Metabolomica comparativă la vegani și omnivori relevă constrângeri asupra intestinului dependent de dietă
Consumul unei diete agrare pe bază de plante este asociat cu beneficii pentru sănătate.
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