microbiomilor

  • obiecte
  • abstract
  • Fundal:
  • metode:
  • rezultatele:
  • concluzie:
  • introducere
  • Materiale și metode
  • Studiul populației
  • Evaluarea creșterii în greutate și a greutății
  • Aportul de fibre și acizi grași saturați
  • Analiza microbiotei
  • analize statistice
  • Rezultatul
  • Diversitate alfa
  • Abundențe OTU care sunt asociate cu creșterea în greutate pe termen lung
  • discuţie

obiecte

abstract

Fundal:

Studiile transversale sugerează că microbii din intestinul uman joacă un rol în obezitate prin afectarea capacității corpului uman de a extrage și stoca calorii. Scopul acestui studiu a fost de a evalua dacă există o corelație între modificările greutății corporale în timp și compoziția microbiomilor intestinali.

metode:

Am analizat datele secvenței genei ARN ribozomal 16S derivate din probe de scaun de la 1632 de femei sănătoase din TwinsUK pentru a examina asocierea dintre microbiomul intestinal măsurat în secțiune transversală și creșterea în greutate longitudinală (ajustată pentru aportul caloric și indicele de masă corporală de bază). Aportul de fibre alimentare a fost investigat ca un posibil modificator.

rezultatele:

Mai puțin de jumătate din modificările modificării greutății pe termen lung s-au dovedit a fi ereditare (h2 = 0,41 (0,41, 0,47)). Diversitatea microbiotei intestinale a fost asociată negativ cu creșterea în greutate pe termen lung, în timp ce a fost corelată pozitiv cu aportul de fibre. Nouă unități taxonomice bacteriene operative (OTU) au fost semnificativ asociate cu creșterea în greutate după ajustarea covariabilă, legătura familială și testarea multiplă (rata de descoperire falsă 1) Pe de altă parte, mecanismele biologice care susțin creșterea sau pierderea în greutate pe termen lung, Unele studii au sugerat că contribuția genetică la creșterea în greutate 2 și eficiența metabolică 3 în timp, dar și faptul că factorii genetici joacă un rol important în creșterea în greutate.

Factorii de risc tradiționali pentru obezitate și creșterea în greutate sunt aportul caloric excesiv, 4 activitate fizică scăzută 5 și eficiență metabolică scăzută. Studiile pe animale și studiile observaționale transversale la om au sugerat, de asemenea, un rol pentru compoziția microbiomului intestinal, 7, 8, 9, 10, 11, în special lipsa diversității microbiene. 8

Termenul microbiom se referă la materialul ADN al comunităților microbiene la un animal. Oamenii au aproximativ 100 de trilioane de intestine care produc o gamă largă de enzime, substanțe chimice, hormoni și vitamine și pot interacționa cu corpul lor. În condiții fiziologice, există un echilibru între bacteriile intestinale și gazdă. Studiile au arătat că perturbarea acestui sistem complex (disbioză) și diversitatea scăzută a speciilor sunt asociate cu obezitatea. 7, 12, 13 șoareci fără microorganisme care primesc microbiotice transplantate de la donatori obezi au câștigat în greutate de două ori mai mult decât șoarecii fără microorganisme care primesc microbiotice de la donatori săraci. 9 La om, un studiu recent al grupului nostru a constatat că prezența unei anumite specii bacteriene (Christensenellaceae) este asociată cu un indice de masă corporală mai scăzut (IMC) și că administrarea acestui microb la șoareci a dus, de asemenea, la o creștere mai mică în greutate. 14

Cercetările au arătat că cel mai mare impact asupra microbiomului intestinal provine din alimente și capacitatea oamenilor de a extrage și stoca calorii din alimente, deoarece grăsimile sunt cel puțin parțial afectate de microbii intestinali. 9 Bacteriile intestinale formează acizi grași cu lanț scurt prin fermentarea fibrelor alimentare, crescând astfel sensibilitatea la insulină și oxidarea acizilor grași. Prin urmare, presupunem că diversitatea microbiană poate afecta relația observată între dietă și creșterea în greutate.

Cu toate acestea, există puține date despre efectele schimbării în greutate la om. O mai bună înțelegere a modificărilor microbiotei intestinale în combinație cu obiceiurile alimentare poate oferi informații cu privire la modul în care microbioticele intestinale contribuie la creșterea în greutate și dacă poate fi folosit ca o nouă țintă de diagnostic, prognostic și terapeutic în plus față de microbii specifici care pot fi asociați cu IMC. Scopul acestui studiu a fost de a evalua asocierea diversității microbiomului intestinal la adulți din cohorta 16 TwinsUK și modificările IMC în timp.

Materiale și metode

Studiul populației

Studenții erau gemeni înscriși în registrul TwinsUK, registrul național al gemenilor adulți care au fost admiși ca voluntari fără a alege o boală sau o trăsătură specifică. 16 Toți gemenii adoptați erau de același sex. Am analizat datele de la 1632 de femei de origine caucaziană cu IMC, care au fost evaluate în medie cu 9,09 (sd = 3, 45) ani distanță, aportul de calorii (derivat din chestionarele de frecvență a alimentelor (FFQ)) și activitatea fizică la momentul inițial și datele privind microbiomii în monitorizare.

Studiul a fost aprobat de Comitetul NRES Londra - Westminster și toți gemenii au oferit consimțământul scris în cunoștință de cauză.

Evaluarea creșterii în greutate și a greutății

Înălțimea și greutatea au fost măsurate folosind cântare standard de două ori în medie la 9,09 (sd = 3, 56) ani distanță. Valoarea IMC a fost calculată prin împărțirea greutății (în kg) la rădăcina pătrată (în metri). Modificarea IMC pe an a fost calculată în funcție de vârstă, sex, IMC de bază, aportul de calorii (derivat din FFQ) și activitatea fizică. Activitatea fizică a fost măsurată folosind un chestionar care a necesitat nivelul lor de activitate pe o scară Likert (niciuna, ușoară, moderată și intensă). Subiecții au fost clasificați pe baza acestor tetril. Grupul de creștere în greutate mare a fost definit ca terilul superior, în timp ce creșterea în greutate mică ca terilul inferior.

Aportul de fibre și acizi grași saturați

Aportul alimentar a fost estimat dintr-un FFQ validat cu 131 de puncte. 17 Fibrele și acizii grași saturați (g ziua -1) au fost derivați din baza de date a nutrienților din Marea Britanie 18, care a furnizat conținut alimentar în polizaharide fără amidon (NSP), determinat prin metoda Englyst. 19 În special, aportul de fibre și acizi grași saturați a fost estimat ca frecvența consumului fiecărui produs alimentar înmulțit cu conținutul de nutrienți al alimentelor pentru dimensiunea porției relevante. Înainte de analiză, aportul de fibre și acizi grași saturați a fost ajustat la aportul estimat de energie (kilocalorii). 20

Analiza microbiotei

analize statistice

Ereditatea modificării greutății longitudinale a fost estimată utilizând software-ul MX 25, care ajustează vârsta, sexul, fumatul, aportul de calorii și activitatea fizică. Am estimat ereditatea folosind modelarea ecuației structurale pentru a împărți varianța fenotipică observată în trei surse latente de variație: variație genetică aditivă (A), variație de mediu comună (C) și variație de mediu nepartajată/unică (E). 25 Efectele genetice suplimentare sunt indicate atunci când gemenii monozigoți sunt mai asemănători cu gemenii dizigotici. Componenta comună de mediu estimează contribuția mediului familial, care se presupune că este aceeași atât în ​​perechile monozigotice, cât și în cele dizigotice. 26 Componenta unică a mediului nu contribuie la similitudinea gemenilor, ci estimează mai degrabă efectele care se aplică numai fiecărui individ și includ o eroare de măsurare. Orice similitudine mai mare între gemenii monozigoți decât gemenii dizigotici este atribuită unei proporții mai mari de influențe genetice. Moștenirea este definită ca proporția variației fenotipice atribuibile unui factor genetic și este dată de ecuația h2 = (A)/(A + C + E).

Au fost efectuate regresii logistice aleatorii pentru a evalua capacitatea diversității microbiene intestinale de a prezice creșterea în greutate. Covariații au fost vârsta, sexul, fumatul, aportul de calorii, activitatea fizică, IMC inițial și relația cunoscută. Am repetat analiza modificării covariabilelor de mai sus, precum și utilizarea inhibitorilor pompei de protoni și a antibioticelor.

Regresiile liniare au fost, de asemenea, efectuate pentru a determina relația dintre fibrele dietetice și diversitatea microbiană, ajustând vârsta, IMC, aportul de calorii, rudenia familială și testarea multiplă.

Deoarece am presupus că diversitatea microbiană ar putea afecta relația dintre fibrele alimentare și creșterea în greutate, am repetat analiza împărțind eșantionul între cele aflate pe cel mai înalt teritoriu al diversității Shannon (o valoare care reprezintă abundența și uniformitatea speciilor) și cele din terțiarul inferior .

Regresiunile logistice au fost, de asemenea, utilizate pentru a examina asocierea dintre OTU și greutate, care a fost reajustată pentru covariabile, rudenie cunoscută și mai multe teste fals pozitive.

În cele din urmă, efectuăm o analiză parțială cel puțin pătrată discriminantă pe OTU pentru a identifica efectele creșterii în greutate și ale pierderii în greutate asupra comunității bacteriene utilizând pachetul R MixOmics. Pentru a evita supraaglomerarea, am evaluat performanța modelului folosind validarea încrucișată de zece ori pentru a calcula aria de sub curba operatorului receptorului.

Rezultatul

Caracteristicile demografice ale populației studiate sunt prezentate în Tabelul 1. Pe scurt, au existat 3718 indivizi cu date IMC pe termen lung, iar 1662 dintre aceștia, în principal femei cu o gamă largă de vârstă (20-74 ani la momentul inițial), au anii următori. sus. Analiza eredității a 25 (809 perechi monozigotice și 1050 perechi dizigotice) a constatat că modificarea longitudinală a greutății are o moștenire (h 2) de 0,41 (interval de încredere 95%: 0,31, 0,47), ceea ce înseamnă că 59% din varianță a fost nivelurile este nedefinit. componentă genetică comună.

Tabel în dimensiune completă

Apoi am continuat să investigăm contribuția diversității microbionului intestinal la acest fenotip.

Diversitate alfa

Persoanele din grupul de creștere în greutate au avut o diversitate semnificativ mai mică (P 27

Aportul de fibre dietetice este corelat pozitiv cu ratele de diversitate microbiană (Shannon: beta (se) = 0,01 (0,004), P = 0,002; Tabelul 2) și este negativ legat de riscul de participare la grupul de creștere în greutate mare (rapoarte de probabilitate (SAU) )) (se) = 0,977 (0,96 - 0,99), P = 0,007; Figura la). Asocierea rămâne chiar și după ajustarea pentru aportul de grăsimi saturate (OR = 0,978 (0, 96-0, 99), P = 0,03).

Graficul cutiei care arată relația dintre aportul de fibre și creșterea în greutate/scăderea în greutate ( A ) per total, ( b ) pentru indivizii din terțiarul inferior al indicelui diversității Shannon și ( c ) în terțiarul superior al indicelui diversității Shannon. Sunt, de asemenea, prezentate OR pentru creșterea în greutate pe gram pe zi de aport de fibre.

Imagine la dimensiune completă

Prin stratificarea eșantionului dintre cei din terțiarul superior al diversității Shannon și cei din terțiarul inferior, am constatat că aportul de fibre dietetice a fost asociat cu o creștere mai mică în greutate la indivizii cu diversitate mare de microbiomi intestinali (OR = 0,954 (0,92-0,98, 98 ), P = 0,003; Figura 1c). Un efect similar, deși nu semnificativ, a fost observat la indivizii din grupul cu diversitate de microbiomi cu vâscozitate scăzută (OR = 0,977 (0,94-1,01), P = 0,16). Asocierea dintre dieta fibrelor și diversitatea microbiomului a rămas semnificativă după ajustarea pentru aportul total de grăsimi saturate (beta = 0,012 (0,005), P = 0,02) și similar după ajustarea pentru aportul de proteine ​​(beta = 0,014 (0, 0046), P = 0,002) . Nu am găsit nicio corelație între aportul total de proteine ​​și diversitatea microbiană (beta = −0, 002 (0, 002), P = 0, 34).

Abundențe OTU care sunt asociate cu creșterea în greutate pe termen lung

Am identificat nouă OTU asociate în mod semnificativ cu creșterea în greutate longitudinală după ajustarea covariabilă și testarea multiplă folosind rata descoperirii false.

A ) Grafic parțial cu analiză discriminantă parțială bazată pe cantitățile relative de OTU din microbiota intestinală și relația lor cu creșterea în greutate și pierderea în greutate. b ) Grafic de analiză parțială a sarcinii bazat pe cantitățile relative de OTU din microbiota intestinală și relația lor cu creșterea în greutate și pierderea în greutate. OTU-urile cu efect de proiecție variabil (VIP)> 1 sunt afișate și colorate în funcție de familia lor respectivă.

Imagine la dimensiune completă

discuţie

În cel mai mare studiu realizat până în prezent, am profilat efectele diversității microbiomului intestinal și ale aportului de fibre dietetice asupra creșterii în greutate pe termen lung. Am arătat că creșterea în greutate pe termen lung este determinată doar parțial de compoziția genetică a individului și că diversitatea microbiomului intestinal scăzut este asociată cu o creștere în greutate mai mare în timp. Rezultatele noastre privind creșterea în greutate pe termen lung sunt în concordanță cu mai multe studii care au furnizat dovezi pentru o asociere între microbiomul intestinal și măsurătorile transversale ale greutății corporale. 7, 12, 13

Raportăm că diversitatea microbiană poate afecta relația observată între dietă și creșterea în greutate. Când am stratificat eșantionul dintre cei din diversitatea Shannon terțiară superioară și cei din terțiarul inferior, am constatat că aportul de fibre a fost semnificativ asociat cu un risc redus de a fi în grupul de creștere în greutate ridicat în rândul persoanelor din grupul cu diversitate microbiană ridicată, nu la persoanele cu diversitate microbiană scăzută.

De asemenea, am constatat că nouă OTU-uri sunt semnificativ asociate cu creșterea în greutate. Ajustarea la inhibitorul pompei de protoni și la antibiotice nu a modificat rezultatele. Există dovezi contradictorii privind semnăturile filogenetice în intestinele obeze umane, multe studii sugerând și crescând raportul Firmicutes: Bacteoridates, 13, 32, 33, 34, unele nu prezintă tendință și altele arată tendința opusă. 35, 36, 37 Aici, am constatat că din cele opt OTU care sunt semnificativ asociate cu un risc mai mic de creștere în greutate, șapte aparțin familiei Firmicutes, dintre care multe fac parte din genul Ruminococcaceae. Sugestia că acest raport poate să nu fie deosebit de informativ cu privire la rolul microbiomului în determinarea greutății corporale a fost deja făcută de alții. 38

Asocierea dintre unele specii de Ruminococcaceae și un risc mai mic de creștere în greutate și bacteroizi și un risc mai mare de creștere în greutate se poate datora pur și simplu corelațiilor lor (sau) pozitive și negative cu diversitatea microbiologică, deși în două cazuri OTU-urile rămân asociate cu adaptarea diversității.

La șoareci, microbioticele intestinale se schimbă în timpul suprimării obezității într-un mediu rece. Ruminococcaceae Adlercreutzia și Desulfovibrio 39 se numără printre bacteriile care cresc în timpul acestui proces. Astfel, este posibil ca Ruminococcaceae să fie asociată funcțional cu un fenotip slab, dar sunt necesare studii funcționale suplimentare pentru a evalua dacă acesta este cazul.

Într-un mic studiu de intervenție cu 33 de indivizi obezi, s-au găsit modificări semnificative ale microbiomilor, inclusiv o reducere a Faecalibacterium prausnitzii, cu pierderea în greutate la 4 luni. 40 Cu toate acestea, nu găsim nicio asociere semnificativă între Faecalibacterium prausnitzii și modificarea greutății pe termen lung în datele noastre, deși constatăm că Faecalibacterium prausnitzii se corelează transversal cu IMC mai mic (beta (se) = -0,54 (0, 11), P = 1, 4 × 10 −6) în conformitate cu legătura dintre apariția acestei specii în intestin și obezitate. Am observat că am studiat populația normală și nu grupul obez și că acest studiu a avut un eșantion mai mare și o perioadă de urmărire semnificativ mai lungă. Cu toate acestea, acest lucru sugerează că modificările microbiomului ca răspuns la pierderea în greutate pe o perioadă scurtă de timp (adică 4 luni) pot să nu reflecte diferențe în compoziția microbiomului asociate cu un risc mai mic de creștere în greutate pe parcursul mai multor ani.

Nu numai că creșterea în greutate se datorează în mare parte factorilor genetici 1, dar diversitatea microbiomului intestinal al unui individ este determinată doar parțial de compoziția genetică a gazdelor. Se estimează că moștenirea diversității microbiene intestinale variază de la 0, 30 la 0, 37, 21, ceea ce înseamnă că mai mult de 60% din variația diversității microbiene este determinată în mediu, iar cercetarea viitoare ar trebui să se concentreze pe înțelegere cum să crească diversitatea microbiană.

Rezultatele noastre sugerează, de asemenea, că efectul benefic al fibrelor asupra greutății poate fi mai pronunțat la persoanele cu diversitate microbiană mai mare, deși acest lucru poate reflecta cel puțin parțial faptul că indivizii care au fibre mai mari au o diversitate microbiană mai mare. Efectele sănătoase ale unui microbiom intestinal divers asupra mai multor fenotipuri au fost deja demonstrate la om într-o varietate de situații. Lucrările experimentale la animale au arătat că aportul de fibre reduce densitatea energetică a dietei și acizii grași cu lanț scurt rezultat promovează gluconeogeneza intestinală, producția de incretină și satietatea ulterioară, în timp ce acizii grași cu lanț scurt furnizează, de asemenea, energie gazdei și promovează liponeogeneza. 43 Datele noastre sugerează că creșterea diversității microbiene poate fi un rezultat de dorit în sine și că efectul aportului de fibre asupra creșterii reduse în greutate este mai pronunțat la persoanele cu diversitate microbiană mai mare.

Remarcăm, de asemenea, că rata de fibră utilizată aici se aplica doar pentru NSP total, deoarece o măsură mai cuprinzătoare nu era disponibilă. Potrivit British Nutrition Foundation din Marea Britanie, aportul mediu de NSP este de 12,8 g-1 pentru femei și 14,8 g-zi -1, cu un aport mediu recomandat de adulți de 18 g (NSP) pe zi. 47 Conform datelor noastre, aportul dietetic mediu este de 20 g NSP pe zi, ceea ce este, prin urmare, peste media națională și în conformitate cu recomandarea britanică de formulare națională.

În concluzie, acest studiu este prima corelație a compoziției și diversității microbiene intestinale cu ajustarea greutății pe termen lung (intenționată ca câțiva ani) datorită aportului de calorii. Este, de asemenea, unul dintre cele mai mari studii realizate până în prezent pentru a lega obezitatea de microbiomul la oameni. Datele noastre sunt de acord cu alte studii care susțin rolul compoziției microbiene în intestin în reglarea greutății corpului uman, care este în mare măsură determinată de mediu și independentă de aportul de calorii. Deoarece microbiomul intestinal este modificabil, credem că aceste rezultate ar trebui să crească interesul în concentrarea microbiomului asupra intervențiilor de control al greutății și ar trebui să sprijine cercetarea modificărilor longitudinale ale microbiomului în studii suficient de puternice.