Мікробіом кишечника, ожиріння та порушення обміну речовин

Герберт Тілг 1 та Артур Казер 2

1 Дослідницька лабораторія Крістіана Доплера з запалення кишечника, Медичний університет Інсбрук, Інсбрук, Австрія. 2 Відділ гастроентерології та гепатології, Медичний факультет, Кембриджський університет, Кембридж, Великобританія.

Адреса кореспонденції: Герберт Тілг, Крістіан Допплер Дослідницька лабораторія запалення кишечника, Медичний університет Інсбрук, Аніхштрассе 35, 6020 Інсбрук, Австрія. Телефон: 43.512.504.23374; Факс: 43.512.504.6723374; Електронна пошта: [email protected].

Опубліковано 1 червня 2011 р. - Докладніше

Поширеність ожиріння та пов'язаних з ним порушень, таких як метаболічний синдром, значно зросла у всьому світі. Нещодавнє розуміння породило абсолютно нову перспективу, яка припускає, що наша мікробіота може брати участь у розвитку цих розладів. Дослідження показали, що ожиріння та метаболічний синдром можуть бути пов'язані з глибокими мікробіотальними змінами, а індукція фенотипу метаболічного синдрому шляхом трансплантації калу підтверджує важливу роль мікробіоти у цій хворобі. Склад дієти та споживання калорій, здається, швидко регулюють мікробний склад та функції кишечника. Оскільки більшість висновків у цій галузі досліджень базуються на дослідженнях на мишах, відповідність людській біології вимагає подальших досліджень.

Поширеність ожиріння та пов'язаних з ним розладів метаболічного синдрому та діабету 2 типу (T2D) значно зросла у всьому світі за останні десятиліття. Ожиріння збільшує ризик багатьох інших захворювань, таких як атеросклероз, неалкогольна жирова хвороба печінки та деякі види раку. Недавнє дослідження дозволило припустити, що мікробна флора кишечника може відігравати важливу роль при ожирінні та пов'язаних з ним захворюваннях.

У кишечнику людини міститься надзвичайно складна, різноманітна та величезна мікробна спільнота, яку називають мікрофлорою кишечника або мікробіотою (1 - 4). За оцінками, мікробіота кишечника людини складається з щонайменше 10 14 бактерій та архей, що складаються приблизно з 1100 поширених видів, приблизно на 160 таких видів на одну особину. В цілому, за оцінками, мікрофлора містить у 150 разів більше генів, ніж наші власні геноми-господарі (5). Окрім того, що надає господареві значні корисні функції (наприклад, перетравлення неперетравних рослинних полісахаридів рослин), ця окрема екосистема має величезний потенціал для фізіологічних та патологічних взаємодій з господарем; наприклад, ми вже дізналися, що мікробіота рухає розвиток слизової та системної імунної системи та контролює регенерацію кишкового епітелію (6, 7).

Розвиток ожиріння та метаболічного синдрому є складним процесом, що включає генетичні фактори та фактори навколишнього середовища і пов’язаний із шляхами, що пов’язують метаболізм з імунною системою і навпаки (8 - 15). Важливі дослідження взаємозв'язку мікробної флори кишечника з ожирінням виявили глибокі зміни у складі та метаболічній функції мікробіоти кишечника у людей із ожирінням (16 - 19), які, здається, дозволяють "ожирілій мікробіоті" виділяти більше енергії з дієта (20). Більше того, ці дослідження продемонстрували, що мікробіота кишечника взаємодіє з епітеліальними клітинами хазяїна, щоб побічно контролювати витрачання та зберігання енергії (16).

Генетичні дослідження виявили декілька генів, які призводять до підвищеного ризику ожиріння, що в окремому випадку може мати порівняно помірний вплив на голод, ситість та споживання їжі (21 - 23). Однак ці незначні наслідки можуть посилитися в нинішніх умовах, коли в багатьох частинах світу протягом останніх десятиліть було доступно майже необмежену кількість їжі. У цій статті ми обговоримо сучасні дані про те, як мікробіота кишечника може відігравати глибоку роль у розвитку ожиріння та метаболічного синдрому, а отже, може сприяти епідемії ожиріння.

Нові молекулярні, незалежні від культури методики, засновані на послідовності мікробних ДНК, глибоко перетворили нашу здатність вивчати мікробні спільноти (24, 25). Ці методи продемонстрували, що мікробіота кишечника ссавців належить переважно до чотирьох бактеріальних видів: грамнегативних Бактероїдети і Протеобактерії і грампозитивні Актинобактерії і Фірма. Первинні дані про зміну мікрофлори, пов’язаної з ожирінням, були отримані в ході досліджень, які мали дефіцит лептину об/об модель миші. Секвенування 16S рРНК дистальної мікробіоти кишечника об/об миші, худі об /+, та брати та сестри дикого типу та їх об /+ матері, котрі харчувались однаковою дієтою, виявили це об/об миші демонструють значне зменшення чисельності Бактероїдети і пропорційне збільшення Фірма (17). Годування високожирною/полісахаридною дієтою генетично гризунів дикого типу призвело до подібних мікробних змін (26). Смутні фактори, що впливають на мікробний склад і функції, можуть включати дієту як таку (обговорюється нижче), використання антибіотиків (та інших препаратів), які суттєво зменшують бактеріальне різноманіття (27), і, можливо, наслідки, пов’язані з генетичним фоном моделей тварин (28).

Відповідно до моделей тварин, Ley et al. спостерігаються аналогічні відмінності зі збільшенням коефіцієнта Firmicutes/Bacteroidetes в дистальній мікробіоті кишечника при ожирінні людини (29). Інше дослідження продемонструвало це Фірма були домінуючими у худорлявих та ожирілих осіб та зменшились у 3 пацієнтів, які перенесли шунтування шлунка Roux-en-Y (30). На відміну від попередніх досліджень, Zhang et al. (30) описав це Prevotellaceae, підгрупа Бактероїдети, значно збагачуються ожирінням, знову піднімаючи потенційно важливу проблему дієти як незрозумілий фактор, оскільки пацієнти в дослідженні Лея (29) були або на дієті з обмеженим вмістом жиру, або з вуглеводами, тоді як у дослідженні Чжан дослідники не обмежувати дієтичні компоненти. В іншому дослідженні також описано зменшення Бактероїдети при ожирінні та збільшення Фірма (напр., Лактобактерії) (31). Вагітні пацієнти із зайвою вагою (24 тиждень) також мають зменшену кількість Біфідобактерії і Бактероїдети, тоді як збільшилася кількість певних Фірма (напр., Стафілокок) або Протеобактерії (напр., Enterobacteriaceae як от Кишкова паличка) були виявлені (32).

Подальші дослідження виявили додаткові складності, пов’язані з потенційним збільшенням врожаю енергії з дієти через мікробіоти із ожирінням, що викликаються дієтою або генетично (43). У цьому дослідженні автори показали, що і вік, і дієта є важливими факторами не тільки складу мікробіоти кишечника, а й його потенціалу для вилучення енергії. Експериментальні протоколи, що дозволяють колонізацію безмікробних мишей селективною флорою людини, є важливими для вивчення впливу різних дієт та інших незрозумілих факторів, таких як вік, на мікробіоти та їх наслідки для метаболізму господаря (44).

Мікробіота кишечника у дітей, які вживають сучасну західну дієту та сільську африканську дієту, може відрізнятися на тій же основі (47). Діти з Буркіна-Фасо продемонстрували значне збагачення в Росії Бактероїдети і виснаження Фірма, зі значним вмістом бактерій з роду Превотелла і Ксиланібактер, які, як відомо, кодують гени, що забезпечують гідроліз целюлози та ксилану. Ці африканські діти справді продемонстрували більший вміст коротколанцюгових жирних кислот (SCFA). Мікробіота кишечника у сільській Африці може дозволити людям максимізувати споживання енергії з клітковини, захищаючи від запалення та інфекції (47). Генетичні та екологічні фактори також могли суттєво сприяти різким відмінностям у складі мікробіомів кишечника, що спостерігаються у цих дітей.

Окрім дієти, генетичні та інші фактори навколишнього середовища можуть формувати мікробіоти кишечника. Бенсон та ін. виявив у мишей основну вимірювану мікробіоту з 64 таксономічних груп, яка варіювалась у більшості тварин, значною мірою залежачи від окремого генотипу хазяїна (48). У цьому дослідженні виявлено локуси кількісних ознак хазяїна, здатні контролювати окремі види мікробів. Складність факторів, що впливають на мікробіом кишечника на ранніх етапах життя, була переконливо продемонстрована в недавньому дослідженні Koenig et al. (49). Більшість "хаотичних зрушень" у мікробіомі були пов'язані з винятковими життєвими подіями, і що цікаво, види, що містять функціональні гени, що беруть участь у ферментації рослинних полісахаридів, були навіть до введення твердої їжі. Загалом, здається, філогенетичне різноманіття поступово розвивається з часом. Ці дослідження відповідають нещодавньому виявленню того, що близнюки із ожирінням і худими мають спільний мікробіом в гені, а не на рівні філу (40).

Однак залишається однозначно визначити, чи дійсно порушена функція шлунково-кишкового бар’єру при ожирінні людини. Насправді, нещодавнє дослідження на 13 осіб із ожирінням та на 11 контрольних суб'єктах не виявило доказів порушення бар'єрної функції, незважаючи на системно підвищений рівень С-реактивного білка, показник запалення (59). Потрібні подальші дослідження для кращого визначення цілісності епітелію при ожирінні людини та його потенційної ролі в мікробіоті.

Мікробіота регулює метаболічні функції господаря. Мікробіота контролює фізіологію господаря на різних рівнях. Мікробні продукти метаболізму, такі як SCFA, зв’язуються з GPCR на клітинах епітелію кишечника (наприклад, Gpr41 та Gpr43), щоб контролювати енергетичний баланс, частково через гормон Pyy, що походить з кишечника, а також контролювати запальну реакцію господаря. Активація Tlr5 (наприклад, через бактеріальний флагелін), імовірно, на епітеліальних або мієлоїдних клітинах глибоко впливає на структурний склад кишкової мікробіоти, що, в свою чергу, регулює апетит, збільшення ваги та чутливість до інсуліну за допомогою невідомих механізмів. Мікробні сигнали також регулюють вивільнення Fiaf з епітеліальних клітин кишечника, який діє як інгібітор Lpl і тим самим регулює периферичне накопичення жиру. За допомогою іншого невідомого механізму мікробіота також регулює показник енергії в печінці та м’язах за допомогою фосфорилювання Ampk. Glp2 визначає епітеліальну бар'єрну функцію, а герметичний бар'єр призводить до впливу та активації мієлоїдних клітин у відповідь на мікробні сигнали, такі як ендотоксин ліганду Tlr4. Fiaf, жировий фактор, спричинений голодуванням; Glp2, глюкагоноподібний пептид-2; Gpr41/43, рецептор, зчеплений з G-білком; Lpl, ліпопротеїн-ліпаза; Pyy, пептид YY; SCFA, коротколанцюгові жирні кислоти.

Інший шлях, який, як пропонується, враховує постійно худий фенотип безмікробних мишей на дієті з високим вмістом жиру, включає Ampk (39). Ampk є ключовим ферментом, що зберігається в організмі від дріжджів для людей і діє як покажчик рівня палива, який контролює стан клітинної енергії (64). Худий фенотип безмікробних мишей на західній дієті пов'язаний із підвищеним рівнем фосфорильованого Ampk в скелетних м'язах і печінці, підвищеним рівнем його цільових показників, задіяних в окисленні жирних кислот, таких як ацетил-КоА карбоксилаза або карнітин-пальмітоїлтрансфераза, знижений зберігання глікогену та підвищена печінкова чутливість до інсуліну (39). Отже, наша мікробіота може впливати на окислення жирних кислот скелетних м’язів через метаболічні шляхи, що залучають Ampk (рис. 1). Точний шлях, за допомогою якого мікробіота подає сигнал печінці або скелетним м'язам Ampk, незрозумілий, але, схоже, не залежить від Фіафа (39).

SCFA також діють як ліганди Gpr43 та Gpr43 -/- миші виявляються захищеними від ожиріння, спричиненого дієтою, та ожиріння та резистентності до інсуліну, принаймні частково через регульовані Gpr43 витрати енергії (70). Більше того, стимуляція Gpr43 SCFAs обмежує запалення на експериментальних моделях коліту, артриту та астми (71). Безмікробні миші, позбавлені SCFA через відсутність бактерій, які ферментували б харчові волокна, виявляли загострення запалення в цих моделях, подібне до Gpr43 -/- миші (71). Gpr43 може забезпечувати молекулярний зв’язок між дієтою, шлунково-кишковим бактеріальним метаболізмом та імунною та запальною реакцією (71) і, можливо, також може відігравати певну роль у канцерогенезі товстої кишки (72).

Таким чином, мікробіота кишечника впливає на витрати енергії господаря та метаболічні та імунні/запальні функції кількома шляхами. Кишковий епітелій знаходиться на межі взаємодії між середовищем, мікробіотою та господарем і відіграє значну і неабияку роль у всіх цих процесах.

Повідомлялося також про перенесення фенотипів хвороб через мікробіоти для коліту (83) та ожиріння (20). Захоплюючі трикутні взаємозв'язки між мікробіотою, вродженою імунною системою та метаболічною функцією дозволяють отримати абсолютно новий погляд на супутні захворювання, що порушує багато важливих питань: Яка роль інших TLR поза TLR5? Які кишкові розлади (наприклад, інфекції) можуть мати тривалий вплив на метаболічні захворювання? Які продукти метаболізму, отримані з мікробіоти, окрім SCFA, взаємодіють із вродженою імунною системою?

Окрім імунних та запальних механізмів, у зв'язку між мікробіотою кишечника та метаболічним синдромом можуть брати участь інші шляхи. Наша мікробіота виробляє ферменти, які розщеплюють всередину полісахариди, сприяючи тим самим засвоєнню поживних речовин (особливо вуглеводів), що призводить до посиленого ліпогенезу печінки, печінкової резистентності до інсуліну та гіперінсулінемії. Було продемонстровано, що велике споживання зернових волокон пов'язане зі зниженим ризиком розвитку T2D. Різні дієтичні компоненти, включаючи пшеничну клітковину, інулін, вівсяний β-глюкан або крохмаль із високим вмістом амілази, впливають на всмоктування глюкози, зменшують секрецію інсуліну, збільшують концентрацію інкретину Glp1 та збільшують вироблення та всмоктування SCFA (84 - 86). Однак жодне з цих досліджень не оцінювало вплив дієти на мікробіоти кишечника (84 - 86).

Мікробіота кишечника ссавців вивчалася десятиліттями, і поява нових технологій протягом останніх кількох років дозволило зробити великий стрибок уперед і породило важливі нові ідеї. Проте, ми все-таки все ще дряпаємо поверхню того, що - донедавна - потрібно було вважати «чорною скринькою». Хоча широкомасштабне секвенування генів 16S рибосомальної ДНК виявило величезні міжособистісні варіації та невід’ємну складність мікробіоти, новітні метагеномні підходи тепер дозволяють оцінити, що вміст мікробного гена в 150 разів більший за геном людини, і більшість ці гени мають невідому функцію. Зайве говорити, що ми навряд чи можемо уявити багато функціональних наслідків цього величезного генофонду для взаємних стосунків мікробіома з господарем. Крім того, ми все ще знаємо дуже мало про інші складові мікробного світу кишечника, такі як віруси та грибки, які можуть - подібно до бактеріальних компонентів - впливати на метаболізм господаря, імунітет та фізіологію в цілому.

Ключовим аспектом буде набути належного розуміння впливу навколишнього середовища на мікробіоти та наслідки таких структурних та функціональних змін у мікробіоті на метаболічні запалення. Ці дослідження вийдуть далеко за рамки початкових досліджень дієти, обговорених тут; наприклад, буде важливо виявити потенційні довгострокові наслідки антибіотикотерапії в різному віці життя. У цьому контексті, чи “мікробіота, що зникає”, як нещодавно запропонували Блазер та Фальков (4), відіграє роль у ожирінні та його наслідках? Дійсно вражає, що загальною темою, пов’язаною із такими різноманітними захворюваннями чи станами, як ожиріння та запальні захворювання кишечника, є суттєво знижена мікробна складність порівняно з кишковими мікробними спільнотами здорових суб’єктів (17, 20, 29, 87). Нещодавно оприлюднена стратегія «гуманізації» мишачої мікробіоти (44) може запропонувати великий потенціал для вивчення впливу навколишнього середовища на мікробіом в контексті конкретних генотипів хазяїна.

Зачаровує припущення, що мікробіом кишечника може містити критично важливий кишковий тригер, що пов’язує середовище та господаря при ожирінні. Трансплантація калу виявила багатообіцяючі результати у лікуванні Clostridium difficile інфекція (88) і може стати ще одним цікавим варіантом терапії ожиріння та метаболічного синдрому. Дійсно, перше невелике людське дослідження з питань трансплантації калу у пацієнтів з метаболічним синдромом, хоча поки представлене лише в абстрактній формі, натякнуло на покращення чутливості до інсуліну (89). Слід зазначити, що такий підхід може зіткнутися з багатьма підводними каменями та проблемами, такими як складність дієтичних факторів, підбір та підготовка донорів, терміни втручання, діючі ліки та попереднє лікування антибіотиками. Окрім ймовірних застережень пацієнтів та лікарів, є ще багато важливих питань, на які потрібно відповісти, перш ніж це можна буде перевірити ширшим чином.

В останні роки були охарактеризовані різні шляхи хазяїна, в основному, що виходять з епітеліальних клітин, які можуть опосередковувати вплив мікробіоти на метаболізм. До цих факторів належать Fiaf, Ampk, Gpr41, Gpr43, Glp2, ендоканабіноїдна система тощо. Взаємодія мікробного світу кишечника з його господарем та його взаємна регуляція стануть однією з важливих тем біомедичних досліджень і нададуть нам подальші уявлення про взаємодію мікробіоти, метаболізму, метаболічного синдрому та ожиріння. Краще розуміння взаємодії між певними дієтами та нашим мікробіомом кишечника людини повинно допомогти розробити нові настанови щодо годівлі людей у різні періоди їхнього життя, допомогти покращити глобальне здоров’я людини та встановити шляхи профілактики чи лікування різних захворювань, пов’язаних з харчовими продуктами. . Нарешті, ми повинні пам’ятати, що більшість обговорюваних тут даних, хоч і захоплюючі, базуються на дослідженнях на мишах, на яких зазвичай використовують тварин, що не мають нокаутів або мікробів. Їх значущість в біології людини вимагатиме набагато більше досліджень.

Робота в лабораторіях авторів підтримується Крістіан Допплерівським дослідницьким товариством (грант Х. Тілгу), Європейською дослідницькою радою (грант 260961; А. Казеру) та Національним інститутом досліджень охорони здоров’я Кембриджського центру біомедичних досліджень. Серія огляду ожиріння частково підтримується необмеженими освітніми грантами від Merck & Co. та Інституту наук про життя Мічиганського університету.

Конфлікт інтересів: Автори заявили, що конфлікту інтересів не існує.

Довідкова інформація: J Clin Invest. 2011; 121 (6): 2126–2132. doi: 10.1172/JCI58109.