Динаміка мікробіоти кишечника людини та коротколанцюгових жирних кислот у відповідь на дієтичні втручання

АНОТАЦІЯ

Виробництво коротколанцюгових жирних кислот (SCFA), особливо бутирату, в мікробіомі кишечника необхідне для оптимального здоров'я, але часто обмежується відсутністю ферментованої клітковини в раціоні. Ми спробували збільшити виробництво бутирату, доповнивши дієти 174 здорових молодих людей протягом 2 тижнів стійким крохмалем із картоплі (RPS), стійким крохмалем з кукурудзи (RMS), інуліном з кореня цикорію або доступним контролем кукурудзяного крохмалю. RPS призвів до найбільшого збільшення загальної кількості SCFA, включаючи бутират. Хоча більшість мікробіомів реагували на RPS збільшенням відносної чисельності біфідобактерій, ті, хто відповів збільшенням Ruminococcus bromii або Clostridium chartatabidum, з більшою ймовірністю давали більш високі концентрації бутирату, особливо коли їх мікробіоти були заповнені популяціями бутиратів отримуючи вид Eubacterium прямокутний. Ефективна ефективність та інулін викликали різні зміни у фекальних спільнотах, але вони не призвели до значного збільшення рівня бутиратів у фекаліях.

ЗНАЧЕННЯ Ці результати показують, що не всі зброджувані волокна однаково здатні стимулювати вироблення SCFA, і вони підкреслюють важливість складу мікробіоти окремої людини у визначенні того, реагують вони на певну дієтичну добавку чи ні. Зокрема, R. bromii або C. chartatabidum можуть знадобитися для посиленого виробництва бутирату у відповідь на RS. Біфідобактерії, хоч і володіють здатністю розкладати РС та інулін, можуть не сприяти бутирогенному ефекту цих ферментованих волокон в короткостроковій перспективі.

ВСТУП

Коротколанцюгові жирні кислоти (СКЖК) є основними кінцевими продуктами бактеріального бродіння в товстій кишці людини і, як відомо, мають широкий вплив на фізіологію господаря. Бутират, зокрема, важливий для підтримання здоров'я за допомогою регуляції імунної системи (1), підтримки епітеліального бар'єру (2, 3) та сприяння насиченню після прийому їжі (4). Він може захищати від кількох захворювань, включаючи колоректальний рак (5), запальні захворювання кишечника (6), хворобу трансплантат проти господаря (7), діабет (8) та ожиріння (8, 9). Тому стимулювання вироблення бутиратів мікробіомом товстої кишки може бути корисним для підтримки здоров’я та лікування захворювань.

Розуміння бутирогенного ефекту цих добавок та конкретних кишкових бактерій є важливим для розробки більш широко ефективної терапії та прогнозування того, які особи можуть скористатися ними. Більш загально, визначення метаболічних взаємодій між мікробами кишечника покращує наше розуміння збірки, підтримання та виходу з мікробіома кишечника.

Запропонована модель метаболітів та мікробів, які каталізують потік вуглецю від стійких полісахаридів до бутирату. Існують культивовані штами мікробіому кишечника, які мають метаболічну активність, запропоновану для перелічених видів.

Ці відомі деградери та виробники бутиратів були призначені для оцінки в цьому дієтичному втручанні, але ми також проаналізували всю спільноту калових бактерій, щоб виявити будь-які організми, які раніше не були пов'язані з метаболізмом цих ферментованих волокон. Ми спробували вирішити чотири основні проблеми.

Чи стимулюють три стійкі полісахариди вироблення бутирату в цій популяції здорових молодих людей? Якщо так, чи мають вони подібний вплив на виробництво бутиратів?

Які бактерії кишечника реагують на ці харчові добавки, збільшуючи відносну кількість? Чи можемо ми визначити будь-які види, які несподівано постраждали? Чи однакові бактерії впливають на всі три добавки?

Чи можемо ми знайти будь-які докази селективності або в субстратах, що використовуються первинними деградаторами, або у виробників бутиратів, яких вони схрещують з кормами?

Чи пояснюють зміни у відносній кількості первинних деградаторів та виробників бутиратів різницю в концентраціях бутиратів у людей?

РЕЗУЛЬТАТИ

Вплив на коротколанцюгові жирні кислоти. Спочатку ми дослідили вплив кожної добавки на концентрацію SCFA у калі. І RPS, і інулін суттєво збільшували загальні концентрації SCFA на 32% та 12% відповідно (обидва P Переглянути цю таблицю:

Переглянути вбудований
Переглянути спливаюче вікно

Концентрація SCFA в калі до та під час дієтичних добавок a

Найбільш уражені бактеріальні популяції. Послідовності, які найбільше змінилися, були ідентифіковані за співвідношенням їх відносної чисельності під час добавки до їх відносної кількості перед добавкою (рис. 2). Більшість послідовностей, які значно збільшились у відносному достатку, були від видів, які вже відомі, що розкладають стійкі полісахариди. RPS збільшив відносну чисельність послідовностей B. faecale/adolescentis/stercoris у 6,5 разів (P Anaerostipes hadrus (рис. 2; див. Також таблицю S1C у додатковому матеріалі). Жодна популяція бактерій суттєво не змінилася у відповідь на доступну добавку крохмалю (рис. . 2; також див. Таблицю S1D у додатковому матеріалі).

ТАБЛИЦЯ S1

Цей вміст розповсюджується на умовах ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International.

Середні кратні зміни відносного ряду послідовностей, що представляють вибрані первинні (1 °) деградатори стійких полісахаридів та вторинні (2 °) бутиратні ферментатори у відповідь на дієтичні добавки (*, P Clostridium chartatabidum. Обидва вважаються первинними деградаторами (пунктирна дужка) ) на основі динаміки їх реакції на дієтичні добавки. Графіка вправо показує середню відносну чисельність кожного виду до добавок клітковини.

Пари мікробів, які послідовно реагували позитивно (червоний) або негативно (синій) на дієтичні добавки. Співвідношення між змінами в чисельності первинних деградерів та виробників бутирату розраховувались за допомогою комбінованого набору даних, що включає відповіді на всі добавки.

Позитивна залежність між концентрацією бутирату в калі та відносною кількістю послідовностей, що характеризуються як E. прямокутник як до, так і під час дієтичного вживання з RPS.