea. Un model obișnuit pentru studierea obezității și rezistenței la insulină este unul în care dieta este trecută de la o dietă chow de bază la o dietă „occidentală” sau „bogată în grăsimi” cu o predominanță a grăsimilor și a zahărului. Concluziile se bazează de obicei pe trecerea la dieta densă de calorii. Cu toate acestea, dietele chow sunt clasic mai diverse. Acestea conțin macronutrienți din multe surse, cum ar fi grâu integral, făină de soia decorticat, porumb măcinat, grăsime animală și zer condensat (de exemplu, dieta Purina 5015 Mouse). O dietă obișnuită folosită pentru a induce obezitatea la șoarece este mult mai puțin diversă, cum ar fi Research Diets D12492, care conține cazeină ca sursă de proteine, amidon de porumb și zaharoză ca carbohidrat și untură ca sursă de grăsime. Pierderea biodiversității alimentare poate fi o componentă importantă pentru dezvoltarea obezității, care este asociată cu o îngustare a diversității microbiomului GI [34].

Indiciile pentru rezolvarea unui alt mister medical sunt derivate din acizi biliari secundari care sunt rezultatul procesării microbiotei GI. Procedurile bariatrice, cum ar fi bypassul gastric Roux-en-Y (RYGB) și gastrectomia cu mânecă verticală (VSG) sunt asociate cu îmbunătățiri considerabile ale comorbidităților obezității rapid după procedură și înainte de pierderea semnificativă în greutate. Rezultatele din RYGB [38] și VSG [39] par a fi legate de semnalizarea acidului biliar prin receptorul farnesoid X (FXR) - pentru a regla sistemele fiziologice și, de asemenea, pentru a crește permeabilitatea intestinului prin reducerea barierei mucoasei. Acum este clar că diversitatea acidului biliar depinde de diversitatea microbiană a intestinului [40], [41]. Extinderea diversității grăsimilor alimentare (de exemplu, acizii grași saturați, monosaturați și polinesaturați) poate schimba diversitatea microbiomului [42] și astfel reglează diversitatea acidului biliar.

Cercetări suplimentare privind extinderea bogăției microbiene intestinale prin diversitatea dietetică ar putea extinde conceptele în nutriția sănătoasă, să stimuleze descoperirea de noi diagnostice și să deschidă noi posibilități terapeutice. În viitor, un adult care caută tratament pentru obezitate poate fi anchetat cu privire la preferințele alimentare și să prezinte un specimen de scaun. Terapia cu scăderea în greutate poate începe cu un plan dietetic specific pentru a vedea că bogăția microbiomului GI al unei persoane ca preludiu la tratamentele obezității pentru a menține o scădere în greutate pe o perioadă lungă de timp, așa cum este cazul copiilor preadolescenți cu operație de obezitate și obezitate. Într-adevăr, intervențiile dietetice personalizate pe termen scurt bazate pe un microbiom GI personalizat pot îmbunătăți reglarea glicemiei postprandiale în prediabetică și T2D [14]. Deja a fost dezvoltat și testat un modulator de microbiom GI (GIMM) pentru a trata prediabetul [43], ceea ce deschide noi căi de descoperire a medicamentelor.

Conflict de interese

MLH este angajat al MicroBiome Therapeutics. FLG face parte din consiliul consultativ clinic și deține opțiuni de acțiuni în Microbiome Therapeutics.