Microbiotă bună și obezitate
Kyle J. Wolf
un Departament de Microbiologie la Universitatea Alabama din Birmingham
Robin G. Lorenz
un Departament de Microbiologie la Universitatea Alabama din Birmingham
b Departamentul de patologie de la Universitatea Alabama din Birmingham
Abstract
Epidemia actuală de obezitate are în mod clar multe cauze, inclusiv impactul lumii noastre moderne atât asupra dietei, cât și asupra stilului nostru de viață/activității fizice. Deși au fost recomandate multe intervenții, prevalența obezității continuă să crească și a forțat o reevaluare a intervențiilor potențiale care ar putea avea un impact. În ultimii ani s-a demonstrat definitiv că microbiota din tractul gastro-intestinal este modificată la persoanele obeze. Datele recente oferă o potențială înțelegere mecanicistă a interacțiunilor dintre microbiotă și obezitate și permit propunerea de noi intervenții potențiale pentru controlul obezității.
Introducere
În prezent, există o epidemie de obezitate în Statele Unite, cel mai recent studiu arătând o prevalență de 32,2% în rândul bărbaților adulți și de 35,5% în rândul femeilor adulte [1]. Factorii semnificativi ai acestei epidemii sunt dietele noastre, care sunt din ce în ce mai bogate în carbohidrați și grăsimi, și lipsa noastră de activitate fizică [2]. Deși critici, acești factori nu sunt în mod clar întreaga poveste; în 2004, Bäckhed și colab. [3] a propus un mecanism suplimentar care să implice microbiota gastrointestinală (GI).
Populația rezidentă a microbiotei este o parte esențială a dezvoltării și maturității căii intestinale a gazdei și a sistemului imunitar și, prin urmare, a ajuns să fie considerată de unii un organ virtual cunoscut sub numele de microbiom [4]. Microbiomul intestinal este totalitatea microbilor (bacterii, viruși etc.), a elementelor lor genetice (genomi) și a interacțiunilor de mediu în cadrul pistei GI. Acest microbiom conține de peste 10 ori mai multe organisme decât numărul de celule dintr-un corp uman, dar, spre deosebire de alte organe, compoziția sa este oarecum instabilă. Populațiile rezidente de bacterii pot fi modificate în decurs de 24 de ore de la schimbarea dietei; prin urmare, obținerea unei imagini unificate a microbiomului poate fi o propunere provocatoare [5].
Implicarea microbiotei intestinale în epidemia de obezitate a fost sugerată mai întâi de faptul că șoarecii C57BL/6 fără germeni adulți (adică fără bacterii) au avut o creștere cu 60% a conținutului de grăsime corporală atunci când au fost convenționați (adică, colonizat) cu microbiota cecală de la un șoarece C57BL/6 sănătos și normal [3]. Sa presupus că mecanismul pentru această creștere a conținutului de grăsime corporală include faptul că microbiota ar avea capacitatea de a regla recoltarea de energie din componentele alimentare și, prin urmare, de a modifica stocarea de energie în gazdă. De la acea publicație originală din 2004, au existat acum 138 de publicații de date primare și 60 de recenzii care au fost găsite printr-o căutare PubMed pentru obezitate și microbiotă. Aceste publicații au condus la propunerea a trei mecanisme unice prin care microbiota poate avea impact asupra obezității gazdei, iar acestea sunt discutate în această revizuire.
Abordări experimentale ale studiului microbiomului
Studiul microbiomului intestinal este unic printre sistemele de organe, deoarece microbiomul poate fi aruncat și completat și există posibilitatea unică de a studia acest „organ” pe perioade lungi de timp prin obținerea de probe fecale de la un singur individ. Acest tip de analiză a condus la conceptul de „enterotipuri” ale microbiomului intestinal și datele recente de la 22 de indivizi au indicat un număr limitat de stări simbiotice gazdă-microbiene care ar putea răspunde diferit la diete [6]. Cu toate acestea, datele din probele fecale trebuie interpretate cu precauție, deoarece mai multe grupuri au indicat faptul că comunitățile de microbiote fecale diferă de bacteriile asociate mucoasei din tractul GI [7, 8]. Deoarece tehnicile de studiu, măsurare și modificare a microbiomului sunt oarecum unice în domeniu și uneori nu se încadrează în repertoriul obișnuit de abilități pe care alți biologi le-ar folosi, am detaliat câteva abordări experimentale în această revizuire.
Cultura și identificarea bacteriilor
Cultura și identificarea bacteriilor au fost utilizate pe scară largă pentru a identifica componentele bacteriene patogene sau rezidențiale ale fecalelor sau țesutului [9]. Această metodă utilizează practici de identificare fenotipică de lungă durată, cum ar fi motilitatea, forma, structura coloniei și utilizarea zahărului/metabolitului. Cu toate acestea, multe specii rămân nedefinite, deoarece în prezent nu există o metodă cunoscută pentru cultivarea acestor grupuri în afara tractului intestinal și, din acest motiv, au fost dezvoltate metode mai avansate folosind amplificarea nucleotidică.
Hibridizarea fluorescentă in situ
Hibridizarea in situ a fluorescenței (microscopie-FISH) a fost utilizată istoric pentru a identifica bacteriile prezente în secțiuni de țesut fără purificare a acidului nucleic. Pe scurt, sondele bazate pe acid nucleic radioactiv sau fluorescent care vizează ARN ribozomal 16S sunt utilizate pentru a pătrunde probele histologice conservate și pentru a permite vizualizarea unor organisme specifice [10]. Această procedură are avantajul localizării precise a bacteriilor, dar nu dă rezultate cantitative. O metodă mai nouă care combină FISH cu citometrie în flux (FCM-FISH) nu mai permite localizarea țesuturilor, dar atunci când este combinată cu pete de ADN este o metodă rapidă, fiabilă și cantitativă pentru analiza probelor de bacterii mixte în fecale [11].
Reacție în lanț cantitativă în timp real a polimerazei
Reacția în lanț cantitativă în timp real a polimerazei (qRT-PCR) este o a doua metodă pentru enumerarea numărului de bacterii prezente în fecale (sau probe de țesut), dar se bazează pe extracția acidului nucleic din probe. qRT-PCR are o sensibilitate și o reproductibilitate foarte ridicate și este foarte rapid de realizat [12]. La fel ca în cazul FISH, microorganismele specifice sunt detectate pe baza sondelor specifice secvenței, dar numai organismele cu secvențe cunoscute pot fi cuantificate.
Electroforeza cu gradient de denaturare a gelului și 454 piroza secvențierea
Există două metode pe bază de acid nucleic care pot identifica organisme necunoscute și neculturabile. Electroforeza pe gel cu gradient de denaturare (DGGE) este o metodă de creare a unei imagini fizice a diversității bacteriene printr-un gel de denaturare bidimensional (2D). ADN-ul este amplificat și separat pe gelul 2D, unde produsele amplificate migrează conform conținutului de G: C și sunt vizualizate ca benzi unice pe gel [13]. Bacteriile pot fi identificate printr-o combinație de purificare a ADN-ului din gel și metode de secvențiere Sanger [14]. Deși metodele de secvențiere Sanger pot fi utilizate pentru a identifica numeroase secvențe bacteriene în probe GI, noua tehnologie de pirozecvențare cu randament ridicat oferă o metodă mai rapidă și mai rentabilă pentru analiza microbiomului total. 454 Pirosequencing este o metodă care diferă de secvențierea tradițională prin faptul că nu măsoară terminarea lanțului, ci se bazează pe detectarea eliberării pirofosfatului la încorporarea nucleotidelor. Această metodă a fost acum combinată cu o nouă abordare a codului de bare, care permite secvențierea simultană a mai multor probe individuale [15, 16].
Abordare metatranscriptomică și rezonanță magnetică nucleară
Utilizarea acestor tehnici rapide și extinse de secvențiere a relevat diversitatea enormă a microbiotei GI și natura sa care se schimbă rapid [5, 17]. Prin urmare, studii recente au combinat aceste metode cu analiza expresiei genelor bacteriene. Această abordare metatranscriptomică a identificat un „microbiom de bază” la expresia genei, mai degrabă decât la descendența organismului, care este asociat cu obezitatea [17, 18]. O a doua metodă de analiză a funcției acestui „microbiom de bază” este prin metabolomică. Rezonanța magnetică nucleară (RMN) poate fi utilizată pentru a măsura molecule foarte mici, cum ar fi aminoacizii individuali, carbohidrații și lipidele/acizii grași. Prin utilizarea proprietăților magnetice unice de la fiecare moleculă, RMN măsoară radiația magnetică dintr-o probă și este capabilă să măsoare sute de molecule. Acest lucru este optim atunci când se încearcă măsurarea moleculelor mici fie din ser, fie chiar din fecale [19]. Folosind acest tip de tehnică, metaboliții microbieni generați în timpul fermentării colonice a alimentelor pot fi determinați și se poate determina impactul lor ulterior asupra metaboliților din sânge și țesuturi [20-22].