Регулятори моторики кишечника, виявлені за допомогою гнотобіотичної моделі взаємодії дієти та мікробіому

Нееленду Дей

1 Центр наук про геном та системну біологію, Медичний факультет Університету Вашингтона, Сент-Луїс, Міссурі, 63108, США

2 Центр мікробіомів та досліджень харчування кишечника, Медичний факультет університету Вашингтона, Сент-Луїс, MO 63108, США

3 Медичний факультет, Медична школа Вашингтонського університету, Сент-Луїс, Міссісісі 63108, США

Вітас Е. Вагнер

1 Центр наук про геном та системну біологію, Медичний факультет Університету Вашингтона, Сент-Луїс, Міссісісі 63108, США

Лора В. Блантон

Джиє Ченг

Луїджі Фонтана

3 Медичний факультет, Медична школа Вашингтонського університету, Сент-Луїс, Міссісісі 63108, США

Рашидул Хаке

4 Центр харчування та продовольчої безпеки, Міжнародний центр досліджень діарейних захворювань, Дакка 1212, Бангладеш

Тахмед Ахмед

Джеффрі Гордон

Пов’язані дані

РЕЗЮМЕ

Щоб зрозуміти, як різні дієти, мікробіота кишечника споживачів та кишково-кишкова нервова система (ENS) взаємодіють для регулювання моторики кишечника, ми розробили модель гнотобіотичної миші, яка імітує короткочасні зміни в харчуванні, які трапляються, коли люди їдуть у місця з різними кулінарними традиціями . Вивчаючи тварин, яким трансплантували мікробіоти людям, що представляють кожну кухню, і годували послідовність дієт, що представляють дієти всіх донорів, ми виявили, що кореляція між чисельністю видів бактерій та часом транзиту залежить від дієти. Однак рівні некон'югованих жовчних кислот, що відображають активність мікробної солі жовчної гідролази, корелюють із швидшим транзитом через дієти, включаючи дієту Бангладеш. Миші, що містять консорціум послідовних бактеріальних штамів з мікробіоти донора Бангладеш і харчуються бангладешською дієтою, виявили, що часто використовувана пряність куркума уповільнює час транзиту. Куркума впливає на рухливість кишечника через бактеріальну декон'югацію жовчної кислоти та модуляцію сигналів Ret в ЕНС. Ці результати демонструють, як один харчовий інгредієнт взаємодіє з функціональною ознакою мікробіоти для регулювання фізіології господаря.

Графічний реферат

ВСТУП

На рухливість кишечника, ключовий фізіологічний параметр, що регулює травлення та засвоєння поживних речовин, впливає дієта (Cummings et al., 1976, 1978), мікроби кишечника (Husebye et al., 1994, 2001; Wichmann et al., 2013), кишкової нервової системи (ENS) (Edery et al., 1994; Romeo et al., 1994) та генетики господаря (Levy et al., 2000; Whorwell et al., 1986). В даний час ми не маємо детального розуміння складних та динамічних взаємозв’язків між цими факторами, особливо у глобальному контексті різноманітних культурних традицій, що стосуються харчових продуктів, їх методів приготування та різноманітної мікробіоти людської кишки, яка склалася в цих дієтичних умовах. Час кишкового транзиту, виміряний у> 1000 здорових осіб, що представляють різноманітні популяції у всьому світі, різнився в межах груп та між групами, що, ймовірно, відображає кульмінацію цих факторів (Burkitt et al., 1972). Поява незалежних від культури методів характеристики структури та виражених функцій мікробіоти кишечника створює можливість виявити нові підходи до розуміння моторики кишечника та оптимізації харчових переваг, отриманих з різних дієтичних практик.

РЕЗУЛЬТАТИ

Моделювання змін дієти та моторики, пов’язаних із глобальними подорожами людини у гнотобіотичних мишей

На першому плані хмари слів передають конкретні використовувані інгредієнти: розміри шрифтів зображують пропорційні зображення інгредієнтів на основі ваги в межах кожної дієти. Кругові діаграми на задньому плані представляють високомолекулярні композиції. Див. Також таблицю S1.

Об'єднання даних усіх тварин у всі часові моменти цього 6-фазного експерименту подорожей виявило нормальний розподіл часу транзиту (рис. 2С). Середня дисперсія між мишами протягом експерименту становила 27,7 хвилин, тоді як середня дисперсія між мишами в даний момент часу становила 29,3 хвилини. Повторні заходи ANOVA, в яких час транзиту був залежною змінною, продемонстрували, що дієта (p = 5,6 × 10 −5), мікробіота донора (p = 2,3 × 10 −3) та взаємодія дієти та мікробіоти (p = 2,6 × 10 −3) - усі суттєві фактори (таблиця S3A). Найбільш протилежний вплив дієти на мікробіоти на час транзиту був задокументований у мишей, колонізованих у Бангладеш, порівняно з необмеженою мікробіотою США, коли вони споживали бангладешські та первинні дієти (Рисунок 2D). Зокрема, миші, колонізовані з необмеженою мікробіотою США, мали значно швидшу рухливість (тобто менший час транзиту) при споживанні бангладешської дієти порівняно з первинною дієтою (p −5, F = 19,8, ANCOVA), хоча розмір ефекту та статистична значимість відмінностей у час транзиту варіюється від окремого донора мікробіоти (рис. S1B, таблиця S2B).

Співвідношення між відносною кількістю штамів бактерій кишечника та часом транзиту залежить від дієти

Щоб визначити взаємозв'язок між конкретними бактеріальними таксонами, дієтою та фенотипами часу транзиту, ми секвенували амплікони ПЛР, генеровані з області V4 бактеріальних генів 16S рРНК, присутніх у мікрофенолах калу, зібраних протягом 6-фазних та 3-фазних експериментів подорожей (984 зразки калу; 22 470 ± 630 зчитувань на зразок [середнє значення ± сем]; таблиця S4). Зчитування 16S рРНК було згруповано в оперативні таксономічні одиниці залежно від того, чи поділяють вони ≥97% ідентичності послідовності нуклеотидів (97% ID OTU). Аналіз основних координат (PCoA) на основі незваженої UniFrac, філогенетичної метрики, яка обчислює схожість між будь-якими двома мікробіоти на основі ступеня, в якому їх компоненти OTU ділять довжину гілок на бактеріальному дереві (Lozupone and Knight, 2005), показав, що збори громади були швидкий і високовідтворюваний у даній групі мишей, які отримували однакову донорську мікробіоту як в 6-фазному, так і в 3-фазному експериментах (рис. S2A, C).